CN110027655A - 自平衡两轮车辆 - Google Patents

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Abstract

在一个方面，提供一种自平衡两轮车辆，其具有主体，以及可旋转地联接到主体的第一轮和第二轮。第二轮具有可围绕轴线旋转的至少一个侧向滚轮，该轴线是相对于第二轮的旋转轴线倾斜或垂直的轴线。至少一个马达联接到第二轮以控制第二轮和至少一个侧向滚轮的旋转。至少一个传感器联接到主体以产生其取向数据。控制模块联接到至少一个马达以至少部分地基于由至少一个传感器产生的取向数据来控制至少一个马达的操作。

Description

自平衡两轮车辆
技术领域
本说明书总体上涉及两轮车辆。具体地，以下涉及自平衡两轮车辆。
背景技术
玩具车被构造成供大孩子和小孩子们娱乐。玩具车旨在模拟真实的现实世界车辆(诸如汽车、摩托车)等的运动。然而，在传统的两轮车辆(诸如摩托车)的情况下，通常提供额外的“训练”轮以使得两轮车辆能够在直立位置保持平衡。在一些情况下，通过遥控器或在移动设备上执行的应用程序来遥控这些玩具车，该移动设备与玩具车有线或无线通信以使得人们能够改变玩具车的行为。虽然这种玩具车模拟其现实世界的相应车辆的基本动作，但是由于现代电影和模拟游戏(诸如赛车游戏)中的效果，用户的期望已经提高。
发明内容
在一个方面，提供一种自平衡两轮车辆，其包括：主体，可旋转地联接到主体的第一轮，可旋转地联接到主体的第二轮，该第二轮具有可围绕轴线旋转的至少一个侧向滚轮，该轴线是相对于第二轮的旋转轴线倾斜或垂直的轴线；该自平衡两轮车辆还包括：联接到第二轮的至少一个马达，其控制第二轮和至少一个侧向滚轮的旋转，联接到主体以产生其取向数据的至少一个传感器，以及控制模块，该控制模块联接到至少一个传感器和至少一个马达，以至少部分地基于由至少一个传感器产生的取向数据来控制至少一个马达的操作。
第二轮可具有至少一个马达所联接的第一传动接口和第二传动接口，并且第一传动接口可以独立于第二传动接口旋转。所述至少一个马达中的第一马达可以联接到所述第一传动接口，并且所述至少一个马达中的第二马达可以联接到所述第二传动接口。第二轮可具有多个侧向滚轮。侧向滚轮的旋转可以至少部分地基于第一传动接口和第二传动接口的角速度的差异。每个侧向滚轮可以通过由至少一个齿轮啮合的传动传递构件旋转，所述至少一个齿轮中的每个齿轮经由第一传动接口和第二传动接口之一旋转。所述至少一个齿轮中的第一齿轮可以经由第一传动接口旋转，并且所述至少一个齿轮中的第二齿轮可以经由第二传动接口旋转。
第一传动接口可以完全控制后轮围绕后轮轴的旋转。
所述至少一个传感器可包括产生加速度数据的加速度计，并且所述控制模块可至少部分地基于从加速度计接收的加速度数据来控制所述至少一个马达的操作。
自平衡两轮车辆还可包括接收器，其联接到控制模块以将从遥控单元接收的操作命令传送到控制模块，遥控单元具有一组用户控制件并传送由致动用户控制件而产生的操作命令，控制模块至少部分地基于操作命令来控制至少一个马达。控制模块可以至少部分地控制至少一个马达，以将自平衡两轮车辆的重心保持在第一轮和第二轮与行驶表面的接触区域上方。第一轮可相对于主体枢转，并且第一轮的枢转可由控制模块至少部分地基于从遥控单元接收的操作命令来控制。第一轮的枢转可以至少部分地由控制模块来控制，以将自平衡两轮车辆的重心保持在第一轮和第二轮与行驶表面的接触区域上方。
操作命令可以包括前轮离地平衡特技命令，并且在从遥控单元接收到前轮离地平衡特技命令时，遥控单元可以控制第二轮在第一方向上远离第一轮加速并且随后在朝向前轮的第二方向上立即加速以使得自平衡两轮车辆重新取向，使得自平衡两轮车辆的重心在第二轮与行驶表面的接触区域上方，其中控制模块至少部分地控制至少一个马达以保持自平衡两轮车辆的重心在第二轮与行驶表面的接触区域上方。
附图说明
为了更好地理解本文所述的各种实施例并更清楚地示出它们如何实施，现在通过仅作为示例的方式参照附图，其中：
图1示出根据本发明一个实施例的具有复合轮的玩具摩托车；
图2是图1所示玩具摩托车的后部部分的局部分解视图；
图3是局部分解的图1所示复合轮的透视图；
图4示出驱动组合件，该驱动组合件联接到驱动图3所示复合轮的多个外围传递组合件的齿轮；
图5是图2所示玩具摩托车的后部部分的后部剖视图，示出复合轮的各种部件；
图6是图2所示玩具摩托车的后部部分的俯视剖视图，示出复合轮的各种部件；
图7示出处于行驶表面上的玩具摩托车；
图8是示出图1至图7所示玩具摩托车的各种电子部件的示意图；
图9示出图1至图7所示玩具摩托车的转向组合件；
图10示出图8所示遥控单元的操纵杆和操纵杆可以移动的方向区域；
图11A至图11D是图1至图7所示玩具摩托车的后轮的后视图，示出当操纵杆移动到图10中所示的不同方向区域时后轮的操作；
图12示出图1至图7所示玩具摩托车的弯道行进路径；
图13示出图1至图7所示玩具摩托车的旋转行进路径；
图14示出处于漂移驱动取向的图1至图7所示玩具摩托车；
图15示出操作成在后轮上平衡的图1至图7所示玩具摩托车；
图16是根据另一实施例的玩具摩托车的后轮的俯视剖视图；以及
图17是图16所示玩具摩托车的后轮和后轮支撑件的俯视剖视图，示出驱动后轮的驱动装置。
具体实施方式
为了进行简单和清楚的说明，在认为合适的情况下，附图标记可以在附图中重复以指示对应或类似的元件。另外，阐述了许多具体细节以便提供对本文所述实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和部件，以免混淆本文所述的实施例。此外，该描述不应被视为限制本文所述实施例的范围。
除非上下文另有说明，否则可以按如下方式阅读和理解本说明书中使用的各种词语：“或”如全文所使用的那样是包含性的，如同写为“和/或”；全文使用的单数冠词和代词包括其复数形式，以及反之全文使用的复数冠词和代词包括其单数形式；类似地，性别代词包括它们的对应代词，因此该代词不应被理解为限制本文所述的任何内容以由单一性别来使用、实施、执行等；“示例性”应被理解为“说明性的”或“示范性的”，并且不一定比其他实施例更“优选”。术语的进一步定义可在本文阐述；这些术语可以适用于那些术语的先前和后续实例，如将从阅读本说明书理解到的那样。
本文示例的执行指令的任何模块、单元、部件、服务器、计算机、终端、引擎或设备可以包括或以其他方式访问计算机可读介质，诸如存储介质、计算机存储介质或数据存储设备(可移动的和/或不可移动的)，诸如磁盘、光盘或磁带。计算机存储介质可以包括以用于存储信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动的介质，所述信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机存储介质的示例包括RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字通用盘(DVD)或其他光学存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备，或者可以用于存储所需信息并且可以由应用程序、模块或两者访问的任何其他介质。任何这样的计算机存储介质可以是设备的一部分或者可由设备访问或可连接到设备。此外，除非上下文另有明确说明，否则本文所述的任何处理器或控制器可以实现为单个处理器或多个处理器。多个处理器可以被排列或分布，并且本文提到的任何处理功能可以由一个或多个处理器执行，即使可能用示例示出的是单个处理器。本文描述的任何方法、应用或模块可以使用计算机可读/可执行指令来实现，该指令可以由这样的计算机可读介质存储或以其他方式保存并由一个或多个处理器执行。
提供一种自平衡两轮车辆。两轮车辆是任何类型的车辆，其具有两个轮作为其在正常操作期间的唯一与地面接触的装置，用于在行驶表面上行进和停放在行驶表面上，行驶表面诸如地板、道路、泥路等。这两个轮至少有时“对齐”；也就是说，它们经常处在一个公共平面中。两轮车辆的示例包括自行车和摩托车，其前轮在被取向为直线行驶时与其后轮处在一个公共平面中。
两轮车辆具有主体，以及可旋转地联接到主体的第一轮和第二轮。第二轮具有至少一个可绕轴线旋转的侧向滚轮，该轴线是相对于第二轮的旋转轴线倾斜或垂直的轴线。至少一个马达联接到第二轮以控制第二轮和至少一个侧向滚轮的旋转。至少一个传感器联接到控制模块并产生取向数据。控制模块联接到至少一个马达，以至少部分地基于由至少一个传感器产生的取向数据来控制至少一个马达的操作。
通过至少部分地基于由至少一个传感器产生的取向数据来控制第二轮和至少一个侧向滚轮的旋转，可以保持两轮车辆的直立取向，否则的话两轮车辆将通常不能在直立位置(即，仅有它的两个轮接触行驶表面)保持其平衡。
此外，可以由两轮车辆执行各种动作。例如，两轮车辆可以模拟“漂移”运动，其中后轮可能看起来沿着不与其旋转轴线垂直的路径行进。此外，两轮车辆还可以配置成执行“前轮离地平衡特技(wheelie)”，其中两轮车辆被重新取向，使得两轮车辆在其后轮上保持其自身平衡。
图1示出根据一个实施例的自平衡两轮车辆。该自平衡两轮车辆是玩具摩托车20，其具有前轮28，前轮28经由前轮支撑件联接到主体24，该前轮支撑件为一组叉形件32的形式。前轮28围绕轮轴36自由旋转，轮轴36保持在叉形件32之间。叉形件32相对于玩具摩托车20的主体24固定在固定的位置和取向。后轮40可旋转地联接到从主体24延伸的后轮支撑件44。骑乘者人偶48在骑乘位置定位在主体24上方，抓住连接到叉形件32的车把，如同是在驾驶玩具摩托车20那样。
图2示出在移除后轮支撑件覆盖件46之后的后轮支撑件44内的驱动装置52。驱动装置52包括第一后轮控制马达56a(为了简单起见，其可称为第一马达56a)，该第一后轮控制马达56a具有传动齿轮60，该传动齿轮60与四个中间传动齿轮64a至64d中的第一齿轮啮合，所述四个中间传动齿轮64a至64d联接在一起以将扭矩从第一马达56a传递至后轮40的第一侧(左侧)。第四中间传动齿轮64d可旋转地安装在后轮轴68上。驱动装置52还包括第二后轮控制马达56b(为了简单起见，其可称为第二马达56b)，第二后轮控制马达56b驱动另一组中间传动齿轮，所述中间传动齿轮联接在一起以将扭矩从第二马达56b传递到后轮40的第二侧(右侧)。第一马达56a和第二马达56b是电池供电的电动马达，如将在下面所述的那样。虽然在所示的实施例中，在每侧采用四个中间传动齿轮，但是在替代实施例中可以采用具有其他数量的传动齿轮的其他驱动装置。在另一个实施例中，马达可以直接联接到后轮的侧面。
现在将结合图2至图6来描述后轮40的结构及其与驱动装置52一起的操作。后轮40是复合轮，因为其至少部分部件不是简单地围绕后轮40的旋转轴线RA旋转，而是以其他方式运动，如将在下面所述的那样。第四中间传动齿轮64d具有与轮接合的突起66，其具有朝向后轮40延伸的矩形轮廓。与轮接合的突起66被接收在传动接口的具有类似轮廓的凹部72内，传动接口为从也可旋转地安装在后轮轴68上的第一(左侧)齿轮盘80a向外延伸的突起托架76的形式。与轮接合的突起66接合突起托架76的凹部72的内侧，使得第四中间传动齿轮64d的旋转导致第一齿轮盘80a旋转。可以采用用于将扭矩从驱动装置传递到第一齿轮盘80a的任何其他合适的配置。第一齿轮盘80a用作齿轮并具有沿其圆形周边向内延伸的带齿的齿轮面84a。
第二齿轮盘80b具有为突起托架76形式的传动接口，其类似地由第二组中间传动齿轮64e至64h中的第四中间传动齿轮64h的与轮接合的突起66接合。第二齿轮盘80b和第四中间传动齿轮64h都可旋转地安装在后轮轴68上。第二齿轮盘80b用作齿轮并具有沿其圆形周边向内延伸的带齿的齿轮面84b，类似于第一齿轮盘80a的齿轮面84a。
传动接口使得马达56a、56b能够控制后轮40的操作。在该具体实施例中，传动接口使得马达56a、56b能够控制齿轮盘80a、80b的操作，而齿轮盘80a、80b控制后轮40的操作，如本文所述的那样。虽然在于此所示和所述的实施例中，传动接口是非圆形传动凹部，但是可以采用任何其他合适的一个或多个特征，用于使得马达56a、56b能够控制后轮40的操作，诸如一组一个或多个突起、一组两个或更多个凹部，或凹部和突起的组合。
在替代实施例中，可以采用单个马达并使用可变传动装置来为每个齿轮盘80a、80b提供不同的扭矩以代替两个马达。
由第一支撑框架部分88a和第二支撑框架部分88b制成的支撑框架位于第一齿轮盘80a和第二齿轮盘80b中间。支撑框架可自由旋转地安装在后轮轴68上。支撑框架部分88a、88b限定八个凹部。传动传递构件96可自由旋转地安装在支撑框架的每个凹部内。每个传动传递构件96具有截头圆锥形齿轮100，其尺寸定制成配合在第一齿轮盘80a的齿轮面84a和第二齿轮盘80b的齿轮面84b之间并与齿轮面84a、84b啮合。为外围齿轮面104形式的滚轮控制元件经由颈部108联接到截头圆锥形齿轮100，颈部108可自由旋转地固定在支撑框架部分88a、88b之间。传动传递构件96安装在支撑框架的凹部内，使得它们围绕垂直于后轮40的旋转轴线RA但不与其相交的轴线旋转。在一些替代实施例中，传动传递构件96可以安装成使得它们围绕相对于后轮40的旋转轴线RA位于径向上的轴线旋转。在一些替代实施例中，传动传递构件96可以安装在支撑框架的与后轮40的旋转轴线RA垂直的轮轴上。
两个轮壳部分116固定到支撑框架部分88a、88b，并且可自由旋转地安装在齿轮盘80a、80b的突起托架76的圆柱形外部上。两个轮壳部分116配合在一起以形成轮壳。轮壳部分116在其中具有可旋转地支撑八个轮轴124的结构，所述八个轮轴124与由壳部分116形成的壳中的相应孔对准。滚轮毂125安装在每个轮轴124上。每个滚轮毂125具有与相应的传动传递构件96的外围齿轮面104啮合的滚轮齿轮面140。经由外围齿轮面104与滚轮齿轮面140的啮合，传动传递构件96的旋转转换成滚轮毂125的旋转。两个滚轮支撑件128安装在滚轮毂125上，并且侧向滚轮132定位在每个滚轮支撑件128上方。侧向滚轮132围绕轮轴124的中心轴线RRA旋转，该中心轴线RRA垂直于齿轮盘80a、80b的旋转轴线RA。在替代实施例中，侧向滚轮可设计成围绕相对于齿轮盘的旋转轴线RA倾斜的轴线旋转。侧向滚轮132具有带有弧形轮廓的外表面136，并且优选地由柔软的防滑材料(诸如橡胶或聚氨酯)制成。穿过壳孔126突出的侧向滚轮132的布置和外表面136的弧形轮廓使得弧形轮廓限定后轮40的大致圆形的外部轮廓。
侧盖板144覆盖每个轮壳部分116的开口侧。
后轮40的操作由马达56a、56b控制，马达56a、56b用于驱动第一齿轮盘80a和第二齿轮盘80b彼此独立地旋转。马达56a经由中间传动齿轮64a至64d将扭矩传递至第一齿轮盘80a，从而控制其相对于玩具摩托车20的主体24的旋转。类似地，马达56b经由中间传动齿轮64e至64h将扭矩传递至第二齿轮盘80a，从而控制其相对于主体24的旋转。齿轮盘80a、80b围绕后轮轴68旋转，并且因此旋转轴线RA与后轮轴68同轴。当每个齿轮盘80a、80b旋转时，其相应的齿轮面84a、84b推动传动传递构件96的截头圆锥形齿轮100的齿沿相同的角度方向移动。
为了使后轮40用作常规的轮，马达56a、56b操作成以使第一齿轮盘80a和第二齿轮盘80b围绕后轮轴68以相同的角速度旋转(即，以相同的角速度和方向旋转)。当齿轮盘80a、80b的齿轮面84a、84b同时以相同的角速度旋转时，它们与传动传递构件96的截头圆锥形齿轮100的齿啮合，将截头圆锥形齿轮100捕获在它们之间。传动传递构件96在支撑框架部分88a、88b之间的凹部内自由地旋转，支撑框架部分88a、88b可围绕后轮轴68自由旋转。因此，传动传递构件96的被捕获的截头圆锥形齿轮100在齿轮盘80a、80b旋转时随齿轮盘80a、80b旋转。侧向滚轮132的外表面136提供一定程度上连续的表面，该一定程度上连续的表面模拟常规摩托车轮胎的行驶表面。在该模式中，马达56a、56b可以操作成使得齿轮盘80a、80b在第一角度(向前旋转)方向上以相同的角速度旋转导致后轮40旋转以向前驱动玩具摩托车20，或者使得齿轮盘80a、80b在第二角度(向后旋转)方向上以相同的角速度旋转导致后轮40旋转以向后驱动玩具摩托车20。
马达56a、56b也可以操作成以使第一齿轮盘80a以与第二齿轮盘80b不同的角速度围绕后轮轴68旋转。即，第一齿轮盘80a的旋转角速度和角度方向中的至少一个与第二齿轮盘80b不同。齿轮盘80a、80b之间的角速度差异导致齿轮盘80a、80b的齿轮面84a、84b相对于彼此旋转。当齿轮盘80a、80b相对于彼此旋转时，齿轮面84a、84b使得传动传递构件96的所有截头圆锥形齿轮100同时旋转。传动传递构件96围绕其旋转轴线以与齿轮盘80a、80b的角速度的差异成比例的速率旋转。
传动传递构件96和侧向滚轮132用作外围传递组合件，以将由齿轮盘80a、80b施加的扭矩传递至侧向滚轮132，以导致侧向滚轮132旋转。当传动传递构件96旋转时，旋转的外围齿轮面104的边缘与侧向滚轮32上的周向凹部图案140的接合使得侧向滚轮132根据传动传递构件96的旋转方向和速度进行旋转，从而将传动传递构件96围绕它们的旋转轴线的扭矩传递到侧向滚轮132。此外，支撑框架部分88a、88b和位于其间的传动传递构件96围绕后轮轴68以角速度旋转，该角速度是齿轮盘80a、80b的角速度的平均值。
图7示出位于行驶表面224上的玩具摩托车20。玩具摩托车20的后轮40可以操作成以相对于行驶表面224在向前方向RF上或在向后方向RB上并且同时在向左方向RL或向右方向RR上驱动后轮40，如将在下面论述的那样。
图8示出玩具摩托车20的各种物理和/或逻辑部件，其用于控制玩具摩托车20的运动。控制模块228联接到电池单元232、联接到控制第一齿轮盘80a旋转的左后轮控制马达56a、联接到控制第二齿轮盘80b旋转的右后轮控制马达56b，并联接到前轮转向马达242。为了简单起见，左后轮控制马达56a和右后轮控制马达56b可分别被简称为左马达56a和右马达56b。前轮转向马达242控制叉形件32的枢转，并因此控制前轮28的枢转。一组传感器248联接到控制模块228。传感器248包括用于确定玩具摩托车20的取向的取向传感器和用于确定其加速度的惯性测量单元(“IMU”，Inertial Measurement Unit)。电池单元232包括一个或多个电池，用于为左马达56a和右马达56b以及控制模块228和传感器248供电。控制模块228控制每个马达56a、56b的旋转方向，以及其旋转速度。这样，控制模块228控制由电池单元232供应的电力。RF接收器252联接到控制模块228，用于通过由遥控单元256发送的射频信号接收操作命令。
如所示，遥控单元256具有一组用户控制件，包括方向盘260、操纵杆264和前轮离地平衡特技按钮268。响应于用户与控制件的交互，遥控单元256产生操作命令，诸如“左转x单位”、“以y速度单位向前驱动并以z速度单位向左驱动”(其中单位由控制模块228解释)，以及“执行前轮离地平衡特技”。虽然本实施例中的遥控单元256通过射频传送操作命令，但遥控单元256可以通过其他实施例中的有线通信、蓝牙或任何其他合适的方式与玩具摩托车20通信。
图9示出玩具摩托车20的转向组合件272。转向组合件272包括前轮转向马达242，其由操作命令控制，所述操作命令为由作为转动方向盘260的结果由遥控单元256(图8)产生的转向命令的形式。两个刚性转向杆280(图9)可枢转地联接到由前轮转向马达242驱动的马达输出构件284的横向相对端。转向杆280可枢转地联接到头部组合件32的相对侧，使得由前轮转向马达242使得马达输出构件284在第一方向或第二方向上的枢转使头部组合件32(在第一方向或第二方向上)枢转，从而使前轮28枢转(图7)。可选地设置定中弹簧287，使得当由用户释放方向盘260(图8)时，前轮转向马达242可以被断电，并且定中弹簧287(图9)使得头部组合件32返回到原始位置，在该原始位置，前轮28(图7)指向正前方。
现在参照图7、图8和图10，当未在另一个方向上被推动时，操纵杆264被偏置以返回到中心位置C。操纵杆264具有两个运动自由度。当操纵杆264远离中心位置C枢转时，遥控单元256将作为驱动命令形式的操作命令发送到玩具摩托车20，以控制玩具摩托车20的联接到两个齿轮盘80a、80b的马达的操作(未示出，但在设计和操作上类似于图1所示玩具摩托车20的马达56a、56b)。操纵杆264沿向前方向288或向后方向290的枢转控制齿轮盘80a的平均旋转速度。类似地，操纵杆264沿向左方向292或向右方向294的枢转控制齿轮盘80a的旋转速度的差异。操纵杆264可以同时沿向前方向288或向后方向290以及向左方向292或向右方向294远离中心移动，以同时向前或向后以及向左或向右驱动后轮40。操纵杆264在向前方向288或向后方向290上远离中心位置C的枢转受到的阻力小于操纵杆264在向左方向292或向右方向294上远离中心的移动受到的阻力，以便需要用户有意识的努力来导致横向移动并避免意外的横向移动。
图10示出操纵杆264的位置与图11A至图11D中所示的齿轮盘80a、80b的旋转方向之间的映射。
图11A至图11D是后轮40的示出其操作的后视图，其中两个齿轮盘80a沿向前旋转方向旋转(即，后轮40的旋转方向使得在表面上向前驱动后轮40)、两个齿轮盘80a沿向后旋转方向旋转(即，轮的旋转方向使得使得车辆向后移动)、第一齿轮盘80a沿向前旋转方向旋转且第二齿轮盘80b沿向后旋转方向旋转，以及第一齿轮盘80a沿向后旋转方向旋转且第二齿轮盘80b沿向前旋转方向旋转。
第一齿轮盘80a和第二齿轮盘80b的后周边的角速度分别被示为v1和v2。当与行驶表面224接触以提供后轮40的地面接触表面的侧向滚轮132以齿轮盘80a、80b的平均角速度围绕后轮轴68旋转时，后轮40在向前方向RF或向后方向RB上的运动由齿轮盘80a、80b的平均角速度决定。如果该平均角速度(即，v1和v2的平均值)表示后轮40在向前旋转方向上的旋转(即，在后轮40的旋转方向上的旋转以在表面上向前驱动后轮40)，则后轮40至少部分地沿向前方向RF移动。备选地，如果平均角速度表示后轮40在向后旋转方向上的旋转(即，在后轮40的旋转方向上的旋转以在表面上向后驱动后轮40)，则后轮40至少部分地在向后方向RB上移动。后轮40沿向前方向RF或向后方向RB移动的速度与齿轮盘80a、80b的平均角速度的速度分量成比例。如果平均角速度为零，则玩具摩托车20既不被后轮40向前驱动也不被后轮40向后驱动。
类似地，后轮40在向左方向RL或向右方向RR上的移动由齿轮盘80a的角速度v1和齿轮盘80b的角速度v2的差异确定。如果角速度v1和v2相等，则后轮40不被侧向驱动。相反，如果角速度v1和v2不相等，则侧向滚轮132也围绕与后轮40的旋转轴线RA垂直的轴线旋转，以侧向地驱动后轮40。具体地，如果v1在向前旋转方向上大于v2，则侧向滚轮132旋转以使后轮40在向左方向RL上以与v1和v2之间的差异相关的速度平移。相反，如果v1在向前旋转方向上小于v2，则侧向滚轮132旋转以使后轮40在向右方向RR上以与v1和v2之间的差异相关的速度平移。
通常情况下，后轮40在行驶表面224上的驱动力是由于齿轮盘80a、80b的平均角速度而沿向前方向RF或向后方向RB的驱动力以及由于齿轮盘80a、80b的角速度的差异而言沿向左方向RL或向右方向RR的驱动力的组合。因此，后轮40可以在与后轮40的旋转轴线RA垂直的向前或向后方向RF上、在与后轮40的旋转轴线RA平行的向右方向RR或向左方向RL上，以及在另一个方向上驱动，该另一个方向是向前方向RF或向后方向RB以及向右方向RR或向左方向RL的组合，因此相对于后轮40的旋转轴线RA倾斜。
图11A示出两个齿轮盘80a的后周边分别以角速度v1和v2在向前旋转方向上旋转。当平均角速度将在向前旋转方向上时，将在行驶表面224上沿向前方向RF驱动后轮40。后轮40也可以同时受到侧向驱动，这取决于v1和v2之间的差异。
图11B示出两个齿轮盘80a的后周边分别以角速度v1和v2在向后旋转方向上旋转。当平均角速度将在向后旋转方向上时，将在行驶表面224上沿向后方向RB驱动后轮40。后轮40也可以同时受到侧向驱动，这取决于v1和v2之间的差异。
图11C示出第一齿轮盘80a的后周边以角速度v1在向前旋转方向上旋转以及第二齿轮盘80b的后周边以角速度v2在向后旋转方向上旋转。如果平均角速度(即，v1和v2的平均值)表示后轮40在向前旋转方向上的旋转，则后轮40在向前方向RF上驱动。备选地，如果平均角速度表示后轮40在向后旋转方向上的旋转，则后轮40在向后方向RB上驱动。后轮40在向前方向RF或向后方向RB上驱动的速度与齿轮盘80a、80b的平均角速度的速度分量成比例。另外，后轮40还同时在由v1和v2之间的差异确定的方向上以与v1和v2之间的差异成比例的速度侧向驱动。
图11D示出第一齿轮盘80a的后周边以角速度v1在向后旋转方向上旋转，以及第二齿轮盘80b以角速度v2在向前旋转方向上旋转。如果平均角速度表示后轮40在向前旋转方向上的旋转，则后轮40在向前方向RF上驱动。备选地，如果平均角速度表示后轮40在向后旋转方向上的旋转，则后轮40在向后方向RB上驱动。后轮40在向前方向RF或向后方向RB上驱动的速度与齿轮盘80a、80b的平均角速度的速度分量成比例。另外，后轮40还同时在由v1和v2之间的差异确定的方向上以与v1和v2之间的差异成比例的速度侧向驱动。
现在参照图7至图11D，使用遥控单元256，用户可以在玩具摩托车20开启时并且处于直立位置时控制玩具摩托车20在行驶表面上执行各种动作，诸如通过使操纵杆264在向前方向288或向后方向290上枢转而直线向前或向后行进。
玩具摩托车20通过控制模块228控制后轮控制马达56a、56b和前轮转向马达242而在直立方向上自平衡。控制模块228从传感器248接收取向和加速度数据，以及从遥控单元256接收驱动命令，并确定如何控制复合后轮40和控制前轮28枢转的前轮转向马达242的操作，以保持玩具摩托车20直立。通过齿轮盘80a、80b的独立操作，可以控制复合后轮40向后或向前驱动，以及同时向左或向右驱动，并且前轮28可以操作成枢转以保持重心大致在前轮28、后轮40与行驶表面224之间的接触区域上方。
当玩具摩托车20被开启、允许校准并且直立放置在行驶表面上时，控制模块228从传感器248接收取向和加速度数据，并且作为响应，确定如何改变对左马达56a、右马达56b和前轮转向马达242的控制，以将玩具摩托车20的重心保持在轮28、40与行驶表面224的接触区域上方。这可以包括改变或者忽略从遥控单元256接收的操作命令。
图12示出玩具摩托车20的操作，使得玩具摩托车20看似以S形模式进行一系列交替转弯。玩具摩托车20可以通过经由遥控单元256的方向盘260使得前轮28转向，同时分别沿向前方向288或向后方向290枢转操纵杆264，而沿着S形路径向前或向后行进。
这种一般性的动作也可以通过保持前轮笔直(通过不转动遥控单元256上的方向盘260)和通过在操纵杆264被在向前方向288或向后方向290上推动的同时使得操纵杆264在中心C的左右之间交替运动来实现。这使得后轮40交替地来回摆动。因此，由于后轮40能够侧向移动，因此可以模仿前轮转向。
图13示出玩具摩托车20通过后轮40的操作围绕前轮28旋转，以使得齿轮盘80a、80b的平均角速度为零，但左齿轮盘80a在向前旋转方式上旋转，以及右齿轮盘80b在向后旋转方向上旋转，如图11C中所示。
图14示出玩具摩托车20被操作成通过在一个方向MF(即，左或右)上转向前轮28并且使后轮40在向前方向和在其中使用操纵杆264使前轮28转向的相同方向上进行移动来模拟“漂移”或受控过度转向。结果，后轮40在相对于后轮40的旋转轴线RA倾斜的方向DD上移动。
图15示出执行“前轮离地平衡特技”的玩具摩托车20，其中玩具摩托车20被重新取向以仅在后轮40上行进。这是通过致动遥控单元256的前轮离地平衡特技按钮268来实现的。在前轮离地平衡特技按钮268致动时，在接收到为由遥控单元256产生的前轮离地平衡特技命令形式的操作命令时，控制模块控制马达56a、56b使玩具摩托车20直接向后加速达设定的时间或直到达到最小速度，然后快速向前加速。玩具摩托车20的上部部分的惯性抵制向前加速，并且玩具摩托车20被重新取向，使得玩具摩托车20仅在后轮40上平衡(即，执行前轮离地平衡特技)。控制模块228确定如何控制马达56a、56b以将玩具摩托车20的重心保持在前轮28和后轮40与行驶表面224的接触区域上方。因为在该取向上，前轮28与行驶表面224没有接触，所以控制模块228将玩具摩托车20的重心保持在后轮40与行驶表面224的接触区域上方。后轮40可以在向前方向RF或向后方向RB上移动，以及在向左方向RL或向右方向RR上移动，或者在向前方向RF或向后方向RB以及向左方向RL或向右方向RR的任意组合方向上移动，以便将重心保持在后轮40与行驶表面224的接触区域上方。
备选地，用户可以使用操纵杆264来执行相同的动作序列而无需致动前轮离地平衡特技按钮268。此外，玩具摩托车20可以放置在表面上，使得玩具摩托车20总体上在前轮离地平衡特技取向(即，其重心位于其后轮40与行驶表面224的接触区域上方)上，并且控制模块228可识别其取向并控制马达56a、56b和前轮转向马达242来保持这种取向。在这种情况下，控制模块228可以识别前轮离地平衡特技取向(即，当重心位于后轮40与行驶表面的接触区域上方时玩具摩托车20的取向)并且控制后轮40(以及在某些情况下控制前轮的枢转)来将重心保持在后轮40与行驶表面的接触区域上方。
现在参照图7至图15，在执行所有这些动作期间，控制模块228连续地处理来自传感器248的取向和加速度信息，并确定如何通过调节控制复合后轮40的左马达56a和右马达56b的操作以及控制前轮28枢转的前轮转向马达242的操作来保持重心在轮28、40与行驶表面224的接触区域上方。结果，两轮玩具摩托车20能够保持其自身直立，要不然玩具摩托车20将会翻倒。
图16和图17示出根据另一个实施例的玩具摩托车的复合后轮300。复合后轮300具有外壳304，其类似于的后轮40的由图1至图6所示玩具摩托车20的壳部分116形成的壳，除了少数例外。外壳304通过第一侧的为非圆形传动凹部308形式的传动接口来驱动，并且具有毂312，其中毂312具有固定取向。毂312具有多个径向轮轴316，其顶部可自由旋转地安装一组传动传递构件320。外壳304的内部固定有定位环324，该定位环324具有一组孔，传动传递构件320的颈部328固定在所述孔中。每个传动传递构件320具有外围齿轮面332，其以与图1至图7中所示实施例类似的方式使得侧向滚轮336在滚轮轮轴338上转动。侧向滚轮336相对于外壳304处于固定位置处。
齿轮盘340可自由旋转地定位在外壳304内，并且具有突起托架344，突起托架344延伸穿过外壳304的第二侧中的圆孔。突起托架344具有为非圆形传动凹部348形式的传动接口以用于驱动齿轮盘340。齿轮盘340具有齿轮面352，齿轮面352与传动传递构件320的截头圆锥形齿轮356啮合。
毂312和齿轮盘340可自由旋转地安装在后轮轴360上，后轮轴360固定到后轮支撑件364。第一驱动装置368a包括马达(被遮挡)并且联接到齿轮盘340以驱动齿轮盘340。第二驱动装置368b包括马达372并且联接到外壳304以驱动外壳304。第二驱动装置368b驱动后轮300的旋转并因此驱动一组侧向滚轮336围绕后轮300的旋转轴线RA的旋转。
如果齿轮盘340以与外壳304相同的角速度旋转，则带齿的齿轮面352不会相对于传动传递构件320的截头圆锥形齿轮356移动。结果，侧向滚轮336不围绕滚轮轮轴338旋转以侧向驱动后轮300。相反，如果齿轮盘340以与外壳304不同的角速度旋转，则带齿的齿轮面352相对于传动传递构件320的截头圆锥形齿轮356旋转，使它们围绕滚轮轮轴338旋转以便侧向驱动后轮。因此，从驱动装置的角度来看，后轮300以与图1至图6所示玩具摩托车20的后轮40以及图7所示玩具摩托车20的后轮40大致相同的方式被驱动，只是相对于由第二驱动装置368b施加到外壳304的角速度由第一驱动装置368a施加到齿轮盘340的向前角速度更大，从而导致在向右方向RR上的侧向移动。
在替代实施例中，可以提供类似于图1至图15所示玩具摩托车20的玩具摩托车，其不具有控制前轮取向的转向机构，如图1至图15的玩具摩托车。即，该替代实施例中的玩具摩托车的前轮相对于其主体处于固定的取向。没有前轮取向控制的玩具摩托车可以仅通过控制其马达来保持其重心位于前轮和后轮与行驶表面之间的接触区域上方，所述马达(类似于图1至图15所示玩具摩托车20的马达56a、56b)操作其复合后轮。该替代实施例中的玩具摩托车能够执行与图1至15所示玩具摩托车20相同的所有动作，但是由于其前轮处于固定的取向，该玩具摩托车可能不具备玩具摩托车20在模拟漂移动作时的稳定性。
在一些实施例中，自平衡两轮车辆的传感器可以只确定取向，并且控制模块可以仅使用取向数据来确定如何控制后轮驱动马达和前轮转向马达。
前轮也可以像后轮一样构造和控制。
可以使用可旋转的单个连续侧向滚轮代替多个侧向滚轮。在这种情况下，单个连续侧向滚轮围绕其旋转的轴线是弯曲轴线，该弯曲轴线总体上在每个点处与第二轮的旋转轴线垂直。
虽然已经示出后轮包括一个或多个侧向滚轮并且由至少一个后轮控制马达来控制，并且前轮可选地可通过前轮转向马达来转向，但是备选地可能的是自平衡车辆具有不同的结构，其中后轮是可枢转的并且由后轮转向马达来控制，并且前轮包括由至少一个前轮控制马达驱动的侧向滚轮。因此，通过枢转而转向的轮不必是前轮，并且可以被称为第一轮，而包括侧向滚轮的另一轮可以被称为第二轮。类似地，前轮转向马达可以被称为第一轮转向马达，并且类似地，至少一个后轮控制马达(例如，第一后轮控制马达和第二后轮控制马达)可以被称为至少一个第二轮控制马达或者联接到第二轮的至少一个马达。
本领域技术人员将理解的是，可能存在更多替代实施方式和变型，并且上述示例仅仅是一个或多个实施方式的说明。因此，范围仅由所附权利要求进行限制。

Claims (14)

1.一种自平衡两轮车辆，其特征在于，包括：
主体；
可旋转地连接到主体的第一轮；
可旋转地连接到主体的第二轮，该第二轮具有可围绕滚轮轴线旋转的至少一个侧向滚轮，该滚轮轴线是相对于第二轮的旋转轴线倾斜或垂直的轴线；
联接到第二轮的至少一个马达，其控制第二轮和至少一个侧向滚轮的旋转；
联接到主体以产生其取向数据的至少一个传感器；
控制模块，所述控制模块联接到至少一个传感器和至少一个马达，以至少部分地基于由至少一个传感器产生的取向数据来控制至少一个马达的操作。
2.根据权利要求1所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述第二轮具有至少一个马达所联接的第一传动接口和第二传动接口，第一传动接口能够独立于第二传动接口旋转。
3.根据权利要求2所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述至少一个马达中的第一马达联接到所述第一传动接口，并且所述至少一个马达中的第二马达联接到所述第二传动接口。
4.根据权利要求3所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述第二轮具有多个侧向滚轮。
5.根据权利要求4所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述侧向滚轮的旋转至少部分地基于第一传动接口和第二传动接口的角速度的差异。
6.根据权利要求5所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，每个侧向滚轮通过由至少一个齿轮啮合的传动传递构件旋转，所述至少一个齿轮中的每个齿轮经由第一传动接口和第二传动接口之一旋转。
7.根据权利要求6所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述至少一个齿轮中的第一齿轮经由第一传动接口旋转，并且所述至少一个齿轮中的第二齿轮经由第二传动接口旋转。
8.根据权利要求2所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述第一传动接口完全控制后轮围绕后轮轴的旋转。
9.根据权利要求1所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述至少一个传感器包括产生加速度数据的加速度计，并且其中所述控制模块至少部分地基于从加速度计接收的加速度数据来控制所述至少一个马达的操作。
10.根据权利要求1所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述自平衡两轮车辆还包括：
接收器，其联接到控制模块以将从遥控单元接收的操作命令传送到控制模块，遥控单元具有一组用户控制件并传送由致动用户控制件而产生的操作命令；
其中控制模块至少部分地基于操作命令来控制至少一个马达。
11.根据权利要求10所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述控制模块至少部分地控制至少一个马达，以将自平衡两轮车辆的重心保持在第一轮和第二轮与行驶表面的接触区域上方。
12.根据权利要求11所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述第一轮能够相对于主体枢转，并且其中第一轮的枢转由控制模块至少部分地基于从遥控单元接收的操作命令来控制。
13.根据权利要求12所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述第一轮的枢转至少部分地由控制模块来控制，以将自平衡两轮车辆的重心保持在第一轮和第二轮与行驶表面的接触区域上方。
14.根据权利要求11所述的自平衡两轮车辆，其特征在于，所述操作命令包括前轮离地平衡特技命令，并且其中在从遥控单元接收到前轮离地平衡特技命令时，遥控单元控制第二轮在第一方向上远离第一轮加速并且随后在朝向前轮的第二方向上立即加速以使得自平衡两轮车辆重新取向，使得自平衡两轮车辆的重心在第二轮与行驶表面的接触区域上方，其中控制模块至少部分地控制至少一个马达以保持自平衡两轮车辆的重心在第二轮与行驶表面的接触区域上方。
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