DE112009005243B4 - Inverses Pendelfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Inverses Pendelfahrzeug (1), umfassend:einen Basisrahmen (2, 150), welcher mit einer Antriebseinheit (3) versehen ist;ein Hauptrad (85), welches in einem unteren Teil (22) des Basisrahmens (2, 150) vorgesehen ist, und konfiguriert ist, um in Umfangsrichtung durch die Antriebseinheit (3) betätigt zu werden;eine Fahrertrageeinheit (4), welche in dem Basisrahmen (2, 150) vorgesehen ist, zum Tragen eines Fahrers des inversen Pendelfahrzeugs (1); undeine Vorwärtsbewegungssteuereinheit zum Vorwärtstreiben des inversen Pendelfahrzeugs (1) durch Steuern einer Antriebskraft in Umfangsrichtung, welche auf das Hauptrad (85) entsprechend einem Zustand des inversen Pendelfahrzeugs (1) aufgebracht wird, und zum Halten des inversen Pendelfahrzeugs (1) in einer aufrechten Stellung;wobei in einem Zustand, in dem der Fahrer auf der Fahrertrageeinheit (4) positioniert ist,die Vorwärtsbewegungssteuereinheit das inverse Pendelfahrzeug (1) steuert, damit das inverse Pendelfahrzeug (1) in einer Stellung verbleibt bei der ein Punkt (P) einer Bodenkontaktfläche, welche von einer Minimum-Hauptträgheitsachse (B) des inversen Pendelfahrzeugs (1) geschnitten wird, vor einem Bodenkontaktpunkt (Q) des Hauptrads (85) liegt, indem die Minimum-Hauptträgheitsachse des inversen Pendelfahrzeugs (1) nach hinten hinsichtlich einer vertikalen Lotlinie gekippt ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein inverses Pendelfahrzeug, welches konfiguriert ist, um zu fahren, während eine aufrechte Stellung aufrechterhalten wird, und insbesondere ein inverses Pendelfahrzeug, welches auf einem einzigen Rad fährt, welches aus einem Antriebsrad besteht, und welches die Fahrtrichtung ändern kann.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bekannt ist ein inverses Pendelfahrzeug, welches ein Paar von Antriebseinheiten aufweist, welche individuell durch elektrische Motoren betätigt werden, und ein Hauptrad, welches zwischen den Antriebseinheiten gehalten wird, und welches durch die Antriebseinheiten reibend angetrieben wird. Siehe zum Beispiel Patentdokument 1. Das Hauptrad, welches in Patentdokument 1 offenbart ist, weist ein ringförmiges Ringelement und eine Vielzahl von angetriebenen Rollen auf, welche entlang des Umfangs des Ringelements angeordnet sind, um so um eine axiale Linie parallel zu den jeweiligen Tangentiallinien des Ringelements herumdrehbar zu sein, und die angetriebenen Rollen werden durch die Antriebseinheiten angetrieben, die die angetriebenen Rollen in Eingriff nehmen. Wenn die angetriebenen Rollen um die Drehachsenlinien herum gedreht werden, welche sich in den Tangentialrichtungen des Ringelements erstrecken, wird das inverse Pendelfahrzeug in der lateralen Richtung vorwärtsgetrieben. Wenn die angetriebenen Rollen in der Umfangsrichtung des Ringelements gedreht werden, wird das inverse Pendelfahrzeug in der Längsrichtung vorwärtsgetrieben.
  • DOKUMENT(E) DES STANDES DER TECHNIK
  • PATENTDOKUMENT(E)
    • Patentdokument 1: WO 2008/ 132 779 A1
    • Patentdokument 1: WO 2008/ 139 740 A1
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • AUFGABE, DIE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN IST
  • Da dieses inverse Pendelfahrzeug auf einem einzigen Rad fährt und eine aufrechte Stellung aufrechterhalten werden kann, sogar, wenn das Fahrzeug mit einer niedrigen Geschwindigkeit fährt oder vollständig stationär ist, ist das Fahrzeug in der Lage, an engen Stellen frei zu manövrieren, und sieht eine Art von Komfort vor, welchen jegliche anderen konventionellen Fahrzeuge nicht in der Lage sind, zu bieten. Auch können die Größe und das Gewicht des Fahrzeugs beide klein sein, so dass das Fahrzeug zu anderen Stellen transportiert werden kann und an verschiedenen Stellen verwendet werden kann.
  • Jedoch, während das Fahrzeug auf einem einzigen Rad fährt, ist eine Lenkeinwirkung nicht möglich. Das Fahrzeug kann in der Lage sein, in geneigten Richtungen zu fahren, bringt jedoch einige Schwierigkeiten im Erreichen eines Wendemanövers mit sich, das eine Giergeschwindigkeit involviert. Falls der Fahrer seinen oder ihren Körper verdreht und sich das Trägheitsmoment des Fahrers durch Herausstrecken oder Zurückziehen der Arme des Fahrers ändert, kann etwas Drehmoment um den Bodenkontaktpunkt herum gebildet werden, und dies verursacht eine Wendebewegung des Fahrzeugs. Wenn dies jedoch tatsächlich durch die Erfinder versucht wird, ist entdeckt worden, dass das Wendemanöver nicht erreicht werden kann, ohne einige Schwierigkeiten zu erfahren.
    Daher wurde vorgeschlagen, dem inversen Pendelfahrzeugein bodenkontaktierendes Element, wie beispielsweise eine Stange, zur Verfügung zu stellen, welche die Straßenoberfläche an einem anderen Punkt als dem Bodenkontaktpunkt des Hauptrads in Eingriff nimmt zu dem Zweck des Bildens eines Drehmoments (Kreiselmoment) um den Bodenkontaktpunkt herum, und des Ermöglichens einer Wendebewegung des Fahrzeugs auf eine vorteilhafte Weise. Siehe Patentdokument 2. Dies erlaubt, dass eine Wendebewegung auf eine vorteilhafte Weise erreicht wird, verkompliziert jedoch die Struktur des Fahrzeugs aufgrund der Notwendigkeit für das zusätzliche Bodenkontaktelement und eine Steueranordnung zum Steuern der Bewegung des Bodenkontaktelements.
  • Hinsichtlich solcher Probleme des Standes der Technik ist eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein inverses Pendelfahrzeug vorzusehen, welches eine Wendebewegung mit Leichtigkeit durchführen kann, ohne jegliche zusätzliche Vorrichtung zu benötigen, auch wenn das Fahrzeug konfiguriert ist, auf einem einzigen Rad zu fahren.
  • MITTEL, UM DIE AUFGABE ZU ERREICHEN
  • Um solch ein Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein inverses Pendelfahrzeug vor, umfassend: einen Basisrahmen, welcher mit einer Antriebseinheit versehen ist; ein Hauptrad, welches in einem unteren Teil des Basisrahmens vorgesehen ist, und welches konfiguriert ist, um umfänglich durch die Antriebseinheit betätigt zu werden; eine Fahrerträgereinheit, welche in dem Basisrahmen zum Tragen eines Fahrers des Fahrzeugs vorgesehen ist; und eine Vorwärtsbewegungssteuereinheit zum Vorwärtstreiben des Fahrzeugs durch Steuern einer umfänglichen Antriebskraft, welche auf das Hauptrad gemäß einem Zustand des Fahrzeugs aufgebracht wird, und zum Aufrechterhalten des Fahrzeugs in einer aufrechten Stellung; wobei in einem Zustand, in dem der Fahrer auf der Fahrertrageeinheit positioniert ist, die Vorwärtsbewegungssteuereinheit das inverse Pendelfahrzeug steuert, damit das Fahrzeug in einer Stellung verbleibt, bei der ein Punkt einer Bodenkontaktfläche, welche von einem Minimum-Hauptträgheitssachse des Fahrzeugs geschnitten wird, vor einem Bodenkontaktpunkt des Hauptrads liegt, in dem die Minimum- Hauptträgheitsachse des Fahrzeugs nach hinten hinsichtlich einer vertikalen Lotlinie gekippt ist.
  • EFFEKT DER ERFINDUNG
  • Ein starrer Körper weist drei Hauptträgheitsachsen auf. Die Drehung eines starren Körpers um eine von den Hauptträgheitsachsen herum ist nicht mit der Drehung des starren Körpers um die anderen Hauptträgheitsachsen herum gekoppelt, und kann daher auf eine stabile Weise durchgeführt werden. Insbesondere ist es möglich, ein Drehmoment auf das Fahrzeug anzuwenden, durch dynamisches Versetzen eines Objekts, welches durch das Fahrzeug gelagert ist. Wenn die assoziierte Hauptträgheitsachse nach hinten gekippt wird, kreuzt die Hauptträgheitsachse die Bodenoberfläche an einem Punkt, welcher vor dem Bodenkontaktpunkt des Hauptrads des Fahrzeugs angeordnet ist. Wenn das Objekt, welches durch das Fahrzeug zu lagern ist, das Gravitationszentrum davon in beide laterale Richtungen verschiebt und verursacht, dass sich das Fahrzeug in die entsprechende Richtung neigt, wird verursacht, dass sich das Hauptrad um die Hauptträgheitsachse herum dreht, so dass das Fahrzeug im Ergebnis gelenkt wird, und in der entsprechenden Richtung gewendet werden kann.
  • Dies kann auf ein Fahrzeug angewandt werden, welches mit einem Paar von Rädern auf jeder Seite versehen ist, kann jedoch besonders vorteilhaft auf ein Fahrzeug angewandt werden, welches eine Vielzahl von angetriebenen Rollen aufweist, welche auf dem Hauptrad vorgesehen sind, um so drehend um eine umfängliche Axiallinie des Hauptrads herum drehend angetrieben zu werden, und eine laterale Bewegungssteuereinheit, welche konfiguriert ist, um das Fahrzeug in einer aufrechten Stellung zu halten, durch Steuern einer Drehantriebskraft, welche auf jede angetriebene Rolle gemäß einem Zustand des Fahrzeugs aufgebracht wird.
  • Wenn die Hauptträgheitsachse aus einer Minimum-Hauptträgheitsachse besteht, kann die Drehung um diese Axiallinie herum besonders leicht erreicht werden, so dass das Fahrzeug auf eine vorteilhafte Weise gewendet werden kann durch Ausnutzen solch einer Drehung. Wenn das Fahrzeug weiterhin eine Batterie zum Antreiben der Antriebseinheit aufweist, wobei die Batterie so positioniert ist, dass ein Gravitationszentrum der Batterie über und hinter einem Gravitationszentrum des Fahrzeugs angeordnet ist, und/oder wenn die Antriebseinheit einen elektrischen Motor aufweist, wobei der elektrische Motor so positioniert ist, dass ein Gravitationszentrum des elektrischen Motors unterhalb und vor einem Gravitationszentrum des Fahrzeugs angeordnet ist, kann die im Wesentlichen vertikal gerichtete Hauptträgheitsachse aus einer Minimum-Trägheitsachse bestehen, welche ein minimales Trägheitsmoment involviert.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines inversen Pendelfahrzeugs, welches die vorliegende Erfindung verkörpert, welches bereit ist, um darauf aufzusteigen (mit einem Sattel und Fußtritten aufgestellt);
    • 2 ist eine perspektivische Ansicht des inversen Pendelfahrzeugs (mit dem Sattel und den Fußtritten zurückgezogen);
    • 3 ist eine Rückansicht des inversen Pendelfahrzeugs, bereit, um darauf aufzusteigen;
    • 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht des inversen Pendelfahrzeugs;
    • 5 ist eine Schnittansicht, aufgenommen entlang einer Linie V-V von 1;
    • 6 ist eine perspektivische Explosionsansicht der oberen Struktur des inversen Pendelfahrzeugs;
    • 7 ist eine Schnittansicht, aufgenommen entlang einer Linie VII-VII von 1;
    • 8 ist eine Schnittansicht, aufgenommen entlang einer Linie VIII-VIII von 1;
    • 9 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils von 8;
    • 10 ist eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Einheit;
    • 11 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Verbindungsstruktur für die oberen und unteren Strukturen zeigt, teilweise im Schnitt;
    • 12 ist eine Schnittansicht, welche die Verbindungsstruktur für die oberen und unteren Strukturen zeigt;
    • 13 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Steuersystems des inversen Pendelfahrzeugs;
    • 14 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Fahrtmodus des inversen Pendelfahrzeugs zeigt;
    • 15 (A) und 15 (B) sind Seitenansichten, welche das inverse Pendelfahrzeug in einer aufrechten Stellung davon mit und ohne einen Fahrer, welcher auf dem Sattel des Fahrzeugs sitzt, jeweils zeigen;
    • 16 ist ein Diagramm, welches die Geometrie des Hauptrads zeigt, wenn eine Wendebewegung durchgeführt wird;
    • 17 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine zweite Ausführungsform des inversen Pendelfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
    • 18 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine dritte Ausführungsform des inversen Pendelfahrzeugs zeigt, gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein inverses Pendelfahrzeug 1, welches die vorliegende Erfindung verkörpert, wird im Folgenden mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind die Orientierung und Richtung des inversen Pendelfahrzeugs 1 und Komponenten davon definiert als durch die Pfeile gekennzeichnet, welche die vertikale, Längs- und laterale Richtung in den Zeichnungen darstellen. Im Hinblick auf die Komponenten, welche lateral symmetrisch zueinander sind, wird nur eine von ihnen auf einer Seite im Folgenden beschrieben werden durch Hinzufügen eines Zusatzes L oder R zu dem Bezugszeichen, welches solch ein Teil kennzeichnet.
  • <Gesamtstruktur des inversen Pendelfahrzeugs>
  • Wie in 1 bis 5 gezeigt ist, enthält das inverse Pendelfahrzeug (Fahrzeug) 1 einen Rahmen 2, welcher aus einem Basisrahmen besteht, welcher eine sich vertikal erstreckende Rahmenstruktur bildet, eine Antriebseinheit 3, welche in einem unteren Teil des Rahmens 2 vorgesehen ist, eine Sitzeinheit 4, welche in einem oberen Teil des Rahmens 2 vorgesehen ist, um ein Objekt zu tragen, eine elektrische Einheit 11, welche in dem Rahmen 2 vorgesehen ist, und eine Batterieeinheit 10 für die Zufuhr elektrischer Energie zu den verschiedenen Einheiten und Sensoren. Die elektrische Einheit 11 enthält eine Steuereinheit des umgekehrten Pendels (welche einfach als Steuereinheit in der folgenden Beschreibung bezeichnet wird) 5, einen Lastsensor 6 und einem Neigungssensor 7. Die Steuereinheit 5 steuert die Operation der Antriebseinheit 3 gemäß den Eingangssignalen von den verschiedenen Sensoren gemäß einer Steuerung des umgekehrten Pendels, und hält das inverse Pendelfahrzeugs 1 in einer aufrechten Stellung. Das inverse Pendelfahrzeug 1 ist mit Spannungssensoren 8L und 8R und Drehkodierern 9L und 9R in geeigneten Teilen davon, welche getrennt von der elektrischen Einheit 11 sind, versehen.
  • <Struktur des Rahmens>
  • Wie in 1 gezeigt ist, besteht der Rahmen 2 aus einer hohlen Schalenstruktur, und ist mit einer abgeflachten Form versehen, die in der Längsrichtung länger sind als in der lateralen Richtung. Der Rahmen 2 ist mit einem schmalen Abschnitt 2A in einem vertikal mittleren Teil davon versehen. Der schmale Abschnitt 2A ist in der Längsdimension, verglichen mit anderen Teilen des Rahmens 2, reduziert, und nimmt die elektrische Einheit 11 darin im Inneren auf. Der Rahmen 2 ist somit mit der Form der Zahl „8“, gesehen von der Seite versehen. Wie in 3 gezeigt ist, kann der Rahmen in einen oberen Rahmen 21 und einen unteren Rahmen 22 an dem schmalen Abschnitt 2A getrennt werden. Der obere Rahmen 21 und der untere Rahmen 22 sind aus trockenem Kohlenstoff (durch Kunststoff verstärkte Kohlenstofffaser: CFRP) hergestellt, welcher durch thermisches Aushärten einer geeignet geformten Kohlenstoff-Prepreg-Matte angefertigt wird. Wie im Folgenden diskutiert werden wird, sind der obere Rahmen 21 und der untere Rahmen 22 miteinander über den Lastsensor 6 (5) verbunden.
  • Wie in 5 gezeigt ist, ist dem oberen Rahmen 21 eine ringförmige Form gegeben, um so einen zentralen Raum oder einen Sattellagerraum 24 zu definieren, welcher lateral über den oberen Rahmen 21 passiert. Das hohle Innere des oberen Rahmens 21 enthält einen vorderen Raum 26A, einen hinteren Raum 26B, einen oberen Raum 26C und einen unteren Raum 26D, welche entsprechend ihrer positionellen Beziehung zu dem Sattellagerraum 24 benannt sind. Das untere Ende des oberen Rahmens 21 ist mit einer unteren Öffnung 25 ausgebildet, welche nach unten zeigt, so dass der untere Raum 26D mit dem Äußeren des oberen Rahmens 21 kommuniziert. Das obere Ende des unteren Rahmens 21 ist mit einer oberen Öffnung 27 ausgebildet, welche mit dem oberen Rahmen 26C mit dem Äußeren des oberen Rahmens 21 kommunizierend verbindet. Die obere Wand des Sattellagerraums 24 ist mit einem Sattelmontageloch 28 ausgebildet, welches den oberen Rahmen 26C mit dem Sattellagerraum 24 verbindet. Der Teil der unteren Wand des Sattellagerraums 24, welcher über der unteren Öffnung 25 angeordnet ist, ist mit einer Ausnehmung 29 ausgebildet, welche nach unten ausgenommen ist, und ein Verbindungsloch 30 ist zentral in der Bodenwand der Ausnehmung 29 gebildet. Die Ausnehmung 29 und das Verbindungsloch 30 bilden einen Verbindungsabschnitt zum Verbinden einer oberen Struktur mit einer unteren Struktur, wie im Folgenden beschrieben werden wird.
  • Wie in 3 gezeigt ist, ist in einer Rückseite des oberen Rahmens 21 eine Schalttafel 40 eingebettet, welche einen Netzschalter 41, um das Bordnetz des Fahrzeugs 1 an- und auszuschalten, und eine Stromlampe 42 enthält, welche aufleuchtet, wenn das Bordnetz eingeschaltet wird.
  • Wie in 6 gezeigt ist, sind an die innere Oberfläche der oberen Wand des unteren inneren Raums 26D ein Paar von metallischen Trägerplatten 51L und 51R auf beiden lateralen Seiten der Ausnehmung 29 verbunden. Jede Trägerplatte 51L, 51R ist mit einem horizontalen Plattenabschnitt versehen, welcher sich in Längsrichtung erstreckt, und ein Paar von mit Gewinde versehenen Löchern ist vertikal in dem horizontalen Plattenabschnitt gebildet.
  • Wie in 4 gezeigt ist, ist der untere Rahmen 22 auch aus einer hohlen Schale gebildet, welche eine obere Öffnung 31 und eine untere Öffnung 32 aufweist. Der untere Rahmen 22 enthält ein Paar von Seitenwänden 33, welche sich vertikal in beidseitig paralleler Beziehung zueinander erstrecken. Die vorderen und hinteren Wände 34 wölben sich jeweils in nach vorne gerichteten und nach hinten gerichteten Richtungen, angrenzend zu unteren Teilen davon, so dass ein unteres Teil des unteren Rahmens 22 ein im Wesentlichen halbkreisförmiges Seitenprofil darstellt. Der untere Teil des unteren Rahmens 22 definiert einen aufnehmenden Raum 35 zum Aufnehmen einer oberen Hälfte der Antriebseinheit 3.
  • Die untere Kante von jeder Seitenwand 33 des unteren Rahmens 22 ist mit einem halbkreisförmigen Ausschnitt 36 versehen, welcher im Wesentlichen konzentrisch zu dem halbkreisförmigen Seitenprofil des unteren Rahmens 22 ist. Die halbkreisförmigen Ausschnitte 36 der zwei Seitenwände 33 sind konform und koaxial zueinander. Jeder halbkreisförmige Ausschnitt 36 ist durch ein Paar von Zungenstücken 37 flankiert, welche davon abhängen, gesehen in einer Seitenansicht. Der obere Teil von jeder von den vorderen und hinteren Wänden 34, angrenzend zu dem schmalen Abschnitt 2A des Rahmens 2, ist mit Belüftungsschlitzen 39 ausgebildet, welche in diesem Fall aus einer Vielzahl von lateral verlängerten Löchern bestehen, welche vertikal in beidseitig paralleler Beziehung angeordnet sind.
  • An die innere Oberfläche eines oberen Endes von jeder Seitenwand 33 angrenzend zu der oberen Öffnung 31, ist eine metallische Trägerplatte 53L, 53R fest angebracht, welche einen horizontalen Plattenabschnitt enthält, welcher sich in der Längsrichtung erstreckt, und ein Paar mit Gewinde versehenen Löchern 54 (11) ist in dem horizontalen Plattenabschnitt eines hinter dem anderen gebildet.
  • Bezug nehmend auf 5 bildet der obere Rahmen 21 eine obere Struktur 13 zusammenwirkend mit der Sitzeinheit 4 und Batterieeinheit 10, und der untere Rahmen 22 bildet eine untere Struktur 14 zusammenwirkend mit der Antriebseinheit 3, der elektrischen Einheit 11 und den Sensoren 8 und 9 (4 und 8). Die obere Struktur 13 kann von der unteren Struktur 14, wenn notwendig, getrennt werden.
  • <Struktur der Sitzeinheit>
  • Bezug nehmend auf 7, enthält die Sitzeinheit 4 einen Basishauptkörper 61, ein Paar von Sattelarmen 62L und 62R und ein Paar von Sattelelementen 63L und 63R. Der Basishauptkörper 61 ist in dem oberen Rahmen 26C von der oberen Öffnung 27 installiert, und eine obere Wand des Basishauptkörper 61 schließt die obere Öffnung 27. Ein oberes Teil des Basishauptkörpers 61 ist mit einer Lagerwelle 65 versehen, welche sich in Längsrichtung erstreckt.
  • Die Lagerwelle 65 lagert die Basisenden 66L und 66R der Sattelarme 62L und 62R drehend. Jeder Sattelarm 62L, 62R erstreckt sich von dem Basisende 66L, 66R davon und wird durch das Sattelmontageloch 28 hindurchgeführt. Das freie Ende 67L, 67R von jedem Sattelarm 62L, 62R ist daher außerhalb des oberen Rahmens 21 angeordnet. Der linke Sattelarm 62L ist drehbar zwischen einer zurückgezogenen Position, in welcher das freie Ende 67L davon unterhalb des Basisendes 66L davon oder innerhalb des Sattellagerraums 24 angeordnet ist, und einer aufgestellten Position (Betriebsposition) drehbar, welche zu der linken Seite des Basisendes 66L davon angeordnet ist. Ähnlich ist der rechte Sattelarm 62R drehbar zwischen einer zurückgezogenen Position, in welcher das freie Ende 67R davon unterhalb des Basisendes 67R davon oder innerhalb des Sattellagerraums 24 angeordnet ist, und einer aufgestellten Position (Betriebsposition) drehbar, welche zu der rechten Seite des Basisendes 66R davon angeordnet ist. Jeder Sattelarm 62L, 62R ist gekrümmt, so dass die konvexe Seite davon in der aufgestellten Position davon nach unten gerichtet ist.
  • Die Sattelarme 62L und 62R sind miteinander über einen Verbindungsmechanismus, welcher in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, verbunden, so dass einer von ihnen zurückgezogen werden kann, wenn der andere zurückgezogen wird, und aufgestellt, wenn der andere aufgestellt wird. Der Basishauptkörper 61 ist mit einem Verriegelungselement (nicht in den Zeichnungen gezeigt) versehen, welches selektiv durch ein Eingriffsloch in Eingriff genommen wird, welches in jedem von den Sattelarmen 62L und 62R vorgesehen ist, so dass die Sattelarme 62L und 62R an jeder von der zurückgezogenen Position und der aufgestellten Position, wie erforderlich, fixiert werden kann.
  • Das freie Ende 67L, 67R von jedem Sattelarm 62L, 62R ist mit dem entsprechenden Sattelelement 63L und 63R ausgestattet, welches einen Lagerabschnitt 69L, 69R enthält, durch welchen das Sattelelement 63L, 63R mit dem Sattelarm 62L, 62R und einem scheibenförmigen Kissenpolster 70L, 70R verbunden ist, welches durch den Lagerabschnitt 69L, 69R gelagert wird. Jedes Kissenpolster 70L, 70R definiert eine Sitzoberfläche 70A auf einer Seite davon gegenüberliegend von dem Lagerabschnitt 69L, 69R zum Lagern einer Hüfte eines Fahrzeugpassagiers. Wie in 3 gezeigt ist, ist, wenn die Sattelarme 62L und 62R in der aufgestellten Position sind, jedes Sattelelement 63L, 63R, insbesondere die Sitzoberfläche 70A davon, nach oben gerichtet. Jedes Kissenpolster 70L, 70R ist konfiguriert, um eine entsprechende Hüfte oder einen Oberschenkel des Fahrzeugpassagiers zu lagern, und die Last des Fahrzeugpassagiers wird auf den oberen Rahmen 21 über die Sattelelemente 63L und 63R, die Sattelarme 62L und 62R und den Basishauptkörper 61 übertragen.
  • Wenn die Sattelarme 62L und 62R in der zurückgezogenen Position sind, werden die Trägerabschnitte 69L, 69R der Sattelelemente 63L und 63R innerhalb des Sattellagerraums 24 aufgenommen, und die Kissenpolster 70L und 70R schließen die jeweiligen Seiten des Sattellagerraums 24.
  • Die obere Wand des Basishauptkörpers 61 ist mit einem zurückziehbaren Handgriff 71 ausgestattet, welcher zum Anheben und Tragen des Fahrzeugs 1 durch den Benutzer verwendet werden kann. Wenn nicht in Gebrauch, kann der Handgriff 71 in einer Griff aufnehmenden Aussparung 72 aufgenommen werden, welche in der oberen Wand des Basishauptkörpers 61 gebildet ist, wie durch die durchgezogenen Linien in 2 gekennzeichnet ist. Wenn in Gebrauch, kann der Handgriff 71 über den Basishauptrahmen 61 angehoben werden, und mit dem Basishauptkörper 61 über ein Paar von Beinen 71A verbunden werden, wie durch die imaginären Linien in 2 gekennzeichnet ist. Daher, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist, kann der Benutzer das inverse Pendelfahrzeug 1 anheben und tragen oder kann das Fahrzeug in der aufrechten Stellung halten durch Halten des Handgriffs 71.
  • <Struktur der Antriebseinheit>
  • Wie in 8 und 9 gezeigt ist, weist die Antriebseinheit 3 ein Paar von symmetrisch gegenüberliegenden Antriebseinheiten 84L, 84R auf, welche jeweils ein Montageelement 81L, 81R aufweisen, welches fest an dem unteren Rahmen 22 angebracht ist, einen elektrischen Motor 82L, 82R, welcher auf dem Montageelement 81L, 81R montiert ist, eine Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L, 83R zum Reduzieren der Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle des Motors 82L, 82R und eine Antriebsscheibe 121L, 121R, welche drehend durch den elektrischen Motor 82L, 82R über die Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L, 83R betätigt wird. Die Antriebseinheit 3 weist weiterhin ein Hauptrad 85 auf, welches zwischen den zwei Antriebseinheiten 84L und 84R angeordnet ist, und welches drehend durch die zwei Antriebseinheiten 84L und 84R betätigt wird. Da die Montageelemente 81L und 81R, die elektrischen Motoren 82L und 82R und die Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L und 83R lateral symmetrisch zueinander sind, werden nur die linksseitigen Teile davon im Folgenden beschrieben werden, während die Beschreibung der rechtsseitigen Teile davon aus der Beschreibung weggelassen werden. Da die zwei Antriebseinheiten 84L, 84R etwas unterschiedlich zueinander sind, werden die rechtsseitigen Teile aus der Beschreibung soweit wie symmetrische Teile betroffen sind, weggelassen, jedoch die rechtsseitigen Teile werden hinsichtlich der asymmetrischen Teile beschrieben werden.
  • Wie in 8 gezeigt ist, besteht jedes Montageelement 81L aus einem zylindrischen Element, welches einen geschlossenen Boden 91L an einem Ende und ein offenes Ende an dem anderen Ende aufweist, und ist mit einer Vielzahl von radialen externen Vorsprüngen 92L an dem offenen axialen Ende davon versehen. Der Boden 91L von jedem Montageelement 81L ist zentral mit einem Durchgangsloch 93L versehen. Jedes Montageelement 81L nimmt den entsprechenden elektrischen Motor 82L darin auf.
  • Jeder elektrische Motor 82L besteht aus einem bürstenlosen DC-Motor und umfasst ein zylindrisches Statorgehäuse 95L, welches intern mit Statorspulen (nicht in den Zeichnungen gezeigt), einer Rotorwelle 96L, welche drehbar durch das Statorgehäuse 95L gelagert ist, und ein Ende (Ausgangswelle) aufweist, welches sich aus dem Statorgehäuse 95L heraus erstreckt, und einem Permanentmagneten (nicht in den Zeichnungen gezeigt), welcher fest an der Rotorwelle 96L in dem Statorgehäuse 95L angebracht ist. Das Statorgehäuse 95L ist mit einem radialen Flansch 97L auf einer äußeren Peripherie davon versehen, welcher an den radialen inneren Flansch 91L des Montageelements 81L durch Verwenden eines Gewindebolzens über einen Abstandshalter 98L angebracht ist, so dass ein Raum zwischen diesen zwei Flanschen 97L und 91L definiert ist, welche aneinander durch Gewindebolzen gefügt sind. Der elektrische Motor 82L ist koaxial durch das Montageelement 81L gelagert. Die Rotorwelle 96L ist durch das Durchgangsloch 93L des Montageelements 81 hindurchgeführt und erstreckt sich aus dem Montageelement 81L heraus. Das freie Ende der Rotorwelle 96L (Ausgangswelle) ist mit einem Eingangsende der Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L verbunden, und das gegenüberliegende Ende der Rotorwelle 96L ist mit einem Eingangsende des Drehkodierers 9L zum Detektieren der Winkelposition der Rotorwelle 96L verbunden. Der Drehkodierer 9L ist eines per se bekannten Typs und ist mit einem Gehäuse versehen, welches an dem Statorgehäuse 95L angebracht ist.
  • Die Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L kann aus einer per se bekannten Struktur bestehen, und umfasst einen Wellenstöpsel 101L, welcher aus einem hochfesten Element besteht, welches ein elliptisches Profil aufweist und als ein Eingangselement dient, ein flexibles Wellenlager 102L, welches auf dem Wellenstöpsel 101L angebracht ist, ein flexibles externes Getriebeelement 103L, welches aus einer geflanschten zylindrischen dünnen Schale besteht, welche reibend die äußere umfängliche Oberfläche des Wellenlagers 102L in Eingriff nimmt und mit externen Zähnen auf der äußeren umfänglichen Oberfläche davon versehen ist, und das interne Getriebeelement 104L, welches aus einem steifen Ring besteht und mit internen Zähnen versehen ist, welche mit den externen Zähnen des externen Getriebeelements 103L in Eingriff stehen. Das externe Getriebeelement 103L ist mit einem Flansch 105L versehen, welcher sich axial davon durch die zentrale Öffnung 93L der zentralen Öffnung 93L des radialen internen Flansches 91L erstreckt, und welcher sich weiter radial erstreckt, um fest zwischen den zwei Flanschen 96L und 91L eingeschaltet zu sein. Der Wellenstöpsel 101L ist koaxial mit der Rotorwelle 96L verbunden, und die Drehung der Rotorwelle 96L wird auf das interne Getriebeelement 104L mit einem großen Untersetzungsverhältnis übertragen. Das interne Getriebeelement 104L ist mit einer entsprechenden Antriebsscheibe 121L verbunden, welche im Folgenden beschrieben werden wird.
  • Wie in 8 und 9 gezeigt ist, umfasst jede Antriebseinheit 84L eine Antriebsscheibe 121L und eine Vielzahl von Antriebsrollen 122L, welche drehbar durch die Antriebsscheibe 121L gelagert sind. Die Antriebsscheibe 121L enthält einen zentralen Scheibenabschnitt 123L, welcher ein koaxiales Durchgangsloch 133L aufweist, einen großen ringförmigen Abschnitt 124L, welcher sich in der axialen Richtung von der äußeren Peripherie des zentralen Scheibenabschnitts 123L erstreckt, und einen kleinen ringförmigen Abschnitt 125L, welcher sich nach innen in einer koaxialen Beziehung von dem zentralen Scheibenabschnitt 123L erstreckt. Der innere Durchmesser des großen ringförmigen Abschnitts 124L ist größer als der äußere Durchmesser des zylindrischen Abschnitts des Montageelements 81L.
  • Der große ringförmige Abschnitt 124L ist mit einer Vielzahl von Antriebsrollen 122L versehen, welche jeweils drehbar über eine Rollenwelle 126L gelagert sind, und welche umfänglich im regelmäßigen Intervall angeordnet sind. Die Antriebsrollen 122L können aus einem hochfesten Material, wie beispielsweise Metall oder Hartkunststoff, hergestellt sein.
  • Die Antriebsrollen 122L sind so angeordnet, dass die Drehebenen der Antriebsrollen 122L jeweils weder parallel noch senkrecht zu der axialen Mittellinie (Drehzentrum) von der Antriebsscheibe 121L angeordnet sind. Weiterhin sind die Drehebenen in einer drehsymmetrischen Weise um die Axiallinie der Antriebsscheibe 121L angeordnet. Die positionelle Beziehung der Antriebsrollen 122L auf der Antriebsscheibe 121L kann ähnlich zu den Getriebezähnen eines helischen Kegelzahnrads eines vorgeschriebenen Kegelwinkels sein. Für eine detailliertere Beschreibung der Antriebseinheit, siehe WO 2008/139740 A ( US 20100096905 A1 ). Die Rollenwellen 126L sind so positioniert, dass die äußere Peripherie von jeder Antriebsrolle 122L radial weiter außen als die äußere Peripherie des großen ringförmigen Abschnitts 124L angeordnet ist.
  • Die rechten und linken Antriebsscheiben 121L und 121R unterscheiden sich voneinander darin, dass der innere Durchmesser des kleinen ringförmigen Abschnitts 125R der rechten Antriebsscheibe 121R größer als der äußere Durchmesser des kleinen ringförmigen Abschnitts 125L der linken Antriebsscheibe 121L ist. Die rechte Antriebsscheibe 121R ist ansonsten ähnlich zu der linken Antriebsscheibe 121L.
  • Jede Antriebsscheibe 121L ist drehbar durch die äußere Umfangsoberfläche des zylindrischen Abschnitts des Montageelements 81L in einer koaxialen Beziehung an dem inneren Umfang des großen ringförmigen Abschnitts 124L über ein Kreuzrollenlager 135L gelagert. Das Kreuzlager 135L besteht aus einem Kugellager, welches sowohl einer radialen Last als auch einer axialen Last widerstehen kann, und welches immobil in der axialen Richtung durch Befestigungsringe 137L und 138L gehalten wird, welche auf die Antriebsscheibe 121L bzw. das Montageelement 81L geschraubt sind. Dadurch wird die Antriebsscheibe 121L in einer Position relativ zu dem Montageelement 81L fixiert.
  • Wenn die Antriebsscheibe 121L mit dem Montageelement 81L, wie oben beschrieben, zusammengesetzt wird, wird die Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L im Inneren des Durchgangslochs 133L des zentralen Scheibenabschnitts 123L der Antriebsscheibe 121L platziert. Ein äußerer peripherer Teil des inneren Getriebeelements 104L der Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L wird an den zentralen Scheibenabschnitt 123L der Antriebsscheibe 121L durch mit Gewinde versehene Bolzen befestigt. Somit wird die Drehausgabe des elektrischen Motors 82L auf die Antriebsscheibe 121L über die Welle-Getriebe-Vorrichtung 83L übertragen, welche Geschwindigkeit reduziert.
  • Die zwei Antriebsscheiben 121L und 121R werden dank eines Kreuzrollenlagers 140 koaxial zueinander gehalten, welches zwischen der äußeren umfänglichen Oberfläche des kleinen ringförmigen Abschnitts 125L der linken Antriebsscheibe 121L und der inneren umfänglichen Oberfläche des kleinen ringförmigen Abschnitts 125R der rechten Antriebsscheibe 121R angebracht ist. Das Kreuzlager 140 wird in der axialen Richtung durch Befestigungsringe 141 und 142 immobil gehalten, welche auf die kleinen ringförmigen Abschnitte 125L und 125R von den linken und rechten Antriebsscheiben 121L bzw. 121R geschraubt sind. Dadurch werden die zwei Antriebsscheiben 121 und 121R in einer Position relativ zueinander in der axialen Richtung fixiert.
  • Somit sind die zwei Montageelemente 81L und 81R, elektrische Motoren 82L und 82R, Wellen-Getriebe-Vorrichtungen 83R und 83L und Antriebsscheiben 121L und 121R auf der gemeinsamen axialen Linie (Zentrum der Drehung) angeordnet. Im Folgenden wird diese gemeinsame axiale Linie als die Drehaxiallinie A der Antriebseinheit 3 bezeichnet).
  • Wenn die zwei Antriebsscheiben 121L und 121R miteinander verbunden werden (oder die Antriebseinheiten 84L und 84R werden vollständig zusammengesetzt), werden die zwei Sätze von Antriebsrollen 122L und 122R voneinander um einen vorgeschriebenen Abstand beabstandet und fügen das Hauptrad 85 zwischen ihnen ein.
  • Das Hauptrad 85 umfasst ein ringförmiges Element 161, welches aus einem Ring hergestellt ist, welcher einen polygonalen Querschnitt aufweist, eine Vielzahl von inneren Hülsen 162, welche fest auf das ringförmige Element 161 in einem regelmäßigen Intervall befestigt sind, und eine angetriebene Rolle 164, welche drehbar durch die äußere umfängliche Oberfläche von jeder Hülse 162 über ein Kugellager 163 gelagert ist. Die angetriebenen Rollen 164 können jeweils aus einem Metallzylinder 164A bestehen, welcher auf dem äußeren Laufring des Kugellagers 163 befestigt ist, und einem Gummizylinder 164B, welcher integral auf die äußere umfängliche Oberfläche des Metallzylinders 164A vulkanisiert ist. Das Material des röhrenförmigen Gummielements 164B ist nicht auf Gummi beschränkt, sondern kann aus anderen elastischen elastomeren Materialien bestehen. Die röhrenförmigen Gummielemente 164B der angetriebenen Rollen 164 nehmen die Straßenoberfläche in Eingriff, wenn das inverse Pendelfahrzeug 1 in Betrieb ist (oder fährt).
  • Die angetriebenen Rollen 164 zusammen mit den assoziierten inneren Hülsen 162 sind umfänglich entlang des gesamten Umfangs des ringförmigen Elements 161 angeordnet, und die angetriebenen Rollen 164 sind jeweils frei um die axiale Linie davon herum drehbar, welche tangential zu der entsprechenden Position des ringförmigen Elements 162 ist. Eine scheibenförmige Abdeckung 166 (siehe 5) ist zwischen jedem angrenzenden Paar von angetriebenen Rollen 164 eingeschaltet, um dadurch Fremdmaterial vor einem Eindringen in die Kugellager 163 zu bewahren.
  • Der innere Durchmesser des Hauptrads 85, welcher durch die angetriebenen Rollen 164 definiert wird, ist kleiner als der äußere Durchmesser von jeder Antriebseinheit 84L, 84R, welche durch die entsprechenden Antriebsrollen 122L, 122R definiert wird. Der äußere Durchmesser des Hauptrads 85 ist größer als der äußere Durchmesser der Antriebseinheiten 84L, 84R. Die inneren und äußeren Durchmesser des Hauptrads 85 und jeder Antriebseinheit 84L, 84R werden durch entsprechende Hüllen der Antriebsrollen 122L, 122R bzw. angetriebenen Rollen 164 definiert. Das Hauptrad 85 ist somit mit den zwei Antriebseinheiten 84L und 84R durch Zwischengeschaltetsein zwischen den zwei Antriebseinheiten 84L und 84R zusammengesetzt.
  • Wenn das Hauptrad 85 mit den zwei Antriebseinheiten 84L und 84R zusammengesetzt wird, nehmen die Antriebsrollen 122L und 122R reibend die Gummizylinder 164B der angetriebenen Rollen 164 an ihren jeweiligen umfänglichen Oberflächen in Eingriff, so dass die Drehung (oder vorwärtstreibende Kraft) der Antriebsrollen 122L und 122R auf die angetriebenen Rollen 164 übertragen werden kann.
  • Die Größen und Anzahlen der angetriebenen Rollen 164 und Antriebsrollen 122L und 122R werden auf solch eine Weise ausgewählt, dass zumindest eine von den angetriebenen Rollen 164 den Boden oder die Straßenoberfläche in Eingriff nimmt und zumindest eine von den linken und rechten Antriebsrollen 122L und 122R die angetriebene Rolle 164, welche die Bodenoberfläche in Eingriff nimmt, in Eingriff nimmt. Dadurch nimmt die angetriebene Rolle 164, welche die Bodenoberfläche in Eingriff nimmt, eine Kraft auf, welche die Drehung des Hauptrads 85 um die zentrale Axiallinie A verursacht und/oder die Drehung der angetriebenen Rolle 164 um die zentrale Axiallinie davon (tangential zu dem ringförmigen Element 161) zu allen Zeiten.
  • In der dargestellten Ausführungsform der Antriebseinheit 3, wenn die Antriebsscheiben 121L und 121R in unterschiedliche Richtungen und/oder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die elektrischen Motoren 82L und 82R gedreht werden, bringen die Antriebsrollen 122L und 122R auf die Kontaktoberfläche zwischen den zwei Sätzen von Antriebsrollen 122L und 122R und den angetriebenen Rollen 164 eine Kraftkomponente, welche senkrecht zu der umfänglichen (tangentialen) Kraft ist, durch die Drehung der Antriebsscheiben 121L und 121R auf. Diese Kraftkomponente verursacht, dass sich jede der angetriebenen Rollen 164 um die zentrale Axiallinie davon herum dreht.
  • Die Drehung der Antriebsrollen 164 wird durch die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den zwei Antriebsscheiben 121L und 121R bestimmt. Wenn die zwei Antriebsscheiben 121L und 121R mit einer gleichen Geschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen gedreht werden, drehen sich die angetriebenen Rollen 164 nicht umfänglich entlang des Umfangs des Hauptrads 85 und drehen nur um die zentralen Axiallinien davon herum. Daher produziert das Hauptrad 85 eine laterale Antriebskraft (Vortriebskraft).
  • Andererseits, wenn die zwei Antriebsscheiben 121L und 121R mit einer gleichen Geschwindigkeit in einer gleichen Richtung gedreht werden, drehen sich die Antriebsrollen 164 umfänglich entlang des Umfangs des Hauptrads 85, ohne um die jeweiligen Axiallinien herum zu drehen. Daher produziert das Hauptrad 85 eine Längsantriebskraft (Vortriebskraft).
  • Durch Kombinieren der Drehungen der angetriebenen Rollen um die zentralen Axiallinien davon und entlang des Umfangs des Hauptrads mit einem gewünschten Verhältnis ist die Antriebseinheit 3 in der Lage, eine Antriebskraft in jeglicher gewünschten Richtung hinsichtlich zu den sowohl lateralen als auch den Längsrichtungen zu produzieren.
  • Die Anordnung zum Anbringen der Antriebseinheit 3 an den unteren Rahmen 22 wird im Folgenden beschrieben. Wie in 4 gezeigt ist, ist die obere Hälfte der Antriebseinheit 3 in dem aufnehmenden Raum 35 des unteren Rahmens 22 aufgenommen, so dass die Axiallinie A lateral hinsichtlich des Rahmens 2 ausgerichtet ist. Wie in 8 gezeigt ist, nehmen die radialen externen Vorsprünge 92 von jedem Montageelement 81 der Antriebseinheit 3 die periphere Kante des Ausschnitts 36 in der Seitenwand des unteren Rahmens 22 und die inneren Oberflächen der Zungenstücke 37 in Eingriff.
  • Wie in 4 und 8 gezeigt ist, ist eine Fußtrittbasis 180L, 180R an der äußeren Oberfläche von jeder Seitenwand 33 des unteren Rahmens 22 angebracht. Die Fußtrittbasis 180L, 180R besteht aus einem metallischen ringförmigen Element, welches ein äußeres Profil aufweist, welches zu denjenigen des Ausschnitts 36 und der Zungenstücke 37 konform ist. Die radialen externen Vorsprünge 92L, 92R von jedem Montageelement 81L, 81R werden durch mit Gewinde versehenen Löcher gebildet, und entsprechende Durchgangslöcher sind in dem peripheren Teil des Ausschnitts 36 und den Zungenstücken 37 gebildet, so dass der periphere Teil des Ausschnitts 36, der Zungenstücke 37 und der Fußtrittbasis 180L, 180R fest zwischen der Fußtrittbasis 180L, 180R und den radialen externen Vorsprüngen 92 eingeschaltet sind durch Hindurchführen von Gewindebolzen in die Durchgangslöcher und durch Schrauben derselben in die mit Gewinde versehenen Löcher der radialen externen Vorsprünge 92 von jedem Montageelement 81. Somit sind zwei Fußtrittbasen 180 und die Antriebseinheit 3 gemeinsam an dem unteren Rahmen 22 angebracht.
  • Wie in 8 gezeigt ist, nehmen die innere Oberfläche des unteren Teils von jeder Fußtrittbasis 180L, 180R das entsprechende Montageelement 81L, 81R durch einen Abstand in Eingriff, welcher zwischen den Zungenstücken 37 definiert ist. Jede Fußtrittbasis 180L, 180R ist mit einer unteren Verlängerung 181L, 181R versehen, welche ein Basisende aufweist, welches einen oberen Teil enthält, welcher sich axial nach außen erstreckt, und ein unteres Teil, welches im Allgemeinen davon abhängt. Die unteren Verlängerungen 181L und 181R dienen als Wärmesenke, so dass die Wärme, welche von den elektrischen Motoren 82L und 82R erzeugt wird, auf die Fußtrittbasen 180L und 180R über das Montageelement 81L, 81R übertragen wird, und dann primär zu der Außenseite über die unteren Verlängerungen 181L und 181R abgeführt wird.
  • Das Basisende von jeder unteren Verlängerung 181L, 181R lagert drehend ein Basisende eines Fußtritts 183L, 183R über eine Drehwelle, welche sich in der Längsrichtung erstreckt. Jeder Fußtritt 183L, 183R ist drehbar zwischen einer zurückgezogenen Position, wo das freie Ende von dem Fußtritt 183L, 183R im Wesentlichen oberhalb des Basisendes davon angeordnet ist, und sich der Fußtritt 183L, 183R nach oben entlang einer Seite von dem unteren Rahmen 22 erstreckt, und einer aufgestellten Position drehbar, wo das freie Ende des Fußtritts 183L, 183R lateral außerhalb des Basisendes davon angeordnet ist, und der Fußtritt 183 aus dem unteren Rahmen 22 hervorsteht.
  • Wie in 4 gezeigt ist, ist ein Fußtrittlastsensor 8 an einer äußeren Oberfläche von jeder Fußtrittbasis 180L, 180R angebracht. Der Lastsensor 8 kann aus einem per se bekannten Dehnungssensor bestehen, welcher konfiguriert ist, um eine Dehnung in der Fußtrittbasis 180L, 180R zu ermitteln, wenn der Fußtritt 183L, 183R einer externen Belastung unterliegt.
  • Wie in 1 bis 4 gezeigt, ist das untere Ende des unteren Rahmens 22 mit einer unteren Abdeckung 185 versehen, welche die untere Hälfte der Antriebseinheit 3 verdeckt, mit Ausnahme des Bodenkontaktbereichs des Hauptrads 85. An einer Außenseite von jeder Seitenwand 33 des unteren Rahmens 22 ist eine Seitenabdeckung 186 angebracht, welche die Fußtrittbasis 180 verdeckt, jedoch den Fußtritt 183L, 183R und die untere Verlängerung 181L, 181R freigibt.
  • <Struktur der elektrischen Einheit>
  • Bezug nehmend auf 10 sind die verschiedenen Komponenten der elektrischen Einheit 11, wie beispielsweise die Steuereinheit 5, der obere Lastsensor 6 und Neigungssensor 7, fest an dem elektrischen Montagerahmen 202 angebracht. In der folgenden Beschreibung der elektrischen Einheit 11 werden die Längs-, lateralen und vertikalen Richtungen hinsichtlich der elektrischen Einheit 11, montiert auf dem oberen Rahmen 22, definiert.
  • Der elektrische Montagerahmen 202 besteht im Wesentlichen aus einem rechteckigen Rahmenelement, welches eine zentrale Öffnung definiert, welche dimensioniert ist, um so auf den Trägerbasen 53L und 53R aufzuliegen, welche an den entsprechenden Seitenwänden 33 entlang der Seitenkanten davon befestigt sind, wie in 11 gezeigt ist. Genauer gesagt ist der periphere Teil des elektrischen Montagerahmens 202 so dimensioniert, damit er über den Trägerbasen 53L und 53R des unteren Rahmens 22 platziert werden kann. Der elektrische Montagerahmen 202 ist mit vertikalen Durchgangslöchern 203 an Positionen entsprechend den mit Gewinde versehenen Löchern 54 der Trägerbasen 53L und 53R versehen, wenn er auf den Trägerbasen 53L und 53R montiert ist.
  • Der obere Lastsensor 6 besteht aus einem triaxialen Kraftsensor, welcher Momente um die Z-Achse (vertikale Richtung), X-Achse (Längsrichtung) und Y-Achse (laterale Richtung) ermitteln kann, und enthält einen Körperabschnitt 205, welcher eine Sensorschaltplatte (nicht in den Zeichnungen gezeigt) aufnimmt und fest an der oberen Oberfläche des elektrischen Montagerahmens 202 durch Gewindebolzen angebracht ist, und eine Eingangswelle 206 erstreckt sich nach oben von dem Körperabschnitt 205. Der Eingangswelle 206 ist ein kreisförmiger Querschnitt gegeben, und sie ist konfiguriert, um eine externe Kraft aufzunehmen, die zu ermitteln ist. Ein Außengewinde ist entlang der Länge der Eingangswelle 206 von dem Basisende zu dem freien Ende davon gebildet. Der Körperabschnitt 205 ist auf dem elektrischen Montagerahmen 202 montiert, und ist fest daran durch Verwenden von Gewindebolzen gesichert.
  • Das Basisende der Eingangswelle 206 ist fest an einer planaren Verbindungselementbasis 210 gesichert. Die Verbindungselementbasis 210 ist zentral mit einem mit Gewinde versehenen Loch versehen, und ist an der Eingangswelle 206 durch Schrauben des Gewindes, welches um das Basisende 206B der Eingangswelle 206 herum gebildet ist, in das mit Gewinde versehende Loch hinein gesichert. Das freie Ende der Eingangswelle 206 steht nach oben von der Verbindungselementbasis 210 hervor, wenn die Verbindungselementbasis 210 an der Eingangswelle 206 angebracht ist.
  • Eine erste Anschlussbasis 211 ist an einem vorderen Teil der Verbindungselementbasis 210 durch Verwenden von Gewindebolzen befestigt und erstreckt sich nach vorne. Eine zweite Basis 212 ist an einem hinteren Teil der Verbindungselementbasis 210 durch Verwenden von Gewindebolzen angebracht, und erstreckt sich nach hinten.
  • Ein erster Anschluss 214, welcher elektrisch mit der Verkabelung von einer Stromquellenschaltplatte 242 verbunden ist (welche im Folgenden beschrieben werden wird), ist an der ersten Anschlussbasis 211 durch Verwenden von Gewindebolzen gesichert. Die erste Anschlussbasis 211 ist mit einem ersten Führungsstift 215, welcher sich nach oben erstreckt, versehen.
  • Ein zweiter Anschluss 216, welcher elektrisch mit der Verkabelung von einer Steuerschaltplatte 241 verbunden ist (welche im Folgenden beschrieben werden wird), ist an der zweiten Anschlussbasis 212 durch Verwenden von Gewindebolzen gesichert. Die zweite Anschlussbasis 216 ist mit einem zweiten Führungsstift 217 versehen, welcher sich nach oben erstreckt.
  • Der Neigungssensor 7, welcher aus einem per se bekannten Kreiselsensor bestehen kann, ist nach unten im Inneren des elektrischen Montagerahmens 202 geführt, und wird fest daran durch Verwenden von Gewindebolzen gesichert. Der Neigungssensor 7 ist konfiguriert, um einen Neigungswinkel davon relativ zur vertikalen Lotrichtung zu ermitteln.
  • Wie in 10 gezeigt ist, enthält die Steuereinheit 5 zusätzlich zu der Steuerschaltplatte 241 und der Stromquellenschaltplatte 242 eine linke Motorantriebsschaltplatte 243, eine rechte Motorantriebsschaltplatte 244, eine I/O-Schnittstellenschaltplatte 245 und einen Gebläselüfter 247.
  • Die Steuerschaltplatte 241 enthält eine Steuerschaltung 261, welche mit einer CPU inkorporiert ist, welche durch einen Mikrocomputer gebildet wird, und zum Steuern der elektrischen Motoren 82L und 82R und anderer Komponenten verwendet wird. Die Steuerschaltplatte 241 ist auf einer Rückseite des elektrischen Montagerahmens 202 über einen Abstandshalter montiert, um sich so sowohl vertikal als auch lateral (oder mit einer Hauptoberfläche davon in der Längsrichtung gerichtet) zu erstrecken. Der untere Teil der Steuerschaltplatte 241 erstreckt sich weit nach unten hinter die untere Seite des elektrischen Montagerahmens 202.
  • Die Stromquellenschaltplatte 242 enthält eine Stromsteuerschaltung (nicht in den Zeichnungen gezeigt) zum Konvertieren der Spannung der Energie, welche durch die Batterieeinheit 10 zugeführt wird, auf eine vorgeschriebene Spannung. Die Energiequellenschaltplatte 242 erstreckt sich sowohl lateral als auch in der Längsrichtung (oder mit der Hauptoberfläche davon vertikal gerichtet), und ist fest daran über ein Verbindungselement 251 angebracht, welches sich nach unten von dem vorderen Ende des elektrischen Montagerahmens 202 erstreckt. Das hintere Ende der Energiequellenschaltplatte 242 ist mit dem unteren Ende der Steuerschaltplatte 241 über ein weiteres Verbindungselement 252 verbunden.
  • Die linke Motorantriebsschaltplatte 243 und rechte Motorantriebsschaltplatte 244 enthalten eine linke Motorantriebsschaltung (Inverterschaltung) 253 und eine rechte Motorantriebsschaltung (Inverterschaltung) 254, welche für die PWM-Steuerung von den linken und rechten elektrischen Motoren 82L bzw. 82R verwendet wird. Die linke Motorantriebsschaltplatte 243 ist fest an die Energiequellenschaltplatte 242 über einen Abstandshalter 401 von unten parallel dazu angebracht. Die rechte Motorantriebsschaltplatte 244 ist fest an die linke Motorantriebsschaltplatte 243 über einen Abstandshalter 401 von unten parallel dazu angebracht. Dadurch werden Luftflusspassagen, welche sich in der Längsrichtung erstrecken, zwischen der Energiequellenschaltplatte 242 und der linken Motorantriebsschaltplatte 243 definiert, und ebenso zwischen der linken Motorantriebsschaltplatte 243 bzw. rechten Motorantriebsschaltplatte 244.
  • Die I/O-Schnittstellenschaltplatte 245 enthält eine Eingangsschnittstellenschaltung 265 und eine Ausgangsschnittstellenschaltung 266 und ist fest an dem elektrischen Montagerahmen 202 über einen Abstandshalter hinter der Steuerschaltplatte 241 parallel dazu befestigt.
  • Der Gebläselüfter 247, welcher aus einem Axialflusslüfter besteht, ist mit dem unteren Ende des Verbindungselements 251 verbunden, um so dem Raum zwischen der linken Motorantriebsschaltplatte 243 und rechten Motorantriebsschaltplatte 244 von dem vorderen Ende gegenüberzuliegen. Das Auslassende des Gebläselüfters 247 ist nach vorne gerichtet, während das Auslassende des Gebläselüfters 247 nach hinten gerichtet ist.
  • Die Struktur zum Sichern der elektrischen Einheit 11 an dem unteren Rahmen 22 wird im Folgenden beschrieben. Wie in 11 gezeigt ist, ist jedes Durchgangsloch 203 des elektrischen Montagerahmens 202 mit einer Gummihülse 270 ausgerüstet, welche einen röhrenförmigen Abschnitt enthält, welcher in dem Durchgangsloch 203 aufgenommen ist, und einem Paar von radialen Flanschen, welche sich radial nach außen über die gegenüberliegenden Oberflächen des elektrischen Montagerahmens 202 erstrecken, welcher das Durchgangsloch 203 umgibt. Daher, wenn jede Gummibuchse 270 mit dem entsprechenden Durchgangsloch 203 ausgerüstet ist, deckt jeder Flansch davon den peripheren Teil der oberen oder unteren Öffnung des Durchgangslochs 203 ab. Nach einem Platzieren des elektrischen Montagerahmens 202 auf den Trägerbasen 53L und 53R des unteren Rahmens 22 über die entsprechenden Flansche der Gummibuchsen 270, werden Gewindebolzen 272 in die zentralen Löcher der Gummibuchsen 270 geführt, und in die mit Gewinde versehenen Löcher 54 der Trägerbasen 53L und 53R geschraubt. Dadurch wird der elektrische Montagerahmen 202 isoliert und vor Vibrationen geschützt, welche von dem unteren Rahmen 22 durch die Gummibuchsen 270 übertragen werden könnten.
  • Die elektrische Einheit 11 ist in ihrem installierten Zustand in dem schmalen Abschnitt 2A des unteren Rahmens 22 angeordnet, und insbesondere sind der Gebläselüfter 247, die linke Motorantriebsschaltplatte 243 und rechte Motorantriebsschaltplatte 244 zwischen den zwei Sätzen von Belüftungsschlitzen 39 angeordnet, welche in den vorderen und hinteren Wänden 34A und 34B des unteren Rahmens 22 jeweils gebildet sind, so dass die Kühlung, welche von den vorderen Belüftungsschlitzen 39 eingeführt wird, durch den Gebläselüfter 247 und den Raum zwischen den linken und rechten Motorantriebsschaltplatten 243 und 244 geleitet wird, bevor sie von den hinteren Belüftungsschlitzen 39 ausgegeben wird. Daher können die linken und rechten Motorantriebsschaltplatten 243 und 244, welche die Hauptwärmequellen unter den verschiedenen Komponenten der elektrischen Einheit 11 sind, effektiv gekühlt werden. Auch, da die elektrische Einheit 11 in dem engen Abschnitt 2A des unteren Rahmens 22 angeordnet ist, ist der Strömungspfad zwischen den zwei Sätzen von Belüftungsschlitzen 39 relativ kurz, und dies trägt auch zu der effizienten Kühlung der elektrischen Einheit 11 bei.
  • <Struktur der Batterieeinheit>
  • Wie in 5 und 6 gezeigt ist, besteht die Batterieeinheit 10 aus zwei gebogenen Batteriemodulen 281, welche jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen enthalten, wovon eine in dem vorderen Raum 26A und die andere in dem hinteren Raum 26B aufgenommen ist, und einem Paar von Batteriemanagementschaltplatten 282. Die Batteriemodule 281 sind durch Zusammenbündeln einer Vielzahl von zylindrischen Batteriezellen gebildet, um so in den inneren Raum des oberen Rahmens 21 zu passen. Die Batteriemanagementschaltplatten 282 enthalten eine Batteriemanagementschaltung 285, welche eine CPU umfasst, welche durch einen Mikrocomputer und assoziierten Speicher gebildet wird. Die Batteriemanagementschaltung 285 ist mit den Batteriemodulen 281 verbunden, um so das Laden und Entladen der Batteriemodule 281 zu steuern, und um die Batteriemodule 281 auszuwählen, die in jedem bestimmten Moment zu verwenden sind.
  • Die Batterieeinheit 10 wird in den vorderen Raum 26A und hinteren Raum 26B von der unteren Öffnung 25 des oberen Rahmens 21 geführt, und wird von unterhalb durch eine Batterieklammer 291 gelagert, welche wiederum an den Trägerbasen 51L und 51R des oberen Rahmens 21 durch Verwenden von Gewindebolzen gesichert ist.
  • Eine dritte Anschlussbasis 294 ist an dem vorderen Ende der Batterieklammer 291 durch Verwenden von Gewindebolzen befestigt, und erstreckt sich nach vorne von dort. Eine vierte Anschlussbasis 295 ist fest an das hintere Ende der Batterieklammer 291 durch Verwenden von Gewindebolzen angebracht, und erstreckt sich von dort nach hinten.
  • Ein dritter Anschluss 297 ist an der dritten Anschlussbasis 294 durch Verwenden von Gewindebolzen gesichert, und ist elektrisch mit der Verkabelung verbunden, welche sich von den Batteriemanagementschaltplatten 282 erstreckt. Der dritte Anschluss 297 ist komplementär zu dem ersten Anschluss 214, um so damit verbunden zu werden, und ist mit einem ersten Führungsloch 298 versehen, welches sich in der vertikalen Richtung erstreckt und konfiguriert ist, um den ersten Führungsstift 215 von der ersten Anschlussbasis 211 aufzunehmen.
  • Ein vierter Anschluss 301 ist an der vierten Anschlussbasis 295 durch Verwenden von Gewindebolzen gesichert, und ist elektrisch mit der Verkabelung verbunden, welche sich von der Schalttafel 40 erstreckt. Der vierte Anschluss 301 ist komplementär zu dem zweiten Anschluss 216, um so damit verbunden zu werden, und ist mit einem zweiten Führungsloch 302 versehen, welches sich in der vertikalen Richtung erstreckt und konfiguriert ist, um den zweiten Führungsstift 217 der zweiten Anschlussbasis 212 aufzunehmen.
  • <Struktur zum Verbinden der oberen Struktur mit der unteren Struktur>
  • Die Struktur zum Verbinden der oberen Struktur 13, welche den oberen Rahmen 21, Sitzeinheit 4 und Batterieeinheit 10 enthält, mit der unteren Struktur 14, welche den unteren Rahmen 22, Antriebseinheit 3 und elektrische Einheit 11 enthält, wird im Folgenden mit Bezug auf 11 und 12 beschrieben. In der perspektivischen Ansicht von 11 sind einige der Komponenten aus der Darstellung zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Wie in 11 und 12 gezeigt ist, wenn die oberen und unteren Strukturen 13 und 14 miteinander verbunden werden, liegt die untere Öffnung 25 des oberen Rahmens 21 der oberen Öffnung 31 des unteren Rahmens 22 gegenüber, und der erste Führungsstift 215 der unteren Struktur 14 wird in das erste Führungsloch 298 der oberen Struktur 13 eingepasst, während der zweite Führungsstift 217 der unteren Struktur 14 in das zweite Führungsloch 302 der oberen Struktur 13 eingepasst wird. Dies verursacht, dass der erste Anschluss 214 mit dem dritten Anschluss 297 verbunden wird, und der zweite Anschluss 216 mit dem vierten Anschluss 301. Dadurch werden die oberen und unteren Strukturen 13 und 14 elektrisch miteinander verbunden, so dass die elektrische Energie und Übertragung von Steuersignalen zwischen den oberen und unteren Strukturen 13 und 14 bewirkt werden kann.
  • Die untere Oberfläche des Rahmenteils des oberen Rahmens 21, welcher die Ausnehmung 29 definiert, stößt gegen die obere Oberfläche der Verbindungselementbasis 210 an, welche mit der Eingangswelle 206 des oberen Lastsensors 6 verbunden ist, und das freie Ende der Eingangswelle 206 wird nach oben durch das zentrale Verbindungsloch 30 der Aussparung 29 geführt. Durch Schrauben einer Mutter 314 auf die Eingangswelle 206 wird die Bodenwand der Aussparung 29 fest zwischen der Verbindungselementbasis 210 und Mutter 314 gehalten, und der obere Rahmen 21 wird durch die Eingangswelle 206 und den oberen Lastsensor 6 gelagert. Die obere Öffnung 31 des unteren Rahmens 22 ist etwas kleiner als die untere Öffnung 25 des oberen Rahmens 21, so dass die periphere Wand, welche die obere Öffnung 31 definiert, festsitzend durch die untere Öffnung 25 des oberen Rahmens 21 aufgenommen wird.
  • Somit wird die obere Struktur 13 durch die untere Struktur 14 allein über den Lastsensor 6 gelagert, so dass die Last, welche durch das Platznehmen einer der Fahrzeugpassagiere auf der Sitzeinheit 4 erzeugt wird, auf die Eingangswelle 206 des oberen Lastsensors 6 über die obere Struktur 13 übertragen wird.
  • <Struktur des Steuersystems des umgekehrten Pendels>
  • Wie in 13 gezeigt ist, empfängt die Steuerschaltung 261 Signale von dem oberen Lastsensor 6, Neigungssensor 7, Fußtrittlastsensoren 8, Drehkodierer 9 und Batteriemanagementschaltung 285 über die Eingangsschnittstellenschaltung 265. Die Steuerschaltung 261 ist konfiguriert, um PWM-Signale zum Antreiben der linken Antriebsschaltung 253 und rechten Antriebsschaltung 254 über die Ausgangsschnittstellenschaltung 266 zu erzeugen, um so das inverse Pendelfahrzeug 1 in einer aufrechten Stellung zu halten oder die Steuerung eines umgekehrten Pendels gemäß den empfangenen Signalen durchzuführen.
  • Der obere Lastsensor 6 leitet ein Signal entsprechend der Last weiter, welcher auf die Eingangswelle 206 der Steuerschaltung 261 aufgebracht wird. Jeder Fußtrittlastsensor 8 sendet ein Signal entsprechend der Last, welches auf den entsprechenden Fußtritt 183 aufgebracht wird, zu der Steuerschaltung 261 weiter. Der Neigungssensor 7 sendet ein Signal entsprechend der Neigung davon hinsichtlich einer vorgeschriebenen Referenzlinie zu der Steuerschaltung 261 weiter. Jeder Drehkodierer 9 sendet ein Signal entsprechend der Winkelposition der entsprechenden Rotorwelle (Ausgangswelle) 96 zu der Steuerschaltung 261 weiter. Der Speicher 284 der Batteriemanagementschaltung 285 speichert Referenzwinkeldaten, welche im Folgenden beschrieben werden, und sendet die Referenzwinkeldaten zu der Steuerschaltung 261 weiter.
  • Die Steuerschaltung 261 berechnet die Last, welche auf die Eingangswelle 206 aufgebracht wird, gemäß dem Signal, welches von dem oberen Lastsensor 6 empfangen wird, und bestimmt, ob ein Fahrzeugpassagier auf der Sitzeinheit 4 Platz genommen hat, durch Vergleichen der berechneten Last mit einem vorgeschriebenen Schwellenwert. Die Steuerschaltung 261 berechnet auch die Lasten, welche auf die Fußtritte 183 aufgebracht werden, gemäß den Signalen von Fußtrittlastsensoren 8 und bestimmt, ob und wie der Fahrzeugpassagier seine oder ihre Füße auf den Fußtritten 183 platziert, durch Vergleichen der berechneten Lasten mit vorgeschriebenen Schwellenwerten.
  • Gemäß den Ergebnissen des Bestimmens, ob ein Fahrzeugpassagier auf der Sitzeinheit 4 Platz genommen hat, und ob der Fahrzeugpassagier seine oder ihre Füße auf den Fußtritten 183 platziert hat, bestimmt die Steuerschaltung 261 das Vorhandensein eines Fahrzeugpassagiers und die Fahrhaltung des Fahrzeugpassagiers. In dem dargestellten inversen Pendelfahrzeug 1 kann der Fahrzeugpassagier das inverse Pendelfahrzeug 1 entweder in einer sitzenden Stellung durch Sitzen auf der Sitzeinheit 4 fahren, wie in 14 (A) dargestellt ist, oder in einer stehenden Stellung durch Stehen auf den Fußtritten 183 und Anordnen der Sitzeinheit 4 (welche in der zurückgezogenen Position zu solch einer Zeit ist) oder insbesondere der Polsterteile davon zwischen den Knien und Oberschenkeln des Fahrzeugpassagiers, wie in 14 (B) dargestellt ist. Wenn keiner auf der Sitzeinheit 4 sitzt und keine Füße auf den Fußtritten 183 platziert sind, dann wird bestimmt, dass kein Fahrzeugpassagier auf dem inversen Pendelfahrzeug 1 ist. Wenn ein Fahrzeugpassagier sitzend auf der Sitzeinheit 4 mit dem oberen Lastsensor 6 erkannt wird, kann bestimmt werden, dass ein Fahrzeugpassagier in der sitzenden Stellung vorhanden ist. Wenn das Vorhandensein von Füßen auf den Fußtritten 183 durch Verwenden der Fußtrittlastsensoren 8 bestimmt wird, kann bestimmt werden, dass ein Fahrzeugpassagier in der stehenden Stellung vorhanden ist.
  • Die Steuerschaltung 261 berechnet die Drehgeschwindigkeiten der zwei elektrischen Motoren 82L und 82R gemäß den Signalen von Drehkodierern 9, und verwendet die erhaltenen Geschwindigkeiten für die Antriebssteuerung der zwei elektrischen Motoren 82L und 82R.
  • Die Steuerschaltung 261 berechnet einen Neigungswinkel θ der Axiallinie B von der unteren Struktur 14 hinsichtlich einer vertikalen (Lot) Linie C gemäß dem Signal von dem Neigungssensor 7 durch Verwenden eines vorbestimmten Berechnungsprozesses. Die Axiallinie B der unteren Struktur 14 erstreckt sich entlang der langen Achse (oder vertikalen Linie) des unteren Rahmens 22, wie in 3 gezeigt ist. In dem rechtwinkligen XYZ-Koordinatensystem, welches eine X-Achse aufweist, welche sich in der Längsrichtung erstreckt, eine Y-Achse, welche sich in der lateralen Richtung erstreckt, und eine Z-Achse, welche sich in der vertikalen Richtung erstreckt, kann der Neigungswinkel θ eine X-Komponente θX oder einen Neigungswinkel in der X-Achsenrichtung aufweisen, und eine Y-Komponente θY oder einen Neigungswinkel in der Y-Achsenrichtung.
  • Die Steuerschaltung 261 führt die Steuerung des umgekehrten Pendels gemäß dem Neigungswinkel θ durch. In der Steuerung des umgekehrten Pendels wird das inverse Pendelfahrzeug 1 durch Verwenden der Antriebseinheit 3 bewegt, so dass der Neigungswinkel θ dazu gebracht wird, mit einem Referenzwinkel θt zusammenzufallen, welcher als ein Steuerzielwert gegeben ist, und dadurch wird das kombinierte Gravitationszentrum des Fahrzeugs 1 selbst und das des Fahrzeugpassagiers ungefähr oberhalb des Straßenkontaktpunkts der Antriebseinheit 3 (Hauptrad 85) positioniert. Da die Position des kombinierten Gravitationszentrums von dem Vorhandensein des Fahrzeugpassagiers und der Fahrtstellung des Fahrzeugpassagiers abhängt, wird der Referenzwinkel θt individuell für das inverse Pendelfahrzeug 1 ohne einen Fahrzeugpassagier, das Fahrzeug, welches einen Fahrzeugpassagier in einer sitzenden Stellung trägt, und das Fahrzeug, welches einen Fahrzeugpassagier in einer stehenden Stellung trägt, definiert.
  • Wie in 15 (A) gezeigt ist, wenn kein Fahrer auf dem inversen Pendelfahrzeug 1 der dargestellten Ausführungsform ist, da die obere Struktur 13 und untere Struktur 14 in sowohl der Längsrichtung als auch der lateralen Richtung symmetrisch sind, sind das Gravitationszentrum Gu der oberen Struktur 13 und das Gravitationszentrum GI der unteren Struktur 14 im Wesentlichen auf der Axiallinie B angeordnet. Daher, wo kein Fahrer auf dem Fahrzeug ist, fällt die Axiallinie B der unteren Struktur 14 im Wesentlichen mit der vertikalen Lotlinie C zusammen, so dass der Referenzwinkel θ1 als ungefähr 0 eingestellt wird. Der Buchstabe G in den Zeichnungen kennzeichnet die Bodenoberfläche.
  • Wie in 15 (B) gezeigt ist, wenn ein Fahrer sitzend auf der Sitzeinheit 4 vorhanden ist, ist das Gravitationszentrum GH des Fahrers H, welcher typischerweise seine oder ihre gebogenen Knie nach vorne vorstehend aufweist, vor der Axiallinie B angeordnet, das kombinierte Gravitationszentrum G2 des Fahrzeugs 1 und des Fahrers H ist vor der axialen Linie B angeordnet. Daher wird ein Referenzwinkel θ2 so definiert, dass die Axiallinie B nach hinten kippt und das Gravitationszentrum B2 ist exakt oberhalb des Bodenkontaktpunkts der Antriebseinheit 3 angeordnet. Hinsichtlich der lateralen Richtung, da der Fahrer H und das inverse Pendelfahrzeug 1 als symmetrisch angenommen werden, ist die Y-Komponente θY2 des Referenzneigungswinkels θ2 gleich 0.
  • Obwohl nicht in den Zeichnungen gezeigt, auch wenn der Fahrer H auf dem Fahrzeug in einer stehenden Stellung ist, wird ein Referenzwinkel θ3 so definiert, dass das kombinierte Gravitationszentrum G3 des inversen Pendelfahrzeugs 1 und des stehenden Fahrers exakt oberhalb des Bodenkontaktpunkts der Antriebseinheit 3 angeordnet ist. Wiederum ist die Y-Komponente θY3 des Referenzneigungswinkels θ3 gleich 0.
  • Die Steuerschaltung 261 erzeugt PWM-Signale zum Steuern der linken Antriebsschaltung 253 und rechten Antriebsschaltung 254, um so den Neigungswinkel θ mit dem Referenzwinkel θ1 bis θ3 für jede der Fahrzeugpassagiersituationen in Übereinstimmung zu bringen. Gemäß den gegebenen PWM-Signalen führen die linke Antriebsschaltung 253 und rechte Antriebsschaltung 254 elektrische Energie zu den elektrischen Motoren 82L und 82R zu, um sie in einer entsprechenden Weise zu betätigen.
  • Die Struktur, welche im Vorherigen beschrieben wurde, erlaubt es dem inversen Pendelfahrzeug 1, eine aufrechte Stellung aufrechtzuerhalten, in welcher die Axiallinie B der unteren Struktur 14 in Übereinstimmung mit dem entsprechenden Referenzwinkel θ1 bis θ3 dank der Steuerung des umgekehrten Pendels übereinstimmt. Das inverse Pendelfahrzeug 1 wird durch den Fahrer angetrieben, welcher sein oder ihr Gewicht in einer vorgeschriebenen Richtung verlagert. Wenn das Gewicht des Fahrzeugbetreibers in eine gewünschte Richtung verlagert wird, kippt die Axiallinie B der unteren Struktur in die gewünschte Richtung. Die Steuerschaltung 261 treibt dann die Antriebseinheit 3 an, um so den Neigungswinkel θ mit dem Referenzwinkel θ2, θ3 der entsprechenden Fahrzeugpassagiersituation in Übereinstimmung zu bringen, und dies bewirkt, dass das Fahrzeug in der gewünschten Richtung fährt.
  • <Betriebsmodus der Ausführungsform>
  • Das inverse Pendelfahrzeug 1 ist in der Lage, jegliche translatorische Bewegung in sowohl der Längs- als auch lateralen Richtung auszuführen, während eine aufrechte Stellung aufrechterhalten wird. Wenn eine Wendebewegung, welche ein Giergeschwindigkeit involviert, erforderlich ist, kann der Fahrer bewirken, dass das entsprechende Bein des Fahrers die Straßenoberfläche in Eingriff nimmt, während das inverse Pendelfahrzeug 1 fährt, so dass das inverse Pendelfahrzeug 1 um das Bein des Fahrers, welches die Straßenoberfläche in Eingriff nimmt, herum wendet. Alternativ kann eine Wendebewegung des Fahrzeugs 1 erreicht werden durch Erzeugen eines Drehmoments (Torsionsmoment) um den Bodenkontaktpunkt herum durch Durchführen einer Bewegung, welche verursacht, dass sich das Trägheitsmoment des Fahrers ändert, wie beispielsweise Herausstrecken oder Zurückziehen der Arme, während der Fahrer seinen oder ihren Torso dreht. Jedoch sind in beiden Fällen einige komplexe Prozeduren erforderlich, und der Fahrer muss etwas Erfahrung erlangen, bevor er fähig wird, ein Wendemanöver durchzuführen. Daher ist es wünschenswert, dass das inverse Pendelfahrzeug 1 einfach gewendet werden kann durch laterales Kippen des Körpers des Fahrers oder andersartiges Bewegen des Gravitationszentrums des Fahrers, ähnlich wie bei einem Fahrrad.
  • Das inverse Pendelfahrzeug 1 weist drei Hauptträgheitsachsen wie jeder andere starre Körper auf. In diesem Fall kann die Hauptträgheitsachse diejenige des Fahrzeugs 1 ohne einen Fahrer sein. (Alternativ kann die Hauptträgheitsachse auch diejenige des inversen Pendelfahrzeugs 1 mit einem Fahrer sein.) Dem inverse Pendelfahrzeug 1 der dargestellten Ausführungsform ist eine relativ einfache Form gegeben, und die Hauptträgheitsachsen davon erstrecken sich lateral, longitudinal (Längsrichtung) und vertikal durch die Gravitationsmittellinie. Da dieses Fahrzeug in der vertikalen Richtung verglichen mit der lateralen und longitudinalen Richtung länger ist, ist das Trägheitsmoment um die vertikale Hauptträgheitsachse herum kleiner als diejenigen um die anderen Hauptträgheitsachsen herum. In der dargestellten Ausführungsform wird angenommen, dass die Minimum-Hauptträgheitsachse mit der Axiallinie B der unteren Struktur zusammenfällt. (Jedoch müssen die geometrischen Axiallinien nicht notwendigerweise mit den Trägheitsachsen zusammenfallen.) Wenn das inverse Pendelfahrzeug 1 in Betrieb ist, neigt sich die Axiallinie B nach hinten um den Referenzwinkel θ2 hinsichtlich der vertikalen Lotlinie C.
  • Daher ist der Punkt P der Bodenoberfläche, durch welchen die Axiallinie B passiert, vor dem Bodenkontaktpunkt Q des Hauptrads 85 um einen bestimmten Weg L angeordnet. Unter dieser Bedingung, wenn der Fahrer sein Gravitationszentrum lateral verlagert und verursacht, dass sich das Fahrzeug in die entsprechende Richtung lehnt, wirkt die Steuerschaltung 261, um so das Fahrzeug zurück zu der aufrechten Stellung zu bringen, jedoch unterliegt das Fahrzeug einem Drehmoment (Torsionsmoment) M um die Hauptträgheitsachse B herum, welches eine Drehung des Fahrzeugs um die Hauptträgheitsachse B herum verursacht. Im Ergebnis neigt sich die Linie, welche den Bodenkreuzungspunkt P der Axiallinie und des Bodenkontaktpunkts Q des Hauptrads 85 verbindet, hinsichtlich der Fahrtrichtung R. Dies macht eine Lenkwirkung aus, und das inverse Pendelfahrzeug 1 führt eine Wendung in die entsprechende Richtung durch. Insbesondere, da das inverse Pendelfahrzeug 1 auf den geringsten Widerstand bei der Drehung um die Hauptträgheitsachse B herum, welche das geringste Trägheitsmoment verglichen mit der Drehachse um andere Axiallinien involviert, trifft, wird die Wendebewegung umso leichter erreicht.
  • In der dargestellten Ausführungsform tragen die elektrischen Motoren und die Batterie zu einem großen Teil der Masse des Fahrzeugs bei, und das Gravitationszentrum der Batterie ist oberhalb und hinter dem Gravitationszentrum des Fahrzeugs angeordnet, während das Gravitationszentrum der elektrischen Motoren unterhalb und vor dem Gravitationszentrum des Fahrzeugs angeordnet ist. Daher kann das Trägheitsmoment um die Minimum-Hauptträgheitsachse deutlich kleiner gemacht werden als diejenigen um die anderen Trägheitsachsen herum, und dies trägt zu der Vereinfachung im Bewirken eines Wendemanövers des Fahrzeugs bei.
  • 17 zeigt eine zweite Ausführungsform des inversen Pendelfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung. In 17 sind die Teile entsprechend zu denjenigen der vorherigen Ausführungsform mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, ohne die Beschreibung von solchen Teilen zu wiederholen. Dieses inverse Pendelfahrzeug umfasst einen säulenförmigen Rahmen 150, und eine Antriebseinheit 3 ist, ähnlich zu derjenigen der ersten Ausführungsform, in einem unteren Teil des Rahmens 150 inkorporiert. Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform enthält die Antriebseinheit 3 ein Hauptrad 85 zum Herstellen einer Antriebskraft in der Längsrichtung durch Wenden in der umfänglichen Richtung. Das Hauptrad 85 ist mit einer Vielzahl von angetriebenen Rollen 164 versehen, welche eine laterale Antriebskraft durch Drehen um die ringförmige Axiallinie davon herstellen können. Durch Betätigen dieser zwei Komponenten durch Verwenden eines Antriebsmechanismus und eines Steuersystems ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform, wird das Fahrzeug aufrecht gehalten und in jeglicher gewünschten Richtung vorwärts getrieben.
  • Ein Paar von Armen 184 erstreckt sich nach vorne von jeder Seite eines unteren Teils des Rahmens 150, und ein Fußtritt 183 ist über den vorderen Enden der Arme 184 vorgesehen. Der Fußtritt 183 ist in Position in der dargestellten Ausführungsform fixiert, kann jedoch aus dem Weg gehoben oder abgenommen werden, wie für die Zweckmäßigkeit des Transportierens oder Lagerns des Fahrzeugs erforderlich. Auf jeden Fall kann durch Platzieren des Fußtritts 183 in einem vorderen Teil des Fahrzeugs die Hauptträgheitsachse des Fahrzeugs nach hinten auf eine signifikante Weise gekippt werden. Weiterhin ist ein Sattel 152 an einem oberen vorderen Teil des Rahmens 50 über ein Paar von sich nach vorne erstreckenden Armen 184 angebracht.
  • Ein Fahrer sitzt auf dem Sattel 152 mit seinem Rücken dem Rahmen 150 gegenüberliegend. Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform, wenn der Fahrer sein Gewicht lateral oder in der Längsrichtung verlagert, fährt das Fahrzeug in der entsprechenden Richtung mit einer entsprechenden Geschwindigkeit. In diesem Fall kann das Fahrzeug also eine translatorische Bewegung nach Belieben durchführen, jedoch könnte einige Anstrengung erforderlich sein, wenn eine Wendebewegung versucht wird. Daher wird die Minimum-Hauptträgheitsachse des Fahrzeugs, welche sich entlang der axialen Richtung des Rahmens erstreckt, nach hinten hinsichtlich der vertikalen Lotlinie gekippt. Daher, da der Fahrer sein Gewicht als einen Versuch, das Fahrzeug in der entsprechenden Richtung zu kippen, lateral verlagert, wird eine Drehbewegung um die Minimum-Hauptträgheitsachse des Fahrzeugs herum gebildet, und das Fahrzeug kann in der gewünschten Richtung gewendet werden.
  • 18 zeigt eine dritte Ausführungsform des inversen Pendelfahrzeugsgemäß der vorliegenden Erfindung. In 18 sind die Teile entsprechend zu denjenigen der vorherigen Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen ohne ein Wiederholen der Beschreibung von solchen Teilen gekennzeichnet. Dieses inverse Pendelfahrzeug umfasst einen kastenförmigen Rahmen 191, welcher einen offenen Boden aufweist, und eine Antriebseinheit 3, ähnlich zu derjenigen der vorherigen Ausführungsformen, welche im Inneren des Rahmens 191 fest gesichert ist, und mit einem Hauptrad 85 versehen ist, welches die Bodenoberfläche G in Eingriff nimmt. Die Antriebseinheit 3 ist im Wesentlichen durch den Rahmen 191 abgedeckt, außer das untere Teil des Hauptrads 85, welches an einer Bodenöffnung 193 des Rahmens 191 exponiert ist.
  • Die Antriebseinheit 3 ist mit einem Paar von elektrischen Motoren 195 versehen, welche an dem freien Ende eines Motorarms 196 angebracht sind, welcher sich nach vorne von der vorderen Fläche des Rahmens 191 erstreckt, anstatt koaxial angeordnet zu dem Hauptrad 85 zu sein, und Energie wird von den elektrischen Motoren 195 zu der Antriebseinheit 3 über ein Paar von Endlosbändern 197 übertragen.
  • Eine Rahmenerweiterung 195 erstreckt sich von dem oberen Ende des Rahmens 191 in einer nach oben gerichteten und nach hinten gerichteten Richtung, und ein Sattel 152 ist an einem Sattelarm 151 angebracht, welcher sich nach vorne von der vorderen Fläche eines oberen Teils der Rahmenerweiterung 195 erstreckt. Ein Fußtritt 183 ist auf einem Paar von Armen 184 vorgesehen, welche sich von der vorderen Fläche eines unteren Teils des Rahmens 191 erstrecken.
  • Dadurch wird das Fahrzeug durch die Antriebseinheit 3 in die Lage versetzt, in jeder gewünschten Richtung zu fahren, sowohl in der Längs- als auch in der lateralen Richtung. In diesem Fall sind die elektrischen Motoren 195, welche eine relativ große Masse aufweisen, in dem vorderen Teil des unteren Teils des Rahmens 191 vorgesehen, und die Batterie, welche auch eine relativ große Masse aufweist, ist in dem rückwärtigen Teil des oberen Teils der Rahmenerweiterung 195 vorgesehen, wobei die Hauptträgheitsachse des Fahrzeugs rückwärtig auf signifikante Weise gekippt werden kann.
  • In diesem Fall sitzt ein Fahrer auch auf dem Sattel 152, wobei sein Rücken der Rahmenerweiterung 195 gegenüberliegt. Ähnlich wie in den ersten und zweiten Ausführungsformen, da der Fahrer sein Gewicht lateral oder in der Längsrichtung verlagert, fährt das Fahrzeug in der entsprechenden Richtung mit einer entsprechenden Geschwindigkeit. In diesem Fall kann das Fahrzeug auch eine translatorische Bewegung nach Belieben durchführen, jedoch könnte einige Anstrengung erforderlich sein, wenn eine Wendebewegung versucht wird. Daher ist die Minimum-Hauptträgheitsachse des Fahrzeugs, welche sich entlang der axialen Richtung der Rahmenerweiterung 195 erstreckt, rückwärtig hinsichtlich der vertikalen Lotlinie gekippt. Daher, da der Fahrer sein Gewicht lateral verlagert, als ein Versuch, das Fahrzeug in der entsprechenden Richtung zu kippen, wird eine Drehbewegung um die Minimum-Hauptträgheitsachse des Fahrzeugs herum gebildet, und das Fahrzeug kann in der gewünschten Richtung gewendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    inverses Pendelfahrzeug
    2, 150
    Rahmen
    3
    Antriebseinheit
    4
    Sitzeinheit
    5
    Steuereinheit
    6
    Lastsensor
    7
    Neigungssensor (Neigungswinkeldetektionsmittel)
    10
    Batterieeinheit
    11
    elektrische Einheit
    13
    obere Struktur
    14
    untere Struktur
    21
    oberer Rahmen
    22
    unterer Rahmen
    24
    Sattellagerrahmen
    29
    Verbindungsausnehmung
    36
    Kerbe
    63L, 63R, 152
    Sattelteil
    82L, 82R
    elektrischer Motor
    84L, 84R
    Antriebselement
    85
    Hauptrad
    121L, 121R
    Antriebsscheibe
    122L, 122R
    Antriebsrolle
    161
    ringförmiges Element
    164
    angetriebene Rolle
    180L, 180R
    Fußtrittbasis
    183L, 183R
    Fußtritt
    261
    Steuerschaltung
    263
    linke Antriebsschaltung
    264
    rechte Antriebsschaltung
    265
    Eingangsschnittstellenschaltung
    266
    Ausgangsschnittstellenschaltung
    244
    Motorantriebsschaltplatte
    246
    Luftdurchgang
    247
    Gebläselüfter
    281
    Batteriemodul
    285
    Batteriemanagementschaltung

Claims (4)

  1. Inverses Pendelfahrzeug (1), umfassend: einen Basisrahmen (2, 150), welcher mit einer Antriebseinheit (3) versehen ist; ein Hauptrad (85), welches in einem unteren Teil (22) des Basisrahmens (2, 150) vorgesehen ist, und konfiguriert ist, um in Umfangsrichtung durch die Antriebseinheit (3) betätigt zu werden; eine Fahrertrageeinheit (4), welche in dem Basisrahmen (2, 150) vorgesehen ist, zum Tragen eines Fahrers des inversen Pendelfahrzeugs (1); und eine Vorwärtsbewegungssteuereinheit zum Vorwärtstreiben des inversen Pendelfahrzeugs (1) durch Steuern einer Antriebskraft in Umfangsrichtung, welche auf das Hauptrad (85) entsprechend einem Zustand des inversen Pendelfahrzeugs (1) aufgebracht wird, und zum Halten des inversen Pendelfahrzeugs (1) in einer aufrechten Stellung; wobei in einem Zustand, in dem der Fahrer auf der Fahrertrageeinheit (4) positioniert ist, die Vorwärtsbewegungssteuereinheit das inverse Pendelfahrzeug (1) steuert, damit das inverse Pendelfahrzeug (1) in einer Stellung verbleibt bei der ein Punkt (P) einer Bodenkontaktfläche, welche von einer Minimum-Hauptträgheitsachse (B) des inversen Pendelfahrzeugs (1) geschnitten wird, vor einem Bodenkontaktpunkt (Q) des Hauptrads (85) liegt, indem die Minimum-Hauptträgheitsachse des inversen Pendelfahrzeugs (1) nach hinten hinsichtlich einer vertikalen Lotlinie gekippt ist.
  2. Inverses Pendelfahrzeug (1) gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vielzahl von angetriebenen Rollen (122R, 122L), welche auf dem Hauptrad (85) vorgesehen sind, um so drehend um eine Axiallinie des Hauptrads (85) in Umfangsrichtung angetrieben zu werden, und eine Lateralbewegungssteuereinheit, welche konfiguriert ist, um das inverse Pendelfahrzeug (1) in einer aufrechten Stellung zu halten, durch Steuern einer Drehantriebskraft, welche auf jede angetriebene Rolle (122R, 122L) gemäß einem Zustand des inversen Pendelfahrzeugs (1) aufgebracht wird.
  3. Inverses Pendelfahrzeug (1) gemäß Anspruch 1 oder 2 , weiterhin eine Batterie (10) zum mit Energieversorgen der Antriebseinheit (3) umfassend, wobei die Batterie (10) derartig positioniert ist, dass ein Schwerpunkt der Batterie (10) oberhalb und hinter einem Schwerpunkt des inversen Pendelfahrzeugs (1) angeordnet ist.
  4. Inverses Pendelfahrzeug (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antriebseinheit (3) einen elektrischen Motor (82R, 82L) umfasst, wobei der elektrische Motor (82R, 82L) derartig positioniert ist, dass ein Schwerpunkt des elektrischen Motors (82R, 82L) unterhalb und vor einem Schwerpunkt des inversen Pendelfahrzeugs (1) angeordnet ist.
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