TW515770B

TW515770B - Control of a personal transporter

Info

Publication number: TW515770B
Application number: TW090125477A
Authority: TW
Inventors: Dean L Kamen; Richard W Arling; J Douglas Field; John D Heinzmann; John B Morrell
Original assignee: Deka Products Lp
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-01-01
Also published as: IL155390A0; JP4162995B2; HK1052673A1; MXPA03003266A; WO2002030730A2; KR100978686B1; EP1324911A2; KR100885555B1; AU2002211908B2; CA2425148C; AU1190802A; NZ541108A; JP2004510637A; EP1324911B1; NZ525279A; KR20090120522A; MY128142A; JP2007269316A; WO2002030730A3; KR20030083680A

Description

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10 15 經濟部智慧时1¾¾ * - if卜卞杜印製 20 25 ==的其它實施例，目標值可以為零，控制變數刹車的速率，錯誤狀況可以是馬達繞組開路或速地一f樣’提供-種方法能使使用者快 i k t 式個人載運器的操作。該方法的步驟包括軸穩定器’開始3軸穩定器的初始化，通知騎已完成使用準備，允許載運㈣操作，完制平衡式::二始器化’以及’最後，使用3軸穩定器控 :、本《明的另—悲、樣，提供-種騎乘者檢知器，用=知騎乘者是否在兩輪式動g平衡載運器的底座上 .可乘者檢知器具有一蓋在載運器底座上的墊片，墊片 =具有附接於底座的墊片緣以及具有底部及頂部的墊土勒底部附接於墊片緣’且墊片蓋具有頂表面及底表朴知2 ίΓ接於墊片壁並支撑於底座上。最後，騎乘 1。具5:開關安裝於底座上，位於墊片蓋的底表 =:塾>|盍被移置與開關接觸時，開關從第—狀態改芰到弟二狀態。另者’在墊片蓋的底表面下方可配置一硬板。按本發明的另-態樣，提供_種靜態不穩定機動化載運益’它具有—底座用以支#騎乘者，以及—對橫向配置的輪子用以將底座支撐於一表面上。載運器具有一機動化的驅動器’用以驅動一對輪子，一傾斜偵測器 (pitch sensor)耗合到底座’债測器產生載運器的傾斜指不以及一控制益，用以根據載運器的傾斜控制機動化 4- 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 91. 3. 2,000 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) I --------^-------- 515770 A7 五、發明說明（3) B7 10 15 的驅動。工具：=的=;樣手f供;種;於機動化交通具有一手把。駕駛裝置具有一諸如駛命令，、一 σ偵測器，耦合到手把用以根據轉動產生駕以及 $轉動的握把用以將_動給予轉動偵測器，德刭由：力黃’用以在握把被釋放後將可轉動的握把恢另者，駕驶裝置可具有，合到相對於後“托、。構固定的轉動偵測器’用以在偵測到轉動 ^, 駕駛°Ρ令，一撓性軸桿耦合到轉動偵測器，一動旦用以弓曲撓性軸桿以便提供轉動偵測器的轉力里測’以及_簧構件，用以提供反制撓性軸桿彎曲的知照本發明的另一實施例，駕駛裝置具有一槓桿，二與手把實質地齊平，使用者可利用手掌使槓質千订於下方表面以及實f平行於載運器行進方向的樞軸移動。駕驶裝置還具有—恢復構件制=離開中性位置的移動，以及一债測器，用以偵測貝干離開中性位置的移動，並反應該移動產生駕駛命令者

絰濟部智慧財產局員工消費合作社印製按照本發明的又一實施例，提供一種保持載運哭之輪子與下方表面間摩擦力的方法。該方法的步驟包二·· (a) 比較輪子的加速度與指定的預設值；匕 (b) 根據輪子的加速度設定滑動狀況的旗標； (c) 根據滑動狀況的旗標降低施加於輪子的扭力· 25 (d)決定輪子的動態特徵值；以及 ’

本紙張尺度翻中關家辟（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 91. 3. 2,000 M5770 A7 B7

10 15 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 20 (e)根據輪子的動態特徵值清除滑動狀況旗標。、按照本發明的其它實施例，動態特徵可以是慣性矩或慣性矩的倒數。決定動態特徵的步驟可包括加速度除以施加於輪子的控制扭力。降低施加於輪子之扭力的步驟包括將扭力降到零，以及增量地變動（slewing)扭力。照本發明另外其它的實施例，提供一裝置以改正載運器之輪子的滑動。該裝置具有一偵測器用以監視輪子的速率，一微分器用以根據輪子速率的改變計算加速度，一比較裔用以比較輪子的加速度與預設值並用以設定-滑動狀況的旗標’以及_控制器，用以降低施加於輪子的任何扭力，如此，扭力會持續地降低直到滑動狀況旗標被清除。按照本發明的其它實_，提供—種運器中之電動馬達的方法，在正常操作時，該載運2 有兩輪與地面接觸’且具有一特徵為框率(fr_膽)的 2控㈣1動馬達驅動—軸桿以將動域合到兩輪，、中之。5亥方法的步驟包括： ⑷:具有第-頻寬之特徵的内部環路控制功率級的輪㈨反應功率級的輸出產生實質正比於轴桿速度的信號⑷=少一軸ί速度信號及指定的载運器速度以等號；以及 n⑽逮㈣算—„命令信 ----— — — — — · I I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

25 (句根據電壓命令信號控制施加給馬達的 ' -6- 電壓。

本紙張尺度適用中國國家標準((JNS)A4規格（21〇 297公茇） 2,000 五、發明說明（5) 進步的步驟還包括經由使用者輸入裝置提料八时度，且貫質比例於軸桿速度之信號是微刀自軸杯位置偵測器的信號。按如本發明的另_實施例，提供一種控制具有側向配置之兩輪機動化平衡式載運器之偏駛控 _〇1)的方法。該方法的步驟包括： ⑷根據載運11的平衡需求計算-命令給馬達放大器； ⑻根據指定的運動方向增加給馬達放大器的命令； (c〇 4分根據增加的命令產生放大器的輸出； (d)偵測放大器的輸出； 10 15 (e) 根據放大器的輸出修改命令；以及 (f) 將放大器的輸出施加給輪子馬達。在其它實施例中，該方法可能還有制每—輪子之速度的附加步驟，並根據輪子的速度修改送給兩輪子放大器每一個的命令。圖式簡單說明圖1疋個人載運器的側視圖，沒有靜態穩定的位置，用以支撐或運送一主體，他保持在站立於其上的位置 9 圖2顯示本發明之實施例之系統架構的方塊圖；圖3顯示上蓋移開後之電源的頂視圖；圖4是本發明實施例的電力驅動模組方塊圖；圖5是馬達的電氣模型；圖6a顯示按照本發明實施例之騎乘者檢知器的頂視 515770

圖；圖6b顯示圖6a之實施例的側視剖切圖；圖7顯示按照本發明實施例之偏駛輸入裝置的分解圖； 5 圖8a是按照本發明實施例之巧性體阻尼之偏駛輸入裝置的頂視剖面圖，圖中顯示它在放鬆位置；圖8b是圖8a之偏駛輸入裝置的頂視剖面圖，圖中顯示在轉向位置；圖8c及8d分別是圖8a之偏駛輸入裝置的背視及頂視 10圖，耦合在按照本發明實施例之個人載運器的手把内；圖9a及9b分別描繪手掌駕駛裝置在靜止狀態及作用狀態，在按照本發明實施例的個人載運器手把内實施；圖10是按照本發明之實施例之控制程式的邏輯流程 TS3 · 圃， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· · 15 圖11是按照本發明之實施例之摩擦力控制的流程圖

20 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 25 細說明。所謂”平衡式，，個人載運器是它能在一或多個輪插作，但若沒有控制環路控制輪子的操作則它I法輪,上。平衡式個人載運器缺之靜態穩定性，但它能平衡。輪子或其它與地面接觸的單元在本文 = 要的地面接觸置分丨丨，担細L 崎主接觸早70，&供此種個人載運器與地面或其

本紙張尺度剌巾國_ x 29^ 91· 3. 2,〇〇〇 515770 A7 B7 五、發明說明（7) 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 25 觸，且在正常操作期間提供載運器關在某二應用中，操作中的個人載為〇在1生故障情況料需要操作太長的時間。 :操作的操作：時是需要的，不過只能在一限定的時間 …’以使載運ϋ能保持穩定性，同時停止並允許使用者從載運器上下來。雖然某些平衡式個人載運器在組件故 ^不需要無限期操作，不過，提供故障檢知的冗餘架構疋有盈處的’其中，關鍵性組件，諸如迴轉儀、電池 :馬達繞組、及處理器都有備份，且在載運器操作期間是平行地運作。如果其中一線中的組件發生故障，平行的組件仍能使載運器至少保持一段短時間的穩定。按照以下所要时淪的本發明實施例，短時間的持續操作有利於在保持平衡的情況下將載運器帶至停止，並接著關閉輪子馬達。將載運器帶至停止的方法是命令載運器向後傾斜，是在限速下達成。圖1所示的使用者8站立在地面接觸模組26的平台（或底座）12上。圖中所顯示的輪子2〇及21與γ軸同軸。駕駛或其它控制是由姆指輪32及34或其它使用者輸入機構提供，將在下文中詳細描述。駕駛桿16上配置有手把 14以供使用者抓握。現請參閱圖2，圖中顯示按照本發明實施例之系統架構的方塊圖。左馬達110驅動左輪2〇(如圖1所示），右馬達120驅動右輪21。較佳的馬達11〇及120為直流無刷 -9-

裝--------訂： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 91. 3. 2,000 515770 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（8) 馬達，但直流或交流馬達以及有刷或無刷都可使用。每一個馬達是由冗餘的繞組m、112、121、122提供動力。每一繞組只有在互補的繞組不提供動力時才具有提供動力的能力。在以下的討論中，每一冗餘組件都以兩字 5母識別，分別以L&R代表載運器的左側及右側，以八組及B組代表几餘的組件。例如，由a組組件提供動力的左馬達繞組標示為LA繞組。每一馬達繞組111、112、121、122是由馬達放大器 132、133、142、143驅動。A組放大器 132、133是由 A 組電源131供電，B組放大器142、143是由B組電源141 供電。電源與放大器間以及放大器與馬達繞組間的電氣連接將會承載高達20到40安培的大電流，在圖2中以粗線105加以識別。每一個馬達110、120具有一軸桿反饋裝置（sfd)113 、123，它-量測馬達軸桿的位置或角速度。每個與驅動該SFD相關之馬達的馬達放大器信號連通。例如，與右馬達120相關的右SFD 123與RA放大器133及RB放大器143信號連通。較佳的SFD是霍爾偵測器，它決定軸桿的位置，不過，SDF可以選用自各種偵測器，諸如編碼器、解析器（resolver)、轉速計等，所列的幾種偵測器只是舉例並無限制之意。某些偵測器，例如轉速計，也可用來量測軸桿的速度。將代表軸桿瞬間速度的信號積分可轉換成代表軸桿位置的信號，反之，將代表軸桿位置的信號微分也可轉換成代表軸桿瞬間速度的信號 25 ° 10 15 20 10- 2,000 (請先闐讀背面之注意事項再填寫本頁)

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515770 A7 10 15 20 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 25 發明說明（10) 、則哭Ϊ:個ΐίϊ接收來自複數個監視載運器狀態㈣亡A J以及騎乘者的輸人命令。處理器使賴測器的 ^虎蚊及傳送適當的命令給馬達放大器測給處理器的資訊包括慣性量測單元（IMU)2 = ;=載運器的空間方向，偏駛輪人裝置（YID)1711t 提供的騎乘者轉向命令，以及騎I =給處理益的輸入還包括騎乘二 (PTD)148,用以將載運器調整到更舒適的：= 停止按鈕（未顯示），用以使載運、/、及對載運器之操作的重要性而:運的中心，因此，如前所述，由向是載運器操作田A組IMU 181供庫#遥盟的方向資訊給A處理器135，並由3 ;; 器的方向資訊給B處理器145。仏應载運沒有PTD 148仍能安全地操作，’載運器即使只提供-個。同樣地，諸典型上這類裝置需要冗餘。非冗餘的裝置(諸如；出裝置也不連接到兩個處理器。 ‘、、'貝不益138或PTD U8)可在圖2描繪的實施例中， 135及控制，。TD 148的信號與『:::處:: =3,⑽理器-經-通二二另外，每一個處理器135、M 面處理器（UIP)173、174通信。每/γ、一固使用者介母一個 UIP 173、174 细、、\χ^ -12- 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515770 A7 - B7 五、發明說明（11) 由其中一個偏駛輸入裝置171、172接收使用者的駕駛命令。A組的UIP 173也與非冗餘的UID通信，如顯示器 138、Ttt1]車開關175及PTD 148。在圖2所示的實施例中沒有提供冗餘的其它使用者介面裝置還包括音響警告裝 5 置、燈光、以及〇n/off開關，這些可連接到a組UIP 173 。八組111? 173也可將使用者介面裝置所提供的資訊提供給B組的UIP 174。按照本發明的較佳實施例，A組UIP 173比較A組處理器的計算與B組處理器的計算，並以，，監視程式 10 "(watchdog)的計算詢問A組處理器135，以確認a組處理态的操作。同樣地，B組UIP 174詢問B組處理器145以確認B組處理器的正常操作。現描述按照本發明各種實施例之個人載運器丨〇的數項組件。 15 電池 r 驅動馬達110、120及電氣組件所需的載運器電力可以由任何習知電氣技術中任何習知的電源供應。電力源例如可包括内及外燃引擎，燃料電池及可充電電池。在 20本發明的較佳貫施例中，電源供應器丨3丨、丨4〖是可充電的電池組。各種形式之化學作用的電池都可使用，視不同情況而定，可包括但不限於鉛-酸、鋰離子、鎳-鎘 (Nl_Cd)、或鎳-金屬混合等化學作用。每一個電源供應裔131、141都是密封在—容器内，容器用於保護電池組 25 以及相關的電子組件。 -13- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

91. 3. 2,000 515770 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製五、發明說明（12) 、圖3顯示上蓋已移開之電源供應器實施例之一的頂視圖。托架205被蓋住並密封以保護裝在其内部之電源供，器200的組件。托架2〇5内裝有複數個電池區塊2⑺ ，每一個電池區塊内有複數個電池單元215。若干個電 5池單元215包裝在-個電池區塊21〇内，電源供應器内的區塊數由預期載運器需要的電力決定。在較佳實施例中，電池單元215是"次-c”大小的電池單元，每一區塊2ι〇内裝有10個電池單元215。在其它實施例中，區塊21〇内可裝入不同數量的電池單元215。電池單元215以串聯較 10佺，如區塊210。在其它實施例中，區塊210可以並聯而每一區塊内的電池單元215串聯，或者，區塊21〇採串聯而每一區塊210内的電池單元215並聯，每一種架構都有其優點用以提供特定用途所需。流入與流出電源供應器200的電流經由連接器22〇傳 15導，連接器220提供電源供應器200與載運器1〇間的電氣介面。在圖3所示的實施例中，連接器”22〇是位於電源供應為200的頂盍（未顯示）上，不過，無論連接器22〇在何位置都屬本發明的範圍。除了將電流導入及導出電源供應為200之外，連接器220也包括複數條信號線，它建立 20電源供應器内部與載運器之任何其它處理器間的信號連通。每一區塊210的溫度是由電源供應控制器230經由溫度债測裔235監視。此外，電源供應控制器230也監視每一個區塊210的電壓。如果電源供應控制器230偵測到區 25塊21 〇的溫度超過預設的溫度極限，電源供應控制器23〇 -14- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) · ·

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 91. 3. 2,000 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（13) :、、二由連接态220送出過熱的信號給處理器。同樣地，如果電源供應控制器230偵測到區塊21〇的電壓低於預設的電C極限，電源供應控制器將經由連接器送出電壓過低的信號給處理器。車乂 it的電源供應控制器23〇包含一 ID晶片24〇，它儲存關於電源供應器的資訊，例如電池的型式，電源供應 _内電池單元的數量等，日期碼或序號碼。ID晶片可以是習知電子技術巾任㈣式的永久或半永久記隐體裝置。包含在10晶片24〇中的資訊可供處理器135 10 145使用’以设定載運器之不同的操作參數。該資訊也可2充電器（未顯示）使用以對電源供應器充電。、電源供應器200也可經由連接器22〇連接到外部或在，運器内部的充電器。在本發明的—實施例中，充電器疋在，運器内’且是習用的AC交換方式的充電器。在 15另貝她例中，充電器裝在電池托架205内。在本發明的另一實施例中，電源供應器2〇〇是由辅助電力單元 jAPU)充電，如美國專利申請案〇9/517,8〇8，名稱為丨’Auxiliary P〇wer Unit”。 20 馬達放大器及操作模式圖4顯示本發明實施例之一的動力模組300。平衡處理器310產生-控制信號給馬達放大器32〇，該放大器依次施加適當的電力給馬達33〇。平衡處理器3 ι〇接收來自使用者與系統偵測器的輸入，並應用一控制法則（在下 25文中詳細討論）以保持平衡並指揮載運器按照使用者的 -15- 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 91* 3· 2,〇〇〇

--------^---------- <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515770 A7 B7 五、發明說明（14) 命令運動。馬達330依次旋轉一軸桿332在角速度ω下供應扭力τ給附接於軸桿332的輪子20、21(如圖1所示）。在某些實施例中，也可使用變速器比例改變輪子相對於軸桿332的角速度。在本發明的較佳實施例中，馬達330 5 是3線圈的無刷直流馬達。在該實施例中，馬達具有3組靜子線圈，不過，任何數量的線圈都可使用。靜子線圈被可以傳導大電流或高電壓的線圈引線337電氣地連接到功率級324。須瞭解，所謂大電流或高電壓是相對於一般用於信號處理的電流及電壓而言，其範圍大約分別 10 高於1安培或12伏。馬達放大器320本身包括放大器控制器322及功率放大級324。放大器控制器322可被架構成控制施加於馬達 330的電流或電壓。這些控制模式可分別稱為電流控制模式及電壓控制模式。功率級324將電源340交換地切入 15 與切出每一線圈，功率級324的交換動作由放大器控制器322控制。内部環路326偵測功率級324是否是按命令輸出，並以閉路頻寬回授一誤差信號給放大器控制器 322，以大約500Hz較佳。此外，放大器控制器322的控制，部分是根據來自軸桿回授偵測器（SFS)335的回授信 20 號。轴桿回授偵測器335也與處理器310信號連通，並提供關於轴桿位置或運動的資訊給處理器。軸桿回授偵測器335可以是任何可以偵測旋轉軸之角位置或速度的習知偵測器，包括轉速計、編碼器、解析器等。在較佳實 25 施例中是使用霍爾偵測器偵測旋轉軸桿332的位置。霍 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 3. 2,000 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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動越過障礙的頂點時不再需要扭力驅動離開障礙，輪子在產生用來驅動越過障礙的額外扭力下會被加速。當輪子被加速時，跨於馬達的反電動勢會增加，且流過R的電流會減少以保持跨於端點411、412的電壓固定。電流 5減少使理想馬達所產生的扭力降低，藉以降低輪子的加速度。電壓控制模式的優點是理想馬達自然地吸取驅動越過障礙所需的電流，對馬達的控制不需做任何改變。只要電源能供應所需的電流，基本上馬達即是它自已的回授偵測器，且控制環路對馬達的延遲基本上為零。 10 另一方面，在電流控制模式時，放大器將經由電阻器430及理想馬達435保持電流固定，直到控制器在下一個處理器時框期間送出新的電流命令。當輪子遇到障礙，①降低且跨於理想馬達的反電動勢下降。不過，由於放大器控制器是要保持電流固定，因此允許跨於端點 15 的電壓下降。由於電流被放大器控制器保持固經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 =，因此扭力也保持固定。不過，扭力不足以驅動越過 P早礙’且運動中之載運器的慣性將致使載運器向前傾斜。當載運1§開始向前傾斜越過障礙時，無論是經由傾斜誤差的改變或經由速度的改變，平衡控制器偵測到傾斜 20 ，並按照美國專利5,971，091所教的控制演算法命令放大器控制器增加電流。馬達放大器將反應增加電流的命令供應額外的電流通過R及理想馬達。增加的電流流過理想馬達將增加施加於輪子的扭力，直到該扭力足以驅動輪子越過障礙。不過，當載運器移動越過障礙時，由 25於輪子不再受阻，增加的扭力將使輪子加速。輪子加速 -18-

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G x 297公楚 91· 3. 2,000 515770 A7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製五、發明說明（17) 將導致輪子使載運器的重心（CG)前移，並致使載運器向後傾斜。平衡控制器經由傾斜誤差的改變或經由速度的改k偵測到此傾斜的狀況，並命令減少供應給理想馬達的電流’藉以降低施加於輪子的扭力。如果平衡控制器所致使的延遲可忽略不計，且回授給平衡控制器之速度資訊的精確度夠高，騎乘者將不會察覺到電壓或電流控制間的差異。不過，如果載運器戶^ j用的控制器或軸桿偵測器的頻寬受到限制，在遇到小障礙時，電流控制模式將無法提供電壓控制模式的立即反應、。在本發明的較佳實_巾，使用低價位的霍爾效 .應偵測器偵測軸桿的轉動。此外，基於下述的理由，用於電流控制模式之控制法則中所使用之增益的選擇受到限制，致使載運器的反應較電壓控制模式緩慢。 15 騎乘者檢知器載運is的操作模式包括騎乘者由載運器支撐的，但也包括騎乘者不是由載運器支撐的模式。例如，、騎乘者在載運器的一旁或後面步行時”驅動”載運器。此外，如果騎乘者在載運器運動中離 2。=載運器的某些安全特性。圖6二:發: 例所使用的騎乘者檢知胃機構。圖_ 頂視圖。與載運器Π)結合的騎乘者檢知J 二二上2、左輪擋泥板512、右輪擋泥板 16、手把見圖υ。輪子擋泥板512 5 10 -19- ί靖先聞讀背φvii意事項再填窝本頁) !» ϋ H ϋ ϋ n mMmm ml^OJ« ϋ ϋ ft— ϋ H ϋ ϋ

^張尺度剌+關緖準（CNS)A4 ^iTilO X 297公釐） 91- 1. 3,000 515770 A7 __B7 五、發明說明（18) 10 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 20 25 、34(見圖1)之信號的密封管道，控制鈕可能位於手把上’而控制的電子裝置密封在底座12中。輪子擔泥板 512、514堅固地附接於底座的兩側。底座12的頂提供實質平坦的表面，其大小適合騎乘者舒適地站立在底座12上。墊片521覆蓋底座12的頂面，並提供底座12額外的保護，以防止環境中的顆粒及灰塵進入。在另一實施例中，墊片還覆蓋部分的擋泥板 512、514，並用來覆蓋供外部充電電源進入的充電器埠 (未顯示）。墊片521可以由能提供足摩擦力的彈性材料製成，以使騎乘者在預期的操作情況下不會從墊片521 上滑下。板522位於底座12與墊片521之間。板522是由硬材料製成，俾使當騎乘者站立在墊片上時，騎乘者之足部作用在板522上的力能平均分布，至少其中一個騎乘者檢知器開關523能被啟動。圖6b顯示騎乘者檢知器5 1 〇的側視剖面圖。開關523 是由彈性材料製成，它可以是整體底娌蓋524中的一部分。雖然製造成本可能較高，但開關523與底座蓋524合而為一可消除可能的裂縫源。開關523具有一延伸到底座蓋524下方的頂桿540及延伸超過底座蓋524上方的頂 542。當頂542被壓下時，開關523變形以使頂桿54〇向下朝向密封在底座520内的電路板550位移。在電路板55〇上有一光學開關，當頂桿540向下位移時，頂桿54〇遮斷了光源555所產生的光束557，光束的遮斷由光學檢知器 5 5 6檢知。墊片緣525附接於底座蓋524的頂部較佳。墊片521 20 91. 1. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) — — — — — — — 訂.！ I! 線 515770 A7 B7 五、發明說明（19) 具有一提而部527，由連接於墊片緣525的壁部526支撐。壁部526的高度經過選擇，以使當墊片521上沒有重量時板522不會對開關523施加壓力。當騎乘者站在提高部 527上日守，板522朝向電路板550位移，直到頂桿540遮斷 5光線。當騎乘者從載運器上下來時，墊片521回到抬起的狀恶，使得開關523上升，藉以重建光源555與檢知器 556間的光束接觸。 10 15 20 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 25 駕驶裝置現請參閱圖7，圖中顯示如圖丨所見平衡式載運器1〇之速克達式4駛裝置的實施例。電位計6〇2或其它可偵測旋轉軸604之位置的偵測器附接於外殼6〇6内。外殼可以疋手把14的一部分（見圖丨）。可旋轉的握把6〇8附接於電位計軸604並提供騎乘者抓握。一扭力簧61〇的一端連接於可旋轉的握把608，另一端連接到電位計6〇2或外殼 606。當騎乘者轉動握把6〇8，握把轉，動軸6〇4。兩端跨接有電壓的習知技術電位計6〇2產生旋轉的信號。如果騎乘者釋放握把，扭力細=: 60S及軸轉回中性或零的位置。當握把被釋於回到它的中性位置時，此允許載運器朝相同方向繼續前進。如果把釋放到中性位置，載運器會繼續朝旋轉所剩的方向轉彎。旋轉的方向可鋒促使躲者向轉㈣方向傾斜。再參閱圖7’如果騎乘者的右手抓住握把_，騎乘者之手指扭轉的方向對應於右轉。騎乘者之右腕向 - 21 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) # 訂---------% r 91. 1. 3,000 515770 A7 B7 ------------〜--------- 五、發明說明（20) 手把外側的轉動促使騎乘者的重量右移到轉彎。將重量移到轉彎方向將有助於載運器的橫向穩定。、 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 現請參閱圖8a-8d，圖中顯示以姆指致動、彈性體阻尼的駕駛輸入裝置620。轉動偵測器622(以電位計較 5佳但也可使用任何型式的轉動偵蜊器）耦合到一轉動固定的結構，以個人載運器的手把14(見圖丨）較佳。駕驶裝置620的軸桿624反應使用者之姆指628施加於姆指按鈕630的力關於一樞軸點626彎曲。當轴尸624被彎曲時，繞樞軸點626的本地轉動被轉動偵測器二2讀^ 10 ，且一具有轉動特徵的信號被傳送給個人載運器的=制器。輸入裝置620的軸桿624包括一彈性體的核心ο]，外為金屬鞘634所包裹。彈性體核心632例如可以是橡膠。軸桿624的末梢端636夾於從手把延伸出的兩限制柱 638之間，當使用者轉動裝置的近側端64〇時，用以限制 15 軸桿624的拉移。經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製使用者轉動近側端640致使軸桿624彎曲，如圖肋所示。金屬鞘634的作用如同一葉簧，提供反制使用者轉動裝置的恢復力，並將裝置帶回圖8a所描繪的中性形狀。彈性體核心632的作用如同一剪簧，它反抗使用者所 20致使的裝置轉動，當偏斜增加，反抗也增加。當末梢端 636被彎曲時，反抗增加的原因是由於金屬鞘a*與彈性體核心632間滑動的差異所導致。圖以顯示駕駛輸入裝置620的背視圖，顯示電位計622產生實質上 <正比於軸桿 624轉動的信號。圖8d顯示駕駛輪入裝置62〇的頂視圖， 25顯示輸入裝置620的近側端640大致呈[形的財料2。虛 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 1. 3,000 515770 A7 B7 五、發明說明（21) 線外形644描繪駕駛輸入裝置偏斜時的情況，與圖訃應。、备照本發明的另一實施例，圖1之個人載運器1 〇的 =一型駕駛裝置如圖9a及9b所示。手掌駕駛裝置65〇安 5衣在手把14的表面上。圖9a描繪靜止狀態，槓桿652的上表面652與手把14的上表面656實質地平行且與其實質地齊平。槓桿652被限制只能繞實質上與地面平行且與，運器前進方向實質平行的樞軸658轉動。騎乘者將^ 拿置於槓桿652上，繞樞軸658壓槓桿⑹朝向一側_或另一側致使產生駕驶信號。駕駛信號是由位在插轴⑽ 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 20 25 慣性量測單元f生里/則單70 (IMU)安裝有供處 :決定載運器的方向及速率。經由使用兩套現完整的冗餘，且以實體地相互分隔為佳並由:自;====電力較佳（如圖2所示）。冗餘的到相互分離之兩處理器的的電源供應器及見圖中側的―…叫來量測载“，訂本紙張尺度適用中囲國家標" 91. 1. 3,000 23 Μ^//υ Α7 -----— Β7 _五、發明說明（22) 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製一個3軸的IMU與一個單軸的IMU配對。抑每一個IMU包括一偵測器190(見圖2)以及支援偵測 f的電子電路。倩測器可以是任何能產生用以指示偵測杰之方向或方向改變率之信號的裝置。所產生的信號與 5偵測器之方向或方向改變率幾近正比較佳，不過，其它的相關也在本發明的範圍内。例如，偵測器可以是液面擺動if斜偵測器、物理的迴轉儀、固態迴轉儀、加速儀、或疋配置成直線且其間分隔一已知矩離的一對接近偵測為。在本發明的其它實施例中，固態迴轉儀與液面傾 10斜偵測器配合使用。液面傾斜偵測器用來修正固態迴轉儀的漂移，如美國專利〇9/458，148中的描述，併入本文參考。單軸IMU由一固態迴轉儀及一傾斜偵測器構成，兩個偵測恭都提供對應於載運器之傾斜方向的信號。3軸 15的1MU由至少3個固態迴轉儀及傾斜偵測器構成。也可安裝可提供關於3個相互垂直軸之任何轉動之混合信號的迴轉儀。另者，也可安裝迴轉儀以避免迴轉儀信號的飽合。迴轉儀的方向視安裝1]^11之容器的空間限制、迴轉儀的飽合限制、以及載運器的預期性能要求而定。在 20本發明的一實施例中，3軸IMIJ由4個固態迴轉儀及一個傾斜偵測器構成。使用4個迴轉儀能使IMU偵測其中任何一個迴轉儀是否故障。雖然無法決定到底是那一個迴轉儀故障，但知道有故障就足以警告處理器採取如下所述的適當行動，同時保持騎乘者的安全與舒適。 25 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 ιδι· · --線· 91· 1. 3,000 515770 A7 五、發明說明（23) 5 10 15 20 25 處理器在本發明的各種實施例中，在處理器上執行控式以決定載運器的動態並根據載運器的動態及騎乘任何命令料適當时令傳送給馬達放A||㈣哭較佳實施财，處理器也可計算適#的開關命令傳送給功率級324(見圖4)，藉以不需要單獨的放大器控制界：處理器可以是適合控制馬達的數位信號處理器（咖)。支援處理ϋ所需的電路及相關的電子組件在電子控路技術的領域中都是習知技術。現請參閱_，目中顯示處理器所執行之控制的邏輯流程圖。當騎乘者啟動載運器時，控制程式執行初始化私序7G5。初始化程序執行處理器間的冗餘檢查 ’任何子系統的故障檢查，以及⑽⑽初始化。在子統及處理H都㈣初純檢查及細被初始化之後，初始化程序告知騎乘者該载運器已準備就緒。告知的方法 =聲音或視覺的指示器，如音調或光。在較佳實施例，初始化程序在單軸狀態估計器完成初始化之後即給 :騎乘者完成準備的通知。此允許騎乘者開始使用載器，同時3軸狀態估計器仍在初始化當中。接下來，程式在710檢查騎乘者的命令及載運哭〜，測：的信號。騎乘者的命令可包括前述的騎乘；： :為’偏駛命令，傾斜調整命令，緊急刹車命令，以，文變命令。載運器狀態偵測器的信號包括量測載 :組件之溫度的偵測器，諸如量测電池或馬達溫度，我弘位m用以量測電池組的電壓。狀態偵測器也包括閲項 ‘運狀及，運或本紙張尺度翻tg因家標準χ撕— 91. 1. 3,000 25- 515770

五、發明說明（24) 10 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 20 25 IMU中的偵測器。程式在715根據來自iMU的偵測器信號決定載運器的方向。在較佳實施例中，標示為八側1]^11的1]^11是由4 個固態迴轉儀及一個雙軸傾斜偵測器所構成的3軸1{^。，與標不為B側IMU的1軸IMU配對使用。程式首先檢查 A側IMU中的迴轉儀是否故障，檢查方法是比較來自一4 個迴轉儀之2個子集的混合信號，如果程式決定4個迴轉儀中有一個故障，程式會設定一 A側IMU故障的旗標，如下所述，它將啟動一程序將載運器帶至一安全狀況。程式也根據來自B側IMU的信號估計載運器的方向。如果A側IMU沒有故p章，b側的估計會與A側的估計比較。如果B側與A側間的估計不同且超出一預設量，則程式將設定B側IMU故障的旗標，這也將啟動安全狀況程序。如果B側估計與a側估計在預設量之内，則在未來的處理中，程式將不理會B側估計只使用A側估計，並知逼萬一 A側IMU故障時，；8侧IMU可以安全地將載運器帶至停止。本發明的另一實施例是Α側及]8側IMU都是狀態估計器。一耘式在720產生輪子馬達的控制。程式的此部分也稱為平衡控制器。平衡控制器描述於美國專利 ^971，〇91及美國專利申請案〇9/458，148，皆併入本文參生輪子馬達的命令是經由具有以下型式的㈣定律產 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------^.——^91. 26

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515770 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（26) 時’在控制首-尾向移動的同時，尚需騎乘者保持首-尾方向的平衡。以此模式操作載運器需要較高的技巧水準，它的娛樂價值對某些騎乘者而言具有吸引力。在其它實施例中，將Kl、κ2設定成非零的正值，κ 、κ4設定成零。在此模式中’載運器具有保持平衡的能力’且在傾斜方向需要一穩態的"誤差，，(或，，偏，保持-穩態的速率。不過，騎乘者可發展出在平衡狀態中操作載運器同時經由適當控制騎乘者之重量的以避免不穩定性的技巧。在典型的操作中，僅將〖3設定成零。在此模式中，當以穩定的速率行進時，載運器保持小的傾斜"誤差"。可藉由調整每-個增益相互間的相對值加以修改載運哭的反應。例如，如果狀,增加，騎乘者將感覺到一ς 剛性的反應，這是因為稍微向前傾身，即可致使大的輪子命令以向前行進越過路面凸塊或快速地向前加速^ 過’各增i無法以完全不相關的方式調整且仍使載運哭保持穩定。偵測器信號（速度、傾斜、傾斜率等）的頻I 以及致動器的頻寬(傳動的剛性，扭力頻寬)對所 =剛性加諸了上限。例如另如果軸桿回㈣測器有能力以極小岐遲提供高解析的速度信號，且處理哭的框率夠高，則增^可提高以提供_剛性的載運器反應同時避錄動的不穩定性。反之，如果軸桿回授偵測器所產生的速度信號有雜訊，或處理器的框率平平，提古增益的能力就受到限制’且騎乘者將感受到載運器”：棉棉π或”拖泥帶水’’的反應。 5 10 15 20 25 28 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 91. 1. 3,000 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 515770 A7 _B7_ 五、發明說明（27) 在圖10的步驟725比較A與B處理器135、145(見圖2) 所產生的馬達命令。如果兩命令間的差超出一預設值，即會設定一處理器故障旗標，該旗標將啟動載運器的安全停機常式。如果馬達命令在預設值内，則兩命令被平 5 均，且在步驟730將平均後的命令送到馬達放大器控制器。程式在735檢查内部時計並在適當的時間將執行傳送給 710。程式環路 710、715、720、725、730、735 稱為框，每秒至少執行5次，較佳是每秒至少執行100次。框的執行速率低於100Hz可能會使騎乘者感覺到載運器 10 不平穩或不穩定。框率愈高，騎乘者所感覺到的載運器穩定性也愈佳。閉環路的偏駛控制載運器的駕駛或偏駛控制是由傳送到輪子放大器的 15 另一轉向命令所達成，此命令的型式如下：

LeftCmd=BalCmd+YawCmd r (1)

RightCmd^BalCmd-YawCmd (2)

LeftCmd及RightCmd分別是控制器送給左及右馬達放大器的命令。如果放大器是電壓控制模式，則 20 LeftCmd與RightCmd代表電壓，如果放大器是電流控制模式則是電流，如果放大器是工作周期控制模式則是工作周期。BalCmd是控制器傳送給每一個放大器用以保持載運器在移動或靜止時之平衡狀態的命令。YawCmd 經由減少送給其中一個輪子的命令同時增加送給另一個 25 輪子的命令以致使載運器轉向。例如，正的YawCmd增 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 1. 3,000 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-1 I n I I I n 一：OJV ϋ n I n n n I 515770 A7 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製五、發明說明（28) =送給左輪的命令_減少送給右輪的命令，藉以致使 ^器向右轉。YawCmd可以由前述沒有回授環路的偏驶輪入裝置產生。除了駕駛錢科，偏駛控㈣也要對㈣的偏驶干擾較鈍感。偏駛干擾的例子之―是當其中—個輪子越過小障礙或凸塊時。遇到障礙的輪子會變慢然而其它的輪子仍以原速度繼續前進’因此，會使載運器朝障礙的方向轉向。在行進方向之突然、非命令的改變是任何載運裝置所不欲見的。在較佳實施例中，閉環路偏駛控制為的實施是按照以下的控制定律： YawCmd=kpyerror+kdy»err〇r (3) 其中，v^ror是（M/desirecrM/)，U(Vdesire(rM/)，以偏駛率M^c^cOr-coJ，ψ是偏駛Ψ==Κ(/，^，kp、‘及。是常數，，C0R、coL分別是右及左輪的角速度。所要的偏駛率 Ψ desired’及所要的偏驶V|/desired•由控制器或由騎乘者提供。經由選擇較大的匕值可以使載運器對偏駛干擾較不敏感。如果kd值大，小的偏駛率誤差將會產生大的Yawc^d ，它將反制任何因干擾所造成的載運器轉向。不過，如果匕值太大，載運器易受偏駛不穩定的影響，其部分視輪子的機械特性而定，部分則視左與右輪間的輕; 而定。 '' 增益kp用來修正偏驶位置誤差。視致動器的驅動法（電流模式、電壓模式或工作周期模式）而定，k對低干擾力所引進的偏駛誤差多多少少有些重要。pi 在一實施例中，分別以左與右輪的角速度叫或叫取 -30- 10 15 20 25 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

3,0〇〇 515770 A7 五、發明說明（29) 10 代偏駛率動態變數ψ，=(：·(ω^%)以修改左及右輪的偏駛控制定律。以輪子的速度取代偏駛控制定律中的偏駛率即可消除左與右輪間的耦合，藉以允許阻尼增益kd設定成較兩的值，以得到較剛性的偏駛控制。不過，輪子的機械特性對kd加諸了上限，並因此限制了載運器的偏驶剛性。帝如以上的討論，馬達放大器132、133、142、143以 7壓控制模式操作較佳。如所討論，電壓控制允許馬達 k供歲乎瞬間的回授環路，以保持由於馬達之反電動勢所造成之暫態事件期間的輪子速度。控制電壓的效果是 f偏駛控制疋律中加入一正比於k2〇/R的項，其中k與r 是馬達的特性，如參考圖5所做的描述，ω是用於右或左偏駛控制定律之左或右輪的速度。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 15 摩擦力控制如別文中的討論，控制器經由功率放大器及輪子馬達控制輪子的扭力或輪子的速率（在後文中統稱為輪子 ^扭力）以使載運器保持在動態平衡狀態。控制器經由 Μ生參考裝置監視載運器的方向並調整輪子的扭力以保持平衡。輪子之控制與載運器之方向間_合視輪子與下方表面（在後文中稱其為地面）間的摩擦力而定。如果下令給輪子的扭力超過輪子與地面間的摩擦分離力，輪 :將打,月，且對控制器將載運器保持在平衡狀態的能力的影響。如果騎乘者的加速(或減速)企圖快過輪 ”地面間之局料件所允許，可能發生第-類型（在 20 25 31 - ‘紙張尺度適用中IS ΒΙ冢標準（CNS)A4規格（21() χ撕公楚丁 91. 1. 3,000 515770 A7 五、發明說明（30) 後=中稱為"Type I")的摩擦力喪失。當載運器遇到地面一滑溜點（如black ice)或當載運器喪失與地面的接觸（例如田驅動載運裔離開坡道）時，可能發生第二類型（在後文中稱為"Type II”）的摩擦力喪失。於此二種類型之摩擦力喪失中，當輪子打滑時，輪于會加速。現請參閱圖11，圖中顯示按照本發明之實施例控制摩擦力之方法的流程。在81〇，控制器連續地監視輪子速率並計算輪子的加速度Aw。在82〇，控制器根據前步驟810所得到的輪子加速度除以前述平衡常式所提供的 2令扭力估計輪子慣性的倒數‘。發明人等發現，輪子慣性的倒數是可用來區別Type II之摩擦力喪失的輪子特性。在830，所計算的輪子加速度舆預^值 Amax比較。預設值對應於喪失摩擦力的加速特性，且與载運器的特性_，在某種程度上可以很料地決定。如果Aw大於Amax ’控制器在835設定一旗標指示滑狀況。控制器在840檢查旗標，如果沒有設定旗標，控制益在870執行扭力變動（siewing)常式，如前所述。如果旗標被設定指示有滑動狀況，則控制器釋放滑動的輪子。此可經由解除馬達放大器對滑動之 2〇成。在本發明的較佳實施例中，控制器在^〇嗖^ 1達扭力的負一此，送到馬達放大補扭力”叩令扭力的和為零，藉以允許輪子自由轉降低輪子的加速度。在本發明的另—實施财扭力設定到使補償扭力與命令扭力的和小扭^ 5 10 15 能償並的 32 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵G χ撕公爱）

t--------tl--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ι· 3,〇〇〇 515770 A7 五、發明說明（31) 在860，控制器比較輪子慣性的倒數&與預設值 :如果Jw小於Jmin，則控制器在865清除滑動旗標。輪子 f貝性的倒數項可用來清除滑動狀況是因為它可區別摩擦力的喪失是屬於Type I或Type II。例如，如果輪子喪失 5與表面的接觸，&將非常大，因為慣性矩僅包括輪子且很小。反之，畲輪子保持與地面接觸時^將很小，因為慣性矩將包括整台載運器且很大。在870，補偵扭力被減少或變動到零。此使得在載頁運器從滑動狀態恢復之後，騎乘者能經歷較平順的過渡 10 〇減速到零 15 20 25 ，如前文中的討論，騎乘者可經由傾身以控制載運器的首/尾移動。不過’可能發生的情況是騎乘者在能^ 應該情況前，必須紐載運器安全地停止。例如，制器所使用的組件故障，控制器可能無法在保持 =平衡^況下移動載運器。如果組件的故障被偵測 |，控制益即執行減速到零的常式以自動地將载運哭藉以允許騎乘者能在控制器喪失離；的能力前離開載運器。〜、十衡圖12顯示減速到零之常式的流程圖。每一 ===入常式。在920如果沒有偵測到關鍵故1ί ,常 :、兄開。關鍵故障是會影響平衡控制器的任何-::况。例如，電池開路狀況、CPU/ 繞組開路狀況、馬達繞組短路狀況、或傾斜^ 本紙張尺度適用中國國家碎 91. 1. 3,000 -33- 515770 A7 B7 五、發明說明（32) 5 10 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 20 25 止指失’控制器應將載運器帶至停即將發生故障，也可用來過熱可能指示組件停止。幻用耒初始化常式以將載運器減速至 5,79M25 ^ ^ (:章·，=，在偵測到故障的同時，控 (slewmg)速率極限將载運器帶至停止。熟悉_ $ 二:瞭？ ’變動是使一變數從它的原始值經過數二制态框增Ϊ地改變到最終值的處理。 : 框對應-時間間隔’完成變動處理所經過的框^ = 於將載運ϋ帶至停止所花的_。停止的時間視數個載運f的相依因數及騎乘者的舒適度而定。例如運裔是被突然停止，在突缺及到不…之，如果停= = f = 故障的機率也增加。在另一例中 ^可月b 醤、蓄-u* — t 1τ止日守間可能是根據，運益中特定_器的特性㈣。在本發明的—實 :頃斜债測器修正迴轉儀的漂移。如果傾侧為故Ρ早，轉制提供的資訊可能仍“ 迴轉！漂移所產生的誤差對控制器簡；運时之動,％平衡狀恶的能力產生不利的影響。如果儀的漂移率低，資訊可以保持很長—段時間的正確性，因此可有較長的停止時間可供使用。反之，如的漂移^高’停止時間就得很短。在本發明的實施例中 ’停止時間在1到10秒之間，以2到4秒較佳。 -34- | 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 3,000 515770

5 10 15 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 20 25 =特定的故障狀況而定，減速到零的常式可用來額。二…專送到所剩非故障的組件用以補償故障的組件 -半的2果馬達繞組故障，馬達仍繼續操作但僅剩下中一個馬達的功率突然下降會致使载運二=轉向。為防止此突㈣料，操作馬達繞 ==;故障的繞組。不過，傳送到剩下馬達繞二t二會超過馬達放大11的操作極限，導致放大 =早。馬達放大器可在超過其操作極限下工作的預期間長度可用來決定停止的時間。、’ 載運ϋ不需要刹車，意指不需要施加外來反向扭力 :輪子的I置’因為控制器及馬達放大器乃是直接控制輪子的位置。如前所述，載運器的首_尾移動由騎乘者 =傾身來控制’因此’如果騎乘者希望停止，騎乘者僅需向載運器移動方向的反方向傾身即可動作是較之人會做的自然移動4過，騎乘者操= 力載運裔的習慣是使用剎車使載運器減速，且在無法預 =的h况下會出於本能地伸手去操作剎車而非僅向後傾本發明的一實施例在把手中結合了剎車控制。剎車，，可以是一簡單的2階段裝置，諸如on-off開關，或疋月b產生正比於騎乘者之輸入之信號的比例式裝置。啟動剎車致使控制器執行前述減速到零的常式，不過需作以下的修改。在920的”故障狀況，，是剎車開關的啟動。由於在此情況的故障不是平衡控制器所使用的組件，因此’停止時間（變動處理所經過的處理器框）可以延長到 35- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2w χ 297公爱〉

3,000

五、發明說明（34) 使％乘者更舒適的速率。在一實施例中，停止時間在5 到10秒之間。如果剎車控制是比例式裝置，如壓力偵測器，減速的速率可由騎乘者施加於剎車控制的壓力加以控制。如果騎乘者施加的壓力大，則藉減少變動的框數以增加減速的速率。反之，如果施加的壓力小，則藉增加變動的框數以降低減速的速率。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -36- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 1. 3,000 515770 A7 B7 五、發明說明（35) 圖式之代號說明：代表符號名稱 8 使用者 10 平衡式個人載運器 12 平台 14 手把 16 駕駛桿 20 左輪 21 右輪 26 地面接觸模組 32 姆指輪 34 姆指輪 110 左馬達 111 左馬達繞組 112 左馬達繞組 113 左軸桿反饋裝置 120 右馬達 121 右馬達繞組 122 右馬達繞組 123 右軸桿反鑛裝置 130 A托架 131 A組電源 132 A組馬達放大器 133 A組馬達放大器 135 A處理器 136 A組DC-DC轉換器 137 通信通道 138 顯示器 140 B托架 141 B組電源 142 B組馬達放大器 143 B組馬達放大器 145 B處理器 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 146 B組DC-DC轉換器 147 通信通道 148 傾斜調整裝置 150，隔板 161 騎乘者檢知器 162 騎乘者檢知器 163 騎乘者檢知器 164 騎乘者檢知器 171 偏駛輸入裝置 172 偏駛輸入裝置 173 使用者介面處理器 174 使用者介面處理器 175 剎車開關 181 慣性量測單元 181 慣性量測單元 182 慣性量測單元 182 慣性量測單元 200 電源供應器 205 托架 210 電池區塊 215 電池單元 220 連接器 230 電源供應控制器 235 溫度偵測器 240 ID晶片 300 動力模組. 308 微分器 310 平衡處理器 320 馬達放大器 322 放大器控制器 324 功率級 - 37- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 1. 3,000 515770 A7 B7 五、發明說明（36) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製代表名稱代表名稱符號符號 330 馬達 606 外殼 332 轴桿 608 可旋轉的握把 332 旋轉轴桿 610 扭力簧 335 軸桿回授偵測器 620 駕駛輸入裝置 337 線圈引線 622 - 轉動偵測器 340 電源 624 軸桿 342 外部的回授環路 626 樞軸點 410 馬達 628 使用者的姆指 411 馬達的端點 630 姆指丑 412 馬達的端點 632 彈性體核心 420 轉軸 636 軸桿的末梢端 430 電阻器 638 限制柱 435 理想馬達 640 軸桿的近側端 510 騎乘者檢知器 642 近側端呈L形的肘 512 左輪擋雜 650 手掌駕敗裝置 514 右輪擋泥板 652 槓桿 520 底座 656 手把14的上表面 521 墊片1 658 樞軸 522 板 662 轉動债測器 523 騎乘者檢知器開關 664 壓力偵測器 524 底座蓋 525 墊片緣 526 壁部 527 墊片的提高部 540 開關的頂桿 542 開關的頂部 550 電路板 555 光源 556 光學檢知器 557 光束 602 電位計 604 旋轉軸 38 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-ϋ «I ·ϋ 1·— Μ·— «ϋ n 一：OJ· I IW I I I 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 91. 1. 3,000

Claims

申睛專利範圍 5 10 15 20 種自動減速载運H的方法，該载運器，用以部分根據控制變數控制载二制口口的步驟包括：氧運為的運動，該方法 (a) 檢知故障狀況； (b) 設定控制變數的目標值； (C) ^目標值的方向以指定的增量調整控制變數； (d)重複步驟(a)-(c)直到控制變數等於目桿值。 2.如申請專利範圍第丨項的方法，其中的目標值是零。 3·如申請專利範圍第1項的方法為的速率。 4.如申請專利範圍第1項的方法繞組開路。 5·如申請專利範圍第1項的方法開關閉路。一種用於載運器自動減速的系統，該系統包括： (a) 故障檢知電路，用以產生故障狀況信號；以及 (b) 控制器，用以： i·部分根據控制變數控制載運器的運動； ii·接收故障狀況信號； iii·設定目標值； iv·朝目標值的方向以指定的增量調整所要調整的控制變數；以及 ν·重複步驟i-iv直到所要的控制變數等於目標值。以其中的控制變數是載運其中的故障狀況是馬達其中的故障狀況是剎車 6. 39 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 90. 11. 2,000 線經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515770 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 7· —種提供使用者加速進入平衡式個人載運器之操作的方法，該方法包括： (a) 初始化單軸穩定器； (b) 開始3軸穩定器的初始化； 5 (c)通知騎乘者載運器已完成使用準備； (d) 允許操作載運器； (e) 完成3軸穩定器的初始化；以及 (f) 使用3軸穩定器控制平衡式個人載運器。 8. —種騎乘者檢知器，用以檢知騎乘者是否站在兩輪式 10 動態平衡載運器的底座上，該檢知器包括： (a) —墊片覆蓋於載運器的底座，該墊片包括： i.墊片緣，附接於底座； ii·墊片壁，具有底部與頂部，底部附接於墊片緣， 15 iii.墊片蓋，具有頂表面及底表>，墊片蓋附接於墊片壁，並支撐於底座上；以及 (b) —開關，安裝於底座並位於墊片蓋的底表面下方，當墊片蓋被移置與開關接觸時，開關從第一狀態改變到第二狀態。 20 9.如申請專利範圍第8項的的騎乘者檢知器，還包括一硬板，置於墊片蓋之底表面的下方。 10·—種靜態不穩定的機動化個人載運器，包括； (a) —底座，用以支撐騎乘者； (b) —對橫向配置的輪子，用以支撐底座高於一表面 -40- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 90. 11. 2,000 ϋ I n emaf n in I— i^i I— l Hi 1B_— · I— I— I— n II ϋ n l 、 n l an I— >1 mmM§ I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 六、申請專利範圍 10 15 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 (C)用於驅動一對輪子的機動化驅動； ⑷傾^貞測器’耗合到底座，該制器產生指示載運為傾斜的信號；以及 ⑷控制器，用以只根據載運器的傾斜來控制機動化的驅動。11.:，制具有兩個橫向配置之輪子及一傾斜偵測器之靜態不穩定機動化個人載運器的方法，該方法包括： (a) 從傾斜偵測器決定載運器的傾斜；以及 (b) 僅根據載運器的傾斜產生控制信號；以及 (c) 將控制彳§號傳送給機動化的驅動。12·如申請專利範圍第丨1項的方法，在產生步驟之後，進一步包括以下步驟： 0)根棒傾斜偵測器所決定的傾斜估計載運器的傾斜率；以及 (b)僅根據估计的傾斜率修改控制信號。 13·—種用於具有把手之機動化載運器的駕駛裝置，該駕駛裝置包括： (a) 轉動偵測器，耦合到把手用以在轉動後產生駕駛命令； (b) 可轉動的握把，用以給予轉動偵測器旋轉運動；以及 (c) 扭力簧，用以在釋放握把後使可轉動的握把恢復到中性位置。 41 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 90. 11. 2,000 ---------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 六、申請專利範圍 5 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 圍第13項的駕敬裝置’其中的_測，:於具有使用者支托的機動化載運器 )轉耦合到相對於使用支托固定的結構 (b)-可-曲的:二轉動後產生-駕駛命令；⑷姆指按用:彎:可乂d 糟以提供轉 I6.i)申浐;用以提供反制可彎曲軸桿彎曲的力。括性體駕敬裝置’其中的菁構件包 17 _ 體的核心及包圍在核^外的金屬勒。方表面上朝行進方向運輪之機動化用者智機動化的載運器具有—把手供使用者抓握，驾駛裝置包括： ⑻；Mf >具有—上表面’與把手實質地齊平，槓桿可被使用者的手掌繞實質平行於下方表面且實貝平行於載運器行進方向的樞軸移動； (b) -恢復構件’用以抵制横桿離開中性位置的移動 ;以及 (C) -偵測器，用以偵測槓桿離開中性位置的移動，並產生反應該移動的駕駛命令。 18·如申請專利範圍第17項的駕駛裝置，其中的偵測器是轉動偵測器，用以偵測槓桿繞樞軸的轉動。訂線 42

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G X 297公髮 90. 11. 2,000 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515770 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 19.如申請專利範圍第17項的駕駛裝置，其中的偵測器是壓力偵測器，用以偵測槓桿繞樞軸的轉動。 20· —種保持載運器的輪子與下方表面間之摩擦力的方法，該方法包括： 5 (a)比較輪子的加速度與指定的預設值； (b) 根據輪子的加速度設定一滑動狀況旗標； (c) 根據滑動狀況旗標降低施加於輪子的扭力； (d) 決定輪子之動態特性的值；以及 (e) 根據輪子的動態特性值清除滑動狀況旗標。 10 21·如申請專利範圍第20項的方法，其中的動態特性是慣性矩。 22·如申請專利範圍第20項的方法，其中的動態特性是慣性矩的倒數。 23. 如申請專利範圍第20項的方法，其中決定動態特性的 15 步驟包括以施加於輪子的命令扭力—動加速。 24. 如申請專利範圍第20項的方法，其中降低施加於輪子之扭力的步驟包括將扭力降至零。 25. 如申請專利範圍第20項的方法，其中降低施加於輪子之扭力的步驟包括增量地變動（slewing)扭力。 20 26·—種用以改正載運器上輪子滑動的裝置，該裝置包括 (a) 偵測器，用以監視輪子的速率； (b) 微分器，用以根據輪子速率的改變計算輪子的加速度； -43- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 90. 11. 2,000 —-------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515770 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (C)比較器，用以比較輪子的加速度與預設值，並用以設定滑動狀況旗標；以及 (d)控制器，用以降低施加於輪子的任何扭力 |法律事務· ^ 如此，扭力會持續地降低直到滑動狀況旗標被Hi。j 5 27. —種用以控制平衡式載運器中電動馬達的方法，在正常操作時，載運器恰有兩輪與地面接觸，且具有以框率（frame rate)為其特徵的平衡控制器，電動馬達驅動一軸桿以將動力耦合到兩輪其中之一，軸桿是以瞬間的軸桿速度描述，該方法包括： 10 (a)以具有第一頻寬之特徵的内部環路控制功率級的輸出； (b) 反應功率級的輸出產生實質上正比於軸桿速度的信號； (c) 至少根據軸桿速度信號及某特定的載運器速度以 15 等於框率且小於第一頻寬三分，之一的速率計算電壓命令信號；以及 (d) 根據電壓命令信號控制施加於馬達的電壓。 28·如申請專利範圍第27項的方法，進一步包括經由使用者輸入裝置提供指定之載運器速度的步驟。 20 29·如申請專利範圍第27項的方法，其中產生實質上正比於軸桿速度之信號的步驟包括微分來自轴桿位置偵測器的信號。 30.—種用於平衡式個人載運器的速度控制器，該速度控制器包括： -44 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 90. 11. 2,000 —------------------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515770 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (a) 馬達，具有一軸桿，用以驅動平衡式個人載運器的輪子， (b) 馬達放大器，用以供應功率給馬達，以具有内環路頻寬特徵的速率控制該放大器； 5 (c)軸桿回授债測器，用以量測軸桿的角速度並提供軸桿速度信號； (d) 使用者輸入，用以接收下令之載運器速率的規格 j (e) 控制器，至少根據軸桿速度信號及下令的載運器 10 速度以小於内環路頻寬三分之一的速率計算電壓命令信號；以及 (f) 放大器，用以根據電壓命令信號施加跨於馬達的電壓。 31 · —種控制具有橫向配置之兩輪機動化平衡式載運器之 15 偏駿的方法，每一輪子都由一馬達致動，每一馬達都由馬達放大器驅動，該方法包括·· (a) 根據載運器的平衡需求計算送給馬達放大器的命令； (b) 根據指定的移動方向增加送給馬達放大器的命令 20 ； (c) 部分根據增加的命令產生放大器的輸出； (d) 偵測放大器的輸出； (e) 根據放大器的輸出修改命令；以及 (f) 將放大器的輸出施加於輪子馬達。 - 45- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 90. 11. 2,000 —------------------訂·-------1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、申請專利範 5 32·:申請專利範圍第31項的方法，其中放大器的輪出曰電壓。疋 33·如中請專利範圍第31項的方法，進-步的步驟包括： (a)偵測每一個輪子的速度；以及 ⑼根據輪子的速度修改送給兩輪之放大器每一個的命令。 —------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -46 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 90. 11. 2,000