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TW201718305A - 便攜式兩輪自我平衡個人運輸載具 - Google Patents

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TW201718305A
TW201718305A TW105129962A TW105129962A TW201718305A TW 201718305 A TW201718305 A TW 201718305A TW 105129962 A TW105129962 A TW 105129962A TW 105129962 A TW105129962 A TW 105129962A TW 201718305 A TW201718305 A TW 201718305A
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Application number
TW105129962A
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English (en)
Inventor
丹尼爾 布萊恩 雷爾 艾德尼
Original Assignee
Ｐ＆Ｎ Ｐｈｃ有限責任公司
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Publication date
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Abstract

本發明提供一種便攜式兩輪自我平衡個人運輸載具，包含一單一支撐平台，其具有第一和第二足部放置面；一個或多個慣性感測器，其可操作以對該平台提供間距資料。該第一足部放置面和該第二足部放置面與第一和第二驅動馬達分別所控制的第一輪子和第二輪子相關聯。至少一個負載感測器對該第一足部放置面提供第一負載資料，且至少一個負載感測器對該第二足部放置面提供第二負載資料。控制電路系統連接到該等第一和第二驅動馬達，並可操作以傳輸平衡信號至該等第一和第二驅動馬達用以自我平衡該支撐平台殼體以回應該間距資料，以及一個或多個操縱扭矩信號以回應該第一和第二負載資料。

Description

便攜式兩輪自我平衡個人運輸載具
本申請案對2015年9月24日Daniel Bryan Laird Edney所申請之「自我平衡踏板車(Self-Balancing Scooter)」的美國臨時專利申請號No.62/222,779主張利益。特此將此美國臨時專利申請案全部內容併入作為參考。
本發明係關於兩輪自我平衡電動個人運輸載具。
機械工程師已習知自我平衡載具技術多年。舉例來說，五十多年以前，發佈給名為Malick的發明人之標題為「電動單輪車(Powered Unicycle)」的美國專利No.3,399,742(以下簡稱「`742專利」)，揭示使用「垂直感測陀螺儀」解除騎乘者持續「維持垂直平衡」需要的自我平衡單輪載具。當該單輪車騎乘者將他或她的重量向前位移時，該垂直感測陀螺儀感測到該重量位移，並導致該輪子增加轉速以補償該向前傾斜。當該騎乘者將她的重量向後位移時，該垂直感測陀螺儀再次感測到該向後的重量位移，並導致該輪子之轉速變慢以補償該向後移位。因此，該載具之速度由該騎乘者將「他的重量前後位移」所控制(`742專利，第8欄，第56-68行)。
標題為「人體運輸者(Human Transporter)」之對Kamen等人的美國專利5,701,965講述一種兩輪平衡踏板車或平衡輪椅，其藉由該輪子 之主動控制以倒擺方式調節該整個載具和騎乘者組合之傾斜而平衡該騎乘者。該騎乘者抓住握把坐或站在該載具上，該裝置之傾斜係使用角度或水平感測器(例如陀螺儀)所測得，且控制系統施加適當馬達扭矩以保持該裝置直立。該騎乘者因此藉由傾斜控制該載具之向前和反向運動。
兩輪自我平衡載具之其他範例在於1998年發佈給Dean Kamen等人之標題為「運輸載具控制迴路(Control Loop for Transportation Vehicles)」的美國專利5,791,425(以下簡稱「`425專利」)中揭示。該`425專利揭示幾種類型之兩輪自我平衡載具，包括一兩輪自我平衡載具，其中該騎乘者站在裝配於該等兩個輪子之間的平台上、緊握裝配於連接到該平台的柱子上的一組把手，並透過裝配於該握把之握柄上的操縱桿之使用進行操縱。(參見`425專利，第21圖和第9欄，第33行)。該`425專利也討論一種替代性形式之兩輪載具，其藉由使在該載具上的站立平台配備力變換器以偵測該騎乘者之傾斜而避免該等把手和操縱桿組合。該等所提供的力變換器「感測向左和向右傾斜」，且相關控制「由於該所感測到的傾斜之結果」而左右轉彎該載具。(`425專利，第9欄，第20-23行)。
該`425專利也說明「間距感測器」之使用以感測該載具之間距，並將其提供給該電動馬達控制迴路以使若該騎乘者向前或向後傾斜，則該載具向前或向後驅動以回應維持垂直平衡。(`425專利，第9欄，第14-20行)。
近來，針對站立騎乘者的兩輪電動自我平衡載具(另俗稱「懸浮板(hoverboards)」)已成為眾所周知受歡迎形式之個人運輸載具。慣用之懸浮板係自我平衡電動載具，包含兩個平台半側，其由中心樞軸所連接， 其中在每個平台末端上皆裝配輪子。每個半側一般皆具有至少兩個感測器(一般係陀螺儀和加速度計)，用以分別從重力和變化率偵測角度。控制電路系統和相關聯之軟體或韌體使用來自該等感測器的資料，以獨立地控制連接到每個輪子的電動馬達，並在任一側上自我平衡每個平台。因此，若該使用者向前傾斜該左足部平台，則向前扭矩施加於該左輪以驅動該左足部平台朝向自我平衡。若該使用者向後傾斜該右足部平台，則反向扭矩施加於該右輪以驅動該右足部平台朝向自我平衡。若該使用者向前傾斜該左足部平台並向後傾斜該右足部平台，則向前和反向扭矩分別施加於該等左右輪，以使該懸浮板在一般順時針方向上旋轉。
兩輪電動自我平衡載具之此懸浮板類型之一個範例已在2014年5月27日發佈給Shan Chen之標題為「具有獨立可移動足部放置面的兩輪自我平衡載具(Two Wheel Self-Balancing Vehicle with Independently Movable Foot Placement Sections)」的美國專利No.8,738,278(以下簡稱「`278專利」)中進行說明。該`278專利揭示一種兩輪自我平衡載具，其讓該使用者能以兩腳站立騎乘，其中每隻腳皆在獨立可移動足部放置面(或平台)上。該騎乘者因此可藉由移動每個足部放置面而無關於另一個獨立地控制每個輪子。該載具之每一側皆具有其自身位置感測器(其可係「陀螺儀感測器」)，以感測該平台之間距(參照該`278專利為「傾斜」或有時僅為「位置」)。該等感測器提供該等各別平台板之位置之獨立測量，且該所感測到的位置資訊用於驅動連接到每個平台的該等對應馬達和輪子(`278專利，第3段，第4-11行)。在具有獨立傾斜足部位置的此類踏板車中，操縱由該使用者以不同角度傾斜該等左右面以導致該等左右輪之差別運動所達成。分離馬達對 與每個足部放置面皆相關聯的輪子之驅動提供獨立控制。
該`278專利也揭示一種替代性形式之兩輪自我平衡載具，其中單一框架或殼體可用於封圍該等兩個獨立可移動足部放置面，但該單一框架或殼體仍然是「足夠靈活」，由於該板之該等兩個半側係「有效的」，該等輪子為「獨立控制」而彼此「獨立地移動」的兩面。(參見`278專利，第4欄，第27-33行)。
兩輪自我平衡電動載具因此在本領域中已習知多年。平衡在本領域中已習知的兩輪踏板車使用握把輸入、騎乘者傾斜輸入或獨立可移動足部段任一者，以提供操縱或轉彎輸入。
該慣用懸浮板配置具有幾項已習知缺點。足部平台每側皆需要獨立位置感測器組，一組用於該左側且一組用於該右側，其中每組一般皆包括一陀螺儀和一加速度計，因此增加了成本、重量和複雜度。該獨立傾斜足部位置踏板車具有該進一步缺點，其中該等兩側之該等獨立平衡控制演算法可在踏上或離開該踏板車時導致非必要移動和不穩定性，從而對該騎乘者提高受傷之風險。
通常用於提供獨立傾斜足部位置的中心樞軸也對該懸浮板增加了成本、重量和複雜度，而該等獨立傾斜側可被該使用者視為較不穩定，從而更加危險。該等獨立傾斜側也使該慣用懸浮板對讓該使用者抓住而言難處理，因為每一側皆分離可移動的需求一般排除跨距該等兩側的握把或任何其他剛性結構之供應。這使讓該使用者很難以一手或甚至兩手舒適地攜帶該懸浮板。進一步增加了該懸浮板之難處理本質，該中心樞軸之存在迫使用於該等電動馬達和該控制電路系統的電池位於該懸浮板之左或 右任一側上，而非在該懸浮板之中心的重心處更佳。
再者，以該慣用方式所配置的懸浮板需要附加裝置用以偵測騎乘者之存在。某些操作模式需要在每一側上的騎乘者之重量之偵測。在電動自我平衡載具中用以從重力和變化率偵測角度的慣用感測器(例如陀螺儀和加速度計)，沒有偵測物件之重量的能力，例如騎乘者出現在該懸浮板上。據此，附加感測器(例如光電感測器)通常用於偵測在每一側上的重量之存在或不存在。這些附加感測器可以對該懸浮板之構造增加成本和複雜度。此外，此類感測器一般確認高於某臨界值的重量之存在，並給出二進制是/否結果。它們無法測量高於該臨界值所施加的重量，因此無法判定該總重量是否高於所述限制，或說明該重量如何橫跨該裝置分布或平衡。
便攜式兩輪自我平衡個人運輸載具藉由利用單一支撐平台而提供更高的穩定性。本發明之具體實施例提供一種單一支撐平台殼體，其中該支撐平台殼體封圍內部空間用以容納電池電源和該載具的控制電路系統。本發明之一個示例性具體實施例包含一個或多個慣性感測器，其可操作以對該平台提供間距資料；一第一足部放置面；以及一第二足部放置面。該載具係兩輪，具有與該第一足部放置面相關聯的第一輪子和與該第二足部放置面相關聯的第二輪子，該等第一和第二輪子相互間隔並實質上彼此平行，其中每個輪子皆由相關聯馬達獨立所驅動。該載具使用來自可操作以對該第一足部放置面提供第一負載資料的至少一個負載感測器和可操作以對該第二足部放置面提供第二負載資料的至少一個負載感測器的資料進行控制。在本發明之示例性具體實施例中，該第一和第二負載資料每 個皆包含來自兩個負載感測器的資料，其中該第一負載資料包含一第一前負載資料和一第一後負載資料，且該第二負載資料包含一第二前負載資料和一第二後負載資料。控制電路系統連接到該等第一和第二驅動馬達，並可操作以傳輸信號至該等第一和第二輪子用以自我平衡該支撐平台殼體以回應該間距資料，並進一步可操作以傳輸一個或多個扭矩信號至該等第一和第二輪子以回應該等第一和第二前和後負載資料要素，用以操縱或判定該載具的行進方向。在本發明之示例性具體實施例中，至少一個攜帶握把實質上跨距該支撐平台殼體之一側長度，並包含該支撐平台殼體之一整合部分。
以下更完全地說明這些和其他具體實施例。
100、200‧‧‧載具
110‧‧‧單一平台段；平台段；平台；載具平台段
120、130‧‧‧第一和第二足部放置面或區域
140、150、340、341、440、441‧‧‧輪子
160‧‧‧單一按鈕；按鈕；電源按鈕
170、175‧‧‧攜帶握把；握把
210‧‧‧一組LED運行燈光；LED運行燈光
300‧‧‧載具底盤；底盤結構
310、311、410、411‧‧‧足部平台
320-323、420-427‧‧‧負載感測器
330、331‧‧‧支撐樞軸；樞軸
350、351、450、451‧‧‧軸
400‧‧‧載具底盤
520‧‧‧平台殼體
540‧‧‧電池組
590‧‧‧電路板片
620‧‧‧平台殼體段
690‧‧‧印刷電路板(PCB)；控制電路系統；單一印刷電路板
700‧‧‧控制系統；控制電路系統
710‧‧‧平衡控制電路系統
711‧‧‧總和電路
715‧‧‧間距資料
720‧‧‧電路分支；分支組件；比例分支組件
730‧‧‧頂端分支；分支組件；微分分支組件
740‧‧‧積分分支；分支組件；積分分支組件
742、744、746、752、770‧‧‧方框
750‧‧‧操縱控制電路系統
760‧‧‧操縱輸入
761、762‧‧‧總和電路系統
780‧‧‧右馬達扭矩
790‧‧‧左馬達扭矩
本發明之該等新穎特徵在所附諸申請專利範圍中進行闡述。然而，為了解說之目的，本發明之特定具體實施例之幾個態樣藉由參照下列圖式而進行說明。
第一圖係依據本發明之具體實施例具有單一平台段的兩輪自我平衡個人運輸載具之透視圖。
第二圖係正面圖，該後視圖係第一圖所示具體實施例之鏡像。
第三a圖係依據本發明之具體實施例具有單一平台段的兩輪自我平衡個人運輸載具之底盤結構之俯視圖。
第三b圖係第三a圖所示底盤結構之具體實施例之側面圖。
第三c圖係第三a圖所示底盤結構之具體實施例之正面圖。
第四a圖係依據本發明之另一具體實施例具有單一平台段的兩輪自我平衡個人運輸載具之底盤結構之俯視圖。
第四b圖係第四a圖所示底盤結構之具體實施例之側面圖。
第四c圖係第四a圖所示底盤結構之具體實施例之正面圖。
第五圖係第一圖所示本發明之具體實施例之正面剖面圖。
第六圖係第一圖所示本發明之具體實施例之展開俯視透視圖。
第七圖係第一圖所示本發明之具體實施例的控制系統700之方塊圖。
下列說明係進行描述以讓任何熟習此項技術者皆能做出及使用本發明之具體實施例，且係在特定應用和其需求之背景下所提供。熟習此項技術者將很容易顯而易見對該等示例性具體實施例的各種修飾例，且文中所定義的該等一般性原理可施加於其他具體實施例和應用，而不悖離本發明之精神與範疇。因此，本發明不欲被限制於所示該等具體實施例，而是欲符合與文中所揭示該等原理和特徵一致的最寬廣範疇。
參照第一圖，顯示依據本發明之具體實施例具有單一平台段的兩輪自我平衡個人運輸載具(文中也指稱為「載具」、「懸浮板」或「踏板車」)之透視圖。
載具100包含一單一平台段110。平台段110可由金屬、堅實塑料、木材或其他實質上剛性材料所構成。該平台段分別包括第一和第二足部放置面或區域120和130。在一個具體實施例中，平台段110可由一個或 多個部件(例如可接合在一起並以螺釘、夾具、螺栓或其類似物固定在一起的頂端和底部部件)所組成，並包含當固定在一起時可以圍起且包括一底盤結構的空間，該底盤結構將對該平台段提供附加支撐，以及支撐控制電路系統、力感測器、電池和其他組件。
該等第一和第二足部放置面較佳為對站在其上的使用者之足部而言，每個皆係足夠尺寸。第一和第二足部放置面120和130可形成為平台段110之整合部分，或可貼附於平台段110之表面上。第一和第二足部放置面120和130可包括一踏板，其為了當使用者(例如騎乘者)站在該平台上時的足部牽引和/或舒適，而具有由橡膠或其他材料所製成的溝槽或其他突起狀表面。輪子140和150位於平台110之兩平行側上。在較佳具體實施例中，每個輪子皆包括一整合驅動馬達(第一圖未顯示)，且較佳為藉由軸(第一圖也未顯示)連接到平台110。平台段110可用作底盤的殼體結構，以對該載具提供機械支撐和結構，以及一平台以定位電池以供電該等馬達。如在本節中進一步所說明，平台段110也可包括內部控制電路系統和感測器組件。
在較佳具體實施例中，單一按鈕160可設置於載具平台段110之表面上以開啟或關閉該單元。最佳為，如以下進一步所說明，按鈕160也可藉由五彩LED照明以顯示該裝置之狀態。
在一個具體實施例中，閃爍、間歇閃爍或穩定燈光之該等色彩和燈光圖案可以指示該載具之狀態。在示例性具體實施例中，該按鈕LED燈光可以顯示下列載具狀態：電源關閉、具有強勁電池的平衡模式、具有部分耗盡電池的平衡模式、電池電量低、電池電量極低、休眠、停止模式、 平衡誤差和測試。
在一個具體實施例中，音訊指示輸出也可在該載具上呈現，或可經由藍牙或其他無線或有線連接傳送至使用者之智慧型手機或其他運算裝置。該輸出較佳為產生指示狀態(例如：電源開啟、電源關閉、電池電量低、可操作或平衡誤差)的不同區別性嗶聲、音調、口語詞、旋律或其他雜訊。
在較佳具體實施例中，沿著介於該等兩個輪子之間的平台之一或兩縱向側可包括一個或多個攜帶握把170和175，以便於載具100之輕鬆手持攜帶。更佳為，握把170和175每個皆沿著該平台之縱向側由橫向中點平分。在一個具體實施例中，每個握把170和175皆整合為平台段110之一部分，並在平台段110中提供開口以舒適地配合使用者之手且讓使用者能舒適地緊握載具100。或者，攜帶握把170和175可在手持攜帶該載具時分離地附接(例如經由夾具或皮帶)到平台段110，以最大化平台段110之可用站立表面，或甚至在不使用時折疊於平台段110下面。
在較佳具體實施例中，在該載具平台之該等前後側之每側上皆可包括一組運行燈光。最佳為，該等運行燈光每個皆係紅色和白色LED之條帶。該等白色LED基於該目前運動方向在該前側上照明，且該等紅色LED當該載具運動時在該後側上照明。當停止時，該等紅色LED可在兩側上皆照明。在第二圖中顯示透過一組LED運行燈光210顯示載具200之前視圖的本發明之載具200之具體實施例。
載具200可具有幾種操作模式。在較佳具體實施例中，該等操作模式如下。在啟動時，該載具進行自我測試。在本發明之一個具體實 施例中，若該所偵測到的重量接近零又穩定，且該單元未倒置或處於另一錯誤位置(例如當該支撐平台過度向下或向上傾斜)，且未顯著運動時，該控制電路系統將該等負載感測器歸零(null)(或「扣重(tare)」)。這意指在該零讀數下的任何偏移或漂移，皆藉由將該歸零/扣重讀數處理成零且將其從任何未來讀數減掉而去除。其他操作模式包括：‧休眠(Sleeping)(最低功率使用)；‧停止(Stopped)(抗拒運動以讓使用者能輕鬆裝配及拆卸)；‧平衡(Balancing)(透過平衡之主動控制的正常騎乘和操縱或轉彎)；以及‧關閉(Off)(完全電源切斷)。
在一些具體實施例中，該載具控制器具有鎖定(Locked)操作模式。此類模式可以藉由信號而進入或退出，該等信號來自配置成提供與便攜式電子裝置或能無線射頻識別的其他電子裝置的通信的無線射頻(Radio frequency，RF)通信模組。當處於鎖定模式時，該控制器不會以該正常方式驅動該等馬達，因此將直到退出鎖定模式才允許該載具進行使用。該便攜式電子裝置可係智慧型手機、平板電腦、便攜式電腦、鑰鍊(keyfob)或本領域已習知的其他裝置。該RF通信模組可使用藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)協定、無線射頻識別(RFID)或本領域已習知的任何其他通信協定。該載具可藉助視覺指示器(例如LED彩色照明或在LED運行燈光210上的照明圖案)或藉助聲響指示器(例如發出嗶聲、音調或口語通知)或僅藉由不作用(例如輪子不移動)，而指示其處於鎖定模式。
在較佳具體實施例中，介於模式之間的轉換可如下發生： ‧休眠至停止：轉換在偵測到任何運動或重量時發生；‧休眠至關閉；轉換在預定時段(例如15分鐘)之後發生；‧停止至休眠：轉換在預定時段(例如1分鐘)內未偵測到重量或運動時發生；‧停止至平衡：轉換在雙腳上的重量高於預定臨界值(例如10公斤)且該板近乎直立時發生；‧平衡至停止：轉換在該速度低於預定臨界值(例如0.5公尺/秒)或在一隻腳上的重量低於預定臨界值(例如5公斤)時發生；‧關閉至停止：若電源按鈕160被按下；以及‧任何其他模式至關閉：若電源按鈕160被按下，或若該電池耗盡。
在本發明之一個具體實施例中的載具之單一平台基於位於該載具殼體內部的控制電路系統的陀螺儀和方向感測器提供間距或傾斜資料，以進行主動控制所平衡。操縱或轉彎是由位於該使用者之每隻腳下方的負載感測器達成。在較佳具體實施例中，該等負載感測器位於該平台之該等第一和第二足部放置面之每個下方，接近每個足部放置面之外側邊緣，相對較靠近該輪子。在示例性具體實施例中，該等負載感測器可操作以感測力量(例如使用者之重量)，且在每個足部放置面下方的一組至少兩個或多個負載感測器，測量在每隻腳之前段和後段上的重量分布。當在裝配或拆卸過程中僅該騎乘者之一隻腳在該板上時，該板可抗拒運動以使其保持靜止。
第三a圖依據本發明之一個具體實施例顯示載具底盤300之俯視圖。第三b圖和第三c圖分別顯示第三a圖所示載具底盤之側面圖和正面 圖。在第三a圖、第三b圖、第三c圖和第四a圖、第四b圖和第四c圖中，該單一平台殼體已從第一圖所示載具去除。如第三a圖至第三c圖所示的底盤結構300可由金屬或其他剛性材料所組成，並可連接到可支撐輪子340和341且允許此類輪子繞著其軸350和351旋轉的兩個馬達軸。在一個具體實施例中，足部平台310和311位於底盤300之頂端表面上，並經由位於該底盤之頂端表面上且在足部平台310和311下方、接近最靠近輪子340和341的底盤之該等外側角落的負載感測器320、321、322、323連接到底盤300。在較佳具體實施例中，支撐樞軸330和331也位於該底盤之頂端表面上，並連接到足部平台310和311，接近最靠近該底盤之中心的該等足部平台之邊緣，其中樞軸330實質上在來自負載感測器320和322的足部放置面之另一側上，且樞軸331實質上在來自負載感測器321和323的足部放置面之另一側上。支撐樞軸330和331可具優勢地包括在內，以對該等負載感測器機構提供結構支撐，特別是當其未明顯干擾該等負載感測器之操作時。此外，當該等樞軸構件在該足部平台上的重量向前和向後移位時，未在該足部平台上導致顯著扭矩。在較佳具體實施例中，支撐樞軸330和331之該等朝上表面係半球形，像是滾珠軸承之表面。支撐樞軸330和331之下部部分可分別固定於足部平台310和311上。支撐樞軸330和331作用以對該等足部平台和足部放置面提供垂直支撐，因此有助於確保來自該使用者移位她的重量的負載變化主要由該等負載感測器之一個或多個所承擔。
第四a圖顯示依據本發明之另一具體實施例的載具底盤400之俯視圖。第四b圖和第四c圖分別顯示第四a圖所示載具底盤之側面圖和正面圖。在第四a圖、第四b圖和第四c圖中，該單一平台殼體已從第一圖所示 載具去除。輪子440和441、軸450和451及足部平台410和411在功能上類似於第三a圖至第三c圖所示其對應物。在第四a圖中，足部平台410和411每個皆由四個負載感測器所支撐：足部平台410藉由負載感測器420、421、422和423，且足部平台411藉由負載感測器424、425、426和427。該等負載感測器之每個皆連接於底盤400與足部平台之間，其中每個負載感測器皆位於鄰近足部平台之角落。
應可理解該用語「負載感測器」可以指稱給出施加於其的力量之測量的任何感測器組合件或力變換器，熟習此項技術者可已習知廣泛多種。在本發明之較佳具體實施例中，施加於該等負載感測器的力係可以說明為「負載」的使用者之重量。在一些具體實施例中，該負載感測器可以包括，但不限於：一應變計，其貼附於結構構件；壓力敏感電阻性材料；一感測器，其測量彈性構件之偏轉；一薄膜開關，其具有依壓力、壓電材料或以上之組合而定的電阻。
第五圖係第一圖所示本發明之具體實施例之正面剖面圖，並顯示用於將控制電路系統保持在平台殼體520內的電池組540和電路板片590之位置。第六圖係第一圖所示本發明之具體實施例之展開俯視透視圖，並也經由在平台殼體段620內的印刷電路板(Printed circuit board，PCB)690顯示控制電路系統。
在本發明之具體實施例中，控制電路系統690包含一控制系統，其配置成導致該等輪子平衡該單一載具平台。該控制系統使用慣性感測器以對該載具感測單一間距和角速度值。當該等板間距從中立位置向前時，該等輪子往前方向驅動。當該等板間距從中立位置向後時，該等輪子 往反向方向驅動。據此，該騎乘者/使用者可以藉由向前和向後定位該板間距而向前和向後移動該載具。
在一些具體實施例中，該載具具有操縱系統以控制該載具之操縱或轉彎，因而該控制電路系統配置成基於在兩個足部平台上的向前向後重量分布，藉由修改該相關聯馬達之扭矩而獨立地控制每個輪子。操縱包括轉彎亦或控制該載具之運動方向。
在一些具體實施例中，待施加於各該等左和右輪之扭矩皆由控制電路系統邏輯所判定。在一些具體實施例中，該控制電路系統利用平衡相關輸入和操縱相關輸入兩者。再者，該控制電路系統邏輯可經設計以提供反映出平衡和操縱兩者皆所需扭矩的輸出。至少部分基於該平衡相關輸入和該操縱相關輸入，該控制電路系統可提供包括待施加於各該等第一和第二(或左和右)輪子之扭矩量和方向的輸出。在一些具體實施例中，該平衡相關輸入可使用包括一陀螺儀和一加速度計的慣性感測器提供。在一些具體實施例中，該操縱相關輸入可使用在該平台之左側上的一個或多個負載感測器和在該平台之右側上的一個或多個負載感測器提供，其可較佳為位於鄰近該足部放置面。舉例來說，本發明之一些具體實施例提供每個足部放置面至少兩個負載感測器。其他具體實施例可包括每個足部放置面至少四個負載感測器。又其他具體實施例可包括每個足部放置面至少八個負載感測器。該等感測器可以本領域所習知的各種配置和安排進行安排。在較佳具體實施例中，每側皆具有如第三a圖至第三c圖所示而安排的兩個負載感測器和一個支撐樞軸。
在一些具體實施例中，分離的左側負載感測器輸入和分離的 右側負載感測器輸入可利用為操縱相關輸入。該左側負載感測器輸入可包括來自在該左側上的一個或多個負載感測器的輸入，且該右側負載感測器輸入可包括來自在該右側上的一個或多個負載感測器的輸入。該控制電路系統可整合該左側負載感測器輸入和該右側負載感測器輸入，以及該平衡相關輸入，以產生施加於驅動該等輪子的該等馬達的扭矩信號。視需要，待施加於該右輪的操縱扭矩之判定可基於僅來自該右側的負載感測器輸入，且待施加於該左輪的操縱扭矩之判定可基於僅來自該左側的負載感測器輸入。再者如以上所討論，在本發明之一些具體實施例中，可施加於該等第一和第二輪子的總扭矩之判定，也可部分基於接收自該等慣性感測器的資料。在本發明之一些具體實施例中，該慣性感測器資料可係關於該平台整體，而非該等兩個足部放置面之特定一者。
在一些具體實施例中，平衡相關感測器資料和操縱相關感測器資料可在該控制電路系統之邏輯中分離地處理。在本發明之較佳具體實施例中，介於該第一足部放置面之腳趾部位與腳跟部位之間的第一重量差別，可不同於介於該第二足部放置面之腳趾部位與腳跟部位之間的第二重量差別，且這兩個差別皆可用於判定將施加於每個輪子的操縱扭矩信號。
如以上所討論，在本發明之一些具體實施例中，該控制電路系統使用來自該等負載感測器的資料控制該單一載具平台之操縱。舉例來說，若該使用者朝向她的左腳趾和右腳跟位移她的重量，則該載具將右轉。若該使用者位移她的重量至她的左腳跟和右腳趾，則該載具將左轉。操縱輸入因此部分係由該使用者向前在一隻腳上而向後在另一隻腳上加重量所判定。在較佳具體實施例中，若一隻腳低於預定重量臨界值(例如小於1公斤 或另一隻腳重量之5%)，則該操縱輸入設定為零。
在一個具體實施例中，操縱輸入可如下進行測量：操縱輸入(SteeringInput)=[重量前左(WeightFrontLeft)-重量後左(WeightBackLeft)+重量後右(WeightBackRight)-重量前右(WeightFrontRight)]
在替代性具體實施例中，操縱輸入可如下進行計算：操縱輸入2(SteeringInput2)=騎乘者總重量(TotalRiderWeight)*{[重量前右(WeightFrontRight)-重量後右(WeightBackRight)]/右重量(RightWeight)-[重量前左(WeightFrontLeft)-重量後左(WeightBackLeft)]/左重量(LeftWeight)}
第七圖係本發明之具體實施例的控制系統700之區塊圖。在本發明之具體實施例中，控制系統700可實行為該載具的控制電路系統之一部分。該控制電路系統可實行為硬佈線邏輯、可程式邏輯、韌體或軟體。平衡控制電路系統710供應平衡控制。平衡控制電路系統710使用單一六軸運動感測器(其包括一陀螺儀和加速度計)所供應的間距資料715(又名「來自重力的角度」)(不過該平衡控制電路系統不會使用所有該等六軸的輸出)。平衡控制電路系統710考量該角度(電路分支720)以及該角度在頂端分支730上如何快速變化(d/dt)兩者。此外，積分分支740可被納入以克服斜坡地面，並允許連續運動而無需該使用者在所需運動方向上持續傾斜。在替代性具體實施例中，來自積分分支740的輸出可受限或被約束。在示例性具體實施例中，該積分可約束為小於該載具馬達之最大扭矩量。在較佳具體實施例中，該積分約束為介於該等載具馬達最大連續額定扭矩之25-75%之間。
從這三個分支組件720、730和740，平衡控制電路系統710計算出供應給兩個輪子以平衡該板的扭矩。比例分支組件720由方框744所 示係數k2進行調整。微分分支組件730由方框746所示係數k1進行調整。積分分支組件740由方框742所示係數k3進行調整。係數k1、k2和k3係依該載具之實作而定的常數。總和電路711輸出該平衡扭矩控制信號(例如扭矩平衡(TorqueBalance))。應注意僅有一個平衡輸出信號來自總和電路711，且其提供相同信號以控制兩個輪子的平衡扭矩。
操縱控制電路系統750供應操縱控制。如以上所討論，該使用者/騎乘者藉由在該等負載感測器上位移她的重量而觸發操縱控制信號。操縱輸入760包含以上所說明該等負載感測器之輸出。操縱輸入760可由如方框752所示的係數Ktw進行調整。無論什麼操縱扭矩信號係提供用以控制該右輪，該相對扭矩信號皆可供應用以控制該左輪。「-1」方框770表示供應給該右馬達的操縱扭矩信號，變換為用於控制該左馬達的倒數。經由總和電路系統761和762施加於每個輪子、右馬達扭矩780和左馬達扭矩790的該等扭矩，因此係平衡扭矩信號(其對兩個輪子皆相同)和操縱扭矩信號(當該使用者左或右操縱時，其對每個輪子皆不同)之函數。
因此，在一些具體實施例中，該控制電路系統經配置以使該馬達產生的輪子扭矩，係從平衡該載具所需的扭矩和基於如以上所討論該等足部平台之重量分布的操縱扭矩兩者所判定。該操縱扭矩調整係施加於該平衡扭矩，在一個輪子上向前而在另一個輪子上向後。在一個具體實施例中，每個輪子的總扭矩皆可由如參照第七圖752所示的常數Ktw進行調整，如在以下所示該等公式中：扭矩左輪(TorqueLeftWheel)=扭矩平衡(TorqueBalance)+Ktw*操縱輸入(SteeringInput)
扭矩右輪(TorqueRightWheel)=扭矩平衡(TorqueBalance)-Ktw*操縱輸入(SteeringInput)
施加於該載具馬達的扭矩導致力由在每側上的該等輪子施加於該地面。若此力在該載具之每側上不同，則淨轉彎力存在於該載具上，這將導致該載具和騎乘者旋轉。若要操縱，則該騎乘者橫跨該等第一和第二足部放置面和平台之前後施加一組不平衡力，以上定義為該操縱輸入(SteeringInput)力。
在一些具體實施例中，該係數Ktw可基於在一段時間內所測得的平均騎乘者重量進行調整。此外，在一些具體實施例中，該載具可具有速度感測器，且該控制電路系統可配置成當速度提高時降低如由該等負載感測器所測得的重量位移對輪子扭矩具有的效應。在該係數Ktw之情況下，這可實行為在較高速度時Ktw之量值降低。在一些具體實施例中，也可能該載具之穩定性將從具有偏航抑制(yaw suppression)函數受益，至少在較高速度時。舉例來說，該函數操縱輸入3(SteeringInput3)=操縱輸入(SteeringInput)-Ky*偏航率(YawRate)可具有降低在該偏航上的干擾效應之效應。
在較佳具體實施例中，該係數Ktw由如以下所討論的控制電路系統所選定，且施加於在每側上的地面的淨操縱力係該係數Ktw與該騎乘者所提供的操縱輸入(SteeringInput)力輸入之乘積。較佳為，該係數Ktw之選定依該載具之速度而變化。在較佳具體實施例中，在每秒小於1公尺之載具速度時，Ktw經選定以使該淨操縱力大於0.2倍該騎乘者所提供的力輸入，且更佳為在1.4-0.4倍該騎乘者所提供的力輸入之範圍內。在較佳具體實施例 中，在每秒1至3公尺之載具速度時，Ktw經選定以使該淨操縱力在0.1-1.0倍該騎乘者所提供的力輸入之範圍內，且更佳為在0.15-0.6倍該騎乘者所提供的力輸入之範圍內。在較佳具體實施例中，在每秒大於3公尺的載具速度時，Ktw經選定以使該淨操縱力小於0.4倍該騎乘者所提供的力輸入，且更佳為在0.25-0.01倍該騎乘者所提供的力輸入之範圍內。
在一些具體實施例中，控制電路系統700具有該等馬達經控制以抗拒運動的停止操作模式，當在該等足部平台之一上的重量小於某臨界值時就可進入此模式。此停止操作模式可以讓該使用者能舒適地裝配及拆卸該載具。該使用者可安全地裝配或拆卸，即使該停止模式未完全防止該踏板車移動，但供應足夠阻力讓該使用者能在她踏上或離開該載具時更舒適地自我平衡。
在一些具體實施例中，對該停止模式產生運動阻力的馬達扭矩係基於相對於固定位置基準的輪子位置，獨立地對每個輪子進行計算。該固定位置基準可當進入該停止模式或該載具電源開啟時，該輪子之記錄位置。該輪子位置可從輪子位置感測器判定，例如在整合於該輪子中的馬達上的磁性編碼器，其中該輪子之該等全幅轉彎(full turns)可列入考量。
在一些具體實施例中，當處於停止模式時，該控制電路系統導致該馬達產生的扭矩，對前述輪子之所測得的速度成比例地進行計算：T=-K*S
其中T係對該輪子的扭矩，S係所測得的該輪子之速度，且K係經選定以生成該所需阻力程度的常數。
在一些具體實施例中，用於導致該運動阻力的扭矩係基於該 輪子之位置和速度，使用比例加微分(Proportional plus Derivative，PD)規則進行計算。舉例來說，T=K2 *(X-Xs)+-K1 * dX/dt
其中T係馬達扭矩，X係輪子位置，Xs係該位置基準，dX/dt係輪子位置之變化率，且K1和K2係依實作而定的常數。在具體實施例中，K2可等於零以使該載具只有在運動時才抗拒移動。
應可理解施加於該等輪子以導致該所揭示的運動阻力效應的扭矩可以使用本領域已習知的多種方法進行計算，其中以上僅係範例。
在一些具體實施例中，該載具的控制電路系統可藉由使該馬達驅動器將線圈之兩端連接在一起，以使無論該馬達轉動產生之任何電流皆持續在該線圈中循環，因此產生扭矩以抵抗該運動，而被動地產生該運動阻力扭矩。此方法具有無需從該電池汲取顯著附加動力至該等馬達線圈中之優勢。
處於停止模式時，該平衡演算法如以上所施加，除了該等參數可經修改以使該移動較平緩。此外，在第七圖中分別指稱為752和742的Ktw和k3處於停止模式時可為零。由於從停止至平衡模式的轉換只有在該板近乎直立時才可允許，因此緊接在轉換之後的平衡扭矩差異可不大。這允許從一種模式至另一種的平穩轉換。在本發明之具體實施例中，在從停止模式至平衡模式的轉換過程中，有從該停止至該平衡模式的直線斜坡在短時距內施加，較佳為在800ms(毫秒)之範圍內。在本發明之具體實施例中，停止模式具有如以上所說明與其速度成比例加至每個馬達所計算出的附加扭矩。
如以上所說明，所有控制電路系統皆可包含於如第六圖所示的單一印刷電路板(控制電路系統690)上。在本發明之具體實施例中，該控制電路系統包含：‧一16位元微控制器/數位信號處理器(DSP)；‧一6軸運動感測器(陀螺儀和加速度計)。在具體實施例中，該等偏航軸和滾轉軸可未使用並由軟體切斷電源；‧4負載胞輸入，其具有可調整的歸零偏移(負載感測器)；‧6 H電橋動力驅動器，每個馬達3個；‧一電流感測器，其在每個H電橋之下接腳上；‧一電流感測器，其在至該電池的回路上；‧2馬達位置感測器輸入；‧RGB LED；‧LED條帶驅動器輸出；以及‧電池、充電輸入和馬達相位電壓監測器。
在本發明之一些具體實施例中，該馬達控制以對有感無刷馬達的正常方式達成。該等3個H電橋之相位由該感測器輸入所判定。該電流/扭矩由調變該脈衝寬度調變(Pulse width modulation，PWM)以維持該電流設定點的反饋迴路進行測量及控制。在較佳具體實施例中，該調變架構可為空間向量調變(Space Vector Modulation)。
在本發明之具體實施例中，該馬達扭矩藉由限制到每個馬達的最大電流為該等馬達可以安全地處理者而受限。該總馬達扭矩也受限以使該電池電流不會超過該所容許的最大值。當扭矩受限時，若在運動方向 上發生任何額外傾斜，則無法維持主動平衡控制。在這種情況下，該騎乘者可開始向前跌落，並可跌落掉下或需要在跌落之前從該載具跳起。在本發明之一些具體實施例中，該載具可在該等馬達中且較佳為也在該等馬達驅動器電晶體上具有溫度感測器。所允許的最大馬達電流隨著這些溫度上升高於選定臨界值而降低。
在本發明之具體實施例中，操作警報指示潛在的平衡問題。較佳為，該操作警報在下列任何條件滿足時觸發：‧平均脈衝寬度調變(PWM)高於其最大值之85%(這等同於施加於該等馬達高於該電池電壓之85%的電壓，其可以在高載具速度時或在沉重載具負載下發生)；‧馬達電流高於其最大值之90%超過0.5秒(這可在較低速度時在沉重載具負載下發生)；‧馬達驅動器電晶體溫度高於預定臨界值(例如攝氏55度)；以及‧馬達線圈溫度高於預定臨界值(例如攝氏66度)。
本發明之附加具體實施例可包括強化特徵。舉例來說，該載具之單一平台殼體可包括一藍牙或其他支援無線的音訊揚聲器系統。該殼體也可包括附加整合光源，其可由來自該揚聲器系統的聲音或該載具之具體運動進行調變。較佳為，任何藍牙或整合於該載具中的其他資料連接皆可包括控制電路系統、軟體或韌體，以藉由可經由智慧型手機、平板電腦或其他個人運算裝置存取的行動應用程式，而允許來自該載具的警報之使用者通知，或該等載具揚聲器、移動、燈光等之控制。舉例來說，本發明之一個具體實施例可包括一行動應用程式，其可經由智慧型手機、平板電 腦或其他便攜式個人運算裝置存取，該行動應用程式將讓使用者能藉由啟動觸控螢幕之一部分或啟動在該智慧型手機上的陀螺儀或加速度計感測器，而遠端操縱該載具以電源開啟/關閉、加速、減速、轉彎或傾斜該載具。在一個具體實施例中，遙控操縱桿或其他輸入裝置也可讓使用者能遙控該載具之操縱、傾斜、加速、減速和電源開啟/關閉功能。
儘管本發明已關於該等所例示的具體實施例特別地進行說明，但應可瞭解各種變更例、修飾例和改寫例皆可基於本發明所揭示內容做到，且係欲在本發明之範疇內。儘管本發明已搭配被視為最實用且較佳的具體實施例者進行說明，但應可理解本發明不限於該等所揭示的具體實施例，而是反之，係欲涵蓋包括於所附諸申請專利範圍之範疇內的各種修飾例和等效安排。
100‧‧‧載具
110‧‧‧單一平台面
120、130‧‧‧第一和第二足部放置面或區域
140、150‧‧‧輪子
160‧‧‧單一按鈕；電源按鈕
170、175‧‧‧攜帶握把

Claims (18)

  1. 一種自我平衡運輸載具，包含：一支撐平台殼體，其包含一個或多個慣性感測器，其可操作以提供指示該支撐平台之間距的資料；一第一足部放置面；以及一第二足部放置面；一第一輪子，其與該第一足部放置面相關聯；以及一第二輪子，其與該第二足部放置面相關聯，該等第一和第二輪子相互間隔並實質上彼此平行；一第一驅動馬達，其配置成驅動該第一輪子；以及一第二驅動馬達，其配置成驅動該第二輪子；至少一個負載感測器，其可操作以對該第一足部放置面提供第一負載資料；以及至少一個負載感測器，其可操作以對該第二足部放置面提供第二負載資料，其中該第一負載資料包含該第一足部放置面之一第一前負載資料和一第一後負載資料，且該第二負載資料包含該第二足部放置面之一第二前負載資料和一第二後負載資料；以及控制電路，其連接到該等第一和第二驅動馬達，並可操作以傳輸平衡扭矩信號至該等第一和第二輪子用以自我平衡該支撐平台殼體以回應該間距資料，並更可操作以傳輸操縱扭矩信號至該等第一和第二輪子以回應該第一和第二負載資料。
  2. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，更包含至少一個攜帶握把，其沿著包含該殼體之一橫向中點的支撐平台殼體之一第一部分設置。
  3. 如申請專利範圍第2項之自我平衡運輸載具，其中該至少一個攜帶握把實質上跨距該支撐平台殼體之一側長度。
  4. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，其中至少兩個負載感測器可操作以對該第一足部放置面提供該第一前負載資料和第一後負載資料，且至少兩個負載感測器可操作以對該第二足部放置面提供該第二前負載資料和第二後負載資料。
  5. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，其中至少四個負載感測器可操作以對該第一足部放置面提供該第一負載資料，且至少四個負載感測器可操作以對該第二足部放置面提供該第二負載資料。
  6. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，其中該等負載感測器裝配於該支撐平台殼體內部的一底盤結構上。
  7. 如申請專利範圍第6項之自我平衡運輸載具，其中可操作以對該第一足部放置面提供第一負載資料的至少一個負載感測器，支撐位於該第一足部放置面下面的一第一足部踏板，且可操作以對該第二足部放置面提供第二負載資料的至少一個負載感測器，支撐位於該支撐平台殼體內部該第二足部放置面下面的一第二足部踏板。
  8. 如申請專利範圍第7項之自我平衡運輸載具，更包含至少兩個樞軸構件，其裝配於該底盤結構上，其中至少一個樞軸構件支撐該第一足部踏板，並在可操作以提供該第一負載資料的至少一個負載感測器相對側上，位於該第一足部放置面下面，且至少一個樞軸構件支撐該第二足部踏板，並在可操作以提供該第二負載資料的至少一個負載感測器相對側上，位於該第二足部放置面下面。
  9. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，其中該控制電路可操作以基於該至少一個負載感測器所供應的資料，判定施加於該支撐平台殼體的重量之存在和不存在。
  10. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，其中該控制電路可操作以基於從該至少一個負載感測器所供應的資料，判定在一預定範圍內的重量是否施加於該支撐平台殼體之該等第一和第二足部放置面。
  11. 如申請專利範圍第4項之自我平衡運輸載具，其中可操作以對該第一足部放置面提供該第一負載資料的該等至少兩個負載感測器，以及可操作以對該第二足部放置面提供第二負載資料的該等至少兩個負載感測器，皆安排與該等第一和第二足部放置面之每個相關聯以產生信號，該信號以判定介於每個足部放置面之一腳跟部位與一腳趾部位之間的重量差別。
  12. 如申請專利範圍第11項之自我平衡運輸載具，其中該控制電路配置成當該等重量差別指示朝向該第一足部放置面之左腳趾部位和該第二足部放置面之右腳跟部位的重量偏移時，傳輸一個或多個信號以向右調整操縱。
  13. 如申請專利範圍第11項之自我平衡運輸載具，其中該控制電路配置成當該等重量差別指示朝向該第一足部放置面之左腳跟部位和該第二足部放置面之右腳趾部位的重量偏移時，傳輸一個或多個信號以向左調整操縱。
  14. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，其中該控制電路之一淨操縱扭矩信號包含一第一因子與一第二因子之一乘積，其中該第一因 子包含一操縱力輸入，其由該第一負載資料和該第二負載資料所提供，且其中該第二因子包含一常數係數，其依該載具之速度而變化。
  15. 如申請專利範圍第14項之自我平衡運輸載具，其中在每秒小於1公尺之速度時，該淨操縱扭矩信號包含大於或等於0.2之一常數係數與該操縱力輸入之乘積；在每秒1至3公尺之速度時，淨操縱扭矩信號包含在0.1至1.0包括在內之一範圍內的一常數係數與該操縱力輸入之乘積；以及在每秒大於3公尺之速度時，該淨操縱扭矩信號包含小於或等於0.4的一常數係數與該操縱力輸入之一乘積。
  16. 如申請專利範圍第1項之自我平衡運輸載具，其中該控制電路配置成經由一遙控途徑接收一遙控信號，其中該遙控信號指示一所需行進方向，且該控制信號可操作以傳輸一信號以在該所需行進方向上調整操縱。
  17. 一種自我平衡運輸載具，包含：一支撐平台殼體，其包含一個或多個慣性感測器，其可操作以提供指示該支撐平台之間距的資料；一第一足部放置面；以及一第二足部放置面；一第一輪子，其與該第一足部放置面相關聯；以及一第二輪子，其與該第二足部放置面相關聯，該等第一和第二輪子相互間隔並實質上彼此平行；一第一驅動馬達，其配置成驅動該第一輪子；以及一第二驅動馬達，其配置成驅動該第二輪子； 一第一組負載感測器，其可操作以對該第一足部放置面提供至少一第一和第二負載資料；以及一第二組負載感測器，其可操作以對該第二足部放置面提供至少一第一和第二負載資料，其中該等第一和第二組負載感測器每組皆包含至少兩個負載感測器；以及控制電路，其連接到該等第一和第二驅動馬達，並可操作以傳輸平衡控制信號至該等第一和第二輪子用以自我平衡該支撐平台殼體以回應該間距資料，並更可操作以傳輸一個或多個操縱扭矩信號至該等第一和第二輪子以回應該第一和第二負載資料。
  18. 如申請專利範圍第17項之自我平衡運輸載具，其中在該等第一和第二組中的該等至少兩個負載感測器與該等第一和第二足部放置面之每個皆相關聯安排以產生信號，以判定介於每個足部放置面之一腳跟部位與一腳趾部位之間的一重量差別。
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