| US20080242515A1 | 2008-10-02 | |||
| US20030034697A1 | 2003-02-20 | |||
| US9962597B2 | 2018-05-08 | |||
| US20180111039A1 | 2018-04-26 | |||
| US20170361205A1 | 2017-12-21 | |||
| US9101817B2 | 2015-08-11 | |||
| US10058765B2 | 2018-08-28 | |||
| US20060012141A1 | 2006-01-19 | |||
| EP1878598A1 | 2008-01-16 | |||
| US10010784B1 | 2018-07-03 |
| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Самобалансирующийся электроскейт, содержащий продолговатую платформу с двумя опорными площадками для размещения стоп ног пользователя, между которыми расположены два соосных электромотор-колеса, каждое из которых установлено на независимой подвеске с пружинным амортизатором, а оси колес сориентированы перпендикулярно относительно продольной оси платформы; первый модуль- датчик ориентации, расположенный на платформе, с возможностью определения её наклона относительно осей электромотор-колес; по меньшей мере, один контроллер электромотор-колес, сконфигурированный для управления ими на основе выходного сигнала первого модуль-датчика ориентации, отличающийся тем, что каждая независимая подвеска электромотор-колеса дополнительно оснащена электромагнитным амортизатором с возможностью параллельного его функционирования с пружинным амортизатором. 2. Самобалансирующийся электроскейт, по п.1, отличающийся тем, что электромагнитный амортизатор представляет собой линейный электромагнитный двигатель. 3. Самобалансирующийся электроскейт, по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен вторым модуль-датчиком ориентации, расположенным на платформе, с возможностью определения наклона платформы относительно её продольной оси. 4. Самобалансирующийся электроскейт, по пп.1,2, отличающийся тем, что он оснащен, по меньшей мере, одним контроллером электромагнитных амортизаторов с возможностью управления ими. 5. Самобалансирующийся электроскейт, по п.4, отличающийся тем, что контроллер электромагнитных амортизаторов сконфигурирован для управления ими на основе выходного сигнала второго модуль- датчика ориентации. 6. Самобалансирующийся электроскейт, по п.4, отличающийся тем, что контроллер электромагнитных амортизаторов сконфигурирован для управления ими на основе выходного сигнала первого модуль- датчика ориентации. 7. Самобалансирующийся электроскейт, по п.4, отличающийся тем, что контроллер электромагнитных амортизаторов сконфигурирован для управления ими на основе выходных сигналов первого и второго модуль- датчиков ориентации одновременно. 8. Самобалансирующийся электроскейт, по пп.1,3, отличающийся тем, что контроллер электромотор-колес сконфигурирован для дифференциального управления ими на основе выходного сигнала второго модуль- датчика ориентации. 9. Самобалансирующийся электроскейт, по п.1, отличающийся тем, что управление поворотами электроскейта включает два режима: пассивный - при условии только боковых наклонов электромотор-колес и активный (или смешанный) - при котором пассивный дополняется дифференциальным управлением электромотор-колес. 10. Самобалансирующийся электроскейт, по п.1, отличающийся тем, что каждая независимая подвеска электромотор-колеса представляет собой U - образную вытянутую скобу, каждый из концов прямолинейных участков которой соединен с платформой с помощью цилиндрического шарнира, а противоположной от шарнира стороной скоба соединена с платформой посредством амортизаторов, при этом нижняя радиусная часть скобы опирается на упругие буфера амортизаторов, а электромотор-колесо закрепляется своей осью внутри скобы в вертикальных кронштейнах. 11. Самобалансирующийся электроскейт, по п.1, отличающийся тем, что внешний диаметр D электромотор-колеса находится в диапазоне 9" < D < 16" (228,6мм < D < 406,4мм). 12. Самобалансирующийся электроскейт, по п.1, отличающийся тем, что платформа на одном из её торцов, на скругленных углах, содержит пару транспортировочных роликов. 13. Самобалансирующийся электроскейт, по п.12, отличающийся тем, что каждый транспортировочный ролик располагается на поворотной опоре, ось поворота которой направлена вдоль платформы и является скрещивающейся относительно оси ролика с углом 90°, при этом поворотная опора вместе с роликом вращается вокруг своей оси на 360° и имеет четыре фиксированных положения через каждые 90°. 14. Самобалансирующийся электроскейт, по пп.12,13, отличающийся тем, что транспортировочные ролики выполнены съемными. |
Область техники
Изобретение относится к малым индивидуальным электротранспортным средствам преимущественно для развлечений или занятия спортом.
Предшествующий уровень техники
Известны конструкции электрических самобалансирующихся транспортных средств, представляющие собой продолговатую платформу, в центре которой размещена пара соосных колес. При этом оси колес сориентированы перпендикулярно относительно продольной оси платформы. Пользователь размещает стопы ног по краям платформы приблизительно параллельно осям колес и, отклоняя собственный центр тяжести, управляет изменением движения транспортного средства [1-5].
Недостатки вышеприведенных транспортных средств - сложность конструкции, большая стоимость, передвижение только по относительно ровным поверхностям (т.е. невозможность передвижения по бездорожью).
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является конструкция самобалансирующегося электрического транспортного средства [6], содержащая продолговатую платформу с двумя опорными площадками для размещения стоп ног пользователя между которыми расположены два соосных электромотор-колеса, каждое из которых установлено на независимой подвеске с пружинным амортизатором, а оси колес сориентированы перпендикулярно относительно продольной оси платформы. Также транспортное средство включает в себя, по меньшей мере, один модуль-датчик ориентации с возможностью определения наклона платформы относительно осей электромотор-колес и, по меньшей мере, один контроллер электромотор-колес, настроенный для управления ими на основе выходного сигнала модуль- датчика ориентации.
Недостатками такой конструкции транспортного средства являются невозможность автоматического балансирования (стабилизации) относительно продольной оси платформы, применение амортизаторов с несовершенной демпфирующей характеристикой. Раскрытие изобретения
Задача изобретения - расширение функциональных и эксплуатационных возможностей, улучшение амортизационных свойств. Это достигается добавлением в конструкцию транспортного средства активной подвески путем введения дополнительных управляемых электромагнитных амортизаторов, а также усовершенствованием элементов подвески.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг.1 изображен аксонометрический вид электроскейта (первый вариант); на фиг.2 - вид сбоку электроскейта первого варианта; на фиг.З - вид сверху электроскейта первого варианта; на фиг.4 - сечение А-А фиг.З; на фиг.5 и 6 изображена детализация сечения А-А (виды Б и В); на фиг.7 - аксонометрический вид электроскейта при повороте; на фиг.8 - вид сзади электроскейта при повороте; на фиг.9 - аксонометрический вид электроскейта (второй вариант); на фиг.10 - вид сбоку электроскейта второго варианта; на фиг.1 1 - вид сверху электроскейта второго варианта; на фиг.12 - аксонометрический вид электроскейта (третий вариант) с транспортировочными роликами; на фиг.13 - вид сбоку электроскейта третьего варианта; на фиг.14 - вид сверху электроскейта третьего варианта; на фиг. 15 - 17 изображена детализация фиг.12 и 13 (виды Г, Д, Е); на фиг.18 - аксонометрический вид электроскейта при его транспортировке; на фиг.19 - этапы эксплуатации электроскейта; на фиг.20 - структурная схема электроскейта.
Осуществление изобретения
Самобалансирующийся электроскейт (далее электроскейт) состоит из платформы 1 продолговатой формы с двумя опорными площадками 2 для размещения стоп ног пользователя. В центральной части платформы 1, между опорными площадками 2, расположены два соосных электромотор-колеса 3, каждое из которых установлено на независимой подвеске 4 с пружинным 5 и электромагнитным 6 амортизаторами, а оси колес Yi и Yi сориентированы перпендикулярно относительно продольной оси X платформы 1. Также электроскейт включает в себя, по меньшей мере, один контроллер 7 электромотор- колес 3, один контроллер 8 электромагнитных амортизаторов 6 и два модуль- датчика ориентации платформы: первый модуль- датчик ориентации 9 с возможностью определения наклона платформы относительно осей Yi и Y2 электромотор-колес 3, второй модуль- датчик ориентации 10 с возможностью определения наклона платформы относительно её продольной оси X.
Электромотор-колесо 3 представляет собой колесо 11 с пневматической шиной 12 и бесколлекторным электродвигателем 13, встроенным в место ступицы. Ось 14 электромотор-колеса 3 имеет две точки опоры и закрепляется в вертикальных кронштейнах 15 подвески 4. В совместном с двигателем корпусе могут размещаться силовая передача (например, планетарный редуктор) и контроллер. В данной конструкции электроскейта контроллер 7 вынесен за пределы двигателя 13 и соединен с ним гибким электропроводом 16. Внешний диаметр D электромотор-колеса 3 может быть в диапазоне 9" < D < 16" (228,6мм < D < 406,4мм).
Платформа 1 представляет собой каркас 17 прямоугольной формы со скругленными углами 18. Каркас 17 может быть изготовлен из сортового пустотелого или специального металлического профиля. В этом случае описана конструкция каркаса из прямоугольной трубы.
Крайние части 19 каркаса 17 согнуты вверх приблизительно на 1/4 по отношению его длины. Угол изгиба а относительно плоскости каркаса 17 может быть в пределах от 165° до 180°.
Сверху согнутых частей 19 каркаса 17 расположены опорные площадки 2 с нескользящей поверхностью для размещения стоп ног пользователя, а снизу - защитные кожухи 20. Внутри согнутых частей 19, между опорными площадками 2 и кожухами 20, расположено электрооборудование электроскейта: аккумуляторы 21, контроллеры 7, 8, датчики 9, 10 и т.п.
Снизу скругленных углов 18 каркаса 17 закреплены опорные эластичные (например, резиновые) элементы 22 для опирания электроскейта на грунт, которые также могут использоваться при дополнительном или экстренном торможении.
Каждая независимая подвеска 4 электромотор-колеса 3 представляет собой U - образную вытянутую скобу 23, каждый из концов прямолинейных участков (внутренний - 24, внешний— 25) которой соединен с платформой 1 с помощью цилиндрического шарнира 26. Противоположной стороной от шарнира 26 скоба 23 соединена с платформой 1 посредством пружинного 5 и электромагнитного 6 амортизаторов. К тому же нижняя радиусная часть 27 скобы 23 опирается на упругие буфера (отбойники) 28 амортизаторов 5, 6.
Снизу скобы 23, на каждом прямолинейном её участке 24, 25 (примерно посередине), расположено по одному вертикальному кронштейну 15, друг против друга, имеющие сквозные пазы 29, которые направлены перпендикулярно вниз относительно плоскости скобы 23. В сквозных пазах 29 кронштейнов 15 размещается ось 14 электромотор-колеса 3, которая может свободно передвигаться вдоль них. Закрепляется ось 14 в необходимом по длине пазов 29 положении фиксирующими элементами 30. Таким способом регулируется величина выступания электромотор-колеса 3 относительно нижней поверхности платформы 1. Ограничители 31 предохраняют ось 14 от выпадения из кронштейнов 15 в случае ненадежной её фиксации.
Сверху каждой скобы 23, над электромотор-колесом 3, расположен защитный щиток 32 (на некоторых эскизах один из щитков не показан).
Пружинный амортизатор 5 представляет собой цилиндрический стержень 33 с резьбой, проходящий перпендикулярно плоскости скобы 23 сквозь один из двух её прямолинейных участков - внутренний 24 или внешний 25, и соединяется с платформой 1 с помощью двойного шарнира 34, на котором закреплен буфер 28. На противоположной (от шарнира 34) стороне стержня 33 расположен резьбовой регулятор упругости 35, между которым и прямолинейным участком скобы 23, обвивая стержень 33, располагается витая пружина сжатия 36.
Электромагнитный амортизатор 6 представляет собой линейный электромагнитный двигатель 6а трубчатого типа, в котором первичный элемент это статор 37, содержащий ряд кольцеобразных электромагнитных катушек, создающие электромагнитное поле с линейным его перемещением вдоль оси трубчатого корпуса статора 37. Электромагнитное поле заставляет перемещаться вторичный элемент двигателя - якорь 38, коаксиал ьно расположенный внутри статора 37. Якорь 38 изготовлен в виде цилиндрической трубки, внутри которой расположены постоянные магниты на основе редкоземельных элементов.
Располагается электромагнитный амортизатор 6 аналогично пружинному амортизатору 5 на внутреннем 24 или внешнем 25 прямолинейном участке скобы 23. В первом варианте электроскейта пружинный амортизатор 5 расположен на внутреннем прямолинейном участке 24 скобы 23, а электромагнитный амортизатор 6 - на внешнем 25. Статор 37 жестко крепится сверху скобы 23, перпендикулярно ее плоскости, на одном из двух её прямолинейных участков - 24 или 25, а якорь 38, подобно стержню 33 пружинного амортизатора 5, проходит сквозь прямолинейный участок скобы 23 и соединяется с платформой 1 посредством двойного шарнира 34, на котором закреплен буфер 28.
Также возможны другие варианты расположения амортизаторов в конструкции электроскейта. Второй вариант электроскейта (фиг. 9 - 1 1) предусматривает размещение пружинного амортизатора 5 на внутреннем прямолинейном участке 24 скобы 23, тогда как электромагнитный амортизатор 6 располагается на внешнем прямолинейном участке 25 скобы 23 под острым углом относительно её плоскости. Статор 37 шарнирно соединен со скобой 23 посредством низкого кронштейна 39, расположенного около верхней радиусной части 40 скобы 23, а якорь 38 шарнирно соединен с платформой 1 посредством высокого кронштейна 41, закрепленного к каркасу 17 платформы 1 рядом с цилиндрическим шарниром 26.
Третий вариант электроскейта (фиг. 12 - 14) предусматривает объединение пружинного 5 и электромагнитного 6 амортизаторов в одном общем узле 42 с параллельным их функционированием. То есть, пружина сжатия 36, обвивая статор 37 линейного двигателя 6а, одним концом опирается на регулятор упругости 35, находящийся на статоре 37, а другим концом пружина 36 опирается на упорную шайбу 43, закрепленную на конце якоря 38. Располагается такой узел 42 на внешнем прямолинейном участке 25 скобы 23 под острым углом относительно её плоскости. Статор 37 шарнирно соединен со скобой 23 посредством низкого кронштейна 39, расположенного около верхней радиусной части 40 скобы 23, а якорь 38 шарнирно соединен с платформой 1 посредством высокого кронштейна 41, закрепленного к каркасу 17 платформы 1 рядом с цилиндрическим шарниром 26.
Модуль- датчик ориентации 9 или 10 это объединение в одном корпусе двух типов инерционных датчиков (датчиков движения) - гироскопа и акселерометра, основанных на микроэлектромеханических системах (МЭМС). Гироскоп - датчик, измеряющий угловую скорость, акселерометр - датчик, измеряющий линейное ускорение. Также оба датчика являются инклинометрами, т.е. измеряют углы наклона. Модуль-датчик ориентации имеет возможность измерять смену положения объекта в трех пространственных измерениях одновременно. Поэтому для полноценных измерений в аналогичных транспортных средствах с системой автоматического балансирования применяются именно модуль-датчики ориентации.
Автоматическое балансирование электроскейта относительно осей Yi и Уг электромотор-колес 3 основано на системе обратной связи. То есть, обратная связь создает замкнутый контур: контроллер 7 подает на электромотор-колеса 3 управляющий сигнал пропорциональный сумме/разнице между поточным значением положения электроскейта (генерируемый первым модуль-датчиком ориентации 9) и заданным значением так, чтобы эта сумма/разница уменьшалась.
Управление движением электроскейта осуществляется переносом центра тяжести пользователя относительно условного центра электроскейта. Отклоняя центр тяжести тела, например, влево, электроскейт набирает скорость, вправо - тормозит или меняет направление движения.
Управление поворотами электроскейта предусматривает два режима: пассивный и активный (или смешанный). При пассивном управлении пользователь, перемещая собственный центр тяжести вперед или назад, наклоняет платформу 1 относительно её продольной оси X, соответственно, наклоняются в стороны электромотор-колеса 3 и электроскейт поворачивает. При этом скорость вращения электромотор-колес 3 одинаковая, а дуга поворота плавная. При активном управлении добавляется дифференциальное управление электромотор-колесами 3. То есть, в случае наклонения платформы 1 относительно её продольной оси X второй модуль- датчик ориентации 10 улавливает такие изменения положения и корректирует выходной сигнал контроллера 7 электромотор-колес 3 так, что угловая скорость COi одного электромотор-колеса отличается от угловой скорости
0)2 другого, и электроскейт тогда поворачивает по дуге с меньшим радиусом чем при пассивном управлении поворотами. При этом существует пропорциональная зависимость разницы угловых скоростей 0)i и 0)2 электромотор-колес 3 от угла наклона b платформы 1, а также от скорости движения V самого электроскейта. Чем больше боковой угол наклона b платформы 1, тем больше разница угловых скоростей COi и 0)2 электромотор-колес 3. Чем быстрее движение электроскейта, тем меньше разница угловых скоростей 0)i и 0)2 электромотор-колес 3.
Пользователь может менять режимы управления поворотами переключателем (не показан), находящимся непосредственно на электроскейте или дистанционно с пульта дистанционного управления, или смартфона (как вариант).
Независимая подвеска 4 электромотор-колес 3 придаёт дополнительную степень свободы платформе 1 - наклоны относительно её продольной оси X. Такую подвижность целесообразно перед началом движения электроскейта также сбалансировать.
Введение в конструкцию подвесок 4 дополнительных управляемых электромагнитных амортизаторов 6 решает вышеупомянутое задание. Автоматическая стабилизация платформы 1 относительно её продольной оси X построена также на системе обратной связи и аналогична схеме автоматического балансирования электроскейта относительно осей Yi и Y2 электромотор-колес 3. А именно, обратная связь создает замкнутый контур: контроллер 8 подает на электромагнитные амортизаторы 6 управляющий сигнал пропорциональный сумме/разнице между поточным значением положения платформы 1 (генерируемый вторым модуль- датчиком ориентации 10) и заданным значением так, чтобы эта сумма/разница уменьшалась.
Также возможен другой вариант стабилизации платформы 1 относительно её продольной оси X перед началом движения электроскейта. После включения питания электроскейта электромагнитные амортизаторы 6 сразу приобретают максимальную жесткость, соответственно, практически обездвиживают платформу 1 относительно её продольной оси X. Небольшая подвижность будет оставаться в пределах упругости шин 12 электромотор-колес 3. Пользователь становится на электроскейт и, как только инициирует его движение вперед или назад, электромагнитные амортизаторы 6 переходят в режим автоматической управляемости и начинают выполнять свою основную функцию - амортизацию. В режиме активной подвески контроллер 8 электромагнитных амортизаторов 6 может руководствоваться выходными сигналами первого модуль-датчика 9, второго модуль- датчика 10 или обоих одновременно. Чувствительные к вибрации акселерометры, входящие в состав модуль- датчиков 9 и 10, автоматически корректируют сигнал для изменения жесткости электромагнитных амортизаторов 6.
Дополнительно электромагнитные амортизаторы 6 в процессе боковых наклонов платформы 1 могут усиливать такие наклоны. Для этого контроллер 8 электромагнитных амортизаторов 6 использует выходной сигнал второго модуль- датчика 10. То есть, пользователь инициирует только изменение направления бокового наклона платформы 1, а электромагнитные амортизаторы 6 используются в качестве рычагов для наклонения платформы 1.
При низком заряде аккумуляторов 21, когда дальнейшее движение на электроскейте будет невозможным или потребуется перемещение электроскейта в общественных местах (например, метро), возникает необходимость дополнительных конструктивных элементов. Такими элементами могут быть транспортировочные ролики, ручки, ремни и т. п. В данной конструкции электроскейта платформа 1 на одном из её торцов 1а, на скругленных углах 18, содержит пару транспортировочных роликов 44. Каждый ролик 44 располагается на поворотной опоре 45, ось поворота 02 которой направлена вдоль платформы 1 и является скрещивающейся с углом 90° относительно оси Oi ролика 44. Поворотная опора 45 вместе с роликом 44 вращается вокруг своей оси 02 на 360° и имеет четыре фиксированных положения через каждые 90°. На другой стороне платформы 1, противоположной от роликов 44, расположена ручка 46 для держания электроскейта во время его транспортирования.
Также транспортировочные ролики 44 могут быть съемными. Когда нет необходимости использования роликов 44, то их можно легко снять и разместить внутри согнутых частей каркаса 19.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент США Ха 7,81 1,217 В2 2010.10.12.
2. Заявка Японии Ха JP 2018-12492 А 2018.1.25.
3. Заявка Китая а CN 106237606 А 2016.12.21.
4. Патент Китая » CN 205924930 U 2017.02.08.
5. Патент Китая а CN 207060253 U 2018.03.02.
6. Заявка США Ха US 2018/0111039 А1 2018.04.26. МПК(2006.01): А 63 С 17/12.
Next Patent: SYSTEMS AND METHODS FOR MANAGING A COMPROMISED AUTONOMOUS VEHICLE SERVER