基於背包電源的旱冰鞋式電動代步工具的製作方法

2023-05-30 08:49:41

專利名稱：基於背包電源的旱冰鞋式電動代步工具的製作方法
技術領域：
本專利涉及一種簡便的電動代步工具，尤其是涉及一種利用背包內的充電電池向裝有電機的旱冰鞋提供電源以進行驅動，同時使用控制手柄對速度、轉向、剎車和離合等進行控制的交通工具。
背景技術：
如今，人們對交通工具的依賴越來越強。然而隨著城市人口的急劇增加，交通擁堵問題也越來越嚴重。在這種情況下小尺寸的交通工具由於可以在更小的空間能行進顯然具有更大優勢。現在的小尺寸交通工具主要可以分為機動類、腳踏類和輪滑類三種，其中第一種的代表為摩託車和電動自行車，第二種為自行車，第三種為滑板和旱冰鞋。機動類工具雖然具有可遠程行進且無需人力的優點但由於需要以複雜的動力機構為基礎，使其整體尺寸難以大幅減小。腳踏類工具由於無需動力機構使其較機動類輕便，但其缺點為需要依靠人 力進行驅動，在遠程行進時對人的體力消耗較大。在所有代步工具中以輪滑類尺寸最小，它可以在狹小的過道甚至人員流動稠密的商場裡行進，但其對人的體力和對輪滑的掌握程度要求較高，使其難以作為一種交通工具進行大範圍推廣。綜合比較這幾類交通工具可知所謂減小代步工具的尺寸主要是減小水平向的尺寸進而減小對地面的佔用率，一個可行的辦法就是將機構整體布置從水平向改為垂直向，使其在不喪失功能的情況下將地面的佔用率降到最小。直流電機的轉速和加在其上的電壓大小成正比。許多直流電機轉速控制電路就是基於PWM信號來輸出不同大小的電壓來達到調速目的。而一些集成的直流電機控制晶片不但可以通過PWM信號來調速，而且還具備電機正轉、反轉、制動和空載的控制能力，這使得對直流電機的控制更加簡便。

發明內容
針對目前交通工具在結構設計和驅動方式上存在的問題，本專利提出了一種將運動執行部分放置在腳下而將動力源部分背於肩上並將控制部分握於手上的新式代步工具，它使用直流電機進行驅動、充電電池作為動力源並使用電子電路進行運動控制。這種結構和動力設計使整個機構構成垂直式放置從而使其只佔雙腳大小的地面面積，並且使運動控制也更加簡單。本發明專利採用的技術方案是
基於背包電源的旱冰鞋式電動代步工具，其特徵是正常使用時這種代步工具的動力源部分由使用者背於肩上，運動執行部分放置於使用者腳下，控制部分由使用者握於手上。一種電動代步工具，其特徵是這種代步工具的動力源為一個裝有充電電源和電機控制電路的背包、運動執行部分為固定有直流電機的旱冰鞋、控制部分為可輸出開關和模擬信號的控制手柄；使用時背包由使用者背於肩上，旱冰鞋穿戴於雙腳上，控制手柄握於手上。
一種電動代步工具，其特徵是背包和旱冰鞋通過電源線相連，控制手柄和背包通過數據線相連；背包可向旱冰鞋上的電機提供電源從而驅動其向前行進，控制手柄可向背包上的電機控制電路發出不同控制命令從而對行進過程中的速度、轉向、剎車和離合進行控制。應用於該代步工具中的電路設計，其特徵是這種代步工具在電路上主要由電源模塊、運動執行模塊、運動控制模塊和單片機組成；電源模塊可控制充電電池的充放電過程和向其他模塊提供穩定電源及向外輸出充電電源，運動執行模塊主要基於PWM信號進行電機調速並控制電機運動狀態，運動控制模塊主要通過一些模擬和開關信號發生器件向單片機輸出控制信號，單片機主要進行開關、模擬信號採集和產生用於左右電機調速的兩路PWM信號及運動狀態控制信號。應用於該代步工具的運動控制方法，其特徵是通過一個模擬信號來控制PWM信號的佔空比進而使位於旱冰鞋部分的直流電機獲得不同大小的電壓最後得以使旱冰鞋以不同速度前進，通過兩個開關信號來控制行進過程中的轉向，當左轉開關信號使能時左腳電機轉速小於右腳從而完成行進路線的左轉，右轉時剛好相反；通過一個開關信號控制電 機的制動，一個開關信號控制電機的空載，並且在制動信號和空載信號同時有效的情況下控制電路將只響應制動信號。該代步工具上的控制手柄，其特徵是控制手柄通過數據線與位於PCB板上單片機相連，其整體外觀呈條狀，主要由用於控制電機速度、方向、制動和空載的不同控制器件組成。該代步工具上的控制手柄，其特徵是控制手柄默認由用戶右手握持，數據線也從背包右側引出，手柄上主要安裝有直線電位器、方向撥杆、剎車按鈕和離合按鈕，分別用來進行速度、方向、制動和空載控制，其中直線電位器位於控制手柄的正面板上，其滑塊可沿控制手柄長端方向上下滑動，方向撥杆位於控制手柄正面板的上端，剎車和離合按鈕分別位於控制手柄側面板右上端的不同位置；直線電位器由右手拇指操作，通過上下撥動其滑塊可向單片機輸入不同大小的電壓模擬信號，單片機據此信號通過模數轉換來決定輸出的PWM信號佔空比大小；方向撥杆通過右手拇指的左右撥動向單片機發出兩個開關信號，單片機通過減小一方電機速度增大另一方電機速度的方式進行左右轉向；剎車和離合按鈕由右手食指操作，當剎車按鈕和離合按鈕按下有效時整個機構將分別處於制動和空載狀態，剎車按鈕和離合按鈕有兩種工作狀態，一種為點按狀態，即當按下時激發信號，鬆開則恢復原態，另一種為鎖定狀態，即按下按鈕的同時沿垂直於按下方向的方向撥動按鈕則該按鈕將處於按下鎖定狀態，此時即便食指離開按鈕也一直保持按下狀態，反方向動作則恢復原態，如果使剎車按鈕處於鎖定則旱冰鞋將一直處於制動狀態，而若離合按鈕處於鎖定則旱冰鞋將一直處於空載狀態。該代步工具上的旱冰鞋，其特徵是該旱冰鞋與普通雙排輪子型旱冰鞋在外型上相似，但擁有更強的減震和更大尺寸的輪子；直流電機位於旱冰鞋後端，電機定子固定於旱冰鞋上而轉子用來驅動旱冰鞋後輪，旱冰鞋後端還有一個用來連接電機電線插頭的插座；旱冰鞋使用強力粘扣帶來綁定雙腳。一種應用於該代步工具上的背包，其特徵是包中內嵌有充電電池和電源控制電路，並且電池和電路由較高強度硬質材料封裝在一起並與包內其他區域有效隔絕；包上安裝有一個電源插板，該插板上有一個輸入電源接口和多個不同型號的輸出電源接口，這些接口與電源晶片相連，外界直流充電器插頭可插入輸入電源接口以對背包內電池充電，一些需電設備也可以通過將其電源線插頭插入輸出電源接口從而從背包處獲得直流電源；給電機供電的電機電線一端與背包內的電路板直接相連並最終從背包內引出，另一端為鎖扣式插頭，當將該插頭插入電機插座旋轉鎖合後，插頭與插座將形成可靠的電器連接，若與電機插座斷開連接，則該插頭還可以與電位器配合向有功率可變要求的其他電器輸出可變的直流電源。一種應用於該代步工具上的背包，其特徵是包內除電池和控制電路佔用空間外還留有裝載其他物品的空間，並且電源區域與儲物區域相互隔離；該背包可像普通背包一樣裝載個人物品，而在不使用旱冰鞋時可以拔出電機電線插頭使旱冰鞋和背包分離，然後將旱冰鞋裝入背包內以便存放或背於肩上改為步行；包上縫製有用於隱藏和收納電源插板、電機電線、控制手柄及其數據線的拉鏈袋，當將旱冰鞋裝入包內並將所有電線和部件收納於各自拉鏈袋後，該背包整體外觀將與普通背包無異。
本發明專利可取得的有益效果是
I.採用執行機構和動力及控制機構垂直布局的方式有效減少了地面佔用率，使得使用者可以在狹小擁擠的空間內前進，可以在摩託車、自行車難以行進的地方使用。2.採用控制手柄的方式控制整體的行進速度、轉向、制動和空載，使得使用者通過一隻手的拇指和食指就能完成運動控制，與摩託車、電動自行車相比控制精簡度較高。3.背包內留有充裕的裝載空間，在使用者穿戴好該代步工具去上班或上課時可將書本或其他物品裝入包內，而到目的地後取出裝入物品將旱冰鞋裝入包內。這種設計可以使背包兼具普通背包的作用同時使得整個機構即便在不使用時所佔空間也非常小。當電池無電時該代步工具可以像普通旱冰鞋一樣通過使用者的兩腳搓滑前進，使用者也可將旱冰鞋收入包內背著背包步行。這種在使用時和非使用時極小的空間佔用優勢是摩託車、電動自行車、自行車全都無法比擬的，同時在機動和人力的切換方面該機構也明顯的優於電動自行車。4.控制手柄上剎車按鈕具有鎖定功能，可在需長時間制動的情況下置於剎車鎖定狀態，當處於剎車鎖定狀態時旱冰鞋前後移動被限制，此時使用者甚至可以穿著旱冰鞋正常行走。同樣離合按鈕也有剎車鎖定功能，當置於鎖定狀態時使用者可以像普通旱冰鞋一樣通過兩腳的搓滑前進，以節省電池電量。5電路板上有外置輸出電源接口，可以通過該接口為手機等電子設備充電，使得背包電源可以當大型的移動電源使用，而在不向旱冰鞋部分供電的情況下，PWM模塊的存在使得背包電源可以通過電位器的配合充當可變功率的電源，這種在穩定直流和可變直流方面的優勢可以使得背包電源在旅行和野外時兼有移動電源的功能，做到一包多用。6採用插頭連接的方式便於旱冰鞋和背包的拆裝，而連接旱冰鞋和背包的電機電線插頭採用鎖扣插頭，這種插頭與普通插頭相比可在運動過程中防止插頭與插座脫離，使電氣連接牢固可靠。旱冰鞋使用強力粘扣帶來固定雙腳，這與鞋帶式固定方式相比操作更加簡便，可以使使用者在穿鞋的情況下做到對旱冰鞋的快速穿戴。


圖I是使用效果示意圖(電池和PCB板剖視)。圖中I.背包，2.電池，3.電機電線收納拉鏈袋，4.控制手柄和數據線收納拉鏈袋，5. PCB板，6.數據線，7.電機電線，8.背帶，9.控制手柄，10.旱冰鞋。圖2是硬體電路框圖。圖3是背包部分示意圖(控制手柄放大畫出)。圖中I.背包,2.外殼,3.充電電池,4.電源插板,5.輸入電源線,6輸出電源線，7.鎖扣式插頭，8.左右電機線，9. PCB板，10.數據線，11.調速直線電位器，12.方向控制撥杆，13.剎車按鈕，14.離合按鈕。圖4是電池和控制電路板下置式背包部分示意圖(主視圖和左視圖)。圖中I.背包，2.儲物空間，3.充電電池，4. PCB板，5.背帶。
具體實施例方式如圖I所示，正常使用時背包(I)由使用者背於肩上，而旱冰鞋(10)穿戴於使用者雙腳上，控制手柄(9)由使用者手持。背包通過電機電線(7)向旱冰鞋提供驅動電源，而控制手柄通過數據線(6)來與背包連接。電機電線的插頭為鎖扣式插頭(圖3中7)，當該插頭插入位於旱冰鞋上的插座後可通過旋轉其上的鎖扣套使插頭與其插座牢固鎖合，而需要斷開連接時反方向旋轉而後拔出插頭即可。控制手柄數據線指代6根排線，其中一根為給各線性和開關器件供電的電源線，一根為模擬信號線，其餘4根為開關信號線。就充電電池和PCB板在背包內的位置來看主要有側置式和下置式兩種實施方式。如圖I中背包剖視和圖3所示，當側置時，電池和電路板呈方餅狀佔據背包靠近使用者背部的整個區域，而背包其他空間為儲物區域，電池和電路板區域與儲物區域通過海綿帆布彼此隔離。如圖4所示，當下置時，電池和電路板則佔據背包下部區域，而背包上部為儲物區域，同樣電池和電路板區域與儲物區域彼此隔離。側置式和下置式在控制手柄、電機電線以及充電和外接輸出埠形態方面基本沒有區別，因而圖4中將這些器件省略未畫，具體可參照圖3中相關器件示意圖去理解。圖2所示硬體電路框圖中，電源插板、電源晶片和充電電池組成了電源模塊。其中電源晶片控制電池充電和放電過程，同時為單片機、控制手柄、電機控制晶片提供相應的穩定直流電源。電源晶片既接受外部輸入電源也可向外輸出電源外接直流充電器插頭可插入電源插板(圖3中4)通過輸入電源線(圖3中5)向電源晶片提供充電電源從而對電池充電；而在電池電量充裕的情況下，外部電器也可以將其電源插頭插入電源插板通過輸出電源線(圖3中6))從背包處獲得充電電源，使背包兼具移動電源的功能。電源插板上除了有一個輸入電源接口外還有USB等多個不同型號的輸出電源接口，可供不同接口型號的設備充電使用。電源插板位於背包左側，控制手柄數據線從背包右側引出，而兩根電機電線從背包中間位置引出，如圖3所示。圖2所示硬體電路框圖中，電機控制晶片和兩個直流電機組成了運動執行模塊，其中電機控制晶片的作用為進行PWM信號的功率放大和電機狀態控制。電機控制晶片需要同時控制兩個直流電機的運動狀態，它從單片機處獲得兩路PWM信號，將其進行功率放大後輸出到兩個電機用於電機的調速。在正常向前行進時，電機控制晶片獲得的兩路PWM信號相同，以使兩個電機以相同速度直線前進；而當轉彎時，位於內側電機的PWM信號小於外偵牝以使內側電機轉速小於外側從而完成曲線轉彎。電機控制晶片可控制電機的制動、空載、正傳和反轉四個狀態，由於本發明只牽扯到運動的停止、空載和前進，因而反轉狀態捨棄不用。圖2所示硬體電路框圖中，控制手柄和其數據線構成了運動控制模塊。控制手柄主要向單片機提供四路開關信號和一路模擬信號。左轉信號和右轉信號由圖3中控制手柄的方向控制撥杆(12)的左右撥動來發出。撥杆的實際形態與玩具遙控車控制手柄的撥杆類似，其運動方向如圖3控制手柄左側箭頭所示。實際製造時撥杆也可使用兩個按鈕代替。制動信號和空載信號分別由圖3中剎車按鈕(13)和離合按鈕(14)發出。當剎車按鈕和離合按鈕按下有效時整個機構將分別處於制動和空載狀態。剎車按鈕和離合按鈕位於控制手柄的側面。當按下剎車和離合按鈕時將向單片機發出兩個開關信號，單片機進而向電機控制晶片發出相應命令進行旱冰鞋的制動和空載控制。此外當按下其中任意一個按鈕的同時向垂直於按下方向的方向撥動按鈕則該按鈕將處於按下鎖定狀態，如果使剎車按鈕處於鎖定則旱冰鞋將處於制動鎖定狀態，將一直限制旱冰鞋的前後移動，而若離合按鈕處於鎖定狀態則，旱冰鞋將一直處於空載狀態。按鈕鎖定的動作方向如圖3按鈕旁箭頭所示。速度模擬信號由圖3中調速直線電位器(11)發出，通過電位器滑塊的上下滑動向單片機輸入不同大小的模擬電壓信號，單片機據此發出不同佔空比的PWM信號，根據直流電機轉速和電 壓大小相關的原理，不同佔空比的PWM信號代表了不同大小的電壓即不同的轉速，以此實 現對電機速度的調節。圖2所示硬體電路框圖中，單片機作為控制中心完成控制數據採集和執行數據的輸出。本發明所採用的單片機指自帶AD轉換模塊和具有至少兩路PWM信號輸出能力的單片機，但該單片機也可由一般單片機配合AD轉換晶片和PWM晶片聯合使用來代替。
權利要求
1.基於背包電源的旱冰鞋式電動代步工具，其特徵是正常使用時這種代步工具的動力源部分由使用者背於肩上，運動執行部分放置於使用者腳下，控制部分由使用者握於手上。
2.根據權利要求I所述的代步工具，其特徵是這種代步工具的動力源為一個裝有充電電源和電機控制電路的背包、運動執行部分為固定有直流電機的旱冰鞋、控制部分為可輸出開關和模擬信號的控制手柄；使用時背包由使用者背於肩上，旱冰鞋穿戴於雙腳上，控制手柄握於手上。
3.根據權利要求2所述的代步工具，其特徵是背包和旱冰鞋通過電源線相連，控制手柄和背包通過數據線相連；背包可向旱冰鞋上的電機提供電源從而驅動其向前行進，控制手柄可向背包上的電機控制電路發出不同控制命令從而對行進過程中的速度、轉向、剎車 和離合進行控制。
4.根據權利要求2所述的代步工具，其特徵是這種代步工具在電路上主要由電源模塊、運動執行模塊、運動控制模塊和單片機組成；電源模塊可控制充電電池的充放電過程和向其他模塊提供穩定電源及向外輸出充電電源，運動執行模塊主要基於PWM信號進行電機 調速並控制電機運動狀態，運動控制模塊主要通過一些模擬和開關信號發生器件向單片機輸出控制信號，單片機主要進行開關、模擬信號採集和產生用於左右電機調速的兩路PWM信號及運動狀態控制信號。
5.一種應用於權利要求2所述的代步工具的運動控制方法，其特徵是通過一個模擬信號來控制PWM信號的佔空比進而使位於旱冰鞋部分的直流電機獲得不同大小的電壓最後得以使旱冰鞋以不同速度前進，通過兩個開關信號來控制行進過程中的轉向，當左轉開關信號使能時左腳電機轉速小於右腳從而完成行進路線的左轉，右轉時剛好相反；通過一個開關信號控制電機的制動，一個開關信號控制電機的空載，並且在制動信號和空載信號同時有效的情況下控制電路將只響應制動信號。
6.根據權利要求2所述的控制手柄，其特徵是控制手柄通過數據線與位於PCB板上單片機相連，其整體外觀呈條狀，主要由用於控制電機速度、方向、制動和空載的不同控制器件組成。
7.根據權利要求6所述的控制手柄，其特徵是控制手柄默認由用戶右手握持，數據線也從背包右側引出，手柄上主要安裝有直線電位器、方向撥杆、剎車按鈕和離合按鈕，分別用來進行速度、方向、制動和空載控制，其中直線電位器位於控制手柄的正面板上，其滑塊可沿控制手柄長端方向上下滑動，方向撥杆位於控制手柄正面板的上端，剎車和離合按鈕分別位於控制手柄側面板右上端的不同位置；直線電位器由右手拇指操作，通過上下撥動其滑塊可向單片機輸入不同大小的電壓模擬信號，單片機據此信號通過模數轉換來決定輸出的PWM信號佔空比大小；方向撥杆通過右手拇指的左右撥動向單片機發出兩個開關信號，單片機通過減小一方電機速度增大另一方電機速度的方式進行左右轉向；剎車和離合按鈕由右手食指操作，當剎車按鈕和離合按鈕按下有效時整個機構將分別處於制動和空載狀態，剎車按鈕和離合按鈕有兩種工作狀態，一種為點按狀態，即當按下時激發信號，鬆開則恢復原態，另一種為鎖定狀態，即按下按鈕的同時沿垂直於按下方向的方向撥動按鈕則該按鈕將處於按下鎖定狀態，此時即便食指離開按鈕也一直保持按下狀態，反方向動作則恢復原態，如果使剎車按鈕處於鎖定則旱冰鞋將一直處於制動狀態，而若離合按鈕處於鎖定則旱冰鞋將一直處於空載狀態。
8.根據權利要求2所述的旱冰鞋，其特徵是該旱冰鞋與普通雙排輪子型旱冰鞋在外型上相似，但擁有更強的減震和更大尺寸的輪子；直流電機位於旱冰鞋後端，電機定子固定於旱冰鞋上而轉子用來驅動旱冰鞋後輪，旱冰鞋後端還有一個用來連接電機電線插頭的插座；旱冰鞋使用強力粘扣帶來綁定雙腳。
9.一種應用於該代步工具上的背包，其特徵是包中內嵌有充電電池和電源控制電路，並且電池和電路由較高強度硬質材料封裝在一起並與包內其他區域有效隔絕；包上安裝有一個電源插板，該插板上有一個輸入電源接口和多個不同型號的輸出電源接口，這些接口與電源晶片相連，外界直流充電器插頭可插入輸入電源接口以對背包內電池充電，一些需電設備也可以通過將其電源線插頭插入輸出電源接口從而從背包處獲得直流電源；給電機供電的電機電線一端與背包內的電路板直接相連並最終從背包內引出，另一端為鎖扣式插頭，當將該插頭插入電機插座旋轉鎖合後，插頭與插座將形成可靠的電器連接，若與電機插座斷開連接，則該插頭還可以與電位器配合向有功率可變要求的其他電器輸出可變的直流電源。
10.根據權利要求9所述的背包，其特徵是包內除電池和控制電路佔用空間外還留有裝載其他物品的空間，並且電源區域與儲物區域相互隔離；該背包可像普通背包一樣裝載個人物品，而在不使用旱冰鞋時可以拔出電機電線插頭使旱冰鞋和背包分離，然後將旱冰鞋裝入背包內以便存放或背於肩上改為步行；包上縫製有用於隱藏和收納電源插板、電機電線、控制手柄及其數據線的拉鏈袋，當將旱冰鞋裝入包內並將所有電線和部件收納於各自拉鏈袋後，該背包整體外觀將與普通背包無異。
全文摘要
基於背包電源的旱冰鞋式電動代步工具，涉及簡便的電動交通工具領域。本發明主要由裝有充電電源和電機控制電路的背包、固定有直流電機的旱冰鞋、可輸出開關和模擬信號的控制手柄三部分組成。使用時背包由使用者背於肩上，旱冰鞋穿戴於雙腳上，控制手柄握於手上。背包和旱冰鞋通過電源線相連，控制手柄和背包通過數據線相連；背包可向旱冰鞋上的電機提供電源從而驅動其向前行進，控制手柄可向背包上的電機控制電路發出不同控制命令從而對行進過程中的速度、轉向、剎車和離合進行控制。本發明整體空間佔用較小、控制簡潔高效，適合於人口稠密、交通繁忙及其他代步工具難以有效行進的場合。
文檔編號A63C17/02GK102847296SQ201210376968
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月6日 優先權日2012年10月6日
發明者馬青川 申請人:馬青川