平衡自行車之專利初探

摘 要：“平衡車”已經(jīng)成為時(shí)下比較流行的新潮玩具，不僅包括兩輪平衡車、獨(dú)輪平衡車、平衡扭扭車，時(shí)下還出現(xiàn)了平衡自行車，平衡自行車已經(jīng)成為平衡車家族的新成員，那么，它采用什么技術(shù)實(shí)現(xiàn)自平衡的呢？筆者針對(duì)平衡自行車的專利技術(shù)進(jìn)行了檢索，介紹了已經(jīng)在市場(chǎng)銷售的Jyrobike牌平衡自行車的專利技術(shù)，其采用陀螺儀穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自平衡。陀螺儀為已知技術(shù)，它是否是在自行車領(lǐng)域的首次應(yīng)用創(chuàng)新呢？筆者還進(jìn)一步了發(fā)現(xiàn)了早期的有關(guān)專利技術(shù)，已經(jīng)存在采用陀螺儀實(shí)現(xiàn)玩具自行車自平衡的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：平衡；自行車；陀螺；專利；Jyrobike；Gyrobike

1 概述

說(shuō)到“平衡車”，大家一定會(huì)先首先想到實(shí)下流行雙輪平衡車、獨(dú)輪平衡車以及平衡扭扭車。然而，另一種新型的平衡車也悄悄進(jìn)入人們的生活——平衡自行車。其外觀和普通自行車相同，最大的不同在于該平衡自行車采用一種自動(dòng)平衡系統(tǒng)使車子保持平衡，甚至初學(xué)者的孩子騎得東倒西歪時(shí)，也不會(huì)倒，目前該平衡自行車已經(jīng)在歐洲流行。如圖1所示。

圖1（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

2 已經(jīng)銷售的平衡自行車專利

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索平衡自行車，發(fā)現(xiàn)Jyrobike品牌平衡自行車存在較多搜索條目，并且其已經(jīng)有平衡自行車產(chǎn)品投放市場(chǎng)。因此，針對(duì)該品牌自行車進(jìn)行了檢索，發(fā)現(xiàn)一篇專利文獻(xiàn)US2010090440，公開(kāi)日2010年4月15日，申請(qǐng)日2009年10月5日，發(fā)明名稱“提高輪式車輛陀螺儀穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法”，申請(qǐng)人為“The Gyrobike，INC”。該專利中明確記載該產(chǎn)品用于自行車初學(xué)者。根據(jù)該專利文獻(xiàn)中記載，該平衡自行車在前輪設(shè)置自平衡裝置--陀螺儀穩(wěn)定系統(tǒng)，該陀螺儀穩(wěn)定系統(tǒng)包括手動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩種，下面分別予以介紹：

2.1 手動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式

手動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式的附圖參見(jiàn)圖2、圖3，其中主要部件為：64-拉線把手，136-內(nèi)輪轂，140-前叉底端，310-螺母，312-螺紋軸，332-套筒，340-軸承，350-徑向外部部分，360-驅(qū)動(dòng)轂凸出部分，366-主要的驅(qū)動(dòng)轂部分，362-卷繞線，拉線把手364，376-罩。

上述的驅(qū)動(dòng)轂部件366、360、350即相當(dāng)于飛輪，螺紋軸312上設(shè)置有內(nèi)輪轂136，內(nèi)輪轂136上設(shè)置有套筒332，套筒332上設(shè)有軸承340，軸承340外設(shè)置有驅(qū)動(dòng)轂366、驅(qū)動(dòng)轂凸出部分360，軸承340能夠滿足驅(qū)動(dòng)轂部件高速轉(zhuǎn)動(dòng)要求，卷繞線362（即拉線）纏繞在驅(qū)動(dòng)轂凸出部分360上，其末端延伸出罩376外，并設(shè)置一個(gè)拉手364，便于拉線操作，驅(qū)動(dòng)轂?zāi)茉谳S承340上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，還設(shè)置有拉線自動(dòng)收回機(jī)構(gòu)。練習(xí)騎車時(shí)，騎車人首先坐到自行車上，另外需要有人輔助拉動(dòng)拉線把手364，使得驅(qū)動(dòng)轂（飛輪）獲得初始高速運(yùn)動(dòng)，這樣便啟動(dòng)了陀螺儀的自平衡功能[1]。

2.2 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式的附圖參見(jiàn)圖4、圖5，其中主要部件為：1410-輪胎，1420-支撐圈，1432、1434、1436-可拆卸的安裝蓋板，1450-前外殼，1530-按鈕，1550-后外殼，1612-內(nèi)軸，1616、1646-前叉鎖止件，1620-彈簧，1621-彈簧，1622-電池，1623-電池，1625-控制電路板，1630-軸承，1632-驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)插口，1642-軸承，1650-飛輪，1652-內(nèi)輪轂，1655-電機(jī)支架，1660-電機(jī)，1662-驅(qū)動(dòng)輪，1670-輪胎充氣閥。

圖4、圖5示出了具有自平衡裝置的前輪結(jié)構(gòu)。其中電機(jī)1660由電池1622、1623驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的輸出軸沿飛輪1650徑向設(shè)置（參見(jiàn)圖6），能夠帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪1662轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪1662輪緣與飛輪1650側(cè)面接觸，通過(guò)二者之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)力傳動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生自平衡力。飛輪1650、電池、驅(qū)動(dòng)輪1662、控制電路板1625等部件均安裝在前外殼1450、后外殼1550之間，前后外殼通過(guò)緊固件連接固定。

彈簧1620、1621抵壓電機(jī)安裝支架1655，進(jìn)而使得驅(qū)動(dòng)輪1662偏置在飛輪1650上，確保驅(qū)動(dòng)輪1662和飛輪的動(dòng)力傳遞。驅(qū)動(dòng)輪和飛輪表面接觸傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顫動(dòng)，彈簧的設(shè)置能夠避免顫動(dòng)，同時(shí)彈簧能夠吸收震動(dòng)和噪音，還可以減少驅(qū)動(dòng)輪1662的磨損。按鈕1530控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)/停止、以及電機(jī)轉(zhuǎn)速檔位控制，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制飛輪轉(zhuǎn)速。按鈕1530還可以替換為遙控控制按鈕，遙控控制按鈕可以設(shè)置在車把或車架的其它位置。驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)插口1632用于和外部設(shè)備連接，該平衡自行車的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)能夠被上傳到電腦，當(dāng)然也支持無(wú)限傳輸方式，用于分析和報(bào)告初學(xué)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度[1]。

3 早期的平衡自行車專利

陀螺儀作為自平衡裝置屬于現(xiàn)有技術(shù)，那么陀螺儀運(yùn)用于自行車上是首次創(chuàng)新應(yīng)用嗎？接著，筆者進(jìn)一步進(jìn)行了檢索，發(fā)現(xiàn)最早的關(guān)于“平衡自行車”的專利為GB479430A，其為一篇英國(guó)專利文獻(xiàn)，公開(kāi)于1938年01月31日，申請(qǐng)日為1936年07月29日，發(fā)明名稱為“玩具自行車的平衡和控制方法的改進(jìn)”。該玩具自行車采用陀螺儀控制。具體結(jié)構(gòu)參考該文獻(xiàn)說(shuō)明書附圖，見(jiàn)下圖：

圖6 圖7

圖6、圖7中，飛輪g安裝在操縱輪c1（即前輪）上，飛輪軸與前輪軸平行但偏心設(shè)置，飛輪軸的左端設(shè)置有離合器e1。為了使玩具自行車運(yùn)動(dòng)，首先通過(guò)連接一個(gè)手柄到離合器e1上，接著，旋轉(zhuǎn)該手柄或者推動(dòng)玩具自行車的輪子在地面上接觸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)飛輪g達(dá)到一個(gè)足夠高的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)放手，它將通過(guò)齒輪f、f1、f2、f3驅(qū)動(dòng)操縱輪c1，進(jìn)而帶動(dòng)鏈條、后輪、人偶動(dòng)作[1]，實(shí)現(xiàn)該玩具自行車的自平衡運(yùn)動(dòng)。

該玩具自行車的另一個(gè)實(shí)施例是，飛輪（即陀螺輪）安裝在一根單獨(dú)的軸上，飛輪軸和操縱輪軸偏心設(shè)置，發(fā)條驅(qū)動(dòng)器安裝在操縱輪c1內(nèi)，通過(guò)發(fā)條驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)操縱輪c1，將動(dòng)力經(jīng)齒輪嚙合到飛輪軸，飛輪軸、發(fā)條驅(qū)動(dòng)器都圍繞操縱輪軸設(shè)置。如果需要的話，還可以設(shè)置配重用以平衡飛輪重量[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)平衡自行車進(jìn)行了初步技術(shù)探索，發(fā)現(xiàn)Gyrobike公司已經(jīng)有成熟產(chǎn)品投放市場(chǎng)，進(jìn)一步檢索其相關(guān)專利技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該公司已經(jīng)申請(qǐng)的專利文獻(xiàn)US2010090440A1，文中對(duì)其公開(kāi)的陀螺儀穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，該穩(wěn)定系統(tǒng)有手動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩種方式。陀螺儀作為自平衡裝置是現(xiàn)有技術(shù)，但在自行車領(lǐng)域的應(yīng)用是否是最新應(yīng)用，于是又進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)一篇早期文獻(xiàn)GB479430A，其中公開(kāi)了陀螺儀穩(wěn)定裝置用于玩具自行車中，同樣實(shí)現(xiàn)自平衡，和上述美國(guó)文獻(xiàn)比較，其具體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、且為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，但二者基本構(gòu)思相同，只是在具體驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方面采用了不同方式。隨著平衡自行車技術(shù)的日漸成熟和推廣，相信平衡自行車必將很快進(jìn)入中國(guó)普通大眾生活。

參考文獻(xiàn)

[1]Improvements in or relating to Means for the Balancing and Controlling of Toy Bicycles， England， GB479430A， Jan.31，1938.

[2]SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING，GRROSCOPIC STABILIZATION TO A WHEELED VEHICLE，United States， US2010090

440A1， Apr.15，2010.

作者簡(jiǎn)介：李增志（1979-），河北保定人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作北京中心審查員，助理研究員。