一种两轮电动车实时辅助的电动脚架装置的制作方法

1.本发明属于两轮电动车应用领域，具体实现电动车脚架的功能。


背景技术：

2.在两轮电动车(以下均称为电动车)脚架中，稍大的电动车都是两个脚架，一个是安装在电动车中部的单撑，一个是稍微靠后的后脚架。但是在骑行过程中，骑行者在红绿灯口或者是低俗行驶时，都需要用脚辅助点地骑行以免侧倒，当刚好遇上水坑停车时，临时停稳更是不便。因为两个脚架的功能都不是实时辅助的，单撑需要先停稳才能用，后脚架是停车用。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种实时辅助的电动脚架，代替骑行者的脚与地的接触，从而保证车辆的平衡以及提升骑行者的骑行舒适度，还可以避免骑行者的脚由于伸出电动车车身外的意外受伤。
4.脚架装置由感受力的踏板组和执行传动的电机组而构成。
5.图1(a)是踏板组的结构图，主要由踏板、l型底板、电位器、限位传感器构成。
6.踏板是感受骑行者踩脚力度的，主要由以下部件构成：连接件——使踏板带动电位器的滑动端在弧形电位器上滑行；轴承——被固定在底板上作为踏板转动的支点；弹簧——提供踏板复位的力。
7.l型底板提供踏板组的所有部件的安装及支撑，l型底板上安装有：轴承、弹簧、下限位传感器s2、电位器r1、上限位传感器s1。
8.图1(b)是图1(a)从右侧向左侧看的后视图(以安装到电动车后的效果为后视图)，从图1(b)可以看出，l型底板的侧边安装有支架、电位器，而上限位传感器是安装在支架上的，l型底板的底边安装有踏板、弹簧、下限位传感器。
9.电位器r1是一个弧形结构的滑动电位器，将踏板的机械变化量转换为电信号变化量，并存在如下关系：对应关系——当踏板被完全放开时r1的阻值是最小值，当踏板被踩到底时r1的阻值是最大值；线性关系——电位器的变化量与踏板转动变化量呈线性对应关系。
10.上下限位传感器提供踏板的位置信息：上限位传感器s1——在r1最小值时被触发，表示踏板处于完全放开的位置；下限位传感器s2——在r1最大值时被触发，表示踏板处于最低的位置。
11.图2是电机组的结构图，主要由步进电机、脚架、限位盘构成：步进电机——输出踏板的力矩、速度、位移信息；脚架——固定在步进电机轴上作为步进电机的输出机构；
限位盘——主要用于安装位置锁和机械限位，它们的功能分别是位置锁——分为水平锁和垂直锁，分别执行骑行状态和停车状态下脚架位置的锁定功能，机械限位——强制脚架在最小位置min和最大位置max之间转动，如图2中脚架的末端轨迹所示，防止脚架转动超出限定位置，造成不安全的因素。
12.图1(a)中的踏板位置与图2中的脚架位置，是一个完全对应的关系，是电动脚架装置的输入和输出机构。在图1(a)中，踏板作为采集骑行者控制信息的输入机构，通过r1的机电转换输出电信号到控制系统。在图2中，控制系统通过驱动b1从脚架输出与电信号对应的转速、力矩、位移。
13.踏板位置和脚架位置是通过电位器r1的阻值和步进电机b1的步距角进行对应的。
14.在图1(a)中，当踏板在上限位传感器位置时，r1输出值记录为最小值rmin；当踏板处于下限位传感器时，r1输出值记录为最大值rmax。设rmin＝0ohm，rmax＝10k ohm，则r1＝rmax
–
rmin＝10k ohm
‑
0ohm＝10k ohm。
15.在图2中脚架的运动范围在水平位置min到垂直位置max之间，这个90度角被步进电机b1的步距角分割。比如b1的步距角为6
°
，则90
°
需要90/6得15步，也就是步进电机从min转动到max或从max转动到min，需要15步。
16.设踏板转动角度为30度，以上限位传感器s1为起点0度，而到下限位传感器s2为最大值30度。则踏板分为15步的每步角度是30
°
/15＝2
°
，即踏板每转动2
°
脚架就应转动一步即6
°
，则踏板转动角度与脚架转动角度的比值为1:3。
17.踏板的机电转换元件r1＝10k ohm，被分为15步则每步的阻值变化是10000ohm/15＝666.7ohm。也就是说当踏板每转动2
°
时，r1阻值变化666.7ohm，这个变化的值可以通过控制电路的adc电路检测到，比如一个简单的电阻分压器就可以检测电阻值的变化。
18.控制电路再通过adc的值，计算当前步进电机的运动位置：r1＝0ohm时，b1处于min位置；r1＝666.7ohm时，b1从min位置顺时针转动一步；r1＝2*666.7ohm时，b1继续顺时针转动一步，共转动了2步；r1＝3*666.7ohm时，b1继续顺时针转动一步，共转动了3步；
……
r1＝15*666.7ohm时，b1继续顺时针转动一步，共转动了15步。
19.当踏板处于最低位置30度时，对应电位器r1达到最大值10k ohm，控制电路驱动步进电机b1同步到达垂直位置90，固定在电机轴上的脚架被转动到与地面垂直90度的位置。控制系统通过对踏板的转动角度的采集，驱动步进电机b1使脚架同步转动到与地面垂直90度的位置，完成了踏板到脚架的同步辅助控制。
20.电路原理图如图3所示。左边是输入，包括来自电动车电池的供电dc_in、限位传感器s1～s4的输入、电位器r1的输入。右边是输出，包括步进电机b1、位置锁电磁铁k1、k2。中间是控制电路，包括供电dc/dc、传感器输入、模拟输入、电磁铁驱动、电机驱动、mcu系统。
21.mcu系统是控制电路的中心，对采样的传感器信号、模拟信号进行处理并计算，输出到电机驱动、电磁铁驱动电路，由驱动电路完成对步进电机b1、电磁铁k1和k2的驱动，b1、k1、k2是mcu系统的输出执行机构。
22.以下将结合图1～图3进行电动脚架的工作原理说明。
23.启动过程。当电动车启动后，电源由图3中的dc_in进入控制电路的供电dc/dc，经过dc/dc变换后的输出提供控制电路所有的电源，包括电机驱动供电、电磁铁供电、模拟输入偏置、传感器偏置、mcu系统供电。
24.当mcu获得电源后，系统开始初始化：步进电机b1，处于断电状态，因为上次停车后脚架被图2中的垂直锁锁住的；电磁铁k1，对应于图2中的水平锁，处于断电状态，此时不需要动作；电磁铁k2，对应于图2中的垂直锁，处于断电状态，此时不需要动作；传感器s1，闭合状态，因为图1(a)中的踏板在启动时还没有离开s1；传感器s2，断开状态，因为图1(a)中的踏板在启动时在最上端；传感器s3，断开状态，因为图2中的脚架在启动时在垂直锁中；传感器s4，闭合状态，因为图2中的脚架在启动时处于垂直锁中。
25.图2中的水平锁和垂直锁都具有图4所示的结构，主要由衔铁和电磁铁构成。图4为衔铁的侧视图，从衔铁的侧面看，脚架的截面是一个长方形。
26.当脚架继续图4所示的方向向左行进时，会通过锁口外侧的斜面使衔铁下移，由于衔铁是一个中间小两头大的结构，弹簧被限制在了衔铁与限位盘之间，所以衔铁下移会同时挤压弹簧。当脚架截面完全处于锁口中时，弹簧复位锁定脚架，同时由于锁口中的传感器被触发，mcu系统获得了脚架处于该锁口的位置信息，停止驱动电机，上锁过程完成。
27.解锁则是图4所示的电磁铁先通电，通过吸引衔铁的铁板拉下衔铁，当传感器被放开时表示锁口释放了脚架，mcu系统通过驱动电机转动使脚架离开锁口。mcu系统可以通过步进电机转动了几个步距角，计算脚架是否完全转过了锁口，以决定是否通过给电磁铁断电来释放衔铁。
28.当衔铁释放时如果传感器仍然被触发，表示解锁没有成功，需要继续执行解锁。
29.解锁动作是通过骑行者踩踏板到最大值位置触发s2完成的。在图1(a)中启动时当骑行者还没有踩踏板时踏板处于s1的位置，而此时的脚架处于垂直锁中，也就是s4也被触发。所以解锁的初始条件就是s1、s4闭合而s2、s3断开；解锁成功标志就是s1、s2、s3、s4都断开。当解锁成功后，标志启动过程完成。
30.平衡过程。当电动车行驶在低速状态时车身会左右摇晃，会有一个平衡过程。图5是踏板组和电机组在电动车上的安装位置。踏板安装在骑行者容易踩到的车身前部，注意一辆电动车需要安装两套独立的电动脚架。左右踏板分别处于车辆中轴线两侧，便于左右脚分开控制，例如左踏板的后视图是图1(b)所示的结构；左右脚架分置于车身左右侧，便于支撑电动车平衡，如图6所示。
31.左右两套独立的电动脚架系统完全模拟了人的左右脚情况，左踏板控制左脚架，右踏板控制右脚架，控制是完全独立的，以便更好的代替骑行者的脚实现实时辅助。以下假设车身向右倾斜，右侧的电动脚架完成平衡过程如下。
32.在以前的骑行习惯中，当车辆出现左右倾斜时，骑行者会用脚点地的方式支撑车身平衡。当车身向右倾斜时用右脚点地，右脚的支撑力通过骑行者身体的传递，从坐垫位置、把手位置作用在电动车车身上，使得电动车车身向左倾斜，以此达到平衡车身的目的。
33.当电动脚架安装到电动车如图5所示位置后，骑行者可以用踩踏板的方式，通过控
制步进电机的转动使脚架与地面的距离变化，代替骑行者的脚与地面的距离，保持车身的平衡。
34.图6是安装了电动脚架的电动车的后视图，从后视图中可以明显的看到，左右电动脚架以车轮为中线，对电动车车身构成了很好的左右支撑。当车身轻微向右倾斜时，骑行者可以轻踩踏板，如果右脚架没有与地面接触，表示骑行者的右脚可以不与地面接触，通过把手调整车身方向也可以使车身平衡。
35.当车身倾斜了一定的角度，骑行者会适度的踩踏板，踏板踩下去多少步进电机就会顺时针转动多少步，踏板被放开多少步进电机就会逆时针转动多少步。从图5的侧视图中可以看出：当步进电机顺时针转动时，脚架会离地面越来越近；当步进电机逆时针转动时，脚架会离地面越来越远。
36.即步进电机的顺时针转动代替骑行者的脚踩向地面；步进电机的逆时针转动代替骑行者的脚离开地面。
37.从图6中可以知道，如果车身向右倾斜，右电机轴与地面的距离实际上变近了，这实质上是缩短了右电机轴到地面的距离，也就是说步进电机不用非得顺时针转动90
°
，脚架才可以接触到地面。
38.车身右倾斜越严重则右侧电机轴到地面的距离越短，如图5所示的脚架的虚线位置顺时针转动45度到实线位置，脚架末端就可能与地面接触。所以在图6中，当车身倾斜时，骑行者不需要每次都得将踏板踩到底才能调整车身到平衡状态。
39.步进电机的输出是三个参数，分别是转速、力矩、位移，这三个参数都是从踏板运动中解析出来的。
40.速度信息容易解析，如在1秒内阻值由0ohm增加到3*666.7ohm，则速度为3步/秒。注意，如果从3*666.7ohm减少到0ohm，速度同样是3步/秒。也就是单位时间内转动多少步。
41.位移是从电位器r1的步进值中解析，电位器每增加666.7ohm，则步进电机就顺时针转动一步，电位器每减少666.7ohm，则步进电机就逆时针转动一步，位移就是电机总共需要转动多少步。
42.力矩是从电位器r1的阻值变化率中解析的，不以步进值666.7ohm为参考，是解析r1的阻值变化速率的结果。设阻值变化率最大为50ohm/ms，大于该值的都作为50ohm/ms；阻值变化率最小为5ohm/ms，小于该值的都作为5ohm/ms。步进电机的力矩是由电流决定的，设最大电流为3a，最小电流为0.5a。
43.则r1电阻变化率为50ohm/ms时应该以3a电流驱动步进电机，电阻变化率为5ohm/ms时应该以0.5a电流驱动步进电机。处于(5～50)ohm/ms之间的变化率与0.5a～3a量化后对应。设为10个量化刻度，则电阻变化率量化为(50
‑
5)/10＝4.5ohm/ms，电流增量为(3
‑
0.5)/10＝0.25a。
44.即电阻变化率每增加4.5ohm/ms则驱动电流增加0.25a；电阻变化率每减少4.5ohm/ms则驱动电流减小0.25a。由此将电阻变化率转换成了步进电机的力矩输出。
45.当车辆向右倾斜时，骑行者每次踩放踏板，控制电路都会从这个动作中解析出对应的速度、位移、力矩，然后将这些量通过步进电机输出到脚架，变成脚架的速度、力量、离地面的高度，从而使右脚架代替骑行者的右脚实现车辆的平衡。
46.从以上分析可知，当骑行者适当的踩放右踏板时，右脚架也会跟随着调整接近或
离开地面的速度、与地面接触的力量大小、与地面的高度，以此便可以完成电动车从右倾斜通过脚架与地面接触，产生使车身的向左的力，从而调整车身回到平衡状态。
47.行驶状态。当电动车正常行驶时，骑行者可以仅将脚放在踏板上而不用力踩。如图1(a)所示，当踏板不受力时，踏板会被弹簧弹起并触发上限位传感器，同时电位器输出的是最小值，使得脚架逆时针转动到水平锁的位置。
48.在图3所示的控制电路中，当上限位开关s1被触发时，并且rpot输出了最小值，则步进电机b1会逆时针转动到图2所示的min位置，并且经过图4所示的水平锁，使得脚架被锁定在水平锁的锁口中，以使控制电路可以通过锁口中的传感器s3的信号h_sw判断是否锁定成功。
49.水平锁的主要目的是防止车辆在行驶过程中，因为路面的高低不平导致的车辆抖动，因为步进电机的锁定力不够使得脚架误触地面，导致的电动脚架误动作。误动作会导致步进电机丟步，使得踏板的运动步进并不能一一对应到脚架的转动上。
50.同时因为s3的存在，使踏板的最小值和脚架的最小值可以进行对位，从而可以使脚架离开水平锁时，起步值是与电位器的最小值对应的，完成一次最小值的校准。
51.停车过程。当将踏板踩到底时，脚架会锁定在垂直位置，完成停车，过程如下。
52.行驶过程中，图3中的传感器s4是断开的，表示脚架没有处于垂直锁中；同时传感器s2也是断开的，没有被触发。
53.当将图1(a)中的踏板踩到底时，图2中的脚架会顺时针同步转动到垂直的位置接近垂直锁。垂直锁拥有图4所示的结构，当继续踩踏板时，脚架会通过衔铁锁口外侧的斜面，挤压衔铁下行并压缩弹簧。当脚架完全滑入锁口中时，弹簧使衔铁复位，同时垂直锁中的传感器s4被触发。
54.在图3中当s4被触发后通过v_sw输入到控制板的传感器输入中，mcu系统检测到s4被触发停止驱动步进电机。在步进电机顺时针转动的同时，左右两侧的脚架支撑到地面使车身平衡。当左右两侧的脚架都处于各自的垂直锁中时，并且左右踏板被完全放开，都触发了上限位传感器，控制系统完成停车过程。
55.停车断电。从图4所示的水平锁、垂直锁结构图可以知道，断电并不会释放脚架，而是会被一直锁定在锁口中。
56.从以上分析可知，该电动脚架可以让骑行者用踩踏板的方式，而脚不必伸出电动车身外，就可以保持电动车车身的平衡。控制过程是从骑行者踩踏板的动作中，解析出速度、力矩、位移三个参数，并将这三个参数通过步进电机输出到脚架上，实现接近或离开地面的速度、接触地面的力量、距离地面的距离的传递。提升骑行者的骑行舒适度、安全性。
附图说明
57.附图1(a)踏板组结构图；(b)左侧踏板组的后视图
58.附图2左侧电机组的侧视图
59.附图3电动脚架装置的电路控制原理图
60.附图4水平锁和垂直锁的电磁锁原理结构图
61.附图5电动车安装了电动脚架时踏板组和电机组的位置图
62.附图6电动车安装了电动脚架时的后视图
63.附图7电动脚架装置的停车状态
64.附图8电动脚架装置的解锁状态
65.附图9电动脚架装置的辅助状态
66.附图10电动脚架装置的行驶状态
具体实施方式
67.图7～图10是本发明的具体实施例效果图，粗线条图案表示本发明的安装位置。都是左侧视图，所以只能看到左侧电动脚架的效果。
68.图7是停车状态，脚架处于垂直锁中，踏板处于上限位传感器位置。当骑行者启动车辆后，用脚将左踏板踩到底就可以对左脚架进行垂直锁的解锁，如图8所示的解锁状态。解锁状态后脚架离开垂直锁的位置。
69.当解锁后踏板不会被完全放开，而是由骑行者的脚控制使其处于上、下限位传感器之间，如图9所示的辅助状态，而脚架则在min位置和max位置之间运动，实时辅助车辆平衡。
70.当车辆向右倾斜时，踩右踏板使右脚架与地面接触，产生向左的支撑力保持车辆平衡。右脚架的速度、力量、与地面的距离完全取决于右踏板控制所对应的量。当车辆向左倾斜时，踩左踏板使左脚架与地面接触，产生向右的支撑力保持车辆平衡。同样左脚架的速度、力量、与地面的距离完全取决于左踏板控制所对应的量。
71.当车辆完全正常行驶后的状态如图10所示的行驶状态，踏板被完全放开，脚架处于水平锁中。水平锁的解锁是随时进行的，只要踏板离开上限位传感器，就可以完成解锁。

技术特征：
1.一种电动脚架的踏板装置，其特征为在一块l型底板上安装有上限位传感器、下限位传感器、电位器、弹簧、踏板、轴承，它们的功能分别是上限位传感器检测踏板是否处于电位器的最小值的位置，下限位传感器检测踏板是否处于电位器的最大值的位置，电位器检测踏板运动的位移、速度、变化率，弹簧可以实现踏板恢复到上限位传感器位置的功能，踏板是骑行者用脚操控电动脚架的输入装置，轴承可以使踏板实现绕其转动的功能；它们的位置关系分别是踏板的一端用轴承固定在l型底板的底边上，并且与底边呈现一定的夹角，在夹角内安装有弹簧，弹簧的一端作用在踏板上，弹簧的另一端固定在l型底板的底边上，踏板的另一端用连接件固定在弧形电位器的滑动端上，弧形电位器的滑动端的运动轨迹与踏板另一端的运动轨迹在连接件的运动轨迹上是完全重合的，当踏板绕轴承转动时，踏板的另一端可以通过连接件使电位器的滑动端跟随移动，且在移动的过程中不会对电位器滑动端产生扭矩的力，在夹角内l型底板的底边上，靠近电位器最大值的位置安装有下限位传感器，在夹角外l型底板的侧边上，靠近电位器最小值的位置通过支架安装有上限位传感器；踏板装置的工作原理是当踏板被弹簧弹起到上限位传感器时，电位器输出最小值并且上限位传感器被触发，当踏板受外力作用克服弹簧的力下行时，电位器的阻值开始增加，阻值的增加与踏板下行位移成正比，当踏板没有外力时弹簧的力会推着踏板上行，电位器的阻值开始减小，阻值的减小与踏板上行位移成正比，当踏板被外力压到下限位传感器时，电位器输出最大值并且下限位传感器被触发。2.一种电动脚架的控制电路，其特征为电路特征是有四个传感器和一个弧形电位器，其中上限位传感器(s1)是电位器的最小值的位置传感器，下限位传感器(s2)是电位器的最大值的位置传感器，水平传感器(s3)是脚架处于电磁锁一(水平锁)中时的位置传感器，垂直传感器(s4)是脚架处于电磁锁二(垂直锁)中时的位置传感器；有一个步进电机和两个电磁铁，其中步进电机(b1)是控制电路的输出执行机构，带动脚架旋转，电磁铁一(k1)是电磁锁一(水平锁)的电磁铁，电磁铁二(k2)是电磁锁二(垂直锁)的电磁铁；控制电路包括如下部分和功能供电dc/dc，将电动车总电源(dc_in)经过变换提供控制板上的所有电源，传感器输入，接收所有开关式传感器(s1～s4)的输入(up_sw、btn_sw、h_sw、v_sw)并输
出到mcu系统的数字io，模拟输入，接收电位器(r1)的输入(rpot)并滤波后输入到mcu系统的模拟输入脚，电机驱动，mcu系统输出的电机控制信号经过电机驱动的功率放大后(mtr_a 、mtr_a
‑
、mtr_b 、mtr_b
‑
)，驱动步进电机执行相应的动作，电磁铁驱动，mcu系统输出的电磁铁控制信号经过电磁铁驱动的功率放大后(h_lock、v_lock)，驱动电磁铁执行相应的动作；mcu控制系统的控制方法是电机运行参数解析方法是电位器的阻值变化以最小单位(666.7ohm)为一步，解析出电机的位移信息(需要转动的步数)，电位器的阻值变化率(5～50ohm/ms)的快慢，解析出电机的力矩(0.5a～3a)信息，电位器在单位时间内(1秒)变化了多少个最小单位(3*666.7ohm)，解析出电机的速度信息(3步/秒)，然后将力矩信息、速度信息转换为控制电机的驱动信号，经过电机驱动电路的功率放大后，驱动电机在相应的时间内转动需要的步数；电磁锁一(水平锁)的上锁和解锁方法是当踏板接近上限位传感器时，电磁锁一(水平锁)锁定脚架在其锁口中，当踏板离开上限位传感器时电磁铁一吸引电磁锁一(水平锁)的衔铁使其对脚架解锁；电磁锁二(垂直锁)的上锁和解锁方法是当踏板处于上限位传感器和下限位传感器之间的情况下，踏板下行至下限位传感器对脚架进行上锁，当踏板离开下限位传感器后再次下行至下限位传感器则是解锁。3.一种电动脚架的脚架装置，其特征为在一个步进电机的电机轴所在的面上，安装有一个限位盘，其特征是在以电机轴为坐标原点的坐标系上，横轴的负向位置安装有防止脚架逆时针转动超过横坐标轴的机械限位装置，在横轴的正向位置安装有电磁锁一(水平锁)，纵轴的负向位置安装有电磁锁二(垂直锁)，在纵轴的正向位置安装有防止脚架顺时针转动超过纵坐标的机械限位装置，脚架是钢材质地的支撑柱，主要功能是支撑电动车车身的平衡，其末端作为支撑地面的接触点，始端处于水平限位和垂直限位中，且在脚架的始端和末端之间，靠近始端的位置有与电机轴固定的孔，固定的效果是电机转动会带动脚架跟随电机的转动，并且在脚架的末端输出了电机的力、速度、位移；电磁锁由衔铁和电磁铁构成，其特征是衔铁是一个两头大中间小的圆柱形结构，由弹簧和铁板固定在限位盘上，且铁板在限位盘的下方弹簧在限位盘的上方，衔铁中部的圆柱体可以在限位盘的圆孔中往复移动，衔铁的锁口是一个凹字结构且锁口的外侧是斜面结构，便于脚架通过挤压斜面克服弹簧阻力滑行到锁口中，锁口中心有一个位置传感器，当脚架滑行到锁口中时可以被触发，电磁铁的端面与衔铁的铁板保持有一定的距离，便于衔铁被吸引时可以释放被锁住的脚架，当电磁铁通电后，衔铁被电磁力向下拉同时压缩弹簧，脚架移动便可以实现解锁功能，然后电磁铁断电，衔铁因弹簧的复位力被弹起。
技术总结
一种两轮电动车的实时辅助脚架，主要功能是实现电动车脚架的自动化，使骑行者通过踩下和放开安装在车前部的踏板，实时控制安装在车身中部的电动脚架与地面的距离而实现车辆的平衡行驶。一辆电动车安装有两套独立的电动车脚架，分别用左右脚控制左右电动脚架。主要由踏板和步进电机构成。踏板安装有同步传感器和限位传感器；控制电路驱动步进电机带动脚架转动从而实现脚架与地面的距离变化。停车状态时脚架与地面垂直并被锁定；低速状态时脚架受踏板实时控制而改变转速，以及与地面的距离、接触的力而实现车辆的平衡行驶；行驶状态时脚架水平放置并被锁定。水平放置并被锁定。水平放置并被锁定。


技术研发人员：马东林
受保护的技术使用者：马东林
技术研发日：2021.04.14
技术公布日：2021/7/8