平衡自行車之專利初探

摘 要：“平衡車”已經成為時下比較流行的新潮玩具，不僅包括兩輪平衡車、獨輪平衡車、平衡扭扭車，時下還出現了平衡自行車，平衡自行車已經成為平衡車家族的新成員，那么，它采用什么技術實現自平衡的呢？筆者針對平衡自行車的專利技術進行了檢索，介紹了已經在市場銷售的Jyrobike牌平衡自行車的專利技術，其采用陀螺儀穩定系統實現自平衡。陀螺儀為已知技術，它是否是在自行車領域的首次應用創新呢？筆者還進一步了發現了早期的有關專利技術，已經存在采用陀螺儀實現玩具自行車自平衡的技術。

關鍵詞：平衡；自行車；陀螺；專利；Jyrobike；Gyrobike

1 概述

說到“平衡車”，大家一定會先首先想到實下流行雙輪平衡車、獨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平衡系統使車子保持平衡，甚至初學者的孩子騎得東倒西歪時，也不會倒，目前該平衡自行車已經在歐洲流行。如圖1所示。

圖1（圖片來自網絡）

2 已經銷售的平衡自行車專利

通過網絡搜索平衡自行車，發現Jyrobike品牌平衡自行車存在較多搜索條目，并且其已經有平衡自行車產品投放市場。因此，針對該品牌自行車進行了檢索，發現一篇專利文獻US2010090440，公開日2010年4月15日，申請日2009年10月5日，發明名稱“提高輪式車輛陀螺儀穩定性的系統和方法”，申請人為“The Gyrobike，INC”。該專利中明確記載該產品用于自行車初學者。根據該專利文獻中記載，該平衡自行車在前輪設置自平衡裝置--陀螺儀穩定系統，該陀螺儀穩定系統包括手動驅動、電動驅動兩種，下面分別予以介紹：

2.1 手動驅動方式

手動驅動方式的附圖參見圖2、圖3，其中主要部件為：64-拉線把手，136-內輪轂，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-驅動轂凸出部分，366-主要的驅動轂部分，362-卷繞線，拉線把手364，376-罩。

上述的驅動轂部件366、360、350即相當于飛輪，螺紋軸312上設置有內輪轂136，內輪轂136上設置有套筒332，套筒332上設有軸承340，軸承340外設置有驅動轂366、驅動轂凸出部分360，軸承340能夠滿足驅動轂部件高速轉動要求，卷繞線362（即拉線）纏繞在驅動轂凸出部分360上，其末端延伸出罩376外，并設置一個拉手364，便于拉線操作，驅動轂能在軸承340上自由轉動。另外，還設置有拉線自動收回機構。練習騎車時，騎車人首先坐到自行車上，另外需要有人輔助拉動拉線把手364，使得驅動轂（飛輪）獲得初始高速運動，這樣便啟動了陀螺儀的自平衡功能[1]。

2.2 電動驅動方式

電動驅動方式的附圖參見圖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-驅動和數據插口，1642-軸承，1650-飛輪，1652-內輪轂，1655-電機支架，1660-電機，1662-驅動輪，1670-輪胎充氣閥。

圖4、圖5示出了具有自平衡裝置的前輪結構。其中電機1660由電池1622、1623驅動，電機的輸出軸沿飛輪1650徑向設置（參見圖6），能夠帶動驅動輪1662轉動，驅動輪1662輪緣與飛輪1650側面接觸，通過二者之間的摩擦力實現力傳動，進而帶動飛輪高速旋轉，產生自平衡力。飛輪1650、電池、驅動輪1662、控制電路板1625等部件均安裝在前外殼1450、后外殼1550之間，前后外殼通過緊固件連接固定。

彈簧1620、1621抵壓電機安裝支架1655，進而使得驅動輪1662偏置在飛輪1650上，確保驅動輪1662和飛輪的動力傳遞。驅動輪和飛輪表面接觸傳動時會產生顫動，彈簧的設置能夠避免顫動，同時彈簧能夠吸收震動和噪音，還可以減少驅動輪1662的磨損。按鈕1530控制電機的轉動/停止、以及電機轉速檔位控制，通過調節電機轉速來控制飛輪轉速。按鈕1530還可以替換為遙控控制按鈕，遙控控制按鈕可以設置在車把或車架的其它位置。驅動和數據插口1632用于和外部設備連接，該平衡自行車的穩定性數據能夠被上傳到電腦，當然也支持無限傳輸方式，用于分析和報告初學者的學習進度[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有技術，那么陀螺儀運用于自行車上是首次創新應用嗎？接著，筆者進一步進行了檢索，發現最早的關于“平衡自行車”的專利為GB479430A，其為一篇英國專利文獻，公開于1938年01月31日，申請日為1936年07月29日，發明名稱為“玩具自行車的平衡和控制方法的改進”。該玩具自行車采用陀螺儀控制。具體結構參考該文獻說明書附圖，見下圖：

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置，飛輪軸的左端設置有離合器e1。為了使玩具自行車運動，首先通過連接一個手柄到離合器e1上，接著，旋轉該手柄或者推動玩具自行車的輪子在地面上接觸運動，當飛輪g達到一個足夠高的旋轉速度時放手，它將通過齒輪f、f1、f2、f3驅動操縱輪c1，進而帶動鏈條、后輪、人偶動作[1]，實現該玩具自行車的自平衡運動。

該玩具自行車的另一個實施例是，飛輪（即陀螺輪）安裝在一根單獨的軸上，飛輪軸和操縱輪軸偏心設置，發條驅動器安裝在操縱輪c1內，通過發條驅動器驅動操縱輪c1，將動力經齒輪嚙合到飛輪軸，飛輪軸、發條驅動器都圍繞操縱輪軸設置。如果需要的話，還可以設置配重用以平衡飛輪重量[2]。

4 結束語

文章針對平衡自行車進行了初步技術探索，發現Gyrobike公司已經有成熟產品投放市場，進一步檢索其相關專利技術，發現該公司已經申請的專利文獻US2010090440A1，文中對其公開的陀螺儀穩定系統進行了介紹，該穩定系統有手動驅動、電動驅動兩種方式。陀螺儀作為自平衡裝置是現有技術，但在自行車領域的應用是否是最新應用，于是又進一步檢索發現一篇早期文獻GB479430A，其中公開了陀螺儀穩定裝置用于玩具自行車中，同樣實現自平衡，和上述美國文獻比較，其具體結構相對簡單、且為純機械結構，但二者基本構思相同，只是在具體驅動傳動方面采用了不同方式。隨著平衡自行車技術的日漸成熟和推廣，相信平衡自行車必將很快進入中國普通大眾生活。

參考文獻

[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.

作者簡介：李增志（1979-），河北保定人，國家知識產權局專利審查協作北京中心審查員，助理研究員。