撐桿推進的腳踏車的制作方法
【專利說明】撐桿推進的腳踏車
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月15日提交的美國臨時申請N0.61/792，921的權益，該臨時申請的公開內容一包括所有附圖、表格和圖表一整體并入于此作為參考。
[0003]與聯邦資助的研究或開發有關聲明
[0004]不適用。
[0005]合作研究協議的團體名稱
[0006]不適用。
[0007]在光盤上遞交或作為經由專利局電子提交系統(EFS-WEB)提交的文本的材料的引用合并
[0008]不適用。
[0009]與發明人或合作發明人的在先公開有關的聲明
[0010]不適用。
技術領域
[0011]本發明涉及一種腳踏車(腳蹬兩輪車)一定義為由騎乘者推進的輕型輪式車輛，該腳踏車與用以推進它的一對手握式撐桿結合。該車輛僅具有彼此前后對齊的兩個車輪，在本文中稱作兩輪串置車輛。自行車(bicycle，兩輪對稱的自行車)和滑板車是看上去截然不同的兩輪串置車輛的例子，然而兩者都具有普遍被認為包括車把的基本“兩輪車”構型。在本發明中，騎乘者的手完全與撐桿接合，并且根本不與車輛接觸；因此出乎意料地，該車輛是不帶車把的兩輪車。另一方面，過去已提出撐桿作為輕型輪式車輛中的推進裝置。
【背景技術】
[0012]通常與滑雪板一起使用的撐桿還用于已增設車輪以在硬表面上通行的滑雪板的平衡和推進(美國專利2，545，543和3，389，922)。向溜冰鞋的使用者提供撐桿以用于控制、平衡和推進(例如見W0932588和US 5,601, 299)。允許使用者站立、坐下或跪坐的輪式車輛可由撐桿推進。像槳一樣使用的撐桿可推進這種車輛(美國專利1，313，157、I，425，220、I, 619，668和2，216，982)。也可使用單個(美國專利I, 052，722和2，005，910)或多個(美國專利3，310，319和5，098，087)撐桿，所述撐桿獨立于車輛對滑行的車輛進行推進和制動。雖然這些裝置中的一些裝置被設計成輔助截癱患者，但大部分目標裝置旨在供休閑和娛樂使用。
[0013]Hwang在美國專利5，125,687中描述了一種用于道路滑雪的滑板。該滑板具有沿板的縱向線的后輪、前腳輪和用于穩定平臺的輔助輥。使用者可站或坐在平臺上。撐桿用于改變板的方向。Chern在美國專利4，863，182中將冰鞋附接在獨輪車上以形成可通過蹬踏而被傳統地用作獨輪車或用作帶有撐桿的雪地或草地滑板車的運動設備。采用各種構型而包括兩個、三個、四個和更多個車輪的各種車輛已被設計成與撐桿聯用，然而，它們之中并未出現兩輪串置車輛。
[0014]盡管有撐桿且無車把，但本發明依然必須符合所有兩輪車共有的那些相同結構要求，即使得人們可以在道路上的由僅兩個車輪支承的移動框架上保持平衡。使兩輪串置車輛轉向是騎乘者用以維持他們在車輛上的平衡的主動過程的一部分。而且，因此，利用騎乘者的上肢控制轉向輪的重要功能一其與該過程高度一體化一現在必須通過另一種方法完成，本發明通過以下方案來實現該方法:騎乘者身體的下半部分用于履行上半身通常利用車把完成的那些功能，也就是使騎乘者在車輛上穩定并使其前輪轉向；因此上半身能自由地用來推進車輛，這是通常由下半身完成的工作。
[0015]盡管兩輪車的脫手轉向可能被認為在理論上是可能的，但這種手段或方法迄今為止尚未被證實是可行的。Barachet's (美國專利5, 160, 155)提出了 “Skateboard HavingTwo Wheels in Tandem”，其中它的安裝了腳輪(其中車輪與道路的接觸點在轉向軸線的后方)的前輪可以是這樣一種嘗試。Bryant在美國專利6，488，295也提出了一種可改造兩輪車以使它能被脫手操作的方式。其他專家(本領域的技術人員)可提出他們的觀點一但未發現哪種觀點宣布這不可能一不過，發明人可以斷定，迄今為止尚未成功地證實這一點。
[0016]1896年，研發出現代自行車約二十年左右后，自行車&三輪車在英格蘭公開并且變成自行車的設計中最權威的參考來源。創始人Archibald Sharp分析了自行車設計的每個方面，包括在不保持車把的情況下騎乘自行車的現象。被視為該時期的一種寫作特性的用詞精簡會使Sharp對“Steering Without Hands”的說明難以理解。然而，看來對與本發明有關的兩輪串置車輛的了解和理解從那時起并未進步。
[0017]Sharp提供了四頁帶圖表和公式的分析，其考慮了不利用手使自行車轉向所涉及的因素。Sharp假設騎乘者可在不觸碰車把的情況下維持平衡，在轉向軸線處提供的轉矩保持平衡；且因此作用在前輪和框架上的力一其可趨于使它繞轉向軸線轉動一必須由騎乘者控制。Sharp認識到兩種這樣的力只要車輛傾斜就會導致趨于引起前輪的位置偏離其中間位置(前輪和后輪朝向相同的方向)的繞轉向軸線的各種力矩。一種力矩歸因于車輪與道路的接觸點偏離包含車輪的接觸點和轉向軸線的平面。與該“第一力矩”相關的力是前輪上承載的重量的反應。
[0018]“第二力矩”歸因于繞轉向軸線自身樞轉的重量的質心偏離轉向軸線。與所述第二力矩相關的力由該質量上的地心引力產生，所述質量包含前輪、叉和附接在其上的任何其它物體例如像車把的重量。這兩種力矩趨于作用在相同的方向上。與其它兩個力矩對向或抵消它們的“第三力矩”由前輪與道路的接觸點處的向心力產生，并且是對車輛在其被騎行時的轉向運動的反應。這樣產生的向心力與行駛方向成直角；且因此在任何特定時刻，該力沿著轉彎半徑并且在指向彎道中心的方向上。
[0019]Sharp針對考慮了上述那些因素的三個力矩中的每個力矩推導解析式。按照Sharp的說法:“為維持平衡，針對三種力矩的解析式的總和應當具有零值，以進一步向一側轉向，否則它應當具有小的正值，而為了更直接地轉向，它應當具有小的負值。” Sharp隨后指出:“對于給定的速度和轉向角的值，存在一個由騎乘者控制要素，即后框架的傾斜度。但即使對于有經驗的騎乘者而言，以上力矩可能過快地變化，以致他無法足夠快地調節傾斜度以保持平衡。”顯然，Sharp幾乎無法確定他的該部分分析中哪些因素說明了在不利用車把的情況下騎乘自行車的可行性。
[0020]19世紀90年代是自行車設計的黃金時代。Sharp和少數幾位其他在這個時代被盛贊的自行車專家一最著名的是當時與Sharp齊名的法國人M.Bourlet—花費了大量精力以試圖說明兩輪串置車輛的秘訣。在“脫手”現象方面從未達成過一致。而且，在接下來的一個世紀，自行車的基本設計的任何改進或理解的進步即使有也很小。1977年，麻省理工學院出版社再版了 Sharp的論文，在序言中，該校的機械工程學教授說該“權威著作...著名，并且有助于引起機械工程學的興奮期的結束...并且幾乎是與自行車設計有關的最后一本書和定論。”
[0021]在當代，本領域技術人員依然支持早期的主流觀點。在美國專利6，488，295中，Bryant聲明:“特別熟練的騎乘者可在不把住車把的情況下維持直線行駛的傳統自行車的穩定、動態的平衡。在此類情況下，他們甚至能僅通過將他們的身體偏向一邊并使車輛傾斜來使他們的自行車轉彎。然而，細微的瞬時干擾，例如與在不平整或崎嶇的路面上騎乘相關的干擾，或騎乘者需要改變速度或轉彎方向，迅速使車輛變得不穩定”。Bryant斷言:“對于任何給定的兩輪車輛而言，對于一定地形一在該地形中騎乘者僅僅使車輛在一個或另一個方向上傾斜的能力足以修正在車輛運行期間出現的動態不穩定一存在速度和轉彎半徑的可控允許包絡線”，但由于“包絡線比期望小得多...傳統兩輪車輛是手轉向的”。Bryant認為他知道修正該狀態并由此消除對車把的需求的方式。
[0022]Bryant的明顯啟示:“兩輪車輛穩定性的一個以前未認識到但主要的因素是，當轉向輪一其沿轉向軸線樞轉地固定在車輛上一轉動時，與轉向輪的接觸點相關的不穩定力與車輛平面間隔得太遠，所述車輛平面定義為包含后輪的接觸點和轉向軸線的平面”，當然是Sharp意識到并在如本文中引用的他的1896年論文中提出的同一種力，并且該力是上述“第一力矩”的誘因。與他之前的Sharp相似，Bryant意識到該“主要因素”會產生繞轉向軸線的轉矩。然而，Bryant并未認識到也會導致繞轉向軸線的轉矩的Sharp的“第二力矩”。
[0023]總體上，Bryant未嘗試提高自行車的脫手操縱能力。Bryant的目標是取給定的兩輪車輛并通過加入“動態控制調節器”使其在“運行包絡線”內穩定和可控并且消除車把的必要性，所述動態控制調節器可通過機械手段根據車輛的傾斜和轉向角度來改變車輛的幾何結構。Bryant提出了多種用于這種車輛的設計，其中“騎乘者以與沖浪板、滑雪板或滑冰板的使用者相同的方式站在大致平坦的站立表面上”并以相同的脫手方式通過使他們的身體偏向一邊來轉向。
[0024]有趣的是，在他對現有技術的討論中，Bryant引用了 1995年第二版的《BicyclingScience》一其中，同樣，David Wilson幫助將Sharp的1896版的書再版，并且在他的書中推斷:“自行車的平衡和轉向是一個極為復雜的主題，其中經驗居多且科學的成分相當小”，這是“利用兩輪車輛的常規分析發現的局限性的另一個示例”。Archibald Sharp, CarloBourlet、David Wilson和Robert Bryant全都可被認為是兩輪串置車輛的轉向和穩定性方面的專家，然而他們并未在該主題上達成一致。盡管許多自行車的工程和設計方面的專家已研究和分析了轉向和平衡的主題，但據知事實上，長期以來，無人在制造不利用車把操作的可騎兩輪串置車輛方面取得成功。
[0025]在他的《Bicycling Science》第三版中，Wilson評論了為何他決定讓JimPapadopoulos撰寫與轉向和平衡有關的章節一 “與我對第二版撰寫的主題有關的章節...在書中最不令人滿意” 一Wilson評價，多年來他“通過將初稿送給專家審閱發現，專家似乎在該主題上沒有達成一致”。作為“麻省理工學院的具有機械工程博士學位的畢業生，畢生致力于自行車和騎車的科學和工程知識的改進的一個人”，Papadopoulos在該章節的序言中寫道:“遺憾的是，聲稱描述自行車運動和自動穩定性的算法深奧并且尚未在實驗中經過驗證，因此設計導向依然主要憑經驗”。在該章節末尾，Papadopoulos引用了 37份文獻一包括Sharp和100多年前的三名其他專家的文獻一來支持該發現。
[0026]本文中談及或引用的所有專利、專利申請、臨時專利申請和出版物以它們不會與本說明書的教導不一致的程度通過引用全文并入。
【發明內容】
[0027]本發明涉及一種腳踏車一定義為由騎乘者推進的輕型輪式車輛，該腳踏車與用以推進它的一對手握式撐桿結合。車輛的前部件和后部件限定出一縱向軸線。前輪和后輪分別安裝在前部件和后部件上，并且沿縱向軸線對齊。前部件繞與該縱向軸線相交而限定出一平面的大致豎直的轉向軸線旋轉。后部件位于該平面上并沿轉向軸線與前部件接合。鞍座連接到車輛的后部件。腳蹬可位于前部件或后部件上。腳蹬和鞍座將騎乘者支承在大致直立的位置，騎乘者用手抓住撐桿面向前方，同時平衡跨坐在被支承于兩個車輪的輪軸上的運動部件上。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的車輛的一個優選實施例的側視圖。
[0029]圖2是圖1所示的車輛的優選實施例的正視圖。
[0030]圖3是圖1和2所示的本發明的車輛的優選實施例的側視圖，其中搭載在車輛上的騎乘者用陰影線示出。
[0031]圖4是本發明的車輛的另一個優選實施例的側視圖。
[0032]圖5是圖4所示的車輛的優選實施例的環境圖，示出了坐在車輛上的帶著撐桿的騎乘者。
[0033]圖6是本發明的車輛的另一個優選實施例的側視圖。
[0034]圖7是本發明的車輛上的制動器致動器的一個優選實施例的局部側視圖。
【具體實施方式】
[0035]概念
[0036]盡管撐桿驅動的腳踏車(cycle，自行車)不能被視為合適的交通工具，但這種看似簡單的概念可產生既有趣又健康的完全獨一無二的休閑騎乘。與自行車相似，它提供很好的戶外鍛煉，但不是使腿部肌肉發達，而是使上半身強壯，尤其是強壯的手臂和肩膀。它允許騎乘者使用和體驗他們的平衡感，并且提高他們的協調能力。騎乘者可在任意時間停止而不下車；并且與其它用于休閑活動的裝置一包括滑雪板、滑冰板、滑板、自行車和滑板車一不一樣，騎乘者可保持舒適地就座，并且如果因此傾斜的話在長時間進行手機通話時休息。它同樣是輕量的，并且可容易地