專利名稱：秋千控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及兒童玩具領域，更具體地說，涉及一種控制秋千的擺幅的秋千擺 幅控制裝置。
背景技術：
嬰兒秋千，以及控制秋千的馬達系統都在現有技術中有記載。一般地，秋千由座椅 組成，該座椅由一個或多個秋千臂的遠端支撐。直流電機固定在支撐架和秋千臂之間，以至 于電機在秋千臂上(其它被動地驅動)提供扭矩，以在座椅上形成秋千運動。現有技術描 述的電機控制器能有多種運動輪廓，這通過用戶界面進行調節。以前，這是通過提供電機完 成的，該電機設有多種預先設定的電壓值，每種電壓值從電機產生不同的轉矩，且每種電壓 對應一種運動輪廓。然而，秋千運動基于如單擺運動的原理進行操作的，因此，從電機獲得 的轉矩以維持所選擇的速度，直接取決于小孩的體重和小孩在位置上的地點。結果是，連續 的轉動秋千不僅在每個設置上產生不同的運動輪廓，而且在不同的載重條件如不同大小的 小孩下，產生相同速度的可變化的運動控制輪廓。最近的技術描述了使用反饋系統在任何的載重條件下都試圖在每種設置產生相 同的運動輪廓。該系統監測每個周期結束時秋千的高度，并與使用者選擇的運動輪廓的所 需要的秋千高度進行比較。通過比較所需要的秋千弧和實際的秋千弧，電機控制器可調整 電機的電壓，因此在連續的秋千上得到轉矩。盡管這個系統給相同的秋千在不同的載重條 件下提供更為一致的運動輪廓，但這種系統仍然是基于單擺的原理操作，因此，座椅的速度 在它離開運動路徑的短點后不斷加快。由于這樣的系統限于在每個周期只改變運動轉矩一 次，電機相對于運動路徑有不一致的速度分布，導致在頂點和最低點的速度不相同。
實用新型內容為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種控制秋千的擺幅的秋千擺幅控制裝 置，其中所述秋千由電機驅動，所述秋千擺幅控制裝置包括秋千擺幅傳感器，其配置成輸出表示所述秋千的擺幅的電信號；秋千擺幅控制電路，其配置成從所述秋千擺幅傳感器接收所述電信號；將所述電信號與目標擺幅信號進行比較；當所述秋千擺幅傳感器的所述電信號大于所述目標擺幅信號時，對所述電信號做 出響應以每隔一個半周期，至多一次地把減小信號輸出到電機以減小所述秋千的擺幅；以 及當所述秋千擺幅傳感器的所述電信號小于所述目標擺幅信號時，對所述電信號做 出響應以每隔一個半周期，至多一次地把增大信號輸出到電機以增大所述秋千的擺幅。為解決上述技術問題，本實用新型還提供了一種控制秋千速度的秋千速度控制裝 置，其中所述秋千用電機驅動，所述秋千速度控制裝置包括
4[0012]秋千速度傳感器，其配置成輸出表示所述秋千的速度的電信號；秋千速度控制電路，其配置成從所述秋千速度傳感器接收所述電信號；將所述電信號與目標速度信號進行比較；當所述秋千速度傳感器的所述電信號大于所述目標速度信號時，對所述電信號做 出響應以每隔一個半周期，至多一次地把減小信號輸出到電機以減小所述秋千的速度；以 及當所述秋千速度傳感器的所述電信號小于所述目標速度信號時，對所述電信號做 出響應以每隔一個半周期，至多一次地把增大信號輸出到電機以增大所述秋千的速度。為解決上述技術問題，本實用新型還提供了一種控制秋千速度的秋千速度控制裝 置，其中所述秋千由電機驅動，所述秋千速度控制裝置包括秋千速度傳感器系統，其包括有/無傳感器；以及槽盤，所述槽盤具有多個徑向突出、沿圓周間隔設置的尖狀物，所述槽盤配置成與 所述秋千一起旋轉，其中所述有/無傳感器配置成輸出電信號，以響應至少一個所述靠近 傳感器移動的尖狀物；秋千速度控制電路，其配置成從所述有/無傳感器接收所述電信號；測出在連續的所述電信號之間的流逝時間；比較最短的測得的流逝時間與目標流逝時間；當所述最短的測出的流逝時間長于所述目標流逝時間，對所述測出的流逝時間做 出響應以每隔一個半周期，至少一次地把減小信號輸出到所述電機，以減小所述秋千的速 度；以及當所述最短的測出的流逝時間短于所述目標流逝時間，對所述測出的流逝時間做 出響應以每隔一個半周期，至少一次地把增大信號輸出到所述電機，以增大所述秋千的速度。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述槽盤安裝在所述電機的軸的端部。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述槽盤安裝在所述秋千的軸的端部。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述有/無傳感器是基于其對接收的少 量光所做出響應而輸出電信號的光學傳感器。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述有/無傳感器是磁接近傳感器。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述電機在一個完整的周期內被驅動， 接著再自由旋轉半個周期。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，在所述自由旋轉的半個周期內，所述秋 千速度控制電路配置成用于比較所述最短的測出的流逝時間和所述目標流逝時間。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述電機在一個半周期內被驅動，并接 著自由旋轉半個周期。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，在所述自由旋轉的半個周期內，所述秋 千速度控制電路配置成將所述最短的測出的流逝時間和所述目標流逝時間進行比較。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述秋千速度控制電路包括微控制器。[0036]在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述目標時間對應于使用者可選的多個 速度中的一個。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述裝置進一步包括用戶界面，通過該 界面，使用者可對所述多個速度進行選擇，所述用戶界面與所述秋千速度控制電路通信。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述減小信號包括較短的脈寬調制信 號，且所述增加的信號包括較長的脈寬調制信號。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述電信號是脈沖，且所述測得的流逝 時間通過識別每個所述脈沖信號來測量。在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述電信號是脈沖，且所述測得的流逝 時間是通過識別連續的脈沖信號之間的寬度來測定。 在本實用新型所述秋千速度控制裝置中，所述秋千速度控制電路配置成在至少一 個完整的擺動周期內驅動所述電機，并使所述電機自由旋轉至少半個擺動周期，以及在所 述自由旋轉的半個周期內，所述秋千速度控制電路配置成用于比較所述最短的測出的消耗 和所述目標流逝時間。本實用新型的各個實施例都包括驅動嬰兒或小孩秋千的電機，以及調節秋千的擺 動的裝置。特別地，根據各個實施例，秋千包括反饋系統，其在任何載重條件下提供更為一 致的運動輪廓并相對于運動路徑提供更平穩的速度分布。在特別的實施例中，秋千相對于 整個運動路徑產生穩定的速度，這樣就產生更平穩和更輕柔的運動，以至于產生比現有技 術中的秋千運動的更平穩的效果。各個實施例也允許使用者從多種運動輪廓中進行選擇， 通過比較測量的秋千速度和所選擇的目標輪廓相關的唯一的目標速度，秋千可實現所選的 運動輪廓。根據各個實施例，對于獨立于由單擺或者單擺的方向而形成的運動路徑的角度 的任意預先編程的運動輪廓，實現了選擇的運動輪廓。本實用新型的各個實施例涉及使嬰兒或小孩秋千產生搖擺運動的電機系統，更為 具體的是，涉及調節秋千的運動路徑的電機控制系統。在各個實施例中，秋千包括支撐在地 面上的基架。基架包括多個從基部延伸的直柱，且多個秋千臂可轉動地安裝在基架直柱的 連接點上。座椅安裝在秋千臂上，且位于該連接點之下。在特別的實施例中，每個秋千臂支 撐座椅的每一側。直流電機附在基架上，電機向圍繞所述連接點的一個或多個秋千臂提供 轉矩。根據各個實施例，電機系統包括直流電機、電源以及電機控制器。電機控制器用 于調節供給電機的電壓。在一個實施例中，電機反饋由光斷續檢測器(light interrupter detector)提供，該光斷續檢測器由槽盤和光源/傳感器組成。這些槽盤直接安裝在電機軸 上或間接通過齒輪箱或類似物安裝。光源和傳感器設置成在電機軸和盤轉動時，盤中的槽 間歇地打斷從光源發射到傳感器的光。通過電機控制器中的微控制器來測量在光源/傳感 器路徑打斷之間的時間，并使該時間與選擇的運動輪廓的目標時間進行比較，因為這個時 間對應于電機的速度。因此，微控制器增大或減小電機提供的速度，相應地增大或減小由電 機產生的轉矩。這種速度調節使得秋千的速度接近或等于目標速度。在各個實施例中，每個周期的反饋采樣的數量根據槽盤的幾何形狀和運動輪廓的 幅度而變。由于秋千運動是基于單擺原理，秋千必須在運動路徑的端點達到有效地的停頓。 因此，盡管電機的電壓增加，當秋千接近運動路徑的端點之時，座椅的速度不斷地偏離目標速度，。這種偏離可作為中斷之間增加的時間從微控制器上讀出，，這樣當偏離變得相當大 (有效地等于目標速度的負值)時，向電機提供相反的電壓，從而使得電機的轉矩反向。通 過這種方式，秋千沿著運動路徑作往復運動，得到相對一致的速度分布。各個實施例可以包括基架、秋千臂和座椅的形狀、材料、構成方法以及尺寸和結構 的各種變形。各個實施例也允許電機控制器中使用的電子元件的設計的變化。例如，在一 個實施例中，秋千可包括用戶界面系統，其能使用戶選擇秋千的多個運動輪廓中的其中一 種和擺動的時間。在多個實施例中，用戶界面通過機械或電子開關調節，且用戶界面系統 可安裝在支撐結構上。此外，秋千的各個實施例包括玩具或者音樂，以供坐在座椅上的小孩 娛樂。
因此，在總體上描述了本實用新型的各個實施例之后，以下將參照按照比例繪制 的附圖作進一步的描述，其中圖1所示為根據本實用新型的各個實施例的嬰兒秋千；圖2所示為根據本實用新型的各個實施例的秋千速度控制器的原理框圖；圖3所示為根據本實用新型的各個實施例的電機驅動電路的實施例；圖4所示為根據本實用新型的各個實施例的秋千路徑的擺弧的示意圖；圖5所示為根據本實用新型的各個實施例，由示波器記錄以指示一般的脈沖序列 的特征的編碼波形；圖6所示為圖5的擺動周期的一半編碼波形的擴展波形圖；圖7所示為根據本實用新型的一個實施例，經圖2所示的控制器執行的軟件算法 的流程圖；圖8所示為根據本實用新型的一個實施例，圖7中的步驟511稱作反饋秋千控制 子程序的流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的多個實施例做更為完整的描述，其中，圖中只給出 了本實用新型的一些并非全部的實施例。事實上，這些發明可以很多不同的方式實現，且不 應對本文所闡述的實施例的限制；而且，提供的這些實施例，以使這些公開滿足法律要求之用。圖1所示為本實用新型的一個實施例。如圖所示，嬰兒秋千包括安裝在兩個秋千 臂上的座椅，所述的秋千臂可旋轉地安裝在基架的右和左端(apex)上。在此所述基架一般 指的是“A”框架，其中基底的側視圖呈現出“A形或倒“V”形。進一步，由于沒有固定，硬性 件橫向地安裝在右和左頂點上，框架呈現為“開放的頂部”。盡管圖中示出了特別型的秋千， 本實用新型的各個實施例中可包括其它的秋千類型，例如滑行機型的秋千。圖2所示為根據本實用新型的各個實施例的秋千速度控制器的原理框圖。秋千速 度控制器包括6v直流電源、直流電機、減速系統(如傳輸)、速度傳感系統以及電子控制 單元。直流電源可以是堿電池，可充電電池或插入IlOV壁插孔的交流-直流電源轉換器的 6v直流輸出電壓。減速系統把電機動力轉移到秋千上以使秋千作前后運動。在一個實施例中，傳輸器包括減速器包括減速齒輪組。速度傳感器系統提供一個測量擺動速度的裝置并輸出表示擺動速度的電信號。在 一個實施例中，速度傳感器系統包括光學傳感器和輪式編碼器。光學傳感器包括光源和光 敏二極管。光敏二極管的輸出信號對應于擺動速度信息，且把該輸出信號輸入電子控制電 路。在一個實施例中，輪式編碼器直接安裝電機軸的一端。然而，在替代性的實施例中，輪 式編碼器安裝在秋千軸上，以直接測量擺動速度。此外，在另一實施例中，速度傳感器系統 包括其它類型的傳感器，如磁傳感器。根據各個實施例，電子控制電路模塊包括微控制器、馬達驅動電路、設速電路以及 低電壓檢測器。微控制器可選自任何數量的現存的8位微控制器市售產品，其包括中央處 理器(CPU)、儲存軟件程序的只讀存儲器(ROM)、隨機存書器(RAM)輸入/輸出(I/O)端口。圖3所示為馬達驅動電路的實施例，其與直流電機連接。在圖3的實施例中，采用 具有四個開關管、晶體管或其它電路實現器件的H-橋電路來控制電機驅動電路，以便驅動 直流電機。在圖3中，開關管標上A、B、C和D。每個開關管都可以是斷開或閉合，則會有16 中可能的開關管設置。以下的表1列出了用于本實用新型的一個實施例的3種組合。根據 所要求的操作，通過控制不同組合的開關管的斷開或閉合，直流電機可被向前或后驅動，或 者自由轉動以驅動秋千。表 1 設速電路允許使用者輸入所需要的擺動速度。例如，在一個實施例中，設速電路包 括6個速度和一個“關”位，可以供使用者選擇。通過以上識別的硬件元件，速度可控的秋 千可以使用者從六個速度選出的一個速度擺動。低壓檢測電路也與設速電路一起執行，以當電池供電時，監測直流電源的電壓。低 壓檢測功能作為電子開關，且一旦電源電壓下降到預先設定的電位，低壓檢測器關閉直流 電源。圖4所示為根據本實用新型的各個實施例的秋千路徑的擺弧的示意圖。點M和N 表示最高的擺動位置，此時的擺動速度接近0。點Q表示擺動垂直于地面的點，此時的速度 是整個擺弧中最大的。根據一個實施例，電機軸至少通過至少一個全擺周期(從M到N，再 從N到M)驅動，且經過下一個擺動周期的半個周期，電機可自由轉動。在一個實施例中，電 機由一個完整周期的脈沖寬度調制(PWM)來驅動，且允許半個擺動周期的自由轉動。或者， 電機可由半個擺動周期的PWM驅動，并允許另半個周期的自由轉動或者經1. 5個擺動周期的PWM驅動，且下半個周期進行自由轉動。根據一個實施例，當電機自由轉動時，測試擺動垂直于地面的Q點的擺動速度。通 過速度傳感系統實現速度的測量和表征。根據圖5的實施例，速度傳感系統的輸出是一串 含有擺動速度信息的脈沖或脈沖序列。脈沖用傳感器的輸出信號表示，該信號源于輪式編 碼器相對于傳感器的旋轉。由于輪式編碼器相應地相對秋千旋轉，傳感器輸出的脈沖對應 于秋千的運動。在一個實施例中，輪式編碼器的齒均勻地分布，如果秋千的擺動速度一致的 話，所有脈沖的脈沖寬度在整個脈沖序列上是相同的。然而，由于秋千的速度是從零(點M 或N)到最大(點Q)，再返回到零(點N或M)，脈沖寬度也隨擺動成比例變化。這種變化提 供了擺動速度信息的契機。特別地，在一個實施例中，當光敏二極管輸出在邏輯0時(例如 由于從輪式編碼器延伸的槽阻止放光體的光傳輸到光敏二極管)，測量脈沖寬度。圖5所示為根據本實用新型的各個實施例，由示波器記錄以指示一般的脈沖序列 的特征的編碼波形。兩個最寬的脈沖之間的時間表示秋千從圖4中的M到N的擺動的半個 周期。圖6所示為圖5所示的半個擺動周期在50-100ms時間段之間的編碼波形的放大圖。 該放大的圖更清楚。微控制器可以通過連續測量電機速度來確定擺動周期。當秋千向上振蕩并受重力 作用時，秋千開始減速，并接近零速。由于秋千的速度在它的軌跡的頂點接近零，控制電路 對檢測裝置的對應信號起反應，并使電機轉向。而且，當秋千的形成向下時，它的速度從零 增大到最大值，監視裝置持續地把該對應的速度信號傳輸到控制電路。控制電路連續地處 理監視裝置的速度信號，且當速度值達到最大時，控制電路可將這個值與設定的最大值比 較，并相應地調整傳輸電機的輸出。通過測定秋千速度和控制驅動振蕩的秋千座椅的旋轉 軸，控制電路可在兩個方向上一致且連續地驅動秋千。秋千速度信息用半個擺動周期的最短的脈沖寬度表示，而且這個信息由微控制器 接收，作為反饋信息。基于該信息，微控制器調節PWM，控制驅動電路的電流，因此增大或較 小傳遞到秋千的轉矩，以維持選擇的擺動速度。通過這種方式，秋千能夠在由乘坐者確定的 各種載重下實現并維持較佳的運動。圖7所示為根據本實用新型的一個實施例，圖2所示的控制器執行的軟件模塊的 流程圖。模塊501開始于步驟502，其設立輸入/輸出(ΙΥ0)，設置變量并清零。接著在步 驟503，讀取輸入端口，其含有在步驟504檢查的設速信息。如果速度設為0，不需要任何的 動作，且模塊501 —直會讀取這個輸入端口并在步驟503和504之間循環執行。一旦設定 速度變為1-6 (每一個都對應于多個選擇的速度或者秋千的擺幅的其中一個)中的任意一 個值，程序轉到步驟5，稱作子程序秋千_驅動_1。子程序秋千_驅動_1產生合適的電機 驅動力。在步驟506中，檢測電機速度，得出速度是否為0。如果電機速度為0，在步驟507 中，電機將反向轉動以運行另外半個周期。當完成下一個的半個周期驅動后，電機接著在另 一個周期轉動，如步驟509所示。在步驟510，測定最大的擺動速度。接著步驟510，執行如 步驟511所示的反饋秋千控制子程序，以維持期望的已設定的秋千的速度。圖8所示為圖7中的步驟511的稱作反饋秋千控制子程序的流程圖。在步驟521， 使測定的秋千速度與使用者設立的速度進行比較。如果測得的秋千速度比使用者設立的速 度快，在步驟523執行子程序秋千_驅動_3。如果測得的秋千速度比使用者設立的速度慢， 在步驟522執行子程序秋千_驅動_2。子程序秋千_驅動_3提供相對小的電機電流，子程序秋千_驅動—2提供相對大的電機電流。子程序秋千_驅動_1提供的電流的大小在子程 序秋千_驅動3_和子程序秋千_驅動—2提供的電流之間。接著，在步驟524，電機在兩個 半個周期內驅動秋千，接下來，在步驟525，電機自由轉動半個周期。在這個自由轉動的半個 周期中，在步驟526測量最大的擺動速度。在測得最大的速度之后，在步驟527達到設立的 速度，看看使用者是否改變速度。如果把設定的速度改為0，子程序返回到主程序。結論盡管結合特定的實施例對本實用新型進行了詳細的描述，但是應該理解，對本實 用新型作的任何的改型和變型都在本實用新型的精神和權利要求書的范圍之內。
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權利要求一種控制秋千的擺幅的秋千擺幅控制裝置，其中所述秋千由電機驅動，所述秋千擺幅控制裝置包括秋千擺幅傳感器，其配置成輸出表示所述秋千的擺幅的電信號；秋千擺幅控制電路，其配置成從所述秋千擺幅傳感器接收所述電信號；將所述電信號與目標擺幅信號進行比較；當所述秋千擺幅傳感器的所述電信號大于所述目標擺幅信號時，對所述電信號做出響應以每隔一個半周期，至多一次地把減小信號輸出到電機以減小所述秋千的擺幅；以及當所述秋千擺幅傳感器的所述電信號小于所述目標擺幅信號時，對所述電信號做出響應以每隔一個半周期，至多一次地把增大信號輸出到電機以增大所述秋千的擺幅。
2.一種控制秋千速度的秋千速度控制裝置，其中所述秋千用電機驅動，所述秋千速度 控制裝置包括秋千速度傳感器，其配置成輸出表示所述秋千的速度的電信號； 秋千速度控制電路，其配置成 從所述秋千速度傳感器接收所述電信號； 將所述電信號與目標速度信號進行比較；當所述秋千速度傳感器的所述電信號大于所述目標速度信號時，對所述電信號做出響 應以每隔一個半周期，至多一次地把減小信號輸出到電機以減小所述秋千的速度；以及當所述秋千速度傳感器的所述電信號小于所述目標速度信號時，對所述電信號做出響 應以每隔一個半周期，至多一次地把增大信號輸出到電機以增大所述秋千的速度。
3.—種控制秋千速度的秋千速度控制裝置，其中所述秋千由電機驅動，所述秋千速度 控制裝置包括秋千速度傳感器系統，其包括有/無傳感器；以及槽盤，所述槽盤具有多個徑向突出、沿圓周間隔設置的尖狀物，所述槽盤配置成與所述 秋千一起旋轉，其中所述有/無傳感器配置成輸出電信號，以響應至少一個所述靠近傳感 器移動的尖狀物；秋千速度控制電路，其配置成 從所述有/無傳感器接收所述電信號； 測出在連續的所述電信號之間的流逝時間； 比較最短的測得的流逝時間與目標流逝時間；當所述最短的測出的流逝時間長于所述目標流逝時間，對所述測出的流逝時間做出響 應以每隔一個半周期，至少一次地把減小信號輸出到所述電機，以減小所述秋千的速度；以 及當所述最短的測出的流逝時間短于所述目標流逝時間，對所述測出的流逝時間做出響 應以每隔一個半周期，至少一次地把增大信號輸出到所述電機，以增大所述秋千的速度。
4.如權利要求3所述秋千速度控制裝置，其特征在于，所述槽盤安裝在所述電機的軸 的端部。
5.如權利要求3所述秋千速度控制裝置，其特征在于，所述槽盤安裝在所述秋千的軸 的端部。
6.如權利要求3所述秋千速度控制裝置，其特征在于，所述有/無傳感器是基于其對接 收的少量光所做出響應而輸出電信號的光學傳感器。
7.如權利要求3所述秋千速度控制裝置，其特征在于，所述有/無傳感器是磁接近傳感器。
8.如權利要求3所述秋千速度控制裝置，其特征在于，所述秋千速度控制電路包括微 控制器。
專利摘要本實用新型涉及秋千控制裝置，該秋千控制裝置的各個實施例包括用于驅動秋千和控制秋千的速度和/或擺幅的電機系統。在一個實施例中，電機系統包括直流電機、秋千速度傳感器系統和秋千速度控制電路。直流電機在至少一個完整擺動周期內驅動秋千，接著，電機自由旋轉至少半個擺動周期。在自由旋轉的半個周期內，秋千速度傳感器系統測量秋千的速度，并對測出的速度與目標速度進行比較。控制電路根據比較的結果增大或減小速度。在另外的實施例中，系統包括測量秋千的擺弧的秋千擺弧傳感器系統和秋千擺弧控制電路，該電路用來比較測定的擺弧和目標擺弧。
文檔編號G05D13/62GK201662720SQ20092017922
公開日2010年12月1日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者D·杰克遜 皮特, P·庫珀 詹森 申請人:克茲二世有限公司