电动平衡车技术分析

1电动平衡车概述

电动平衡车,又叫"智能平衡车""体感车""思维车"等,其运行主要是建立在一种被称为"动态稳定"的基本原理上,控制器根据倒立摆系统的工作原理,多数是在车体内部设置陀螺仪和加速度传感器来检测车体姿态的变化,并利用伺服控制系统精确地驱动电机进行相应调整,从而使车身维持在动态平衡状态。自2001年首台属于个人运载机器人范畴的电动平衡车问世,电动平衡车已经经历了十几年的发展,由于其具有绿色环保、转弯半径小、控制方便、便于携带等优点,因而被广泛用做短程代步、休闲娱乐等用途,如今大街小巷、广场公园常常能见到各种平衡车的身影,目前中国已成为全球平衡车的最大生产国和出口国。

本文旨在对电动平衡车领域的专利申请总量、申请年代分布、申请国家分布、技术分支和申请人分布等数据进行统计分析。通过统计分析,尽可能全面地反映出电动平衡车领域的专利技术发展过程及发展趋势,为我国相关行业技术研发提供思路。

2申请量统计和分析

截至2017年,电动平衡车全球相关专利申请共1448件,但本文只对电动平衡车整车的相关专利进行统计和分析,针对电动平衡车某一部分的申请并不在统计和分析范围。在定义范围内,本文统计和分析的专利申请共985件,图1为电动平衡车领域专利申请的年度申请量趋势。有关电动平衡车的专利自1999年开始出现,至2008年前申请量一直很低,甚至有些年份为空白,从2008年开始申请数量开始增加,2008一2013年期间一直呈波动态势,但整体保持平稳,2013一2016年出现较大幅度增长(因为公开日期问题,2017年申请的专利还不能完全看到),其中2016年达到了338件。从申请量大幅增长可以看出电动平衡车的蓬勃发展以及该领域的生产企业和科技工作者的专利意识在不断增强。

图2反映了电动平衡车领域各国家或地区的申请人中所占比例,其中,我国申请人占82%,其次是日本、美国申请人,各占11%、3%。可见电动平衡车领域专利的申请人主体是中国申请人,其他国家或地区申请人的申请量较小。虽然电动平衡车的研发起源于美国,第一个平衡车品牌为美国的赛格威(segway),其电动平衡车的生产、设计历史最久,但由于价格昂贵和安全性问题,据统计,2001一2007年赛格威总共只卖出3万辆,并在2015年4月被小米公司收购。虽然赛格威的发展并不如预期,但这也给诸多平衡车生产企业提供了突破口。

图3是中国电动平衡车专利申请量趋势图。国内从2002年开始进行电动平衡车的研究,2004一2008年申请量一直很低,2008年,赛格威产品在北京奥运会出现,电动平衡车进入国人视野,经历了2008一2013年的摸索和试探期,国内申请量经历小幅震荡上涨,到2014年平衡车广泛走入国人的生活中。但电动平衡车使用中还有大量问题显现,包括价格、趣味性、安全性、控制方式单一等,这也诱发了个人和企业对其进行改进。

图4反映了电动平衡车领域中国专利申请人排名,其中尚艳燕(个人)申请量占据榜首,之后依次是常州爱尔威智能科技有限公司、本田技研工业株式会社、丰田自动车株式会社、杭州骑客智能科技有限公司、杭州速控软件有限公司。需要注意的是,专利申请量的排名与企业市场占有率的排名相关但并不完全相符,这有很多原因,例如由于激励政策导致国内个人申请人提交了大量相似申请,以及申请人对专利的注重和应用程度等都有影响。

图5是电动平衡车领域专利申请人分布图,申请人以公司、企业居多,个人申请次之,科研院所最少:对于个人申请量较多的情况,主要是因为电动平衡车原理并不特别复杂,从经济角度和适用程度出发,参与实际使用的个人多从生活实践角度提出申请。

现有平衡车主要有独轮的、两轮的和多轮的(三轮、四轮及以上),如图6所示,两轮和独轮的平衡车是应用最为广泛的,多轮平衡车的安全性虽好,但便携性和趣味性较差,其相关申请并不多。两轮电动平衡车的操控方式主要有四种:手控型、脚控型、腿控型、座控型。手控型多是车体上有一个操作杆,使用者通过手部对操作杆进行转动或摆动操作,从而实现转向:脚控型多属于车体可分为左右两个部分,左部分和右部分之间通过两脚部动作不同而实现转动控制:腿控型是在车体中部设置一个操作杆或在车体两侧设置两个操作杆,该操作杆位于膝盖上下的位置,使用者通过腿部转动或摆动操作杆或接近/远离操作杆(测距)实现车体转向:座控型是在车体上设置一个座椅,通过座椅的左右转动或摆动实现车体转向。

目前,手控和脚控是两轮平衡车最多采用的控制方式(其中,有些电动平衡车可以同时实现两种或两种以上不同的控制方式,因此在图7的统计中进行了分别叠加,以示意该控制方式被选用的频次)。

如图8所示,对于电动平衡车的改进,其改进点主要集中在提高安全性(例如失稳倾倒、防止误操作、防盗、防水等)方面,次之集中在便携性(便于携带、存储等)、舒适性(例如减震、增设座椅/挡泥板及相关部件的可调性等)和成本节约方面,这反映了使用者对经济效益、使用舒适性和安全的重视性:而在多用途(如附加载物功能、可变换为滑板车等其他车型使用等)、增加趣味性(例如增加音箱、装饰物等)等方面,各种类型的电动平衡车虽均有涉猎,但其发展起始时间较晚,申请量并不大:对于设定电动平衡车可同时通过多种控制方式(除了上述四种控制方式还包括遥控、人力控制方式)进行操作方面,主要是应用于兼具灵活性和稳定性的两轮车上。

3技术发展趋势

在电动平衡车发展的前十几年里,由于价格太贵、定位不准,其发展一直比较缓慢,并未被广泛应用。近几年,由于陀螺仪成本大幅降低以及国内创业者对平衡车进行重新定位,平衡车迎来了新的春天,反映到近五年来该领域的专利申请中,国内专利的申请量大幅提升,尤其是诸多个人申请的加入,使国内申请中涌现出了很多贴近生活的发明创造,这也给电动平衡车的发展带来了勃勃生机。

通过对平衡车发展路线的分析可以看出,虽然其基本组成部分较为成熟,但各种细节方面均还有很大的发展空间,例如由于平衡车本身是一种运载工具,因而可以借鉴各种已经相对成熟的其他运载工具如自行车、电动车、摩托车甚至汽车配套使用的设备或系统:另外,由于其使用简单、携带方便并且容易与其他装置结合使用,又具有独特的灵活趣味性,使之有替代自行车等运载工具的潜力。安全便携、节能高效、舒适美观、灵活趣味是电动平衡车发展的必然趋势,如何使电动平衡车充分发挥其优势,也是生产厂家提高产品竞争力、研发专利技术努力的方向。