儿童运动装置 相关申请案交叉参考
本申请案是标题为 “儿童运动装置 ( 儿童运动装置 )” 且在 2008 年 3 月 19 日提出 申请的序列号为 12/051,468 的美国非临时申请案 ( 其又主张标题为 “儿童运动装置” 且在 2007 年 3 月 19 日提出申请的序列号为 60/895,620 的美国临时申请案的权益 ) 的部分接续 申请案且是标题为 “儿童运动装置” 且在 2006 年 3 月 20 日提出申请的序列号为 11/385,260 的美国非临时申请案 ( 其又主张标题为 “儿童秋千” 且在 2005 年 11 月 3 日提出申请的序 列号为 60/732,640 的美国临时申请案的权益 ) 的部分接续申请案， 所述美国申请案的全部 揭示内容以引用的方式明确并入本文中。
技术领域
本发明大体来说针对儿童运动装置， 且更特定来说针对将摆动、 弹跳、 摇摆、 滑动 或其它运动赋予儿童占用者的儿童运动装置。 背景技术 市售儿童运动装置包含摆式秋千及婴幼蹦床座位。 这些类型的装置通常力图用于 娱乐、 哄慰儿童或使儿童安静。一开始， 通常将儿童放置于装置的座位上。对于常规儿童秋 千， 所述装置接着使坐着的儿童以往复单摆运动方式移动。典型蹦床装置的座位由挠性导 线框架支撑。接着， 儿童自身的移动或看护者所施加的外部力导致儿童的弹跳式振荡。
儿童运动装置的实例包含在儿童头顶上方具有电机的 Fisher-Price( 费雪儿 ) 摆 式秋千。可通过使悬吊式摆型秋千臂旋转通过 90 度的角度来沿两个任选面向座位的方向 中的一者定向所述秋千的座位。此外， 第 6,811,217 号美国专利揭示一种儿童就座装置， 其 可用作摇椅且具有弯曲底部轨道使得所述装置可模拟摇动椅。第 4,911,499 号美国专利揭 示一种具有基底及可附接到所述基底的座位的电机驱动式摇椅。 所述基底并入有可以摇动 椅型运动方式移动。第 4,805,902 号美国专利揭示一种摆型秋千中的复杂设备。所述秋千 的座位以如下方式移动 ： 其行进路径的分量包含本专利的图 9 中所示的左右弧形路径。第 6,343,994 号美国专利揭示另一种儿童秋千， 其中基底形成有第一固定部分及在所述第一 部分内的可由父母转动或旋转的第二部分。 座位围绕水平轴以常规类摆方式摆动且父母可 使装置在固定基底部分内旋转以改变坐在座位中的儿童的视野。
尽管存在各种儿童运动装置的可用性， 但遗憾地， 由于哄慰儿童的不成功的尝试 而使看护者经常发现可用装置并不尽如人意。
附图说明 在结合绘图阅读以下说明后， 本发明的目标、 特征及优点将变得显而易见， 图中 ：
图 1 是具有在分解图中的座位且根据本发明一个方面构造的实例性儿童运动装 置的透视图。
图 2 到图 5 是图 1 中所示的儿童运动装置的透视图， 其中每一视图显示以多个任
选就座定向中的不同就座定向安装的儿童座位。
图 6A 是根据本发明一个方面的经配置以为摆动臂提供轨道或圆周弧形运动路径 的实例性儿童运动装置的示意性俯视图。
图 6B 及 6C 是根据本发明教示内容的经配置以提供替代摆动臂运动路径的儿童运 动装置的另外实例的示意性侧视图。
图 7A 及 7B 是根据本发明教示内容的经配置以提供另外替代摆动臂运动路径的儿 童运动装置的又一些实例的示意性正视图。
图 8A 及 8B 是根据本发明教示内容的经配置以提供又一些替代摆动臂运动路径的 儿童运动装置的又一些实例的示意性侧视图。
图 9 是根据本发明一个方面的经配置以提供具有方位角改变及标高改变两者的 摆动臂运动路径的另一实例性儿童运动装置的立面侧视图。
图 10 是根据本发明一个方面的图 9 的儿童运动装置的透视剖面图， 其显示驱动系 统的从垂直偏移的旋转轴。
图 11 到图 13 是用于根据本发明教示内容构造的儿童运动装置的数个配置参数的 固有共振频率响应比的图表。
图 14 是根据本发明一个方面的再一实例性儿童运动装置的透视图， 其用具有用 于界定复摆运动路径的三个坐标轴的参考框架来显示。
图 15 到图 17 是用于相对于图 11 中所界定的参考框架坐标轴的复摆运动路径的 实例性加速度数据的图表。
图 18 是根据本发明供电的蹦床方面构造的儿童运动装置的实例性支撑结构及实 例性驱动系统的剖面图。
图 19 及 20 是根据本发明一个方面的经配置以提供弹跳移动的儿童运动装置的基 于凸轮的驱动系统的实例的透视剖面图。
图 21 是根据本发明一个方面的经配置以提供弹跳移动的儿童运动装置的基于偏 转的径向振荡器驱动系统的一个实例的立面侧视图。
图 22 是根据本发明一个方面的经配置以提供弹跳移动的儿童运动装置的基于螺 旋弹簧的驱动系统的示意性表示。
图 23 是根据本发明的一个或一个以上方面的经配置以驱动往复移动的实例性驱 动系统电路的示意图。
图 24A 及 24B 是根据本发明的一个或一个以上方面由图 23 的驱动系统电路产生 的实例性电机驱动电压序列的图表。 具体实施方式
研究已显示， 许多婴儿或儿童并不能通过常规儿童秋千及弹跳座位所提供的运动 来哄慰或使其安静。相反， 可仍通过抱住儿童的父母或看护者所赋予的运动而容易地使儿 童安静或哄慰儿童。看护者经常用其胳膊且在其躯体前面抱住儿童并以使儿童安静及 / 或 哄慰儿童的方式移动。此类移动可包含看护者来回摆动其胳膊、 左右地旋转其躯体或以组 合这些移动的方式移动时的左右摇动、 轻微上下弹跳或轻微旋转摆动。
本发明大体针对经构造以模仿由看护者提供给婴幼儿的哄慰移动的运动装置。 在一些情况下， 哄慰运动涉及摇动式摇摆运动路径。 另一选择为或另外， 哄慰运动并入有大体 垂直的弹跳移动， 像提供给依靠在看护者的肩膀处或附近的儿童的运动。 更一般来说， 所揭 示的儿童运动装置通常基于父母通常用来哄慰其孩子的移动的特性。因此， 所揭示的装置 经配置以准确地模仿此运动的一个或一个以上特性。为这些目的， 所揭示的装置可经配置 而用于在对应频率下的具有各种往复运动路径的操作。举例来说， 摇动式摇摆运动路径可 涉及在发现为此类父母哄慰移动特性的第一频率范围内的频率下的往复运动。 大体垂直的 弹跳移动可涉及在发现为由父母提供时的此移动的特性的第二频率范围内的频率下的振 荡。 如以下所述描述， 这些频率范围由实验运动数据支持， 所述实验运动数据是从在哄慰孩 子的同时被监测的父母组中的在统计上显著大多数的父母中采集的。
在一些实施例中， 儿童运动装置可为可定制或以其它方式可调整以允许看护者选 择运动路径及提供最有效哄慰的对应频率。 看护者所选择的操作设定可提供根据摇摆及弹 跳运动中的一者或两者的移动， 且因此可涉及所述频率范围中的一者或两者。
所揭示的装置通常展示出模仿父母的运动或运动特性的运动或运动特性。 在一些 情况下， 所揭示的装置经配置以提供在统计上类似于大多数父母移动其孩子所处于的频率 的频率下的移动。替代在以下所描述的最佳频率窗口外移动儿童的秋千及蹦床产品， 所揭 示的装置经配置以递送与父母所提供的移动的特性对应的一个频率 ( 或多个频率 ) 下的移 动。 父母通常以两种不同的技术来哄慰其孩子。第一运动技术涉及低频摇摆 / 摆动运 动， 其由具有大约 0.5Hz(0.4973Hz) 的中频及 0.1244Hz 的标准偏差的正态分布 ( 即， 贝尔 曲线 ) 恰当地表示或进行近似。在一个数据集中， 所述中频是 0.48Hz。第二运动技术涉及 具有大约 3.0Hz 的主频与 0.15Hz 的标准偏差的高频弹跳运动。此实验数据识别两个主要 运动频率窗口或范围 ( 即， 约 0.37Hz 到约 0.62Hz， 及约 2.85 到约 3.15Hz) 作为用于某些类 型的移动的操作的所需频率。 以下所描述的儿童运动装置经配置以提供这些最佳频率范围 中的每一者内的对应移动。
在一些方面中， 本发明大体针对复摆运动路径， 其使得可能通过具有合理装置尺 寸的系统的固有共振来实现所需的运动频率。举例来说， 可经由具有大体垂直旋转轴的摆 式移动来提供低频范围内的移动。为配置在低速频率范围内操作的装置， 常规摆式 ( 即， 单 摆式 ) 秋千将通过将摆臂长度调整为 129 英尺而具有 0.5Hz 的固有共振频率 ( 单摆固有频 率通过下式来计算 ： ω ＝ sqrt(g/L))。 但此长度对于典型的全尺寸幼儿秋千可能是较长而 不方便。 其它选项包含形成可以除产品固有频率以外的频率驱动所述产品的直接驱动秋千 运动机构， 如以下所描述。在一些情况下， 此方法可需要极高的能级。在其它情况下且如以 下所描述， 复摆运动路径可涉及从垂直偏移的轴， 使得所述移动包含垂直及水平分量两者。 因此， 装置可具有更方便的摆臂长度但仍以其固有共振频率移动。 以此方式， 所述装置依赖 于系统的固有共振， 且因此仅利用有限的电力来克服任何阻尼。
本文中所描述的运动路径还使得可能提供平滑的往复移动。在一些情况下， 运动 路径包含方位角改变及标高改变两者， 借此使用重力作为平稳方法来使摇摆运动的方向反 转。标高改变可由偏移的旋转轴产生， 其单独作用将产生位于从水平倾斜的平面内的运动 路径。标高改变还可由摆臂相对于旋转轴的定向产生。在一些情况下， 所述定向的锐角产 生可沿运动路径进一步引入标高改变的圆锥形路径。由于这些类型的标高改变， 不合需要
的较高频率分量并未引入到移动中， 从而使运动曲线 ( 例如， 移动的频率分布 ) 主要在固有 共振频率下或由固有共振频率支配。
本文中相对于各种组件的垂直或水平定向所应用的术语大体、 大致及类似词打算 意指所述组件具有主要垂直或水平的定向， 但在定向上不需要是精确地垂直或水平。所述 组件可相对于垂直或水平成角度， 但并非到其中其远离所提及的参考大于 45 度的程度。在 许多实例中， 术语 “大体” 及 “大致” 打算准许从这些类型的修饰词在本文中所应用到的参 考的某一许可偏移或甚至暗示某一既定偏移。
现在转到图式， 图 1 显示根据本发明的教示内容构造的儿童运动装置 20 的一个实 例。此实例中的装置 20 大体包含框架组合件 22， 所述框架组合件具有经配置以搁置在地 表面 26 上的基底区段 24。在本实施方式通篇中， 术语 “地表面” 用于界定所述装置在使用 中配置中时搁置于其上的表面及为易于说明而用于与本发明的其它方面、 部分或方向 ( 例 如， 垂直、 水平等 ) 进行比较的参考平面或表面两者。然而， 本发明不打算局限于仅与具体 地基于地面或者其框架组合件的基底区段或参考表面的其它水平定向一起使用。而是， 所 述地表面及所述参考平面用于帮助描述装置 20 的各种组件之间的关系。
图 1 中所示的儿童运动装置 20 还具有从基底区段 24 的一部分向上延伸的竖直立 管、 柱或脊状柱 28。在此实例中， 脊状柱 28 相对于其纵向长度沿大体垂直的定向而定向。 本文中所揭示的脊状柱中的任一者可具有以任一所需或适合的方式配置的外壳或盖。 所述 外壳可以是装饰性、 功能性或两者。所述盖还可以是可移除的以接近所述装置的内部工作 区 ( 如果需要 )。 所述脊状柱可在定向、 形状、 大小、 配置及来自本文中所揭示实例的类似物 上可显著变化。 在此实例中， 支撑臂 30 从脊状柱 28 悬臂伸出且从所述脊状柱沿径向方向大体向 外延伸。在此实例中， 支撑臂 30 具有耦合到脊状柱 28 的一部分的受驱动端 32。支撑臂 30 经安装而用于围绕其受驱动端进行枢转左右移动以通过大致水平的行进路径。 如以下所描 述， 所述支撑臂可行进通过预定角度的部分轨道或弧段且可围绕旋转轴 R 旋转 ( 例如， 参见 图 6A 到图 6C)。在一些情况下且如以下所描述， 所述旋转轴可从垂直参考偏移且其可从所 述脊状柱的轴偏移。 或者， 所述旋转轴可与所述垂直参考、 所述脊状柱的轴或如果需要则两 者对准。如以下所描述， 所述受驱动端耦合到经设计以使所述支撑臂往复运动或振荡的驱 动系统。此实例中的支撑臂 30 还具有远端 33， 所述远端具有经配置以支撑儿童座位 36 以 与所述支撑臂一起移动的座位夹持架 34。
图 1 中所示的儿童运动装置 20 及本文中所描述的儿童运动装置的各种替代实施 例的各种组件可显著变化且仍归属于本发明的精神及范围内。 揭示少量的实例来图解说明 组件配置的性质及变化。在图 1 的实例中， 框架组合件 22 的基底区段 24 呈经定大小以为 装置 20 在使用中时提供稳定基底的圆箍的形式。基底区段 24 的配置可与图 1 中所示的筛 不同， 如稍后所论述。基底区段 24 大体定位在座位夹持架 24 下方以抵消施加到所述脊状 柱及放置在悬臂伸出的支撑臂的座位上的儿童所形成的负载或力矩。类似地， 座位夹持架 34 可显著变化且仍归属于本发明的精神及范围内。在此实例中， 座位夹持架 34 是环绕开 口 38 的材料的正方形或矩形环。还可能有座位夹持架 34 的其它配置及构造， 且本文中图 解说明各种替代实例。在此实例中， 脊状柱 28 包含外部外壳 39， 所述外部外壳可经配置以 提供悦目或所需的美感外观。外壳 39 还可充当装置 20 的内部组件 ( 例如， 驱动系统 ) 的
保护盖。 在一个实例中， 座位夹持架 34 经配置以准许儿童座位 36 以若干任选定向安装于 支撑臂 30 上。如图 1 中所示， 儿童座位 36 可具有仿形底部或基底 40， 所述底部或基底具有 经配置以啮合座位夹持架 34 的若干部分使得当儿童座位 36 搁置于所述座位夹持架上时其 牢固地固持在适当位置中的特征。在此实例中， 所述座位夹持架由管状线性侧段形成。所 述座位底部在搁置于夹持架 34 的一个线性侧段上的一个端上具有平坦区域 42。座位基底 40 的悬垂区域 44 经定大小以装配于所述夹持架的开口 38 内。基底 40 的另一端具有一个 或一个以上对准凹口 46， 所述凹口经配置以接纳所述夹持架的相对线性侧段。悬垂区域 44 及凹口 46 将儿童座位 36 在所述夹持架上固持于适当位置中。还可依赖于重力自身将所述 座位保持于适当位置中。在另一实例中， 一个或一个以上强制手功或自动闩 48 可用于所述 座位的一部分中， 用在所述座位的一个或两个端处作为座位夹持架 34 的一部分， 及 / 或用 在所述座位夹持架的一个或两个端处以将儿童座位 36 在座位夹持架 34 上牢固地固持于适 当位置中。闩 48 可以是弹簧偏压的以在所述座位放置于所述夹持架上时进行自动啮合。
可将几何性及对称性设计到所述夹持架及座位中以准许所述座位以多个任选座 位定向放置于所述夹持架上。如图 1 中的虚线所表示， 所述座位及 / 或所述座位夹持架还 可经配置以准许所述座位或夹持架偏斜以调整到各种斜向角度。在另一实例中， 所述夹持 架及 / 或所述座位可经配合设计以准许所述座位或其它儿童支撑装置在放置于所述夹持 架上时在少于四个、 多于四个或甚至无限数目的面向座位的定向之间旋转。两个部分上的 协作盘可用于实现无限的定向调整。
图 2 到图 5 图解说明此实例中的座位夹持架 34 的正方形形状所许可的任选儿童 座位定向阵列的一个实例。如图 2 中所示， 儿童座位 36 可定位在支撑臂 30 的座位夹持架 34 上， 其中旋转轴 R 定位在儿童的右手侧上。图 3 显示其中旋转轴 R 的位置位于所述儿童 座位后面的另一任选就座定向。图 4 显示其中旋转轴 R 的位置在所述儿童座位的左手侧上 的另一任选就座定向。图 5 显示其中所述儿童座位面向所述支撑臂的旋转轴 R 的位置的另 一替代就座定向。通过将座位 36 以不同的定向放置于所述夹持架中， 儿童可在不改变支撑 臂行进特性的情况下体验不同的相对运动及各种不同的视觉环境。
图 1 到图 5 中所大体描绘的实例性儿童运动装置根据本发明的一个方面来构造以 模拟或模仿可由母亲或父亲在其用其胳膊抱住孩子时采用的各种移动。 抱住儿童的成年人 将经常交替地升高及降低其肩膀或左右枢转其躯体以模拟摇动移动。其它时候， 成年人可 用其胳膊包住儿童并左右扭转其躯体以为儿童产生通过一段弧的摇摆运动。其它时候， 成 年人可通过在抱住儿童的同时左右地横向移动其肘部而仅来回地摇摆儿童。 有时成年人可 采用此类移动的组合及 / 或可在做这些运动时向前屈身并使其脊柱朝向儿童倾斜成一角 度。
在任一情形中， 成年人可容易地更改抱在其胳膊中的孩子的位置。有时成年人可 抱住儿童在有几分坐着的位置中而孩子背对其胸膛。在另一实例中， 可抱住儿童在直接面 对成年人的位置中。在另一实例中， 可抱住儿童以使其腿在一侧而头在另一侧并由成年人 摇动所述儿童。 所揭示的儿童运动装置可模拟这些各种已证明的、 自然的、 安静及哄慰移动 中的任一者或全部的特性。一个特性涉及振荡的频率。父母通常抱住孩子并以缓慢均匀的 节奏移动孩子以帮助使孩子安静或哄慰孩子。如以下进一步描述， 所揭示的装置可经构造
以便以还模仿儿童可在被抱在成年人的胳膊中时体验的运动的程度及频率的方式操作。
可以各种各样的方式来实现本文中所揭示装置的各种运动。图 6A 到图 8B 图解说 明替代儿童运动装置构造及布置的几个实例。 图 6A 显示儿童装置 20 的俯视图。 如图所示， 支撑臂 30 可旋转并往复运动通过小于整圆的行进弧。在一个实例中， 支撑臂 30 可在两个 极端 E 之间旋转通过 120 度的角度 β。此角度可变化、 可大于 360 度、 可小于 120 度， 且仍 可归属于本发明的精神及范围内。本文中将支撑臂 30 描述为大致水平且本文中将旋转轴 R 描述为大致垂直， 即使其可从这些参考有角度地偏移， 如本文中的若干绘图所图解说明。
图 6B 及 6C 显示用于装置 20 的替代布置以产生稍微不同的运动路径。如图 6B 及 6C 中所示， 支撑臂 30 可围绕旋转轴 R 旋转。旋转轴 R 可相对于参考平面与垂直轴 V 对准， 如图 6C 中所示。然而， 在图 6B 中所示的实例中， 支撑臂 30 相对于水平参考 H 倾斜成角度 α 且垂直于其旋转轴 R。因此， 旋转轴 R 也相对于垂直参考 V 倾斜成角度 α。在其它实例 中， 包含以下所描述的实例中的一些实例， 所述两个角度可不同以产生另外的变化的运动 路径。在一个实例中， 角度 α 可以是约 15 度， 但所述角度可小于 15 度、 0 度或大于 15 度， 且仍归属于本发明的精神及范围内。如果需要， 所述支撑臂及 / 或所述旋转轴甚至可远离 行进弧倾斜。
在垂直偏移的布置 ( 例如， 图 6B) 中， 所述支撑臂将扫掠通过其弧或在相对于水平 倾斜的平面中行进。因此， 座位夹持架 34 的实际运动将围绕其轴 R 具有旋转运动路径， 所 述旋转运动路径包含水平分量以及垂直分量。在夹持架 34 沿倾斜的行进平面 T 内的路径 移动时， 其位置高度 ( 或标高 ) 将在低高程点与高高程点之间变化。这些高程可经设定以 在沿所述行进弧的任何位置处出现， 此视所述座位夹持架的行进弧的中点 M 经设计以出现 的位置而定。如果所述行进弧的中点 M 被设定在由座位夹持架行进弧界定的行进平面 T 的 最低高程处， 那么相等的高点将出现在所述弧的相对极端 E 处。此配置可最佳地模拟儿童 可在被抱在其父母的胳膊中时体验的运动。
在图 6C 中， 显示另一替代运动路径。在此实例中， 旋转轴 R 为精确地垂直且与垂 直参考轴 V( 以及此实例中的脊状柱轴 ) 共线性。然而， 在此实例中， 所述支撑臂从水平参 考 H 向下倾斜成角度 α。因此， 所述座位夹持架将在水平平面中行进通过圆弧。因此， 支撑 臂 30 将移动通过圆锥形 C 的一段弧且不在平面中。此实例中的儿童座位夹持架 34 稍微远 离脊状柱 28 倾斜。或者， 视需要， 座位夹持架 34 可平行于水平参考 H 定向或从水平参考 H 向上倾斜成一角度。对于图 6B 的实例也是如此。
在这些实例中的任一者中， 支撑臂 30 可经折弯或定向， 使得至少在行进弧的低高 程点或中点处所述座位经定向而与地表面或水平齐平。图 6A 及 6B 以虚线显示此座位夹持 架定向。 相对于所述支撑臂的座位夹持架角度可变化且甚至可以是可调整的以为座位占用 者提供额外运动路径替代方案。
图 7A 及 7B 是也描绘可并入到装置 20 中或由装置 20 提供的替代运动路径的正视 图。图 7A 的正视图在一个实例中表示图 6B 中所示的装置的儿童座位的行进路径。座位夹 持架因其运动的水平分量及垂直分量两者而既将左右行进又将扫掠通过一弧。 这是因为支 撑臂 30 在相对于水平参考倾斜成角度 α 的行进平面 T 中移动。图 7B 的正视图表示图 6C 中所示的装置的儿童座位的行进路径。此装置的儿童座位将在水平行进平面中移动。
图 7A 也可表示其它运动路径替代方案。可在装置 20 中设计支撑臂 30 的受驱动端 32 处的凸轮表面或可采用其它机械构件以在所述支撑臂扫掠通过其行进弧时赋予所述 支撑臂的任选垂直移动。在所述臂左右地且根据沿其行进弧的位置往复运动时， 可致使所 述臂沿其旋转轴 R 的方向垂直移动 ( 参见图 8A 作为所述运动的表示 ) 或垂直枢转 ( 参见图 8B 作为表示 )。在一个实例中， 四杆或其它机械链接布置可用于驱动系统中或甚至用于支 撑臂及 / 或夹持架构造中。此类链接布置可用于产生沿不同方向的任选运动， 包含所述臂 的枢转垂直移动、 所述臂的线性垂直移动、 所述臂的纵向移动、 所述臂的纵向旋转等等。下 文结合图 18 到图 22 描述这些类型的大体垂直移动的另外的实例。
图 8A 及 8B 还表示垂直往复或弹跳运动。可使用弹簧来来赋予弹跳或振荡垂直运 动， 如下文还将描述。 可任选地设计弹跳运动特征作为所述装置的单独运动选项， 使得儿童 座位甚至可在所述支撑臂不以旋转方式往复运动时弹跳， 或者作为可连同所述支撑臂的旋 转移动一起同时发生的额外运动。同样垂直运动可如图 8B 中所示为有角度的或可如图 8A 中所示为线性的。
赋予本文中所揭示支撑臂的运动特性的类型及复杂性可变化且仍归属于本发明 的精神及范围内。如果需要， 那么所述支撑臂 ( 举例来说 ) 还可经设计以在改变方向之前 行进通过 360 度或更多。如果需要， 那么座位夹持架 34 及 / 或支撑臂 30 还可以是可有角 度地调整， 以进一步更改座位占用者所体验的运动。图 8B 还表示可任选地添加到所揭示装 置的此类型调整特征的一个实例。另外， 如果需要， 那么所述支撑臂可以是长度可调整， 以 在装置 20 中产生甚至更多的运动多样性。如以下所描述， 此类型的调整可给用户提供修改 系统的固有共振频率的选项， 此又改变了装置的操作 ( 例如， 振荡 ) 频率。另一选择为或另 外， 座位位置可以是沿所述支撑臂从远端向内朝向受驱动端可以滑动方式调整或特定位置 可调整。此类基于座位位置的调整还可用于实现上述频率调整。 图 9 及 10 描绘根据本发明一个方面的实例性儿童运动装置， 其通常以 50 来指示， 经配置而用于所需频率下的振荡。装置 50 的配置定向儿童占用者， 使得移动的特性 ( 且明 确地说， 频率 ) 模仿由看护者提供给儿童的哄慰运动。下文对装置 50 进行描述以提供关于 具有复合运动路径 ( 例如， 而非单摆式 ) 的儿童运动装置的一个实例以及在一些情况下所 述复合运动路径可如何支持所需频率范围内的移动的另外的细节。 下文说明是基于以下理 解提供的 ： 所述细节中的许多细节 ( 如果不是全部 ) 同样地或类似地可应用于上文所描述 的装置及装置配置中的一者或多者。
可以类似于上文所描述的装置的方式大体地构造儿童运动装置 50。举例来说， 此 实例中的装置 50 大体包含框架组合件 51， 所述框架组合件经配置以将占用者座位 52 支撑 于装置 50 安置于其上的表面上面。框架组合件 51 的基底区段 54 搁置于所述表面上以为 装置 50 在使用中时提供稳定基底。框架组合件 51 还包含座位 52 安装于其上的座位支撑 框架 56。可如上文所描述来配置座位 52 及座位支撑框架 56 以支持若干任选座位定向。座 位框架 56 大体悬吊于基底区段 54 上方以允许座位 52 在操作期间的往复移动。为此目的， 框架组合件 51 的直立柱 58 从基底区段 54 向上延伸以充当提升器或脊状柱， 支撑臂 60 从 所述提升器或脊状柱径向向外延伸以与座位框架 56 会和。
在此实例中， 柱或脊状柱 58 相对于其纵向长度沿大体垂直的定向而定向。柱 58 可具有外部外壳 59， 所述外部外壳可以任一所需或适合的方式配置以提供悦目或所需的美 感外观。
在外壳 59 内， 装置 50 包含通常以 62 指示且示意性地显示于图 10 中的驱动系统。 驱动系统 62 大体界定旋转轴 R( 图 9)， 支撑臂 60 从所述旋转轴悬臂伸出且支撑臂 60 围绕 所述旋转轴往复运动， 如上文所描述。为此目的， 驱动系统 62 包含驱动轴件 64。在此实例 中， 轴件 62 是连接在框架组合件 51 内的管状杆以将运动从驱动系统 62 传送到支撑臂 60。 轴件 62、 且因此旋转轴 R 相对于垂直参考向上延伸成角度 θ。在操作中， 电动机 66( 例如， DC 电动机 ) 驱动具有 ( 例如 ) 蜗轮 68 及蜗轮从动件 70 的齿轮系， 为易于图解说明而示意 性地描绘所述蜗轮及所述蜗轮从动件。
在一些情况下， 蜗轮从动件 70 可携载充当曲柄轴件的销或栓 ( 未显示 )。在此情 况下， 电机 66 始终沿相同方向转动， 且所述销从齿轮从动件 70 的旋转轴发生位移 ( 即， 偏 移 )， 使得齿轮从动件 70 的旋转致使所述销沿圆形或旋转路径前进。所述销的自由端延伸 到耦合到轴件 62 的 U 形或有凹口的托架 ( 未显示 ) 的垂直定向的凹槽中。以此方式， 所述 销沿所述圆形路径的移动从纯粹的旋转运动变换为轴件 62 的振荡或往复运动。尽管电机 66 为单个方向， 但所述有凹口的托架在一个半循环期间沿一个方向且在另一半循环期间沿 相反方向发生位移。接着， 所述曲柄轴件的传送到所述有凹口的托架的能量经由弹簧 ( 未 显示 ) 作用于摆动枢转轴件 ( 未显示 ) 上。接着， 所述摆动枢转轴件链接或耦合到驱动轴 件 62 以使支撑臂 60 振荡通过其运动图案。在此实例中， 所述弹簧可充当旋转阻尼机构以 及蓄能器。所述弹簧可经实施以用作类离合器元件以通过允许电机 66 与轴件 62 之间的不 同步运动来保护所述电机。 因此， 在此情况下， 轴件 62 并非直接连接到电机 66， 借此形成间 接驱动机构。 所揭示的儿童运动装置可但不需要利用间接驱动技术以允许所述电机支持装置 的固有共振频率下的运动。如上文所描述， 通常施加间接驱动以克服系统中存在的阻尼， 同时以其它方式允许所述系统在共振下移动。适合电机驱动系统的实例及相关技术描述 于美国专利第 5,525,113 号 (“敞顶式秋千及控制 (Open Top Swing andControl)” )、 第 6,339,304 号 “ ( 用于在每一摆动循环后更改到驱动电机的电力的秋千控制 (Swing Control for Altering Power to Drive 电机 After Each Swing Cycle)” ) 以及第 6,875,117 号 ( “秋于驱动机构 (Swing Drive Mechanism)” ) 中， 所述专利的揭示内容以全文引用的方式 并入本文中。
所揭示装置及方法的实践不限于上述间接驱动技术， 而是可替代地涉及若干不同 电机驱动方案及技术中的任一者。因此， 驱动系统的组件可显著变化且仍归属于本发明的 精神及范围内。实例性驱动系统 62 提供非常适合结合儿童运动装置 50 一起使用的往复运 动， 因为驱动机构及其机械链接允许在电机到占用者座位的耦合中存在某一滑动量。 然而， 肯定存在可替代地用于将所需的振荡或往复运动赋予给本文中所揭示装置的支撑臂的许 多其它可能的驱动机构或系统。
一种此类技术涉及其中电机轴件以机械方式链接到摆动枢转轴件而不允许任何 滑动的直接驱动机构。在此情况下， 可经由切换的电机电压极性 ( 即， 正向及反向驱动信 号 ) 沿不同方向驱动所述电机以实现往复运动。接着， 所述机械链接经配置以适应双向运 动， 不同于上文所描述的实例性驱动系统中的窝轮及其它机械链接组件。可以开放回路或 闭合回路方式给所述电机供电。 在开放回路系统中， 以交替的极性向所述电机施加电力， 使 得可通过调整所施加的电压、 电流、 频率或工作循环来控制摆动速度 ( 或摆动角振幅 )。替
代系统以固定的极性施加电力， 其中经由机械链接形成往复运动。直接驱动系统的闭合回 路控制可涉及与开放回路控制中所实施的控制技术类似的控制技术， 尽管可经由位置反馈 技术来优化。借助反馈信息， 可调整并优化所施加的电压及其它参数以最高效地获得或控 制到所需的摆动振幅。
其它任选驱动技术可包含或涉及弹簧操作的上发条机构、 磁系统、 电磁系统或用 以将驱动机构能量及运动转换为所揭示装置的往复或振荡运动的其它装置。
根据本发明的一个方面， 装置 50 通常经配置以支持模仿父母所提供的摇摆运动 的频率下的移动。为此目的， 驱动系统 62， 不论是间接还是直接， 使支撑臂 60 移动使得座 位 52 沿运动路径以发现为在提供摇动式摇摆运动以哄慰儿童的看护者中在统计上普遍的 频率范围内的频率往复运动。如上文所描述， 本文中所描述的装置通常经配置以模仿还可 涉及标高改变的左右摇摆移动。对于此类型的哄慰移动， 父母通常用低速摇摆 / 摆动运动 来哄慰其孩子， 所述低速摇摆 / 摆动运动由具有大约 0.5Hz(0.4973Hz) 的中频及 0.1244Hz 的标准偏差的正态分布 ( 即， 贝尔曲线 ) 恰当地表示或进行近似。在一个数据集中， 所述中 频是 0.48Hz。 因此， 此实验数据识别从约 0.37Hz 到约 0.62Hz 的一个所需频率窗口或范围。 由所述实验数据支持的第二所需频率范围从约 0.4Hz 达到约 0.5Hz。尽管准确的频率可取 决于座位 52 的定向， 但显示为有效的一个实例性频率是约 0.4Hz。 不同于直接驱动系统 ( 其中驱动系统可经配置以使支撑臂以所需频率移动 )， 具 有间接驱动系统的装置经设计以通过固有共振以所需频率往复运动。为此目的， 本发明的 一个方面大体针对复摆运动路径， 其使得可能通过具有合理装置尺寸的系统的固有共振来 实现所需的运动频率。遗憾地， 单摆式配置将需要 129 英尺的摆臂来获得大约 0.5Hz 的固 有共振频率。因此， 可经由从所述支撑臂及旋转轴的配置及定向产生的经修改摆式移动来 提供低频范围内的移动， 如下文所描述。
装置 50 的频率由于其经修改的摆式几何性而接近类似大小的常规摆式秋千的一 半频率。更具体来说， 所述几何性通常支持具有方位角改变及标高改变两者的秋千臂运动 路径。所述标高改变是驱动系统的旋转轴从垂直偏移的结果， 使得座位在其接近往复运动 行程的每一端点时克服重力而升高。 所述几何性的促成所述方位角改变及标高改变两者的 另一特征是支撑臂与旋转轴的角度， 其致使所述支撑臂的轨迹为圆锥形， 如上文所描述。 在 图 9 及 10 的实例中， 所述角度是锐角， 使得圆锥形路径朝向端点产生较陡峭 ( 即， 较快速 ) 的标高改变 ( 相对于具有 90 度的角度的定向 )。
由于前述原因， 装置 50 的固有频率保持为重力及摆臂长度的函数， 但还取决于秋 于旋转轴与垂直形成的角度 θ 及摆臂与所述旋转轴的角度 Φ。如下界定共振频率 ：
图 9 及 10 中所示的装置 50 是可容易地定尺寸及以其它方式设计以通过改变这些 装置参数达到系统的所需固有共振频率来满足特定频率度量的配置的一个实例。在图 9 中 所示的实例中， 所述系统的固有共振频率基于 14 英寸的摆臂长度 L、 13 度的旋转轴件角度 θ 及与 73 度的旋转轴的摆臂角度 Φ 而从初始频率改变。 所产生的装置设计频率 是新设计参数 L*、 θ* 及 Φ* 的函数， 所述新设计参数是原始参数与参数改变的总和。L* ＝ L+ΔL， θ* ＝ θ+Δθ， φ* ＝ φ+Δφ 存在的固有频率超过设计频率的比率是根据以下方程式的无因次设计工具 ：图 11 到图 13 显示频率比对这些系统参数 ( 即， ΔL、 Δθ 及 ΔΦ) 改变的响应。 借此， 可从初始共振频率导出所述参数中的每一者的实例性适合范围。 举例来说， 使用图 16 中的标绘图， 假定前述在统计上有效的频率范围， 适合旋转轴偏移角度范围从约 12 度达到 约 22 度。假定初始共振频率 ( 例如， 0.4Hz) 及对应频率响应标绘图， 可针对其它参数导出 另外的适合范围。
以上所描述的基于共振频率的运动技术的一个优点在于重力提供往复运动行程 之间的平滑转变。平滑移动又产生较清晰的运动曲线。也就是说， 由装置提供的移动的频 率分布不会与因必须强行地反转支撑臂的方向而产生的不合需要的频率分量混杂。 借助基 于重力的技术， 产生往复运动不需要任何物理阻止件。在无由阻止件产生的冲击载荷的情 况下， 所揭示装置的复合运动路径避免了骤然或急动移动， 从而仅留下主要的所需频率下 的平滑且易变的运动。
基于共振频率的运动技术的另一优点在于儿童运动装置可经设计以支持操作频 率的基于用户的调整或选择。 如上述揭示内容中所描述， 一开始应注意， 间接驱动机构可提 供变化的加速度级、 且因此变化的速度。 为这些目的， 可经由速度选择或设定来控制上述装 置。然而， 速度改变的结果仅是弧形运动路径长度的改变， 而未使频率改变。为调整频率， 上述运动装置中的任一者可包含 ( 举例来说 ) 可调整支撑臂或可调整座位框架。更具体来 说， 对支撑臂长度或定向的调整将产生对频率的修改。 类似地， 对座位的调整可类似地改变 摆臂的长度， 从而又调整了频率。在直接驱动实施例中， 可通过改变电机驱动的速度及 / 或 循环来调整频率。在任一情况下， 儿童运动装置可经配置以允许及支持结构重配置或用户 接口选择元件以实现对频率的调整。
结合图 14 到图 17 提供关于本文中所描述的复摆运动路径的另外的细节。具体来 说， 图 14 是与上文所描述的运动装置类似地配置的实例性运动装置的示意性表示， 所述实 例性运动装置用于在所需固有共振频率下的振荡且以具有三个框架轴或向量的坐标参考 框架表示。总的来说， 图 15 到图 17 中的加速度标绘图中的每一者中所示的曲线例示经由 所揭示的复摆运动路径产生的运动的平滑性质。 可通过相对于所述参考框架界定旋转轴及 从所述旋转轴延伸到所述参考框架的摆臂来陈述关于所述复合运动路径的更具体的细节。 用于复合弧形运动路径的解决方案支持摆长度不影响总装置大小的结论。 所述装置具有不 仅由摆臂的长度 1 而且由围绕旋转轴的角度 Ψ 及所述摆臂与所述旋转轴形成的角度 α 界 定的加速度曲线。可经由动力学原理导出以下摆动加速度方程式 ：
如上文所描述， 所述装置的摇篮可围绕 框架向量旋转角度 β， 针对相应的向外、切线及向内定向为 ： -90、 0 或 90 度。座位或摇篮还使婴儿围绕旋转的 向量斜向角度 Φ。图 16 及 17 描绘针对切线及向外摇篮定向以及给定斜向角度的加速度特性。
ab ＝ CφCβas
上述哄慰运动路径通常经设计以模仿父母在来回摇摆的同时摇动孩子。 可将此移 动描述为摇篮位置的偏转及滚动的组合。可将偏转及滚动视为与围绕图 14 中所界定的三 条轴中的两者的旋转移动对应。以此方式， 所揭示的儿童运动装置可模仿涉及围绕两条轴 ( 穿过父母肩膀之间的横向轴以及界定父母对称线的垂直轴 ) 的旋转的父母哄慰技术。尽 管替代选项可包含围绕第三轴的旋转或俯仰的组合， 但下文所描述的替代装置谈及更为普 通的哄慰技术 ： 大体垂直的弹跳， 其单独使用或结合上文所描述的偏转滚动组合摇摆运动 路径使用。
根据本发明的另一方面， 一种儿童运动装置经配置以模仿涉及大体垂直的弹跳移 动的父母哄慰技术。已发现此移动在统计上来说是均匀的， 其具有大约 3.0Hz 的主频及约 0.15Hz 的标准偏差。 若干装置可经配置以赋予此相对高频的运动。 适合的解决方案通常包 含而不限于基于垂直活塞的设计 ( 例如， 加压空气系统或沿上文所描述的旋转轴定向的电
机及曲柄布置 ) 及径向振荡器设计 ( 例如， 用于大体垂直振荡的支撑臂的偏转 )。 下文所描 述的是用于提供在统计范围内的所需频率下的运动的具体实例。 提供所述实例是基于以下 理解 ： 所述实例可与前述旨在提供摇摆运动的实例在任一所需程度内组合。 接着， 可赋予用 户选择运动路径中的一者或两者以供操作的选项。接着， 可致动与一个或多个选定运动路 径对应的一个或两个驱动系统以产生在一个或多个所需频率下的选定移动。
图 18 显示其中支持摇摆及弹跳运动两者的许多可能实例中的一者。关于摇摆运 动， 支撑臂 150 具有耦合到枢转杆 154 的受驱动端 152。杆 154 经支撑而用于围绕旋转轴 R 沿大体垂直定向的旋转。在此实例中， 框架组合件具有基底区段 156， 所述基底区段具有各 自端接于装置的脊状柱的外壳 162 内的向上延伸部分 160 中的一对支腿 158。这些框架部 分或支腿 158 是基底区段 156 的线性延伸部分且彼此横向间隔开。其远端 162 连接到上部 承载块 164 且以旋转方式保持于上部承载块 164 内。这些框架部分或支腿 158 的下部区域 在下部承载块或电机安装件 166 内以旋转方式保持于适当位置中。
每一承载块 164、 166 具有用于接纳且以旋转方式支撑支撑臂杆 154 的中心承载开 口。在此实例中， 杆 154 的下端 170 可端接于下部承载块 166 下面且耦合到电机或其它驱 动机构 172。 驱动机构 172 可经配置以使所述杆、 且因此所述支撑臂往复地旋转通过预定行 进角度， 例如上文所描述的 120 度。电机或驱动机构 172 可包含可由用户操纵以调整有角 度的行进、 旋转速度等的特征。操作者面板、 触摸垫装置、 遥控单元或用户接口可提供于外 壳 162 的一部分上， 其具有按钮、 触摸屏幕、 键盘、 开关、 这些特征的组合或者用户可操纵以 存取、 操作、 调整及更改装置的各种性能特性的类似特征。图 1 显示触摸垫、 屏幕或携载于 外壳 39 的上部部分上的其它用户接口元件 174 的一个实例。
虽然本文中未详细地显示， 但所述驱动机构的组件可显著变化且仍归属于本发明 的精神及范围内。在测试及证明为正常运转的一个实例中， 所述驱动机构可呈耦合到所述 杆以产生所需运动的机电系统的形式。在一个实例中， DC 或 AC 电动机可耦合到蜗轮， 所述蜗轮接着可耦合到蜗轮从动件。所述从动件可驱动曲柄轴件。所述驱动轴件的能量可通过 有凹口的托架从纯旋转运动变换为振荡或往复运动， 所述有凹口的托架又耦合到弹簧。所 述弹簧可耦合到所述杆以通过其运动使所述支撑臂振荡。
所述弹簧 ( 未显示 ) 可充当旋转阻尼机构以及蓄能器。所述弹簧可经实施以用作 类离合器元件以通过允许电机与杆之间的不同步运动来保护所述电机。因此， 所述杆不需 要直接耦合到所述电机。 肯定存在还可用于将所需的振荡或往复运动赋予给本文中所揭示 装置的支撑臂的许多其它能的驱动机构或系统。 这些机构或系统可包含弹簧操作的上发条 机构、 磁系统、 电磁系统或用以将驱动机构能量及运动转换为所揭示装置的往复或振荡运 动的其它装置。在每一情况下， 本文中所揭示装置的构造允许驱动系统部件装纳于外壳中 且定位于儿童座位水平线下面。 因此， 所述机构不造成妨碍， 从而致使对占用者的噪声级降 低、 产生高度紧凑的产品配置及对儿童座位的几乎不受阻碍的接近。
继续参考图 18， 可赋予所需的弹跳移动的结构的一个实例涉及经配置以在所需频 率下振荡的基于弹簧的系统。为此目的， 弹簧 176 捕获于上部承载块 168 与定位于杆 154 上的弹簧阻止件 178 之间。所述驱动机构可经配置以沿杆 154 的轴将垂直移动或振荡赋予 杆 154 的下端 170。如下文进一步描述， 弹簧 176 可阻尼但帮助保持到支撑臂的振荡蹦床 移动。 举例来说， 耦合到驱动系统的弹簧可以其固有频率压缩及扩张， 所述固有频率可与所 需频率匹配。以此方式， 驱动机构 ( 例如， 螺线管及电磁铁布置 ) 用作能量恢复机构以维持 恒定的弹跳振幅且借此克服系统中的任何摩擦损失。或者， 可以机械方式构造杆 154 及弹 簧 176 以准许座位沿支撑臂 156 的移动以产生不时的用户启动的弹跳运动。举例来说， 儿 童的运动或父母的触摸可赋予此机械弹跳运动。 图 19 及 20 针对用于实现在有效范围内的所需频率下的弹跳运动的替代配置。每 一实施例通常包含用以沿大体垂直的轴件或杆产生正弦运动的凸轮， 所述大体垂直的轴件 或杆可与上文结合摇摆运动所描述的旋转轴对应。 尽管一些实例可依赖于所述凸轮自身来 支撑儿童的体重， 但所描绘的两个实施例借助经配置以抵消儿童的静态体重的弹簧来减小 所述凸轮上的负载。
参考图 19， 蹦床驱动系统包含凸轮 250， 所述凸轮经配置以在通常以 252 指示的从 动件布置中产生正弦运动。可将凸轮 250 配置为具有孔 254 的盘形或圆形结构， 所述孔从 中心偏移与所需弹跳运动的位移的一半对应的距离。凸轮 250 与轴件 256 一起旋转， 所述 轴件以传统方式配置有用以约束其旋转的键及支撑元件。所述旋转由经由通常以 260 指示 的齿轮传动装置耦合到轴件 256 的电机 258 驱动。齿轮传动装置 260 可包含齿轮对或齿轮 系， 所述齿轮对或齿轮系包含蜗杆及蜗杆从动件以解决来自凸轮 250 的任何反扭矩。
轮从动件或轴承 262 保持与从动轴件 264 接触， 所述从动轴件又通过轴套管 266、 268 保持于大体垂直的定向中。轴套管 266 为压缩弹簧 270 提供基底， 所述压缩弹簧用于 从凸轮 250 移除儿童的静态体重， 此又降低了驱动机构的扭矩要求。为此目的， 弹簧阻止件 272 经定位使得将弹簧 270 压缩到轮从动件 262 恰在低振幅点处触及凸轮 250 的程度。在 此实例中， 弹簧阻止件 272 成形为馈送穿过从动轴件 264 的销。为适应不同体重的儿童， 可 在从动轴件 264 中形成若干 ( 例如， 十二个 ) 等间隔的孔以接纳所述销。
图 19 中所示的实例性驱动系统可与上文中所描述的运动装置中的一者集成到任 一所需程度。在此实例中， 驱动机构安置于外壳 274 中， 所述外壳类似于 ( 如果不相同 ) 图
9 中所示实施例的外壳 59。套管 266、 268 可固定到外壳 274 或安置于其中的支撑结构。从 动轴件 264 可沿支撑臂 276 从其悬臂伸出的旋转轴 R 安置。以此方式， 可提供摇摆及弹跳 运动两者。
图 20 中显示替代蹦床驱动系统， 其中用相似参考编号识别与先前实施例一样的 元件。在此实例中， DC 电机 258 的轴件具有直接附接到其的蜗杆 276。蜗杆 276 与充当混 合式水平凸轮及蜗轮的凸轮齿轮 278 配合。凸轮齿轮 278 的周边表面 280 具有用以啮合蜗 杆 276 的螺旋状齿。凸轮齿轮 278 的顶表面 282 相对于周边表面 282 的平面偏斜， 使得凸 轮齿轮 282 的旋转产生所需的弹跳移动。
凸轮齿轮 278 由直接位于负载下方的垫座轮 284 支撑以防止凸轮齿轮 278 变形。 从动轮 286 连接到负载轴件 264。在操作中， 从动轮 286 骑跨凸轮齿轮 278 的偏斜平面， 同 时弹簧 270 移除负载的静态分量且套管 266、 268 将驱动系统固定地定位于外壳 288 内。
如图 21 的实例中所示， 弹跳运动可替代地由经配置而用于径向偏转的结构及布 置提供。在这些情况下， 通过使儿童悬吊于位于弹簧臂 302 的端处的座位 300 中来大体形 成径向振荡器。对于相对较小的有角度偏转， 在摆动臂 302 的端处看到的运动是相对垂直 的 ( 模仿父母的运动 )。可使用标准弹簧方程式来计算此系统的固有共振频率。可使用各 种驱动系统来维持弹簧臂 302 的共振偏转。 转到图 22， 替代设计通过涉及使儿童座位 350 悬吊于滑轮驱动缆索 352 上的垂直 弹跳运动来运送坐着的儿童。滑轮可以预定的所需频率卷绕 / 退绕缆索 352， 从而以平滑 的上下弹跳运动方式移动儿童。所述滑轮可由电机装置 ( 未显示 ) 直接驱动或者经由经配 置而以所需频率振荡的一个或一个以上螺旋弹簧 354 驱动。在后一情况下， 驱动机构 ( 未 显示 ) 可耦合到所述弹簧布置以提供能量来克服任何系统阻尼损失。其它基于弹簧的配置 ( 例如， 螺旋状延伸弹簧 ) 也可适合用于支持高频共振移动。
本文中所揭示的各种儿童运动装置实例的细节可显著变化且仍归属于本发明的 精神及范围内。用于形成框架组合件部件、 脊状柱部件及所添加特征的构造及材料可从塑 料到钢管再到其它适合材料及部件结构而不同。驱动系统组件也可不同， 如用于所述驱动 系统中以产生所揭示装置的所需运动及功能的特征可不同。 儿童座位底部或基底可经配置 使得其以任一适合方式与座位夹持架啮合。如本文中所揭示， 可在座位基底中提供垂直凹 口或成垂直角度的凹口。 座位夹持架管或其它材料的大小可经配置以滑动到所述凹口中以 与座位啮合。重力及儿童的体重可足以将座位保持于所述夹持架中。然而， 如果需要， 那么 可采用强制闭锁结构。 所述座位还可经配置以包含共用特征， 例如， 吊带系统、 提把、 可枢转 托盘及硬塑料壳。所述座位的基底可具有摇动、 弹跳或固定支撑结构配置且所述座位可采 用垫、 盖或其它适合软物品。 如上所述， 所述座位夹持架可经配置以固持例如婴儿摇篮或其 它儿童支撑装置的其它装置。
所述座位还可经配置以配合在相关产品的平台或系统内。换句话说， 所述座位 可从所揭示运动装置中的一者移除且容易地放置于经配置以接纳所述座位的不同产品 中。 举例来说， 此类相关产品可以是摇篮式秋千框架、 标准摆型秋千框架、 蹦床框架、 婴儿车 (stroller)、 车式儿童座椅 (car seat base) 或娱乐平台。以此方式， 产品系统可在儿童年 幼时用作哄慰或安静装置， 接着经变换以供作为娱乐装置使用。 在另一实例中， 儿童座位可 固定到支撑臂且不可移除。
上文所描述的是经设计以在以约 0.5Hz 为中心的第一哄慰频率范围中操作的若 干低频摇摆装置。这些及其它装置还经设计以充当在以约 3Hz 为中心的第二哄慰频率范围 中操作的供电的蹦床。所揭示的儿童运动装置可经配置以经由 ( 例如 ) 同时发生的摇摆及 弹跳移动来提供整合有两种哄慰频率的运动。另一选择为或另外， 所揭示的装置可经配置 以单独地提供两种哄慰频率。在这些情况下， 所述装置可配置有用于用户选择及在各种操 作模式之间拨动的开关或其它硬件。
上述儿童运动装置提供具有复合运动路径的儿童秋千的多个实例， 所述复合运动 路径具有可能哄慰儿童所处的共振频率。 在共振频率下的操作允许以大效率且因此以低功 率驱动所述装置。前述实例阐述用于赋予在共振频率下或接近共振频率的沿运动路径的 往复移动的数个选项。所述选项包含间接及直接驱动技术以及对位置反馈的开路及闭路 控制。这些技术及系统以与共振频率匹配的频率驱动儿童运动装置的支撑臂及座位以实 现在共振下或接近共振操作的性能优点。举例来说， 具有弹簧作为类离合器机构的上述间 接驱动系统可产生在由装置框架建立的共振频率下或接近共振频率的所需摇摆运动， 所述 装置框架又经设计使得共振频率落在凭经验发现为看护者用来哄慰的频率范围内。 如上所 述， 在所述及其它情况下， 可通过调整施加到电机的电压或工作循环来调整或控制摆动速 度 ( 或摆动角度振幅 )。可在用户在数个可用摆动速度 ( 或摆动角度振幅 ) 中的一者之间 进行选择时调整这些参数。
在一些情况下， 足够低或足够高的摆动速度选择可导致所需摆动频率与驱动系统 的频率之间的断开。换句话说， 驱动电机可相对于摆动臂或座位太慢或太快地转动以致无 法高效且平滑地支持在所需摆动频率下的摇摆运动。因此， 秋千可在可用于由用户选择的 摆动速度中的一些摆动速度下展示出不规律的或不平滑的行为。
对于某些驱动系统， 此行为可更明显或显著。尽管弹簧允许上述系统中的某一滑 动， 但如果驱动频率未匹配 ( 例如， 处于或接近 ) 共振频率， 那么驱动系统仍可能低效地操 作。在直接驱动系统中， 改变电机的速度以调整摆动角度振幅导致摆动频率的对应改变。
不管驱动技术是直接的还是间接的， 使驱动电压的振幅变化以调整摆动速度 ( 或 摆动角度振幅 ) 的驱动系统中均可能出现断开。举例来说， 在许多市售秋千中， 通过单极性 电机驱动电压的电平来控制摆动角度。电机的速度与所述驱动电压成正比。因此， 为支持 两个不同摆动振幅 ( 低及高 )， 可向电机选择性地施加两个或两个以上电压电平， 如以上所 参考的美国专利第 5,525,113 号中所描述。如其中在第 10 栏、 第 52 到 54 行中所阐述， “ 优选地， 电机大致以恒定速度操作， 而不管输入到电机的电压如何” 。当电机或更一般来说 驱动系统未配置成以所述方式操作时， 可能接着发生断开及不合意的行为。
断开尤其与直接驱动系统相关。在这些系统中， 摆动频率与电机速度成正比。由 于电机速度随选定的电机驱动电压变化， 因此摆动频率也改变。 因此， 虽然系统可经设计以 针对一些摆动角度振幅在共振下操作， 但共振并非用于所有摆动角度振幅。结果为在一些 操作设定下的不规律或功率低效的运动。
因此， 本发明的一个方面针对放弃单极性驱动电压而采用驱动电压信号， 所述驱 动电压信号支持其中的每一者涉及在共振下的操作的多个摆动速度 ( 或摆动角度振幅 )。 在以下所述的驱动系统及方法中， 驱动电压信号依赖于变化的工作循环或应用时间来调整 电机速度且因此调整摆动速度。因此， 驱动电压信号可包含具有处于或接近秋千框架的共振频率的频率的脉冲序列。由于驱动电压信号与共振频率匹配， 因此可使驱动系统与机械 系统的运动同步。此外， 由于脉冲的电压电平不需要改变来适应不同的操作设定， 因此， 序 列中的每一脉冲的电压电平可经优化使得所产生的电机速度与也匹配共振频率的电机驱 动频率对应。由于这些原因， 秋千的操作在所有操作设定下均展示出平滑、 高效的移动。
现在参考图 23， 显示根据本发明的这些方面的经配置以产生驱动电压信号的驱动 系统电路 400。 电路 400 可形成上述装置 ( 包含， 例如儿童运动装置 20( 图 1 到 5) 及 50( 图 9 及 10)) 中的任一者的驱动系统的组件。电路 400 接收来自以 402 示意性地显示的电力 供应源或电源， 所述电力供应源或电源可或可不是电路 400 的整体组件。在一些情况下， 电 力供应源 402 包含向电路 400 的剩余部分以及儿童运动装置的任何其它电阻件 ( 例如， 音 频播放器 ) 提供 DC 电力 ( 例如， 6 或 12 伏 ) 的若干个电池单元。此外或另一选择为， 电力 供应源 402 可包含 AC/DC 转换器， 其用于给电池单元充电或用于产生直接施加到电路 400 的剩余部分的 DC 电力信号。另一选择为或另外， 电力供应源 402 可包含或耦合到电压调节 器、 电力调节电路、 电涌保护电路、 接地故障中断电路及用于沿向电路 400 的组件供应电力 的线 404、 406 产生所需电力源的任一其它电路或装置。电力供应源 402 的特性、 组件、 功能 及输出可显著变化且仍保持与以下所述的驱动电压技术兼容。
电路 400 还包含通常旨在输送或检索来自看护者的信息的若干个用户接口模块 或元件 408。举例来说， 一个用户接口模块 408 可经配置以允许用户在若干个可用摆动速 度 ( 或摆动角度振幅 ) 之间进行选择。在一些情况下， 用户接口模块 408 可包含一个或一 个以上开关 ( 例如， 按钮 ) 以便于对不同数目个 ( 例如， 六个 ) 可用摆动速度设定中的一者 的选择。在其它情况下， 拨盘或其它用户接口元件可提供从离散或连续范围的摆动速度设 定中选择的能力。旨在摆动速度控制的用户接口模块或元件 408 的性质、 类型及其它特性 可显著变化。所述用户接口模块或元件也可应用于各种各样的其它用户设定， 包含电源接 通 / 关断选择。
电路 400 还可包含经配置以收集关于儿童运动装置的运动的位置、 速度及其它数 据的一个或一个以上反馈传感器 410。将反馈数据提供给微控制器 412， 所述微控制器处理 所述数据以确定用于电机驱动器 414 的控制信号。所述控制信号引导电机驱动器 414 产生 用于电机 416 的电机驱动电压。所述反馈数据用于各种电机控制目的， 包含启动控制例程 及速度控制。在许多情况下， 所述反馈数据适用于按由就座于装置中的儿童的体重及体型 产生的不同负载进行调整。传感器 410 可安置于各种位置中以收集数据。在一些情况下， 一个或一个以上传感器 410 可与电机 416、 驱动轴或由所述电机驱动的任一其它组件 ( 例如 支撑臂 60( 图 9)) 通信。在一些情况下， 传感器 410 在性质上可为光学的， 例如包含一个或 一个以上光电检测器 / 发光二极管配对 ( 未显示 )， 其可配置为光中断检测器， 例如以上所 参考的美国专利第 5,525,113 及 6,339,304 号中所描述的光中断检测器。另一选择为或另 外， 电路 400 可包含旋转编码器、 解析器或用以检测位置及因此检测电机的速度数据的任 一其它电、 光学或机械装置。反馈传感器 410 可适用于使电机 416 的操作与座位的运动同 步。为此目的， 微控制器 412 可使用所述反馈数据来确定驱动电压信号中的脉冲的时序， 如 下文所述。
可使用若干种市售微控制器产品来执行微控制器 412 的功能中的一些或全 部 功 能。 上 文 所 参 考 的 美 国 专 利 第 6,339,304 号 中 详 细 说 明 了 来 自 微 芯 科 技 公 司(MicrochipTechnology Inc.)、 摩托罗拉公司 (Motorola， Inc.) 及齐格洛公司 (Zilog， Inc.) 的适合实例连同可适用于控制电路 400 的若干其它特性及特征。更一般来说， 术语 “微控制器” 及 “控制器” 在本文中广泛用来包含任何处理器或处理系统， 而不管所涉及的硬 件、 固件或软件组件的数目、 形式、 类型、 技术或其它特性如何。例如， 微控制器 412 可包含 数字信号处理器 (DSP)、 专用集成电路 (ASIC) 或可配置以用于电机控制的任一其它类型的 芯片或芯片组。此外， 微控制器 412 可经配置以处置电路 400 的其它组件 ( 例如电机驱动 器 414) 的任务中的一者或一者以上。例如， 一些实例可包含配置有或包含脉宽调制 (PWM) 输出以在不需要或使用单独的电机驱动器的情况下形成电机驱动电压的微控制器。 在此类 情况下， 所述 PWM 输出提供用于施加到电机 416 的有效模拟电压电平或振幅的电压调节的 机制。因此， 对电机驱动电压的电压电平或振幅的提及包含基于 PWM 的调节技术及基于非 PWM 的调节技术两者。此外， 不应将构成 PWM 输出的脉冲与以下所述的应用脉冲序列混淆， 因为 PWM 脉冲用来确定脉冲包络的有效电压电平、 持续时间及其它特性。
电机驱动器 414 可用于响应于由微控制器 412 提供的一个或一个以上控制信号而 进行电压调节或产生。例如， 另一选择为或另外， PWM 及其它电压调节可由电机驱动器 414 处置。所述电压调节或产生的性质可随电机类型变化。因此， 电机驱动器 414 可包含用于 AC 电机的可变频率驱动控制的反相器。在此类情况下， 电路 400 的微控制器 412 及其它组 件可经配置以产生适合于 DC 电机的控制信号， 接着所述控制信号由电机驱动器 414 转换成 等效 AC 驱动信号。在涉及 DC 电机的许多情况下， 电压调节及产生功能由微控制器 412 处 置， 如上文所述。
本文中所述的驱动电压信号并不局限于任一类型的电机。仅举几个实例来说， 电 机 416 可以是 DC 电机， 例如可从具有型号 RF-500TB 及 RS-550PC 的万宝至电机有限公司 (Mabuchi Motor Co.Ltd.)(www.mabuchi-motor.co.jp/en US/index.html) 购得的电机。 实际上， 驱动电压信号技术所支持的灵活控制可放宽电机 416 的性能规格， 从而使得使用 各种不同的电机成为可能。
图 24A 及 24B 描绘根据本发明的这些方面的电机驱动技术配置的电机驱动电压信 号的两个实例。 每一电机驱动电压信号通常经配置以确保儿童运动装置可针对所有所需摆 动速度 ( 或摆动速度振幅 ) 在共振下操作。在这些实例中， 电机驱动电压信号是针对如电 机 416 的 DC 电机而设计， 但可依据本文中的标绘图及说明导出等效 AC 驱动信号。在每一 情况下， 驱动电压信号具有与儿童运动装置的共振频率匹配的频率。每一信号的驱动电压 频率是在所述标绘图中所识别的循环持续时间的倒数。在其中使用 PWM 技术导出信号的实 施例中， 电机驱动电压信号的频率与信号包络频率而非构成 PWM 脉冲的 ( 一个或多个 ) 频 率对应， 所述构成 PWM 脉冲在每一循环 ( 或半循环 ) 中被合在一起有效地形成标绘图中所 示的脉冲。在任一情况下， 微控制器 412 产生电机驱动电压信号或导引电机驱动电压信号 的产生， 如本文中所述。
根据电机驱动技术的一个方面， 驱动电压频率为恒定的， 而不管所需摆动速度 ( 或摆动角度振幅 ) 如何。恒定的驱动频率允许一致地以与儿童运动装置的共振频率匹配 的频率驱动电机。如上所述， 装置框架尺寸及配置确定共振频率且在许多情况下不可能更 改。因此， 驱动电压频率可保持设定为处于或接近已知的共振频率。使驱动电压频率与共 振频率匹配不需要涉及确切相等的频率， 因为即使在以稍微偏离共振的频率驱动系统时也可实现显著的效率增益。此外， 微控制器 412 还可必须适应往复移动中的捣乱或针对所述 捣乱进行调整。在其中可由用户进行机械调整 ( 例如， 支撑臂长度的调整 ) 的情况下， 控制 器 412 可响应于所述调整而使驱动电压频率相应地变化。
驱动电压信号的每一循环包含一个或一个以上脉冲以建立工作循环， 所述工作循 环又确定摆动速度。所述工作循环与每一脉冲的长度对所述循环的总持续时间的比对应。 在频率恒定且因此循环持续时间恒定的情况下， 每一脉冲的长度可经调整以使电机 416 的 工作循环变化且控制所述工作循环。换句话说， 脉冲长度有效地确定每一循环期间的向支 撑臂施加且最终向座位施加扭矩的时间 - 即， 电机驱动电压的施加时间。
微控制器 412 通常使用来自传感器 410 的反馈数据使驱动电压信号与往复移动同 步。如以上结合儿童运动装置 20、 50 所述， 反馈信息允许调整并优化电机驱动电压及其它 控制参数以实现在所需摆动速度 ( 或摆动角度振幅 ) 下的高效操作。一般来说， 微控制器 412 响应于反馈数据而确定电机驱动电压中的脉冲的时序。举例来说， 微控制器 412 可使 用指示位置的反馈数据确保在运动反转方向之后 ( 而非之前 ) 不久就施加脉冲。微控制器 412 可经配置以选择在运动路径期间施加脉冲的最高效时间。在任一情况下， 施加到电机 416 的每一脉冲产生用于建立或维持所需摆动速度的扭矩。 因此， 增加或减小脉冲的长度调 整每一循环期间的扭矩量且因此调整往复运动的速度。换句话说， 通过使脉冲的持续时间 变化而非使每一脉冲的电压电平变化来实现摆动速度 ( 或摆动角度振幅 )。 以这些方式， 微 控制器 412 可影响到用户经由用户接口 408 选择不同的摆动速度 ( 或摆动角度振幅 )。
使用工作循环控制摆动速度允许针对儿童运动装置优化每一脉冲的电压电平或 振幅。 所揭示的驱动技术的此方面尤其适用于与其中电机的速度与摆动频率成正比的直接 驱动实施例结合。 电机速度也与电压电平成比例， 因此所述电压电平直接确定摆动频率。 在 这些及其它情况下， 电机驱动信号中的每一脉冲的振幅保持恒定为适于儿童运动装置的共 振频率的电平。因此， 电压电平可经选择以与产生和共振频率匹配的电机频率的电机速度 对应。
电机驱动电压信号中的脉冲可驱动沿单个方向或沿两个方向的往复运动。如图 24A 的实例中所示， 每一循环包含分别对应于往复运动路径的正向及反向方向的正脉冲及 负脉冲两者。相比之下， 图 24B 描绘其中仅在两个部分中的一者中施加脉冲借此支持沿正 向或反向方向的运动的实例。接着， 电机驱动器允许装置完全惯性运动完成沿另一方向的 移动。微控制器 412 可经配置以在必要时产生 ( 或引导产生 ) 任一类型的脉冲序列或在两 种类型之间进行选择以实现给定摆动速度。
虽然非常适合于直接驱动实施例， 但所揭示的驱动信号技术并不局限于任一特定 驱动类型、 构造或机构。直接及间接驱动系统两者均可使用并获得来自所述技术的效率增 益。所揭示的驱动信号技术也不局限于任一特定类型的框架或往复运动路径。
使用上述驱动信号技术通常导致在适当时间给电机 416 加脉冲以匹配儿童运动 装置的固有频率。所揭示的技术还允许电机速度匹配儿童运动装置的共振频率。除了由在 共振频率下或接近共振频率的操作产生的显著效率增益外， 上述驱动系统及方法还提供若 干个优点， 包含 ： 不管儿童的体重如何而一致的运动、 最小的能量消耗 ( 且因此， 延长电池 式装置或电池运行时间 )、 廉价驱动系统组件的使用及施加到驱动组件的应力的减小 ( 且 因此， 延长产品寿命 )。所揭示的驱动系统及方法还可简化其它驱动系统组件的构造及设计， 这是因为可较容易地获得在共振下的操作。
虽然本文中已根据本发明的教示内容描述了某些儿童运动装置， 但本专利的涵盖 范围并不局限于这些儿童运动装置。相反， 本专利涵盖完全归属于所许可等效内容的范围 内的本发明教示内容的所有实施例。