专利名称：婴儿摇椅执行器及相关系统的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种新型的微处理器控制执行器，其以平缓频率摇动婴儿摇椅系统，该频率根据该婴儿摇椅系统床所支撑的婴儿重量进行了优化。本发明也提供了一种新型的婴儿摇椅系统，其包括该新型微处理器控制执行器。
在一个实施例中，基于微处理器的控制系统也发出平缓的声音，该控制系统控制执行器的摇动。
背景技术：
一个婴儿摇椅系统包括摇篮状座位和弹性金属框架，其中摇篮状座椅支撑并摇动处于坐式或者卧式位置的婴儿，该弹性金属框架包括由相对一致表面支撑的基部和向上延伸以支撑该座椅的角状部分。可将角状部分朝框架的基部向下弯曲，以提供平缓摇动。婴儿摇椅框架和座位的通常配置和设计是公知的。参见，例如美国专利No.6594840和5269591。
摇椅支撑框架是弹性回弹系统。从而，如果受到接近于婴儿摇椅的固有频率的摇动节奏的作用，该框架将有效并且自然地摇动。婴儿摇椅的固有摇动频率是根据支撑于摇椅座位中的婴儿重量变化的。(一个婴儿的平均重量在约6磅至24磅之间变化。)人们相信，用于安抚婴儿的最有效节奏是接近于人类心跳速率的节奏(其为在子宫内婴儿习惯了的节奏)。从而，婴儿摇椅将优选地以每分钟约70至约100次摇动。理想地，对于从约6磅至约24磅的婴儿重量，适当设计的弹性回弹摇椅支撑框架系统将以每分钟从60至100次(近似1Hz至约1.7Hz)的固有频率摇动。
美国专利No.6629727(‘727专利)公开了一种婴儿承载器，其具有摇椅式运行模式，在运行中摇椅机构产生和谐振动。‘727专利的承载器以一高频率振动并且摇椅机构产生低水平的作用力。
当前存在的固定速度执行器(例如，机动摇摆执行器)没有有效地随婴儿摇椅一起使用，以影响固有摇动运动或者实现最佳摇椅频率。
从而，存在对婴儿摇椅及自动支撑并以最佳平缓频率摇动婴儿的相关执行器的需要。此类摇椅将理想地需要最少的手动干预来确保连续和平缓摇动，并将具有自动搜索并设置执行器速度的能力来与每分钟60至100次范围内的固有摇动频率相匹配，以模仿自然、平缓的和谐摇动。
发明内容
本发明提供了一种全新微处理控制执行器，其以平缓频率摇动婴儿摇椅系统，该频率根据该婴儿摇椅系统床所支撑的婴儿重量进行了优化。本发明也提供了一种全新婴儿摇椅系统，其包括该全新微处理器控制执行器。
本发明的一种微处理器控制执行器包括(a)一支架，其用于连接并摇动婴儿摇椅系统；(b)一运动传感器，其可产生对应于婴儿摇椅系统作用力的信号，并且为该支架所包围与支撑；(c)一基于微处理器的控制系统，其可检测并存储运动传感器信号，并且为该支架所包围与支撑；(d)一DC电动机，(i)其可与电源连接，(ii)其与基于微处理器的控制系统电连接，(iii)在运行中，其在由基于微处理器的控制系统调节的一个水平上接受供应电压，以及(iv)其为该支架所包围与支撑；(e)一减速机构，其包括一中心轴并为该支架所包围与支撑，其中的中心轴与该DC电动机旋转连接并受该DC电动机驱动；(f)一可旋转偏心平衡块，其同轴地安装于减速机构的中心轴上，做旋转运动，以产生离心力，并且其为该支架所包围与支撑；其中校准该基于微处理器的控制系统，以使该DC电动机的供电电压水平保持在一数值，该数值优化为将婴儿摇椅系统摇动保持于一平缓频率，例如，约1至2Hz。
优化设置该减速机构的减速比，使得在约为最大电机供电电压的约40％至约90％的微处理器控制DC电动机供电电压范围上，执行器的偏心平衡块的转速为每分钟约50至100次。
当向DC电动机提供DC动力时，该电动机与旋转减速机构接合并转动该减速中心轴，致使该偏心平衡块以旋转方式运动而产生离心力，该离心力使得执行器摇动婴儿摇椅系统。
依据物理定律，如果执行器的速度接近或者与支撑一婴儿的婴儿摇椅系统的固有摇动频率相匹配，该摇椅系统将以该婴儿摇椅系统的固有频率有效地摇动(共振)。如果该执行器速度不与固有摇动频率一致，不管其是否快于或者慢于此频率，则支撑婴儿的婴儿摇椅系统将不发生共振，并将显示出低频率间歇性摇动或者根本不摇动。
如下面详细所述，该基于微处理器的控制系统由以下方法进行校准(1)在DC电动机供电电压水平(Vn)范围上确定并存储运动传感器信号频率值(Fn)；(2)比较所存储的Fn值并确定最大运动传感器信号频率值(Fmax)和在Fmax下DC电动机供电电压水平(Fmax的V)；存储Fmax的V。
本发明的婴儿摇椅系统包括(a)弹性支撑框架，其适于定位于相对水平的表面；(b)摇篮状床，其在适于稳定支撑婴儿的高起位置上，连接于该框架并受其支撑；以及(c)本发明的微处理器控制执行器，其中该执行器支架可安装于弹性支撑框架上以传输摇动力。
在一实施例中，用于控制该执行器的该基于微处理器的控制系统也包括声音-记录回放微处理器，其产生可转变为平缓声音的信号，通过变换器或其他适当的设备，与婴儿摇椅系统摇动同步地发出该声音。
在下面详细说明中，将详细描述本发明的这些和其他特征。
图1显示本发明的婴儿摇椅系统的一个实施例的侧视图。
图2显示本发明的执行器的一个实施例的剖视图。
图3显示一个流程图，用于编写控制本发明的执行器的基于微处理器的控制系统。
图4显示本发明的执行器的一个实施例的作用力示图，其中该实施例包括两个同轴安装的可旋转偏心平衡块。
图5显示用于本发明的基于微处理器的控制系统的一个实施例的框图。
具体实施例方式
图1说明本发明的婴儿摇椅系统的完全示意性实施例。
参照图1，弹性支撑框架1适于定位在相对水平的表面。在适于稳定支撑婴儿的高起位置上，摇篮状床2连接并支撑于弹性支撑框架1，微处理器控制执行器3可通过任意数量的公知装置附着于弹性支撑框架1上，并被接合以向摇动床2传输摇动力，其中的公知装置包括但不局限于按扣、夹子、带子、棘爪、锁和销。在一实施例中，微处理器控制执行器3挂在弹性支撑框架1上并向该框架传输摇动力。优选地，执行器3仅连接于床2的摇动部并且检测和匹配弹性支撑框架1的固有摇动频率。更为优选地，以与弹性支撑框架1的固有振动频率匹配的节奏，执行器3产生平缓的推力和拉力。
图2显示本发明的执行器的单个偏心平衡块实施例，其包括一支架4并且其为该框架4所包围与支撑。参照图2，DC电动机5通过导线33与基于微处理器控制系统11电连通。用于本发明的DC电动机优选为由动力电池组系统、远程电池组系统或者壁装插座电压供电。供电电压约等于或小于12V，并优选利用碱性或者充电电池供电，电压从约6V至7.2V。
可用于本发明的DC电动机为本领域技术人员所公知的。可用于本发明的DC电动机包括，但并不局限于带传动DC电动机、耦合直列DC电动机和单轴DC电动机。优选地，该DC电动机设计为在约4.5至7.2V的范围内运行。可用于本发明的执行器的一些DC电动机的特例包括但并不局限于Mabuchi碳刷或精密金属刷直流电动机，例如型号RC260RA-18139、RC280RA-20120和其他同等结构。
图2中，基于微处理器的控制系统11(1)通过电压调节器13与DC电源电连通；以及(2)通过导线35与运动传感器19电连通，其中运动传感器19包括由弹性线15和簧片开关21连接的磁化平衡块17。基于微处理器的控制系统11包括线路，其产生表示和缓声音的信号并且通过导线37与变换器9电连通以传输此类和缓声音。通过机械连接7使DC电动机5与减速机构23连接。偏心平衡块29安装于旋转部件31上，其同轴安装于减速机构23的中心轴27。
当向DC电动机5供应电压时，通过机械连接7，DC电动机5接合并转动减速机构23的中心轴27，从而致使转动部件31和偏心平衡块29，以在偏心半径25和摆动执行器支架4内以钟摆式转动方式转动、摇摆。
包括功率晶体管电动机驱动电路的脉宽调制(PWM)电路和线性电压调节器电路优选用于调节DC电动机的供电电压。可用于调节电动机电压的功率晶体管电动机驱动电路包括但不限于Sony晶体管2SD882。可用于调节电动机电压的线性电压调节器电路包括但并不局限于National SemiconductorLM317可调节的调节器。
可用于本发明的执行器的运动传感器包括图2中所示的磁体和簧片开关系统，也包括其他运动开关系统，其包括但并不局限于瞬时接触运动开关、水银开关和红外运动传感器。
可用于本发明的执行器的减速机构包括但并不局限于如图2中所示的滑轮和皮带系统，也包括齿轮链、摩擦轮、链条链轮系统和其他公知的机械连接系统。
在本发明的执行器中，通过机械连接，DC电动机可接合并旋转减速机构的中心轴，其中的机械连接包括但并不局限于带轮系统、齿轮链或者离合器系统。通过对于本领域技术人员来说是公知的其他设备，该DC电动机可接合并旋转减速机构的中心轴。这些替代设备包括，但并不局限于摩擦轮等。
对基于微处理器的控制系统进行编程以通过调节DC电动机电压水平来使执行器摇动力保持为一优选值。本发明的婴儿摇椅系统的优选频率为从每分钟约60次至约100次(约1至约1.7Hz)。
如图3的流程图所示，按如下方式，校准基于微处理器的控制系统并调节DC电动机电压。对基于微处理器控制系统校准开关进行激活100、检测102，并且该基于微处理器的控制系统为电动机设置104电压Vn为确定值(本示例中初始为Vmax)，使执行器运行106一时间段“t”。在该时间段t内记录108所检测的运动传感器信号值Fn。检测110电压，如果电压不等于最小电压Vmin(例如Vmax的40％)，则将Vn调节112为Vn+1，其中Vn+1等于Vn-“v”，其中“v”是小电压增量，其在优选实施例中为0.1v至0.5v，最优选为0.2v，并且执行器重新运行106一时间段t且在时间段t内重新记录108运动传感器信号值。重复这一流程直至在可接受的偏差内将Vmax确定为Vmin。
在图3中所示的示例中，Vn开始于“高”电压水平(例如，约为最大电源电压的90％)并且增量式地降至“低”电压水平(例如，约为最大电源电压的40％)，其中降低电压水平的每个增量约为-v。或者，Vn开始于“低”电压水平(例如，约为最大电源电压的40％)并且增量式地增至“高”电压水平(例如，约为最大电源电压的90％)，其中增加电压水平的每个增量约为+v。
在优选实施例中，最大电源电压位于约4.5v至约9v的范围内，对于电池运行，最优选为从约6v至约7.2v。
在优选实施例中，每个Vn的校准运行时间t为约5秒至约30秒，优选为约10秒至约15秒。
在如3中所示的发明的实施例中，在对Vn进行检测110并将其确定114为Vmin后，基于微处理器的控制系统(1)比较所记录的Fn值并确定最大的F最大值；以及(2)选择并存储116产生Fmax值的电压(Fmax的V)。该基于微处理器的控制系统设置118 DC电动机的电压水平为Fmax值的V，如果对基于微处理器控制系统校准开关的检测102指示没有激活该开关，DC电动机继续在Fmax的V上运行120，直至基于微处理器的控制系统被关闭或者预置运行时间已到期。
图2的基于微处理器的控制系统11包括一微处理器、至少一传统输入输出板以及一预定电压，其中微处理器包括至少一传统模数转换板，预定的电压可设置在适宜的电压上，例如6v。图5显示可用于本发明的基于微处理器的电控制系统的实施例的框图。
参照图5，用于本发明的基于微处理器的电控制系统的一个实施例包括通过系统总线电路74连接的下列元件电池50、AC/DC转换器52、开关72、运动传感器54、微处理器56、声音和记录集成电路(IC)58、与DC电动机68连接的电机驱动功率晶体管放大电路60或者与DC电动机68连接的电压调节器62、麦克风64和扬声器66。应当理解的是，图5是非常简化的。例如，没有显示出微处理器56与声音和记录IC 58的每个电路部分的详情，因为它们各自对于本领域技术人员是公知的。此外，虽然在图5中没有单独显示，输入/输出(I/O)引脚可包括在基于微处理器的电控制系统，以用于与外部线路连接。例如，此类I/O引脚可或多或少地与系统总线74相连，或者I/O引脚可作为外部信号线路的部件。
用于本发明的执行器的基于微处理器的控制系统也可包括声音记录和回放IC，其通过公知的设计产生各种平缓的声音(包括音乐、海浪声、或者父母声音信息记录)。基于声音记录和回放IC的控制系统可编程为通过麦克风记录声音，并且通过变换器(例如图2的变换器9)以与执行器的摇动相协调的时间间隔发出此类声音。本发明的此实施例提供了平缓摇动和声音的互补组合。
例如，诸如Winbond ISD5108 ChipCorder的声音记录和回放IC可包含于基于微处理器的控制系统中，并可利用诸如悦音或者海浪声的平缓声音对其进行编程；该基于微处理器的控制系统也可使得父母通过麦克风录制其自己的声音信息。
可用于本发明的执行器中的微处理器的范围很宽；这些微处理器包括但并不局限于由Texas Instruments制造的8051微处理器。
重新参照图2，当偏心平衡块29以钟摆状转动方式来旋转和摆动时，其在远离转轴中心的方向上产生离心力。当偏心平衡块29分别转至其最低位置和最高位置时，该作用力将向下拉或向上推摇椅座位(未显示)。由于离心力通常指向径向向外方向，当偏心平衡块29摆动至非垂直位置的位置时，就产生水平分量。当将执行器安装于婴儿摇椅框架时，摇椅框架支腿垫和支撑表面间的摩擦将与离心力的水平分量相平衡。
可在本发明的执行器中使用多个偏心平衡块。例如，在图4所示的双平衡块作用力图中，两个相同的偏心平衡块以钟摆状转动方式相反方向的旋转和摆动，并且通过同步减速机构连接。图4中所示的双偏心平衡块为彼此沿其中心垂直轴的“镜像”。从而，它们的离心力的水平分量将相互平衡并导致水平合力为零，而激发垂直摇动的垂直作用力分量将不受影响。
更为具体地，图4为与可转动偏心平衡块A和B的运动相关的作用力的示图，其中在本发明的执行器的一个实施例中，通过旋转连接45将偏心平衡块A和B轴向安装于减速机构(例如图2的减速机构23)。图4中显示的平衡块A和B的同步反向转动产生叠加的向下作用力A1和B1以及叠加的向上作用力A3和B3。图4中显示的平衡块A和B的同步反向转动产生抵消的水平作用力A2和B2。如图4所示，平衡块A和B的同步反向转动产生离心力，导致婴儿摇椅系统的摇动。
本发明的婴儿摇椅系统的一个优选实施例支撑一个重量在约6磅至约24磅的婴儿，以约1至2Hz的婴儿摇椅系统频率摇动该婴儿，并且包括于本发明的执行器相连的婴儿摇椅座位，其中该执行器包括两个偏心平衡块，每个重约50克至约300克；以及(2)当这些平衡块同轴地安装于减速机构的轴上并以钟摆状运动方式摆动时，每个偏心平衡块具有一偏心半径“Recc”，其范围为约10mm至约60mm，其中该减速机构的轴以每分钟约50至100转的速度转动。
权利要求
1.一执行器，包括(a)一支架，适于连接婴儿摇椅系统以传递摇动力；(b)一运动传感器，其可产生对应于婴儿摇椅系统摇动力的信号，并且为该支架所包围与支撑；(c)一基于微处理器的控制系统，其可检测并存储该运动传感器信号，并且为该支架所包围与支撑；(d)一DC电动机，(i)其可与电源连接，(ii)其与基于微处理器的该控制系统电连通，(iii)在运行中，其接受由基于微处理器的控制系统调节的电压，以及(iv)其为该支架所包围与支撑；(e)一减速机构，其包括一中心轴，并且为该支架所包围与支撑，其中心轴与该DC电动机旋转连接并被该DC电动机驱动；(f)一可旋转偏心平衡块，其同轴地安装于减速机构中心轴上，做旋转和钟摆状运动，并且其为该支架所包围与支撑；其中校准该基于微处理器的控制系统，以使该DC电动机的供电电压水平保持在一被优化的数值，使婴儿摇椅系统摇动保持在平缓的频率。
2.如权利要求1所述的执行器，其中设置该减速机构的减速比，以使得在最大DC电机电压的约40％至约90％的微处理器控制DC电动机供应电压范围内，该执行器的偏心平衡块的转速为每分钟约50至约100次，并且该平缓频率是该婴儿摇椅系统在支撑一个婴儿时的共振频率。
3.如权利要求1所述的执行器，其中校准该基于微处理器的控制系统并通过一种方法调整DC电动机电压，该方法包括(a)取回一对应于最大DC电动机供电电压水平(Vmax)的数值并设置DC电动机供电电压水平Vn初始为Vmax；(b)选择一执行器运行时间间隔t；(c)以Vn在时间间隔t上运行该执行器，并且在时间间隔t内检测并记录运动传感器信号值Fn；(d)取回对应于最小DC电动机供电电压水平(Vmin)的数值，检测Vn，并且如果在可接受的偏差内Vn不等于Vmin，就通过减去电压增量v来调节Vn；(e)重复步骤(c)和(d)直至在可接受的偏差内Vn等于Vmin；(f)比较在每个Vn上记录的Fn并确定最大Fn值(Fmax)和对应于Fmax的Vn(Fmax的V)；以及(g)设置DC电动机的供电电压为Fmax的V。
4.如权利要求1所述的执行器，其中校准该基于微处理器的控制系统并通过一种方法调整DC电动机供电电压，该方法包括(a)取回一对应于最大DC电动机供电电压水平(Vmin)的数值并初始设置DC电动机供电电压水平Vn为Vmin；(b)选择一执行器运行时间间隔t；(c)以Vn在时间间隔t内运行该执行器，并且在时间间隔t内检测并记录运行传感器信号值Fn；(d)取回对应于最大DC电动机供电电压水平(Vmax)的数值，检测Vn，并且如果在可接受的偏差内Vn不等于Vmax，就通过增加电压增量v来调节Vn；(e)重复步骤(c)和(d)直至在可接受的偏差内Vn等于Vmax；(f)比较在每个Vn上记录的Fn并确定最大Fn值(Fmax)和对应于Fmax的Vn(Fmax的V)；以及(g)设置DC电动机供电电压为Fmax的V。
5.如权利要求3所述的执行器，其中Vmax约为最大电源电压的90％，而Vmin约为最大电源电压的40％。
6.如权利要求4所述的执行器，其中Vmax约为最大电源电压的90％，而Vmin约为最大电源电压的40％。
7.如权利要求3所述的执行器，其中v的范围为约0.1v至约0.5v。
8.如权利要求4所述的执行器，其中v的范围为约0.1v至约0.5v。
9.如权利要求3所述的执行器，其中最大电源电压的范围为约4.5v至约9v。
10.如权利要求4所述的执行器，其中最大电源电压的范围约4.5v至约9v。
11.如权利要求3所述的执行器，其中t的范围为约5秒至约30秒。
12.如权利要求4所述的执行器，其中t的范围为约5秒至约30秒。
13.如权利要求1所述的执行器，其中在运行中该执行器以每分钟约60至约100次的频率摇动婴儿摇椅系统。
14.如权利要求3所述的执行器，其中在运行中该执行器以每分钟约60至约100次的频率摇动婴儿摇椅系统。
15.如权利要求4所述的执行器，其中在运行中该执行器以每分钟约60至约100次的频率摇动婴儿摇椅系统。
16.如权利要求3所述的执行器，其中在运行中该执行器以系统共振频率摇动婴儿摇椅系统。
17.如权利要求4所述的执行器，其中在运行中该执行器以系统共振频率摇动婴儿摇椅系统。
18.如权利要求1所述的执行器，其中在最大DC电动机电压的约40％至约90％的DC电动机供电电压水平上，该偏心平衡块转动为每分钟约50至约100转。
19.如权利要求1所述的执行器，其中对该基于微处理器的控制系统进行编程以播放平缓声音。
20.如权利要求1所述的执行器，其中对该基于微处理器的控制系统进行编程以播放预先录制的信息。
21.如权利要求1所述的执行器，其中该执行器还包括一电池组，其向该DC电动机供电。
22.如权利要求1所述的执行器，其中通过将该电压可调DC电动机电连接至壁装电压插座来对其供电。
23.如权利要求1所述的执行器，其中通过将该电压可调DC电动机电连接至远程电池组或者发电机来对其供电。
24.如权利要求1所述的执行器，其中在基于微处理器的控制系统的控制下，由脉宽调制器(PWM)或者线性电压调节器调节该DC电动机电压。
25.如权利要求1所述的执行器，其中该执行器包括两个可转动偏心平衡块(a)其与该减速机构轴同轴地安装于减速机构上，以进行转动的钟摆状运动，以及(b)其为该支架所包围与支撑。
26.如权利要求1所述的执行器，其中(a)该执行器包括两个偏心平衡块，其每个重约25克至约500克；以及(b)当减速机构轴以从每分钟约25至约150转的速度旋转时，该偏心平衡块每个均具有约10mm至约100mm的偏心半径。
27.如权利要求1所述的执行器，其中向该DC电动机供应的该最大电压处于约3v至约30v的范围。
28.如权利要求1所述的执行器，其中通过一机械连接，该DC电动机接合并转动该减速机构的中心轴。
29.如权利要求12所述的执行器，其中该机械连接是带轮系统、齿轮链、离合器系统或者摩擦轮。
30.一种婴儿摇椅系统，包括(a)一弹性支撑框架，其适于定位在相对水平的表面；(b)一摇篮状床，其在适于稳定支撑婴儿的高起位置上可连接并支撑于该框架；以及(c)一如权利要求1所述的执行器，其中该执行器支架可安装于该弹性支撑框架上以传输摇动力。
31.一种婴儿摇椅系统，包括(a)一弹性支撑框架，其适于定位在相对水平的表面；(b)在适于稳定支撑婴儿的高起位置上，可连接并支撑于该框架的一摇篮状床；以及(c)一如权利要求1所述的执行器，其中该执行器支架安装于该弹性支撑框架上以传输摇动力。
32.一种婴儿摇椅系统，包括(a)一弹性支撑框架，其适于定位在相对水平的表面；(b)在适于稳定支撑婴儿的高起位置上，可连接并支撑于该框架的一摇篮状床；以及(c)一如权利要求3所述的执行器，其中该执行器支架安装于该弹性支撑框架上以传输摇动力。
33.一种婴儿摇椅系统，包括(a)一弹性支撑框架，其适于定位在相对水平的表面；(b)在适于稳定支撑婴儿的高起位置上，可连接并支撑于该框架的一摇篮状床；以及(c)一如权利要求4所述的执行器，其中该执行器支架安装于该弹性支撑框架上以传输摇动力。
全文摘要
本发明提供了一种新型的微处理器控制执行器，该执行器以平缓的频率摇动一婴儿摇椅系统，该频率根据该婴儿摇椅系统床所支撑的婴儿重量进行了优化。本发明也提供了一种新型的婴儿摇椅系统，其包括该新型微处理器控制执行器。在一实施例中，控制该执行器的摇动动作的基于微处理器的控制系统也发出平缓的声音。
文档编号A47D9/02GK1714708SQ200410056499
公开日2006年1月4日 申请日期2004年8月11日 优先权日2004年6月28日
发明者黄少基, 张国友 申请人:镇泰有限公司