一種多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車的制作方法
【專利摘要】一種多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車，其車體結(jié)構(gòu)左右對稱，由兩個車頭組成。該多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車設(shè)有運(yùn)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置四個組成部件。車頭上部為中空箱體，內(nèi)部設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置，車頭下部設(shè)置有運(yùn)動裝置。運(yùn)動裝置由兩個車叉與車輪，為車輪提供動力和受控于電控裝置的兩個驅(qū)動電機(jī)、傳動齒輪組成?？s放裝置由車頭箱體內(nèi)的驅(qū)動電機(jī)、直線單元以及承載光杠組成。電控裝置由主控電路、多種傳感器及蓄電池組成。其特點(diǎn)是：用高速數(shù)字處理器對多個驅(qū)動點(diǎn)電機(jī)進(jìn)行控制，利用兩輪的不同位置關(guān)系自由切換多種運(yùn)動模式，能夠適應(yīng)多種路作業(yè)環(huán)境，運(yùn)動靈活，小巧輕便。
【專利說明】
一種多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車，確切地說，涉及一種無人駕駛的智能平衡載人輪式交通工具，屬于陸地交通工具技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]輪式交通工具在人類運(yùn)輸史上著有濃墨重彩的一筆，這種運(yùn)輸方式是陸路運(yùn)輸中不可缺少的。輪式交通工具可以從其穩(wěn)定性上分為兩大部分，一種為靜平衡型，其特征為車輪個數(shù)不少于3個，且輪輻面不共面布置，這種結(jié)構(gòu)能夠讓車體在靜止情況下保持平衡;一種為動平衡型，其特征為車輪有一個或兩個，車體能夠在運(yùn)動中保持平衡。
[0003]常見的動平衡輪式交通工具有自行車、Segway以及獨(dú)輪車三種。自行車兩輪所在平面前后共面(未轉(zhuǎn)動車把時)即兩輪前后布置，Segway兩輪軸線共線、兩輪所在平面平行即兩輪左右布置。自行車橫滾方向不穩(wěn)定，Segway俯仰方向不穩(wěn)定，獨(dú)輪車橫滾、俯仰方向都不穩(wěn)定，都是一種欠驅(qū)動機(jī)器人，其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動方式簡單、運(yùn)動高效，但其控制算法的設(shè)計具有一定的挑戰(zhàn)性、很強(qiáng)的學(xué)術(shù)意義和實用價值。
[0004]自行車兩個車輪前后分布，其在未轉(zhuǎn)動車把時其前后車輪所在平面是同一個。車體狹長，前后輪間的角度可變。自行車機(jī)動性強(qiáng)，直線前進(jìn)時能夠在狹窄的道路環(huán)境中高速行駛。車體靈活，使得其能夠應(yīng)對許多復(fù)雜路況，如起伏波動、蜿蜓曲折的道路，比如摩托車。其車身較長，雖然兩輪間能夠形成一定角度，但是還是無法避免其轉(zhuǎn)彎半徑較大的問題。這使得自行車在較小的空間內(nèi)無法完成轉(zhuǎn)向動作。這也就限定了自行車的應(yīng)用環(huán)境多為戶外開闊地。
[0005]Segway兩個車輪左右分布，其左右兩輪所在平面是平行的，且其左右輪的轉(zhuǎn)動軸線共線。車體地面投影面積小，兩輪軸向間距固定。Segway車體靈活，通過俯仰來控制車體運(yùn)動方向與速度，可以利用兩個車輪的差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑，這種特性使它的應(yīng)用環(huán)境得到了一定拓展。但Segway兩輪軸向距離較大，這使得其對于道路的寬度與平整度有一定的要求，故其僅能在平整的、地勢較平坦的地面上行駛，無法在起伏地面或狹窄路況下運(yùn)動。雖然Segway的軸向距離也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般汽車的寬度的，但由于其只有兩個輪子而且沒有減震環(huán)節(jié)，使得其無法在顛簸路面行駛，但Segway在狹窄空間的路面通過性遠(yuǎn)勝于汽車。
[0006]獨(dú)輪車是一種重心高而支點(diǎn)單一的滾動裝置。相比兩輪和四輪車來講，它對道路寬度沒有苛刻的要求，可以在崎嶇的小路上自由運(yùn)動。另外，其體積小巧，便于停放，是現(xiàn)代都市生活中乘坐公共交通工具的上班族所青睞的一種便攜代步工具。
[0007]為了表述方便，現(xiàn)對多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車做以下定義:兩個車輪中心連線的方向為車身的縱向，在同一水平面內(nèi)，與之相垂直的方向為車身的橫向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種新型的變結(jié)構(gòu)平衡車。依靠運(yùn)動裝置該平衡車能夠完成橫向、縱向以及軌跡跟蹤等動作;依靠轉(zhuǎn)向裝置該平衡車能夠控制兩輪與車身的相對轉(zhuǎn)角，從而使車身能夠穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)；依靠縮放裝置平衡車能夠改變平衡車兩輪的縱向軸距，從而使平衡車能夠適應(yīng)更加廣泛的作業(yè)環(huán)境并且易于停放;依靠電控裝置平衡車可以獲得車體的實時位姿參數(shù)，為主控處理器提空下一步輸出的決策條件。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車，其特征在于，其車體結(jié)構(gòu)左右對稱，由兩個車頭組成，設(shè)有運(yùn)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置四個組成部件。車頭上部為中空箱體，內(nèi)部設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置，車頭下部設(shè)置有運(yùn)動裝置。其中，
[0010]車頭上部為中空箱體，內(nèi)部設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置;車頭下部設(shè)置運(yùn)動裝置；
[0011]所述運(yùn)動裝置是由一個鉸接在車叉上的車輪，一個垂直固連在車叉上的受控于電控裝置的驅(qū)動電機(jī)，車輪與驅(qū)動電機(jī)通過內(nèi)嵌于齒輪輪轂上的內(nèi)齒輪和固連與驅(qū)動電機(jī)輸出軸上的外齒輪傳遞動力；
[0012]所述轉(zhuǎn)向裝置是由一個垂直固連在車頭支架下側(cè)受控于電控裝置的配有諧波減速器的驅(qū)動電機(jī)，一個垂直鉸接在車頭支架上的車叉，分別設(shè)置在諧波減速器輸出軸末端和車叉上端的傳動同步輪，和連接傳動同步輪的同步帶組成；
[0013]所述縮放裝置是由兩套對稱的直線機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，對稱布置在車頭兩側(cè)，直線機(jī)構(gòu)由一個水平固連在車頭支架上側(cè)受控于電控裝置的驅(qū)動電機(jī)，一套通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機(jī)固連與車頭支架上側(cè)的直線單元及一根通過支撐架固連在車頭支架下側(cè)的承重導(dǎo)桿組成，其中直線單元包括一套絲杠絲母，固定支架以及移動支架；
[0014]所述電控裝置是由數(shù)字信號處理芯片為的核心處理器，和外部搭載的傾角、角度、速度等多種傳感器及系統(tǒng)電源組成，用于收集機(jī)器人各部分運(yùn)動參數(shù)與控制機(jī)器人六個電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動的目的；
[0015]所述電控裝置中的多種傳感器包含:檢測車頭支架與車叉間轉(zhuǎn)角的角度傳感器，檢測車輪轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器，檢測兩輪軸距的距離傳感器，以及設(shè)置于主控電路板上的機(jī)器人位姿傳感器；
[0016]所述的多態(tài)變結(jié)構(gòu)平衡車車具有三種運(yùn)動狀態(tài):橫向運(yùn)動狀態(tài)、縱向運(yùn)動狀態(tài)以及類獨(dú)輪車運(yùn)動狀態(tài)，其中，雙輪車處在橫向運(yùn)動狀態(tài)時，兩車輪與車身縱截面垂直;處在縱向運(yùn)動狀態(tài)時，一車輪與車身縱截面平行，一車輪與車身縱截面成一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動以輔助雙輪車系統(tǒng)自平衡;處在類獨(dú)輪車運(yùn)動狀態(tài)時，兩車輪與車身縱截面垂直，兩車頭縱向距離縮短到最小。
[0017]本發(fā)明多態(tài)變結(jié)構(gòu)平衡車車的特點(diǎn)是是:用高速數(shù)字處理器對多個驅(qū)動點(diǎn)電機(jī)進(jìn)行控制，利用兩輪的不同位置關(guān)系自由切換多種運(yùn)動模式，能夠適應(yīng)多種路作業(yè)環(huán)境，運(yùn)動靈活，小巧輕便。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車整體組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明平衡車的轉(zhuǎn)向裝置及縮放裝置的正視圖。
[0020]圖3是本發(fā)明平衡車的轉(zhuǎn)向裝置及縮放裝置的上視圖。[0021 ]圖4是本發(fā)明平衡車的轉(zhuǎn)向裝置及縮放裝置的側(cè)視圖。
[0022]圖5是本發(fā)明平衡車在橫向運(yùn)動狀態(tài)下的示意圖。
[0023]圖6是本發(fā)明平衡車在縱向運(yùn)動狀態(tài)下的示意圖。
[0024]圖7是本發(fā)明平衡車在類獨(dú)輪車運(yùn)動狀態(tài)下的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0026]參見圖1?圖7，介紹本發(fā)明多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車的結(jié)構(gòu)組成:其車體結(jié)構(gòu)左右對稱，由兩個車頭組成。其中設(shè)有運(yùn)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置四個組成部件。下面分別說明。
[0027]運(yùn)動裝置(參見圖2和圖4)包括驅(qū)動電機(jī)2、車輪軸6、車叉11、車輪3以及傳動內(nèi)齒輪4和外齒輪5。其中車輪3通過車輪軸6鉸接在車叉11上，驅(qū)動電機(jī)2垂直固連在車叉上，車輪3與驅(qū)動電機(jī)2通過內(nèi)嵌于齒輪輪轂上的內(nèi)齒輪4和固連與驅(qū)動電機(jī)輸出軸上的外齒輪5傳遞動力。
[0028]轉(zhuǎn)向裝置(參見圖2?圖4)包括車頭支架28、驅(qū)動電機(jī)32、諧波減速器19、三足電機(jī)支架33、轉(zhuǎn)動套筒24以及傳動同步輪20、22和同步帶21。其中驅(qū)動電機(jī)32通過三足電機(jī)支架
33垂直固連在車頭支架28下側(cè)，輸出端配有諧波減速器19。諧波減速器19末端設(shè)置有同步輪20，通過同步帶21驅(qū)動設(shè)置在車叉11上端的同步輪22，同時帶動與轉(zhuǎn)動套筒24通過軸承鉸接的車叉11轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的目的。
[0029]縮放裝置(參見圖2?圖4)包括驅(qū)動電機(jī)25、聯(lián)軸器34、絲杠10、絲母及移動支架13、光杠9，、光桿支架23以及滑鞍12。其中驅(qū)動電機(jī)25水平固連在車頭支架28上側(cè)(參見圖3)，通過聯(lián)軸器34驅(qū)動絲杠10，絲母及移動支架13固連在車頭支架28下側(cè)，電機(jī)25帶動絲杠10轉(zhuǎn)動，通過絲母及移動支架13將轉(zhuǎn)動變成直線平動，進(jìn)而改變變結(jié)構(gòu)平衡車兩車頭間的距離;光杠9通過光杠支架23固連在車頭支架28下部(參見圖2)與絲杠10同側(cè)，滑鞍12固連在車頭支架28下部與絲母及移動支架13同側(cè)，為變結(jié)構(gòu)平衡車豎直方向提供載荷保障。
[0030]電控裝置是由數(shù)字信號處理芯片為的核心處理器，和外部搭載的傾角、角度、速度等多種傳感器及系統(tǒng)電源組成，用于收集機(jī)器人各部分運(yùn)動參數(shù)與控制機(jī)器人六個電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動的目的。所述電控裝置中的多種傳感器包含:角度傳感器14、傾角傳感器及數(shù)字信號處理芯片27、速度傳感器7、距離傳感器26、電機(jī)驅(qū)動器30以及系統(tǒng)移動電源29。角度傳感器14是用來檢測車頭支架與車叉間轉(zhuǎn)角的，通過碼盤支架15與諧波減速器19固連，諧波減速器19輸出端的同步輪18通過同步帶17帶動固連在角度傳感器14上的同步輪16從而獲得其轉(zhuǎn)過的角度，并通過導(dǎo)線匯總到數(shù)字信號處理芯片中；傾角傳感器及及數(shù)字信號處理芯片27固連在車頭支架28左側(cè)(參見圖3)，其中數(shù)字信號處理芯片等控制電路與其集成在一起，用于測量系統(tǒng)的位姿參數(shù);速度傳感器7通過碼盤支架8與車叉11固連，測量車輪3轉(zhuǎn)速;距離傳感器26與驅(qū)動電機(jī)25同軸布置，用于檢測兩輪軸距；電機(jī)驅(qū)動器30和系統(tǒng)移動電源29前后布置在車頭支架28的左下方(參見圖2)。
[0031]多態(tài)變結(jié)構(gòu)平衡車車具有三種運(yùn)動狀態(tài):橫向運(yùn)動狀態(tài)(參見圖5)、縱向運(yùn)動狀態(tài)(參見圖6)以及類獨(dú)輪車運(yùn)動狀態(tài)(參見圖7)。其中，平衡車處在橫向運(yùn)動狀態(tài)時，兩車輪3與車身縱截面垂直，驅(qū)動電機(jī)32、25鎖死，控制電路通過控制兩車輪3的轉(zhuǎn)速進(jìn)行直線運(yùn)動或者轉(zhuǎn)動;處在縱向運(yùn)動狀態(tài)時，一車輪3與車身縱截面平行，一車輪3與車身縱截面成一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動以輔助平衡車系統(tǒng)自平衡，兩臺驅(qū)動電機(jī)32 —臺鎖死，一臺受控于控制電路，兩臺驅(qū)動電機(jī)2—臺下電放開，一臺受控于控制電路，其中鎖死的驅(qū)動電機(jī)32與下電放開的驅(qū)動電機(jī)應(yīng)置于一側(cè)(參見圖1)?？刂齐娐吠ㄟ^控制驅(qū)動電機(jī)32與驅(qū)動電機(jī)2來是平衡系統(tǒng)保持穩(wěn)定或者進(jìn)行期望運(yùn)動;處在類獨(dú)輪車運(yùn)動狀態(tài)時，兩車輪3與車身縱截面垂直，兩車頭縱向距離縮短到最小，驅(qū)動電機(jī)25鎖死，兩臺驅(qū)動電機(jī)32保持同步控制，兩臺驅(qū)動電機(jī)2也保持同步控制。
[0032]多態(tài)變結(jié)構(gòu)平衡車控制策略是通過傾角傳感器及數(shù)字信號處理芯片27獲得車體的位姿參數(shù)，輸入到處理芯片中，再參考平衡車各個從角度傳感器14、速度傳感器7以及距離傳感器26獲得的系統(tǒng)各個部分參數(shù)，利用針對不同運(yùn)動狀態(tài)下芯片中固化的平衡算法對下一時刻6臺電機(jī)的輸出進(jìn)行計算，從而保證平衡車完成預(yù)期動作。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車，其特征在于:該車體結(jié)構(gòu)左右對稱，由兩個車頭組成，設(shè)有運(yùn)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置四個組成部件，其中， 車頭上部為中空箱體，內(nèi)部設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置、縮放裝置以及電控裝置;車頭下部設(shè)置運(yùn)動裝置； 運(yùn)動裝置是由一個鉸接在車叉上的車輪，一個垂直固連在車叉上的受控于電控裝置的驅(qū)動電機(jī)組成，車輪與驅(qū)動電機(jī)通過內(nèi)嵌于齒輪輪轂上的內(nèi)齒輪和固連與驅(qū)動電機(jī)輸出軸上的外齒輪傳遞動力； 轉(zhuǎn)向裝置是由一個垂直固連在車頭支架下側(cè)受控于電控裝置的配有諧波減速器的驅(qū)動電機(jī)，一個垂直鉸接在車頭支架上的車叉，分別設(shè)置在諧波減速器輸出軸末端和車叉上端的傳動同步輪，和連接傳動同步輪的同步帶組成； 縮放裝置是由兩套對稱的直線機(jī)構(gòu)構(gòu)成的，對稱布置在車頭兩側(cè)，直線機(jī)構(gòu)由一個水平固連在車頭支架上側(cè)受控于電控裝置的驅(qū)動電機(jī)，一套通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機(jī)固連與車頭支架上側(cè)的直線單元及一根通過支撐架固連在車頭支架下側(cè)的承重導(dǎo)桿組成，其中直線單元包括一套絲杠絲母，固定支架以及移動支架； 電控裝置是由數(shù)字信號處理芯片為的核心處理器，和外部搭載的傾角、角度、速度等多種傳感器及系統(tǒng)電源組成，用于收集機(jī)器人各部分運(yùn)動參數(shù)與控制機(jī)器人六個電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動的目的； 所述電控裝置中的多種傳感器包含:檢測車頭支架與車叉間轉(zhuǎn)角的角度傳感器，檢測車輪轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器，檢測兩輪軸距的距離傳感器，以及設(shè)置于主控電路板上的機(jī)器人位姿傳感器； 所述的多態(tài)變結(jié)構(gòu)雙輪車具有三種運(yùn)動狀態(tài):橫向運(yùn)動狀態(tài)、縱向運(yùn)動狀態(tài)以及類獨(dú)輪車運(yùn)動狀態(tài)，其中，雙輪車處在橫向運(yùn)動狀態(tài)時，兩車輪與車身縱截面垂直;處在縱向運(yùn)動狀態(tài)時，一車輪與車身縱截面平行，一車輪與車身縱截面成一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動以輔助雙輪車系統(tǒng)自平衡;處在類獨(dú)輪車運(yùn)動狀態(tài)時，兩車輪與車身縱截面垂直，兩車頭縱向距離縮短到最小。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)向裝置的動力輸入由驅(qū)動電機(jī)傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)間添加消隙減速傳動機(jī)構(gòu)，以便消除車叉在往復(fù)轉(zhuǎn)動時由回程差產(chǎn)生的角度誤差;消隙減速傳動機(jī)構(gòu)包括一個固連在車頭支架上的諧波減速器，一對分別與諧波減速器輸出端和車叉上端固連的同步輪以及配套同步帶組成，可通過大減速比將驅(qū)動電機(jī)內(nèi)部的間隙誤差消除，以達(dá)到精確控制系統(tǒng)的目的，該同步輪傳動機(jī)構(gòu)可替換為如消隙齒輪等消隙機(jī)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車，其特征在于:所述縮放裝置中的直線機(jī)構(gòu)包括固定在一車頭支架一側(cè)的絲杠支架，與另一個車頭支架所固連的通過絲母與絲杠形成螺旋配合的移動支架，一根通過固定支架與車頭支架一側(cè)固連，通過滑鞍與另一車頭支架一側(cè)固連的用于承載系統(tǒng)豎直方向載荷的承重光桿組成，以達(dá)到能夠改變兩輪軸距，使其能夠更大范圍的適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，使其形態(tài)接近獨(dú)輪車狀態(tài)，該平動驅(qū)動方式可替換為如直線電機(jī)等直線機(jī)構(gòu)。
【文檔編號】B62M7/00GK106005156SQ201610524122
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】郭磊, 宋原, 邢斌, 莫新虎, 張健, 何凱
【申請人】郭磊, 宋原, 邢斌