CN103112510A - 一种多地形自平衡两轮车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多地形自平衡两轮车，包括箱体、两套相同的行走轮机构和尾杆机构。行走轮机构包括轮履变换装置、行走轮驱动机构、内/外片行走轮和弹性履带。轮履变换装置通过步进减速电机组成的螺旋机构实现，通过直线滑动单元对直线电机配套的螺母及其连接板进行导向。行走轮驱动机通过合理分配同步带的传动比，实现内外片行走轮不同驱动轴下同一速度行走。车体尾部安装尾杆机构，其摆动由蜗轮蜗杆减速电机通过齿轮传动、链轮链条传动后驱动；在滚珠保持架的导向下，尾杆的伸缩由直线步进电机驱动；尾杆末节安装的万向轮在电机的作用下实现与地面的接触和分离。两轮车具有两轮式、三轮式或两轮+杆式三种运动模式，运动灵活且有很强的越障能力，能够在平地、楼梯、沟壑等多种地形环境下稳定行走。

Description

一种多地形自平衡两轮车

技术领域

发明涉及一种两轮车，具体涉及一种多地形自平衡两轮车，属于机器人技术领域。

背景技术

两轮自平衡车具有灵活的优点，但越障性较差，而履带式移动机器人越障能力强，但灵活性较差，如何将轮式机器人的灵活性和履带机器人的高越障性结合在一起是机器人机构技术的难点。

轮/履变结构移动机器人的研制在一定程度上大大提高了传统履带式机器人的灵活性，但作为一种传统的三轮和四轮机器人，与两轮自平衡移动机器人的灵活性相比，仍旧存在一定的差距。轮/履变结构移动机器人的专利文献较少，专利文献[公开号：CN101570216]提出了一种轮/履变结构的移动机器人，由带有轮/履变结构的行走轮和后面安装的万向轮组成。该机器人的越障碍能力较强，但由于轮子较多和体积上的限制，在一定路况下或狭小的空间内，其灵活性会受到限制。

两轮自平衡车的研究较为成熟，参考文献也较多，但现在的两轮自平衡车一般工作在平坦或较为平坦的路面上，在沟壑、楼梯等复杂路面上无法行走。由于两轮车的越障碍能力较差，所以两轮自平衡车的推广和应用受到了很大的限制。

本发明中的行走轮定位机构采用了申请号为“201210539103.6”（专利名称为“一种用于轮履变换结构移动机器人的可伸缩履带及行走轮定位机构”）中提出的行走轮定位方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多地形自平衡两轮车，通过改装带有轮/履变换装置的车轮，加装可伸缩、轮式/杆式可切换的尾杆机构，实现两轮车能够在平地、楼梯台阶、沟壑等多地形下通过特定的行走模式平衡稳定的行走。

本发明的多地形的自平衡两轮车包括：箱体、尾杆机构和两套相同的行走轮机构。

所述行走轮机构包括：弹性履带、外片行走轮、内片行走轮、行走轮驱动机构和轮履变换装置。其中轮履变换装置包括：直线步进电机A、光轴、滑块、支架、连接板A和两套相同的执行机构。行走轮驱动机构包括：驱动电机、外片行走轮驱动轴、齿轮轴、小同步带轮、同步带和大同步带轮。

所述尾杆机构包括：蜗轮蜗杆减速电机A、齿轮组、尾部摆杆驱动轴A、尾部摆杆驱动轴B、关节A、万向轮和连接座。

所述两套行走轮机构通过行走轮定位机构对称的安装在箱体的左端面和右端面，所述尾杆机构通过连接座与箱体后侧面的底部固接，并位于两套行走轮机构中间。所述轮履变换装置中的支架与箱体固接。

所述行走轮机构中，内片行走轮和外片行走轮同轴放置，弹性履带与内片行走轮和外片行走轮的外齿啮合。所述驱动电机的安装座固定在支架上，驱动电机减速后与齿轮轴相连，所述齿轮轴上固接有与内片行走轮内齿啮合的齿轮，从而驱动内片行走轮；所述小同步带轮与齿轮轴固接，小同步带轮通过同步带与大同步带轮相连。所述外片行走轮驱动轴与大同步带轮固接，外片行走轮驱动轴用于驱动外片行走轮。所述轮履变换装置位于内片行走轮和外片行走轮之间的位置；其中直线步进电机A安装在支架上，所述直线步进电机A通过螺杆沿竖直方向输出动力；与直线步进电机A输出轴配套的螺母与连接板A固接，所述滑块与连接板A固接。所述光轴竖直穿过连接板A和滑块后固接在支架上，所述连接板A和滑块能够沿光轴的轴线运动。所述轮履变换装置的两套执行机构沿光轴的轴线对称安装，每套执行机构包括均连杆A、连杆B和小脚轮。所述连杆A的一端与滑块铰接，另一端与连杆B在非端点处铰接；所述连杆B的一端与小脚轮连接，另一端和支座铰接，设该铰接点为A点，所述连杆B能够绕A点转动，从而收起小脚轮。所述轮履变换装置保证在收起两个小脚轮时，不影响两轮车的轮式移动；两个小脚轮展开时，两轮车能够实现履带式移动。

所述尾杆机构中，与连接座固接的蜗轮蜗杆减速电机A的输出轴通过齿轮组驱动尾部摆杆驱动轴A，尾部摆杆驱动轴A与尾部摆杆驱动轴B间通过链轮链条机构传递动力；所述尾部摆杆驱动轴A和尾部摆杆驱动轴B的轴线均与外片行走轮的轴线平行。所述关节A的一端固接在尾部摆杆驱动轴B的中间位置，另一端通过关节B连接万向轮安装座，万向轮固接在万向轮安装座上，所述万向轮的轴线与外片行走轮的轴线平行。所述关节A能够在尾部摆杆驱动轴B的带动下绕其轴线摆动。

所述尾杆机构中进一步包括直线步进电机B。所述关节A和关节B均为套筒结构，关节B与关节A相连的一端套装在关节A内。所述直线步进电机B安装在关节A内部与摆杆驱动轴B固接端的端部，直线步进电机B以螺杆作为输出轴，与直线步进电机B的输出轴配套的螺母固接在关节B上，通过直线步进电机B的驱动实现关节B的在关节A中的伸缩。

在所述关节A远离直线步进电机B安装端端面的内侧安装有滚珠保持架B，在关节B位于节A内部的端面的外侧安装有滚珠保持架A。

尾杆机构中还包括蜗轮蜗杆减速电机B，所述蜗轮蜗杆减速电机B固定在关节B安装万向轮的一端，蜗轮蜗杆减速电机B的输出轴与万向轮安装座连接，从而带动万向轮绕其轴线转动，实现万向轮与地面的接触和分离。

所述外片行走轮驱动轴的一端通过轴承与箱体连接，其中部通过轴承固定在轮履变换装置的支架上，从而提高外片行走轮驱动轴的强度。

有益效果：

（1）本发明对传统的两轮进行改进，改装有轮/履变换装置的车轮，在车体尾部加装可伸缩、轮/杆模式可切换的尾杆，大大增强了两轮车的越障能力，使其能够在平地、楼梯等多种地形环境下，以两轮式、三轮式或两轮+尾杆式等特定模式运行，实现了两轮车的多形性行走。

（2）本发明拓展了两轮车的使用范围，本发明拓展了两轮自平衡车的使用范围，使得这一成熟技术能够在军民两用上得到更好地推广：可以作为一种智能轮椅平台，使老年人或残疾人借助单一平台能够独立地在家庭、户外等多种场所下活动；还可在上面安装摄像头、机械臂等装置，作为军事侦察等的小型机器人平台。

（3）本发明的尾杆机构可伸缩，能够依据路况需求调整多节尾杆的长度，进一步提高其平衡能力和使用范围。

（4）尾杆机构中安装有滚珠保持架将尾杆伸缩时的滑动转换为滚动，减少摩擦，使其运动更灵活。

附图说明

图1为本发明多地形自平衡两轮车的结构示意图；

图2为轮/履变换装置的结构示意图；

图3为两片行走轮上采用的同步带传动示意图；

图4为尾杆机构的结构示意图；

图5为尾杆的伸缩结构及万向轮的摆动结构示意图。

其中：1-箱体，2-可伸缩履带，3-外片行走轮，5-关节B，6-万向轮，7-光轴，8-连接板A，9-滑块，10-固定座，11-外片行走轮驱动轴，12-螺杆，13-连接板B，14-内片行走轮，15-连杆A，16-连杆B，17-连接板C，18-齿轮轴，19-直线步进电机A，20-小同步带轮，21-同步带，22-大同步带轮，23-链轮链条机构，24-蜗轮蜗杆减速电机A，25-齿轮组，26-尾杆摆动驱动轴A，27-尾杆摆动驱动轴B，28-关节A，29-直线步进电机B，30-滚珠保持架A，31-滚珠保持架B，32-蜗轮蜗杆减速电机B，33-万向轮安装座，34-连接座，35-小脚轮

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种轮/履可变换、尾杆可摆动/伸缩、轮/杆式可切换的自平衡两轮车，该两轮车能够在平地、楼梯台阶、沟壑等不同地形条件下更换不同的行走模式，保证行走的平衡性和稳定性。

图1为该多地形自平衡两轮车的结构示意图，包括箱体1、左行走轮机构、右行走轮机构和尾杆机构。本实施例中箱体1上侧的为半圆柱形结构，左行走轮机构和右行走轮机构通过行走轮定位机构对称的安装在箱体1轴线方向的两端，尾杆机构的连接座34通过螺栓固接在箱体1外圆周面的底部，并位于左行走轮机构和右行走轮机构之间。

由于左行走轮机构和右行走轮机构结构相同，且分别采用独立的电机驱动，下面以左行走轮机构为例，对其进行详细介绍。左行走轮机构包括可伸缩履带2、外片行走轮3、内片行走轮14、行走轮驱动机构和轮/履变换装置，如图2所示。可伸缩履带2与内片行走轮14和外片行走轮3的外齿啮合，轮履变换装置位于内片行走轮14和外片行走轮3之间的位置，行走轮驱动机构用于驱动外片行走轮3和内片行走轮14。

所述轮/履变换装置通过螺旋传动的方式实现轮履变换结构的收缩，包括：驱动机构和两套执行机构，其中驱动机构包括直线步进电机A19、SCS直线滑动单元、连接板C17、连接板B13和连接板A8；两套执行机构沿外片行走轮3竖直中心线对称安装，共用一个固定座10，每套执行机构包括连杆A15、连杆B16和小脚轮35。其中SCS直线滑动单元包括光轴7和滑块9。

直线步进电机A19通过螺钉固接在水平连接板C17上，连接板C17通过4根竖直放置的螺杆12与水平连接板B13固接，连接板B13通过U型螺栓固接在与箱体1紧固连接的螺杆上，从而完成对直线步进电机A19的定位。直线步进电机A19以螺杆作为输出轴，该输出轴的轴线沿竖直方向；与直线步进电机A19配套使用的螺母固接在连接板A8上，直线步进电机A19转动，带动该螺母上下移动。SCS直线滑动单元的滑块9也与连接板A8固连，所述滑块9位于外片行走轮3竖直中心线所在平面内。SCS直线滑动单元的光轴7竖直穿过连接板A8和滑块9后通过带有攻丝的缩紧挡圈固连在连接板C17上，光轴7和滑块9起导向作用，而直线步进电机19和与之配套的螺母完成驱动作用。连杆A的一端与滑块9铰接，另一端与连杆B在非端点处铰接（如图2中的铰接点为B），连杆B的一端与小脚轮35连接，另一端和与箱体1固接的固定座10铰接（如图2中的铰接点为A）。轮/履变换装置能够在SCS直线滑动单元的导向作用和直线步进电机19的共同作用下，实现收缩，具体为：以图2中轮/履变换装置展开时的状态为初始状态，当需要将轮/履变换装置收起即收起小脚轮35时，直线步进电机A19转动，带动与其配套使用的螺母沿竖直方向向上移动，通过连接板A8带动滑块9向上移动，进一步通过连杆A15向上移动带动连杆B16绕A点转动，从而收起小脚轮35。

所述行走轮驱动机构包括驱动电机、外片行走轮驱动轴11、齿轮轴18、小同步带轮20、同步带21和大同步带轮22，如图3所示。本实施例中行走轮驱动机构的设计原理为：将内片行走轮14和外片行走轮3通过同一个电机减速后驱动，两个同步带轮之间通过同步带来传动，合理分配小同步带轮和大同步带轮的传动比，使外片行走轮3和内片行走轮14在不同驱动轴的作用下以相同的线速度运行。其具体结构为：驱动电机减速后与齿轮轴18相连，齿轮轴18上固接有与内片行走轮14内齿啮合的齿轮，从而带动内片行走轮14转动。小同步带轮20与齿轮轴18固接，小同步带轮20通过同步带21与大同步带轮22相连；外片行走轮驱动轴11与大同步带轮22固接，从而驱动外片行走轮3。为了提高外片行走轮驱动轴11的刚度，将外片行走轮驱动轴11靠近箱体的一端通过深沟球轴承和轴承端盖安装在箱体1上，同时将其中部通过轴承套将深沟球轴承固定在连接板C17上。

所述尾杆机构的结构如图4和图5所示，包括蜗轮蜗杆减速电机A24、齿轮组25、尾部摆杆驱动轴A26、尾部摆杆驱动轴B27、关节A28、关节B5、万向轮6和连接座34。其连接为：安装在连接座34上的蜗轮蜗杆减速电机A24的输出轴通过齿轮组25带动尾部摆杆驱动轴A26，尾部摆杆驱动轴A26与尾部摆杆驱动轴B27通过链轮链条机构23传递动力，关节A28的一端固接在尾部摆杆驱动轴B27的中间位置，另一端通过关节B5连接万向轮6。关节A28能够在尾部摆杆驱动轴B2的带动下摆动，最终实现整个尾杆的摆动，从而控制万向轮6是否和地面接触。由于蜗轮蜗杆减速电机A24本身带有自锁功能，所以多节尾杆不会在地面反作用力下而被动摆动，其摆动只受蜗轮蜗杆减速电机A24的主动控制。

为使尾杆机构的适用范围更广，且结构更紧凑，本实施例中对关节B5增加了可伸缩功能，对万向轮6增加了摆动功能。结合图5说明尾杆伸缩的实现原理和摆动的实现原理。关节A28为截面为方形的套筒，直线步进电机B29安装在关节A28内部与摆杆驱动轴B27固接端的端部。在关节A28远离直线步进电机B29安装端的轴向端面内侧安装有方形滚珠保持架B31，关节B5的一端套装在关节A28内部，且该端轴向端面外侧安装有方形滚珠保持架A30。通过方形滚珠保持架B31和方形滚珠保持架A30能够将滑动变为滚动。与直线步进电机B29配套的螺母固连在关节B5上，这样通过两个方形滚珠保持架完成导向作用，而通过直线步进电机B29的驱动完成关节B5从关节A28中的伸缩。在关节B5安装万向轮6的一端安装蜗轮蜗杆减速电机B32，用于带动万向轮安装座33的摆动，从而实现万向轮6的摆动。由于蜗轮蜗杆具有自锁功能，所有地面对万向轮6的反作用力不会使其被动摆动，其摆动只受蜗轮蜗杆减速电机B32的主动控制。

该自平衡两轮车是一种变结构体，随着路况环境的改变，该车可以选择两轮自平衡式、三轮式或两轮+可调长度的尾杆式等多种特定的模式运行。在较为平台的路面上，如马路、室内等环境下，以两轮式运行，充分发挥两轮的灵活性能；在较为坎坷的路面上，如泥土地或爬越楼梯时，以三轮式运行，改善了两轮车自平衡车的不稳定性；当遇到一定高度的障碍物或沟壑时，以两轮+尾杆的方式运行，尾杆在一定角度内的摆动可以起到一定的支撑作用，调整两轮自平衡车的姿态，达到越障碍的目的。在各模式的运行过程中，能够动态实现行走轮的轮式和履带式切换；尾杆做成可伸缩的关节，可以根据不同的工况或者在空间有限的条件下，灵活地调整尾杆的长度；当机器人以两轮方式运行时，尾杆收缩到很短的距离不占用空间，保证两轮的灵活性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多地形的自平衡两轮车，其特征在于，包括：箱体（1）、尾杆机构和两套相同的行走轮机构；

所述行走轮机构包括：弹性履带（2）、外片行走轮（3）、内片行走轮（14）、行走轮驱动机构和轮履变换装置；其中轮履变换装置包括：直线步进电机A（19）、光轴（7）、滑块（9）、支架、连接板A（8）和两套相同的执行机构；行走轮驱动机构包括：驱动电机、外片行走轮驱动轴（11）、齿轮轴（18）、小同步带轮（20）、同步带（21）和大同步带轮（22）；

所述尾杆机构包括：蜗轮蜗杆减速电机A（24）、齿轮组（25）、尾部摆杆驱动轴A（26）、尾部摆杆驱动轴B（27）、关节A（28）、万向轮（6）和连接座（34）；

所述两套行走轮机构通过行走轮定位机构对称的安装在箱体（1）的左端面和右端面，所述尾杆机构通过连接座（34）与箱体（1）后侧面的底部固接，并位于两套行走轮机构中间；所述轮履变换装置中的支架与箱体（1）固接；

所述行走轮机构中，内片行走轮（14）和外片行走轮（3）同轴放置，弹性履带（2）与内片行走轮（14）和外片行走轮（3）的外齿啮合；所述驱动电机的安装座固定在支架上，驱动电机减速后与齿轮轴（18）相连，所述齿轮轴（18）上固接有与内片行走轮（14）内齿啮合的齿轮，从而驱动内片行走轮（14）；所述小同步带轮（20）与齿轮轴（18）固接，小同步带轮（20）通过同步带（21）与大同步带轮（22）相连；所述外片行走轮驱动轴（11）与大同步带轮（22）固接，外片行走轮驱动轴（11）用于驱动外片行走轮（3）；所述轮履变换装置位于内片行走轮（14）和外片行走轮（3）之间的位置；其中直线步进电机A（19）安装在支架上，直线步进电机A（19）通过螺杆沿竖直方向输出动力；与直线步进电机A（19）输出轴配套的螺母与连接板A（8）固接，所述滑块（9）与连接板A（8）固接；所述光轴（7）竖直穿过连接板A（8）和滑块（9）后固接在支架上，所述连接板A（8）和滑块（9）能够沿光轴（7）的轴线运动；所述轮履变换装置的两套执行机构沿光轴（7）的轴线对称安装，每套执行机构包括均连杆A（15）、连杆B（16）和小脚轮（35）；所述连杆A（15）的一端与滑块（9）铰接，另一端与连杆B（16）在非端点处铰接；所述连杆B（16）的一端与小脚轮（35）连接，另一端和支座铰接，设该铰接点为A点，所述连杆B（16）能够绕A点转动，从而收起小脚轮（35）；所述轮履变换装置保证在收起两个小脚轮时，不影响两轮车的轮式移动；两个小脚轮展开时，两轮车能够实现履带式移动；

所述尾杆机构中，与连接座（34）固接的蜗轮蜗杆减速电机A（24）的输出轴通过齿轮组（25）驱动尾部摆杆驱动轴A（26），尾部摆杆驱动轴A（26）与尾部摆杆驱动轴B（27）间通过链轮链条机构（23）传递动力；所述尾部摆杆驱动轴A（26）和尾部摆杆驱动轴B（27）的轴线均与外片行走轮（3）的轴线平行；所述关节A（28）的一端固接在尾部摆杆驱动轴B（27）的中间位置，另一端通过关节B（5）连接万向轮安装座（33），万向轮（6）固接在万向轮安装座（33）上，所述万向轮（6）的轴线与外片行走轮（3）的轴线平行；所述关节A（28）能够在尾部摆杆驱动轴B（27）的带动下绕其轴线摆动。

2.如权利要求1所述的一种多地形自平衡两轮车，其特征在于，所述尾杆机构中进一步包括直线步进电机B（29）；所述关节A（28）和关节B（5）均为套筒结构，关节B（5）与关节A（28）相连的一端套装在关节A（28）内；所述直线步进电机B（29）安装在关节A（28）内部与摆杆驱动轴B（27）固接端的端部，直线步进电机B（29）以螺杆作为输出轴，与直线步进电机B（29）的输出轴配套的螺母固接在关节B（5）上，通过直线步进电机B（29）的驱动实现关节B（5）的在关节A（28）中的伸缩。

3.如权利要求2所述的一种多地形自平衡两轮车，其特征在于，在所述关节A（28）远离直线步进电机B（29）安装端端面的内侧安装有滚珠保持架B（31），在关节B（5）位于节A（28）内部的端面的外侧安装有滚珠保持架A（30）。

4.如权利要求1或2所述的一种多地形自平衡两轮车，其特征在于，所述尾杆机构中还包括蜗轮蜗杆减速电机B（32），所述蜗轮蜗杆减速电机B（32）固定在关节B（5）安装万向轮（6）的一端，蜗轮蜗杆减速电机B（32）的输出轴与万向轮安装座（33）连接，从而带动万向轮（6）绕其轴线转动。

5.如权利要求1所述的一种多地形自平衡两轮车，其特征在于，所述外片行走轮驱动轴（11）一端通过轴承与箱体（1）连接，其中部通过轴承固定在轮履变换装置的支架上。

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