CN105539663B - 可穿戴式双独轮自平衡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴式双独轮自平衡装置，包括由运动控制单元主控的两个独轮平衡单元，各独轮平衡单元包括基于脚踏板设置的行走驱动机构和转向驱动机构，行走驱动机构包括安装于轮架上的行走轮以及行走轮传动组件，轮架通过转向组件安装于支撑板下方，支撑板于脚踏板下方与之安装连接，行走轮传动组件包括行走电机，行走电机通过行走齿轮传动副连接行走轮；转向驱动机构设于支撑板上，包括转向电机，转向电机通过转向齿轮传动副连接转向轴，并设有检测转向轴转动幅度的绝对编码器。本发明通过分别控制两独轮平衡单元的运动姿态和相对位置，可以在独轮平衡车、双轮平衡车、平衡自行车的运行状态之间灵活进行切换。

Description

可穿戴式双独轮自平衡装置
技术领域
本发明涉及机器人技术应用基础领域，具体为一种可穿戴式双独轮自平衡装置。
背景技术
现有技术中的电动平衡车分为独轮和双轮两大类，其中，以Solowheel为代表的独轮平衡车是在两脚踏板中间安装车轮的独轮行驶结构，以Segway为代表的双轮平衡车则是车轮左右平行排布的双轮行驶结构，这两者的理论和技术相对较为成熟，且作为产品在市场上也有销售，而车轮前、后布置的载人平衡自行车还处在探索性研究阶段，离市场应用还有一定的距离。
从结构原理上分析，电动平衡车是以稳定控制为基础的动态系统，需要利用陀螺仪、加速度传感器等感知元件来检测人车组合系统的位置和姿态，然后通过控制系统驱动动力元件进行调整，以此保持系统的动态平衡。
目前，独轮平衡车、双轮平衡车和载人平衡自行车这三类平衡车均具有一定的平衡性能，但普遍存在可携带性差的共性问题，即使是最轻的独轮平衡车携带起来也不够方便；另外这三种平衡车通常要求骑车人两只脚站在同一车体上不能自由分开运动，这样的设计容易束缚系统的灵活度，从而大大降低其骑行运动机动性和娱乐性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种携带方便、运动形式多样、灵活性好的可穿戴式双独轮自平衡装置。
能够解决上述技术问题的可穿戴式双独轮自平衡装置，其技术方案包括由运动控制单元主控的两个独轮平衡单元，各独轮平衡单元的机械部分包括基于脚踏板设置的由行走电机驱动的行走驱动机构和由转向电机驱动的转向驱动机构，所述行走电机和转向电机均内含有增量式编码器，各独轮平衡单元的电控部分包括设于脚踏板上的数字信号分处理器、分陀螺仪、无线通讯分模块、压力传感器和分别设于行走电机和转向电机上的电流传感器；所述运动控制单元包括穿戴在人体上的数字信号主处理器、主陀螺仪和无线通讯主模块。
所述行走驱动机构的一种结构包括安装于轮架上的行走轮以及行走轮传动组件，所述轮架通过转向轴与推力轴承安装于支撑板下方，所述支撑板于脚踏板下方与之安装连接，所述行走轮传动组件包括行走齿轮传动副，所述行走电机通过行走齿轮传动副连接行走轮。
所述转向驱动机构的一种结构设于支撑板上，包括转向齿轮传动副，所述转向电机通过转向齿轮传动副连接转向轴，并设有检测转向轴转动幅度的绝对编码器。
所述行走齿轮传动副的一种结构包括行走主动齿轮、行走中间齿轮和行走从动齿轮，所述行走主动齿轮安装于行走电机的输出轴上，所述行走从动齿轮安装于行走轮的轮轴上，所述行走中间齿轮分别与行走主动齿轮和行走从动齿轮啮合。
所述转向齿轮传动副的一种结构包括相啮合的转向主动锥齿轮和转向从动锥齿轮以及相啮合的转向主动齿轮和转向从动齿轮，所述转向主动锥齿轮安装于转向电机的输出轴上，所述转向从动锥齿轮与转向主动齿轮同轴安装，所述转向从动齿轮安装于转向轴上。
所述绝对编码器的输出轴上安装转向编码齿轮，所述转向编码齿轮与主动齿轮啮合。
本发明的有益效果：
本发明可穿戴式双独轮自平衡装置通过分别控制两独轮平衡单元的运动姿态和相对位置，可以在独轮平衡车、双轮平衡车、平衡自行车的运行状态之间灵活进行切换。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体结构图。
图2为图1实施方式中行走驱动机构的立体结构图。
图3为图1实施方式中转向驱动机构的立体结构图。
图4为独轮平衡单元的控制原理框图。
图5为运动控制单元的控制原理框图。
图号标识：1、脚踏板；2、轮架；3、行走轮；4、转向轴；5、推力轴承；6、支撑板；7、行走电机；8、绝对编码器；9、转向电机；10、行走主动齿轮；11、行走中间齿轮；12、行走从动齿轮；13、转向主动锥齿轮；14、转向从动锥齿轮；15、转向主动齿轮；16、转向从动齿轮；17、转向编码齿轮；18、脚套。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明可穿戴式双独轮自平衡装置包括供左、右脚穿戴的两个独轮平衡单元，两个独轮平衡单元受控于穿戴在人体身上的运动控制单元。
各独轮平衡单元包括有机械部分和电控部分。
1、机械部分：包括脚踏板1、支撑板6、行走驱动机构和转向驱动机构，所述支撑板6平行安装于脚踏板1(设有前、后脚套18)的下方，两者之间保有间隔，所述行走驱动机构设于支撑板6前部下方，包括行走轮3和具有降速传动比的行走轮传动组件，所述行走轮3安装于轮架2内，所述轮架2通过贯通支撑板6的竖直转向轴4安装于支撑板6，所述转向轴4通过上、下推力轴承5安装于支撑板6上；所述行走轮传动组件包括基于轮架2设置的行走电机7(带增量式编码器)、行走主动齿轮10、行走中间齿轮11和行走从动齿轮12，所述行走主动齿轮10安装于行走电机7的输出轴上，所述行走从动齿轮12安装于行走轮3的轮轴上，所述行走中间齿轮11设于行走主动齿轮10与行走从动齿轮12之间并分别与两者啮合；所述转向驱动机构包括绝对编码器8和转向电机9以及具有降速传动比的转向齿轮传动副，所述转向电机9安装于支撑板6后方底部(其输出轴水平向前)，所述绝对编码器8于转向电机9侧旁安装于支撑板6底部，绝对编码器8竖直向上的输出轴伸出支撑板6顶部，所述转向齿轮传动副包括一对啮合的转向主动锥齿轮13和转向从动锥齿轮14以及一对啮合的转向主动齿轮15和转向从动齿轮16，所述转向主动锥齿轮13安装于转向电机9的输出轴上，所述转向从动锥齿轮14与转向主动齿轮15分别于支撑板6的底部和顶部同轴安装，所述转向从动齿轮16于支撑板6顶部安装于转向轴4上，绝对编码器8的输出轴上安装转向编码齿轮17，所述转向编码齿轮17与主动齿轮15啮合，如图1、图2、图3所示。
2、电控部分：包括设于脚踏板1上的数字信号分处理器、分陀螺仪、无线通讯分模块、压力传感器(感应脚踏力度)和分别设于行走电机7和转向电机9上的电流传感器，其控制原理框图如图4所示，数字信号分处理器通过串口与分陀螺仪连接，读取独轮平衡单元的姿态数据，通过数模转换接口与压力传感器连接并读取数据，将这些数据通过无线通讯分模块发送给数字信号主处理器进行运算控制；另外，数字信号分处理器通过数字IO口与编码器连接，读取行走和转向的速度值和位置值(幅度)，数字信号分处理器通过模拟口连接电流传感器，读取各电机的电流值，通过这些数据对各电机进行闭环速度、力矩控制。
所述运动控制单元包括数字信号主处理器、主陀螺仪和无线通讯主模块，主要负责采集和处理人体的姿态和重心位置的数据，并与各个独轮平衡单元进行通信和控制，是主要的决策和运算单元。其控制原理框图如图5所示，数字信号主处理器通过串口与主陀螺仪相连接，读取人体的姿态数据，还通过串口与无线通讯主模块连接，接收两独轮平衡单元上压力传感器的数据和电机的速度、电流值，将这些数据进行计算处理后得到两独轮平衡单元的控制量，并通过无线通讯主模块将控制量发送给两独轮平衡单元。
图4、图5中，电池通过电源转换模块转换成合适的电压值将电能供给各模块、处理器、编码器、电机使用。
以上仅为本发明较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡基于本发明原理所作的任何修改、等同替换和改进等，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.可穿戴式双独轮自平衡装置，其特征在于：包括由运动控制单元主控的两个独轮平衡单元，各独轮平衡单元的机械部分包括基于脚踏板(1)设置的由行走电机(7)驱动的行走驱动机构和由转向电机(9)驱动的转向驱动机构，所述行走电机(7)和转向电机(9)均内含有增量式编码器，各独轮平衡单元的电控部分包括设于脚踏板(1)上的数字信号分处理器、分陀螺仪、无线通讯分模块、压力传感器和分别设于行走电机(7)和转向电机(9)上的电流传感器；所述运动控制单元包括穿戴在人体上的数字信号主处理器、主陀螺仪和无线通讯主模块。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式双独轮自平衡装置，其特征在于：所述行走驱动机构包括安装于轮架(2)上的行走轮(3)以及行走轮传动组件，所述轮架(2)通过转向轴(4)与推力轴承(5)安装于支撑板(6)下方，所述支撑板(6)于脚踏板(1)下方与之安装连接，所述行走轮传动组件包括行走齿轮传动副，所述行走电机(7)通过行走齿轮传动副连接行走轮(3)。
3.根据权利要求2所述的可穿戴式双独轮自平衡装置，其特征在于：所述转向驱动机构设于支撑板(6)上，包括转向齿轮传动副，所述转向电机(9)通过转向齿轮传动副连接转向轴(4)，并设有检测转向轴(4)转动幅度的绝对编码器(8)。
4.根据权利要求2所述的可穿戴式双独轮自平衡装置，其特征在于：所述行走齿轮传动副包括行走主动齿轮(10)、行走中间齿轮(11)和行走从动齿轮(12)，所述行走主动齿轮(10)安装于行走电机(7)的输出轴上，所述行走从动齿轮(12)安装于行走轮(3)的轮轴上，所述行走中间齿轮(11)分别与行走主动齿轮(10)和行走从动齿轮(12)啮合。
5.根据权利要求3所述的可穿戴式双独轮自平衡装置，其特征在于：所述转向齿轮传动副包括相啮合的转向主动锥齿轮(13)和转向从动锥齿轮(14)以及相啮合的转向主动齿轮(15)和转向从动齿轮(16)，所述转向主动锥齿轮(13)安装于转向电机(9)的输出轴上，所述转向从动锥齿轮(14)与转向主动齿轮(15)同轴安装，所述转向从动齿轮(16)安装于转向轴(4)上。
6.根据权利要求5所述的可穿戴式双独轮自平衡装置，其特征在于：所述绝对编码器(8)的输出轴上安装转向编码齿轮(17)，所述转向编码齿轮(17)与主动齿轮(15)啮合。
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Assignee: Cenxi Hengchuang Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022450000246

Denomination of invention: Wearable double single wheel self balancing device

Granted publication date: 20171215

License type: Common License

Record date: 20221206