CN105923082A - 一种机电陀螺平衡独轮车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机电陀螺平衡独轮车，其包括内置有第一电机的车轮、设置在所述车轮外侧的外壳以及分别设置在所述外壳两侧的空心踏板，所述踏板内设有机电陀螺组件，所述机电陀螺组件包括第二电机和在所述第二电机驱动下高速旋转以在水平面内产生扭矩的转子。本发明结构简单，能够在不需要任何外加辅助力量的情况下，使初学者能够快速上车，并且随着使用时间的延长依然能够很好地在左右方向上实现自平衡。

Description

一种机电陀螺平衡独轮车

技术领域

本发明涉及电动独轮车技术领域，尤其涉及一种机电陀螺平衡独轮车。

背景技术

电动独轮车是一种依靠电力驱动及自我平衡能力控制的代步工具。在社会飞速发展的今天，交通拥堵在很多大中城市也成了普遍现象，一款时尚、便捷的电动独轮车，让人们享受到穿梭于闹市的轻松与快乐以及上下班的快捷。电动独轮车是新一代的节能、环保、便携的代步工具。充电3-4小时，可以行驶15-30千米，短途代步非常方便，可以代替公交和地铁。电动独轮车体形小巧、携带方便，可以直接放进汽车的后备箱，提到家里或是办公室。在环境污染日益严重的背景下，电动独轮车作为一种新型环保的代步工具，宣传绿行出行、低碳环保的生活理念。

现有的电动独轮车大多是通过陀螺仪(陀螺仪，是指用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，是电子陀螺仪)进行前后稳定的，其不能实现左右方向的平衡，在运行过程中只有通过控制身体来保持左右平衡，这对于初学者而言十分不易掌控。为了解决左右方向平衡的问题，市面上出现了这样一种电动独轮车：其包括车轮、机架以及设置在机架下端左右两侧的脚踏板，在机架内还设有位于车轮正上方的飞轮、第一电机、第二电机、第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一加速度计、第二加速度计和控制器，第一电机驱动车轮转动，第二电机驱动飞轮转动，第一陀螺仪和第一加速度计设置在飞轮的左侧，第二陀螺仪和第二加速度计设置在飞轮的右侧，第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一加速度计和第二加速度计均用于测量飞轮的角度，然后控制器根据检测到的角度来控制飞轮旋转以实现左右平衡。

上述电动独轮车虽然能在一定程度上实现左右平衡，但仍存在以下缺陷：首先，该种独轮车结构复杂，需要设置的陀螺仪和加速度计的数量多，增加了控制器的运算负担，为了能准确计算和控制车轮以及飞轮的运转，对控制器的性能也不得不提出较高要求，而性能越好的控制器价格也越贵，因此无形之中增加了产品成本。更重要的是，该种独轮车通过设置在车轮正上方的飞轮来控制左右平衡，其前提是飞轮的重心需与车轮的重心保持在同一条直线上才能很好的控制，但是在实际使用过程中，产品结构会随着时间的延长出现松动，根本无法做到飞轮始终保持在车轮的正上方。因此，随着使用时间的不断加长，独轮车的左右平衡功能会逐渐降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机电陀螺平衡独轮车，其结构简单，能够在不需要任何外加辅助力量的情况下，使初学者能够快速上车，并且随着使用时间的延长依然能够很好地在左右方向上实现自平衡。

为实现上述目的，本发明特采用以下技术方案：

一种机电陀螺平衡独轮车，包括内置有第一电机的车轮、设置在车轮外侧的外壳以及分别设置在外壳两侧的空心踏板，踏板内设有机电陀螺组件，机电陀螺组件包括第二电机和在第二电机驱动下高速旋转以在水平面内产生扭矩的转子。

在本发明较佳的实施例中，上述转子为盘状的金属构件，第二电机内嵌在转子的轴心处。

在本发明较佳的实施例中，上述外壳包括对称设置的两块半壳体，由两块半壳体限定出的第一腔体内容纳有车轮。

在本发明较佳的实施例中，上述半壳体包括主壳体和设置在主壳体的远离车轮的一侧的盖板，主壳体和盖板限定出的第二腔体内设有电池组和控制板。

在本发明较佳的实施例中，两块上述主壳体在各自顶部分别设有彼此对应的通孔。

在本发明较佳的实施例中，上述盖板的外表面设有护腿垫。

在本发明较佳的实施例中，上述机电陀螺平衡独轮车还包括沿外壳周向依次设置在两个主壳体之间的刹车灯、充电接口、开关、USB接口和照明灯。

在本发明较佳的实施例中，上述机电陀螺平衡独轮车还包括拉杆，拉杆与外壳连接。

在本发明较佳的实施例中，上述车轮还包括设置在第一电机轴心的支撑轴，支撑轴从第一电机的表面向车轮的两侧延伸凸出。

在本发明较佳的实施例中，上述支撑轴的两端分别设有L形连接件，L形连接件将外壳和踏板连接固定至支撑轴的两端。

本发明的有益技术效果：

本发明的机电陀螺平衡独轮车通过设置在空心踏板内的机电陀螺组件来实现独轮车在运行过程中前后左右方向上的全方位自平衡。本发明的陀螺组件包括第二电机以及在第二电机驱动下高速旋转以在水平面内产生扭矩的转子，由于陀螺效应，转子在高速旋转过程中在其所处水平面内沿各个方向，包括独轮车的前后左右方向，均产生扭矩，从而维持独轮车车体前后左右方向的平衡。本发明的独轮车不需要使用者通过控制身体来调整左右方向上的平衡，只需要使用者通过控制身体重心来调节车体的运动方向以及运行速度即可，而且本发明的机电陀螺平衡独轮车结构简单，易控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的机电陀螺平衡独轮车的结构爆炸图；

图2是本发明的机电陀螺平衡独轮车的立体图；

图3是本发明的机电陀螺平衡独轮车的剖视图；

图4是本发明的机电陀螺平衡独轮车在运行过程中所受力的分布图，由于质量相同，因此图中仅用对应的加速度表示，图中α为机电陀螺平衡滑板车的倾斜角度，a为机电陀螺平衡滑板车的加速度，g为重力加速度，等于9.8m/s²。

附图标记列表：

机电陀螺平衡独轮车100；

车轮101；外壳102；踏板103；机电陀螺组件104；控制板105；电池组106；刹车灯107；充电接口108；开关109；USB接口110；照明灯111；拉杆112；

第一电机1011；充气轮胎1012；支撑轴1013；L形连接件1014；

半壳体1021；主壳体1022；盖板1023；通孔1024；护腿垫1025；

陀螺上支架1031；陀螺下支架1032；

第二电机1041；转子1042。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1所示出的本发明的机电陀螺平衡独轮车100的结构爆炸图，机电陀螺平衡独轮车包括：车轮101、外壳102、踏板103、机电陀螺组件104、控制板105、电池组106、刹车灯107、充电接口108、开关109、USB接口110、照明灯111和拉杆112。外壳102设置在车轮101的外侧，两块踏板103对称地设置在外壳102的两侧，两块机电陀螺组件104分别设置在两块踏板103内，控制板105和电池组106设置在外壳102内，刹车灯107、充电接口108、开关109、USB接口110、照明灯111沿外壳102的周向设置，并且分别于电池组106连接，拉杆112与外壳102连接。

车轮101包括第一电机1011、充气轮胎1012、支撑轴1013和L形连接件1014。第一电机1011内置在车轮101的轴心处，用于驱动车轮101转动。优选地，第一电机1011为直流无刷电机。充气轮胎1012嵌套在第一电机1011的外侧。支撑轴1013从第一电机1011的表面向车轮101的两侧延伸凸出。支撑轴1013用于支撑固定外壳102以及设置外壳102两侧的踏板102。同时，支撑轴1013也是第一电机1011围绕自身旋转的转轴。两块L形连接件1014设置支撑轴1013的两端，用于将外壳102和踏板103连接固定至支撑轴1013的两端。

L形连接件1014由呈长方体的竖直臂和水平臂两部分构成。L形连接件1014的竖直臂设有第一安装孔，第一安装孔的形状和尺寸与支撑轴1013的形状、尺寸相匹配。通过第一安装孔，L形连接件1014被“挂”在支撑轴1013的两侧。L形连接件1014的水平臂与竖直臂相垂直，水平臂的长度明显小于竖直臂的长度。水平臂的远离竖直臂的端部设有第二安装孔，用于连接踏板103。优选地，踏板103铰接在第二安装孔内。在安装状态下，L形连接件1014的竖直臂与第一电机1011的垂直于支撑轴1013的表面相平行，水平臂向车轮101的两侧向外凸出延伸。

外壳102包括对称设置的两块半壳体1021，由两块半壳体1021限定出的第一腔体内容纳有车轮101。第一腔体具有足以容纳车轮101的空间。外壳102保持与车轮101保持相匹配的形状。外壳102的形状大致呈圆形。结合图1和图2，两块半壳体1021在车轮101的上方的部分彼此连接，两块半壳体1021在车轮101下方的部分互不接触，并在车轮下方形成一开口，将车轮101从外壳102中部分暴露出来，以在地面上运转。

再次参见图1，半壳体1021包括主壳体1022和盖板1023。两块主壳体1022之间设置车轮101，盖板1023设置在主壳体1022的远离车轮101的一侧。主壳体1022和盖板1023限定出的第二腔体内设有电池组106和控制板105。电池组106用于为控制板105、第一电机1011、第二电机1041、刹车灯107和照明灯111等提供电能，并且可以通过USB接口为移动设备例如手机进行充电。

本发明的机电陀螺平衡独轮车100通过主壳体1022将车轮101与外壳102内其他组件，尤其是电池组106和控制板105等带电组件隔开，将车轮101单独处于一个独立的腔体中，能够避免在车轮转动过程中将连接电池组106和其他组件之间的导线卷入到车轮101中，并且对于下雨天气也能在外壳102内部做到干湿分区。有利于提高车轮的安全使用性能，并延长独轮车的使用寿命。而且，将主壳体1022和盖板1023一层层安装至车轮101的两侧，对于产品组装和拆卸都十分方便。两块主壳体1022在各自顶部分别设有彼此对应的通孔1024。通孔1024大致呈椭圆形，分别设置两块主壳体1022上的通孔1024构成一个椭圆形孔，便于使用者在不需要骑行时提拿。

盖板1023的外表面设有护腿垫1025。优选地，护腿垫1025镶嵌在盖板1023的外表面。优选地，护腿垫1025设置在盖板1023的上半部。护腿垫1025使用PU皮(超细纤维增强皮革)制成的，用于保护腿部，并且在骑行过程为腿部提供一定支撑力，减少腿部压力，提高骑行过程中的舒适度。

踏板103设置在外壳102的两侧，并且设置在外壳102的下侧。踏板103为空心踏板，包括陀螺上支架1031和陀螺下支架1032。在俯视状态下，陀螺上支架1031和陀螺下支架1032保持相匹配的长方形或正方形以及相同的尺寸。陀螺上支架1031和陀螺下支架1032通过对应设置在各自外周缘的卡扣结构连接固定。陀螺上支架1031包括用于踩踏的第一上表面，第一上表面沿水平方向设置。在第一上表面的两侧向下分别延伸出第二上表面和第三上表面，并且第二上表面和第三上表面彼此平行。陀螺下支架1032包括与第一上表面相对应的第一下表面。第一下表面的两侧斜向上延伸出第二下表面和第三下表面，并且第二下表面和第三下表面彼此彼此相对。在安装状态下，第二上表面和第三上表面分别位于第二下表面和第三下表面之间。通过第一上表面、第二上表面、第三上表面、第一下表面、第二下表面和第三下表面限定出用于容纳机电陀螺组件104的第三腔体。

结合图1和图3，踏板103内设有机电陀螺组件104。每个踏板103内至少设置有一个机电陀螺组件104。本领域技术人员可以根据实际情况增加机电陀螺组件104，机电陀螺组件104的数量增加后，踏板103的尺寸也相应增大。机电陀螺组件104包括第二电机1041和在第二电机1041驱动下高速旋转以在水平面内产生扭矩的转子1042。转子1042为盘状的金属构件，第二电机1041内嵌在转子的轴心处。

第二电机1041的转轴固定在陀螺下支架1032上，在电力驱动下，第二电机1041高速旋转，并带动与之连接的转子1042高速旋转。第二电机1041和转子1042构成了大致呈玩具陀螺的造型，转子1042在第二电机1041的驱动下，高速旋转，由于陀螺效应，转子1042在高速旋转过程中在其所处水平面内沿各个方向产生扭矩，使得车体能够在各个方向受力均衡，进而在整体上平衡车体。

第二电机1041和转子1042成对地设置在踏板103内。即，一个转子1042便对应一个第二电机1041。优选地，第二电机1041为高速直流无刷电机。本发明的第二电机1041体积小，并且转速可达18000-20000r/min。优选地，转子1042为铁合金制成的盘状结构。

控制板105用于控制第一电机1011和第二电机1041旋转。控制板105设置在主壳体1022和盖板1023限定出的第二腔体内并且分别与第一电机1011和第二电机1041连接。

控制板105上设有蓝牙模块和加速度传感器(图中未示出)。

蓝牙模块与移动设备(例如手机或遥控器)连接，并根据移动设备发出的指令将机电陀螺平衡独轮车100设定为柔和骑行模式、舒适骑行模式或劲爆骑行模式。

柔和骑行模式为低速运行模式，即，机电陀螺平衡独轮车100在低速下行驶，一般在10km/h以下。柔和骑行模式适用于路况较差的情形，例如，下雨天道路，拥堵导道路，坑洼道路；此外还适合人群较多的路口，例如，十字路口、学校路口等。

舒适骑行模式为中速运行模式，即，机电陀螺平衡独轮车100在中速下行驶，一般在10-25km/h内。舒适骑行模式适合一般路况，其介于柔和骑行模式和劲爆骑行模式之间。

劲爆骑行模式为高速运行模式，即，机电陀螺平衡独轮车100在高速下行驶，一般在25km/h以上。但为了安全起见，在生产时，将机电陀螺平衡滑板车100的最高运行速度设置为40km/h。劲爆骑行模式适用于路况较好的情形，例如，行人和车辆较少的平直道路。

柔和骑行模式、舒适骑行模式以及劲爆骑行模式均为机电陀螺平衡独轮车100的自动运行模式。当使用者未开启自动运行模式时，使用者仍通过调节身体在运动方向上的重心，例如，前倾或后仰身体，来自行控制机电陀螺平衡独轮车100的车速。当使用者开启自动运行模式时，即选择上述三种模式中的任意一种，控制板105控制第一电机1011的旋转，将车速调整到与设定模式相匹配的速度。当第一电机1011的转速发生变化时，第二电机1041也相应发生正相关的变化。即，第一电机1011转速增大，第二电机1041相应增大，反之亦然。

在运行过程中，若当前车速超过当前骑行模式下的预设阈值时，刹车灯107开始闪亮，以提醒使用者超速，并且控制板105会控制第一电机1011将车速减慢。该预设阈值也可是使用者通过手机运用软件进行设定的。

本发明的检测机电陀螺平衡独轮车100还可以通过蓝牙模块向手机等移动设备发送数据，例如，车速、系统温度、电池组106的剩余电量等。

加速度传感器用于检测机电陀螺平衡独轮车100的运行加速度的。加速度传感器不断检测检测机电陀螺平衡独轮车100的运行加速度，并将检测到的加速度反馈给控制板105。优选地，加速度传感器的检测周期为2ms。

控制板105根据反馈的加速度传感器算出检测机电陀螺平衡滑板车100的倾斜角度，并根据倾斜角度来控制第一电机1011的旋转方向。以独轮车的前进方向为正方向，将加速度传感器检测到的加速度在水平和竖直方向分解，如图4所示，并根根反三角函数α＝arcsin(a/g)进行计算。其中，α为机电陀螺平衡独轮车的倾斜角度，a为加速度传感器检测到的加速度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²。

当计算出的倾斜角度大于零时，说明车体向前倾写，此时控制板105控制第一电机1011向后旋转。当计算出的倾斜角度为零，即，检测到的运行加速度为零，说明车体处于平衡状态。当计算出的倾斜角度小于零时，说明车体向后倾斜，控制板105控制第一电机1011向前旋转。本发明通过控制板105和加速度传感器来控制检测机电陀螺平衡滑板车100在前后方向上的自平衡。

电池组106设置在主壳体1022和盖板1023限定出的第二腔体内。电池组106分别与第一电机1011、第二电机1041、控制板105以及控制板105上的加速度传感器和蓝牙模块连接，为其提供电能。电池组106为具有充放电功能的蓄电池组。

优选地，电池组106用16串18650电池，电池电压可以达到53-67.2V。

照明灯111用于在光线不好的道路上行驶时为使用者提供照明。

优选地，照明灯111内置有光敏传感器，光敏传感器能够感知外界环境光线的变化，当采集到的光线低于预设阈值或高于预设阈值时，照明灯111自动点亮或熄灭，使得机电陀螺平衡独轮车100更加方便、智能化。

下面结合图4，对本发明的机电陀螺平衡独轮车100的工作原理进行说明。

使用者通过开关109启动机电陀螺平衡独轮车100，控制板105控制设置在踏板103内的至少一个机电陀螺组件104高速旋转，由于陀螺效应，机电陀螺组件104的转子1042在高速旋转过程中在其所处水平面内沿各个方向产生扭矩，使得车体能够在各个方向受力均衡，进而在整体上平衡车体。加速度传感器将检测到的机电陀螺平衡独轮车100的加速度以脉冲信号(PWM)的形式发送给控制板105，控制板105根据接受到的代表加速度值的脉冲信号(PWM)和反三角函数α＝arc sin(g/a)计算出机电陀螺平衡独轮车的倾斜角度。当计算出的倾斜角度大于零时，说明车体向前倾写，此时控制板105控制第一电机1011向后旋转。当计算出的倾斜角度为零，即，检测到的运行加速度为零，说明车体处于平衡状态。当计算出的倾斜角度小于零时，说明车体向后倾斜，控制板105控制第一电机1011向前旋转。通过调节第一电机1011向前或前后旋转来控制机电陀螺平衡滑板车100在前后方向上的平衡。

优选地，刹车灯107、充电接口108、开关109、USB接口110和照明灯111沿外壳周向依次设置在两个主壳体之间的。以设置在外壳102顶部的通孔1024为分界点，刹车灯107和充电接口108沿外壳102的周向依次设置在通孔1024的后侧，开关109、USB接口110和照明灯111沿外壳102的周向依次设置在通孔1024的前侧。

拉杆112连接在外壳102的后侧下方。拉杆112为伸缩拉杆，起长度可以伸缩调节。拉杆112收缩到的最短长度与车轮高度相匹配。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，包括内置有第一电机的车轮、设置在所述车轮外侧的外壳以及分别设置在所述外壳两侧的空心踏板，所述踏板内设有机电陀螺组件，所述机电陀螺组件包括第二电机和在所述第二电机驱动下高速旋转以在水平面内产生扭矩的转子。

2.根据权利要求1所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述转子为盘状的金属构件，所述第二电机内嵌在所述转子的轴心处。

3.根据权利要求2所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述外壳包括对称设置的两块半壳体，由两块所述半壳体限定出的第一腔体内容纳有所述车轮。

4.根据权利要求3所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述半壳体包括主壳体和设置在所述主壳体的远离所述车轮的一侧的盖板，所述主壳体和所述盖板限定出的第二腔体内设有电池组和控制板。

5.根据权利要求4所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，两块所述主壳体在各自顶部分别设有彼此对应的通孔。

6.根据权利要求4所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述盖板的外表面设有护腿垫。

7.根据权利要求4所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述机电陀螺平衡独轮车还包括沿所述外壳周向依次设置在两个所述主壳体之间的刹车灯、充电接口、开关、USB接口和照明灯。

8.根据权利要求1至7之一所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述机电陀螺平衡独轮车还包括拉杆，所述拉杆与所述外壳连接。

9.根据权利要求1至7之一所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述车轮还包括设置在所述第一电机轴心的支撑轴，所述支撑轴从所述第一电机的表面向所述车轮的两侧延伸凸出。

10.根据权利要求9所述的机电陀螺平衡独轮车，其特征在于，所述支撑轴的两端分别设有L形连接件，所述L形连接件将所述外壳和所述踏板连接固定至所述支撑轴的两端。