CN106005156A - 一种多态变结构智能平衡车 - Google Patents

Abstract

一种多态变结构智能平衡车，其车体结构左右对称，由两个车头组成。该多态变结构智能平衡车设有运动装置、转向装置、缩放装置以及电控装置四个组成部件。车头上部为中空箱体，内部设置转向装置、缩放装置以及电控装置，车头下部设置有运动装置。运动装置由两个车叉与车轮，为车轮提供动力和受控于电控装置的两个驱动电机、传动齿轮组成。缩放装置由车头箱体内的驱动电机、直线单元以及承载光杠组成。电控装置由主控电路、多种传感器及蓄电池组成。其特点是：用高速数字处理器对多个驱动点电机进行控制，利用两轮的不同位置关系自由切换多种运动模式，能够适应多种路作业环境，运动灵活，小巧轻便。

Description

一种多态变结构智能平衡车

技术领域

本发明涉及一种多态变结构智能平衡车，确切地说，涉及一种无人驾驶的智能平衡载人轮式交通工具，属于陆地交通工具技术领域。

背景技术

轮式交通工具在人类运输史上着有浓墨重彩的一笔，这种运输方式是陆路运输中不可缺少的。轮式交通工具可以从其稳定性上分为两大部分，一种为静平衡型，其特征为车轮个数不少于3个，且轮辐面不共面布置，这种结构能够让车体在静止情况下保持平衡；一种为动平衡型，其特征为车轮有一个或两个，车体能够在运动中保持平衡。

常见的动平衡轮式交通工具有自行车、Segway以及独轮车三种。自行车两轮所在平面前后共面(未转动车把时)即两轮前后布置，Segway两轮轴线共线、两轮所在平面平行即两轮左右布置。自行车横滚方向不稳定，Segway俯仰方向不稳定，独轮车横滚、俯仰方向都不稳定，都是一种欠驱动机器人，其优点是驱动方式简单、运动高效，但其控制算法的设计具有一定的挑战性、很强的学术意义和实用价值。

自行车两个车轮前后分布，其在未转动车把时其前后车轮所在平面是同一个。车体狭长，前后轮间的角度可变。自行车机动性强，直线前进时能够在狭窄的道路环境中高速行驶。车体灵活，使得其能够应对许多复杂路况，如起伏波动、蜿蜒曲折的道路，比如摩托车。其车身较长，虽然两轮间能够形成一定角度，但是还是无法避免其转弯半径较大的问题。这使得自行车在较小的空间内无法完成转向动作。这也就限定了自行车的应用环境多为户外开阔地。

Segway两个车轮左右分布，其左右两轮所在平面是平行的，且其左右轮的转动轴线共线。车体地面投影面积小，两轮轴向间距固定。Segway车体灵活，通过俯仰来控制车体运动方向与速度，可以利用两个车轮的差速实现转向，可以实现零转弯半径，这种特性使它的应用环境得到了一定拓展。但Segway两轮轴向距离较大，这使得其对于道路的宽度与平整度有一定的要求，故其仅能在平整的、地势较平坦的地面上行驶，无法在起伏地面或狭窄路况下运动。虽然Segway的轴向距离也是远远小于一般汽车的宽度的，但由于其只有两个轮子而且没有减震环节，使得其无法在颠簸路面行驶，但Segway在狭窄空间的路面通过性远胜于汽车。

独轮车是一种重心高而支点单一的滚动装置。相比两轮和四轮车来讲，它对道路宽度没有苛刻的要求，可以在崎岖的小路上自由运动。另外，其体积小巧，便于停放，是现代都市生活中乘坐公共交通工具的上班族所青睐的一种便携代步工具。

为了表述方便，现对多态变结构智能平衡车做以下定义：两个车轮中心连线的方向为车身的纵向，在同一水平面内，与之相垂直的方向为车身的横向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种新型的变结构平衡车。依靠运动装置该平衡车能够完成横向、纵向以及轨迹跟踪等动作；依靠转向装置该平衡车能够控制两轮与车身的相对转角，从而使车身能够稳定在一定范围内；依靠缩放装置平衡车能够改变平衡车两轮的纵向轴距，从而使平衡车能够适应更加广泛的作业环境并且易于停放；依靠电控装置平衡车可以获得车体的实时位姿参数，为主控处理器提空下一步输出的决策条件。

为了达到上述目的，本发明提供了一种多态变结构智能平衡车，其特征在于，其车体结构左右对称，由两个车头组成，设有运动装置、转向装置、缩放装置以及电控装置四个组成部件。车头上部为中空箱体，内部设置转向装置、缩放装置以及电控装置，车头下部设置有运动装置。其中，

车头上部为中空箱体，内部设置转向装置、缩放装置以及电控装置；车头下部设置运动装置；

所述运动装置是由一个铰接在车叉上的车轮，一个垂直固连在车叉上的受控于电控装置的驱动电机，车轮与驱动电机通过内嵌于齿轮轮毂上的内齿轮和固连与驱动电机输出轴上的外齿轮传递动力；

所述转向装置是由一个垂直固连在车头支架下侧受控于电控装置的配有谐波减速器的驱动电机，一个垂直铰接在车头支架上的车叉，分别设置在谐波减速器输出轴末端和车叉上端的传动同步轮，和连接传动同步轮的同步带组成；

所述缩放装置是由两套对称的直线机构构成的，对称布置在车头两侧，直线机构由一个水平固连在车头支架上侧受控于电控装置的驱动电机，一套通过联轴器与驱动电机固连与车头支架上侧的直线单元及一根通过支撑架固连在车头支架下侧的承重导杆组成，其中直线单元包括一套丝杠丝母，固定支架以及移动支架；

所述电控装置是由数字信号处理芯片为的核心处理器，和外部搭载的倾角、角度、速度等多种传感器及系统电源组成，用于收集机器人各部分运动参数与控制机器人六个电机的转动，从达到控制机器人运动的目的；

所述电控装置中的多种传感器包含：检测车头支架与车叉间转角的角度传感器，检测车轮转速的转速传感器，检测两轮轴距的距离传感器，以及设置于主控电路板上的机器人位姿传感器；

所述的多态变结构平衡车车具有三种运动状态：横向运动状态、纵向运动状态以及类独轮车运动状态，其中，双轮车处在横向运动状态时，两车轮与车身纵截面垂直；处在纵向运动状态时，一车轮与车身纵截面平行，一车轮与车身纵截面成一定角度范围内转动以辅助双轮车系统自平衡；处在类独轮车运动状态时，两车轮与车身纵截面垂直，两车头纵向距离缩短到最小。

本发明多态变结构平衡车车的特点是是：用高速数字处理器对多个驱动点电机进行控制，利用两轮的不同位置关系自由切换多种运动模式，能够适应多种路作业环境，运动灵活，小巧轻便。

附图说明

图1是本发明多态变结构智能平衡车整体组成结构示意图。

图2是本发明平衡车的转向装置及缩放装置的正视图。

图3是本发明平衡车的转向装置及缩放装置的上视图。

图4是本发明平衡车的转向装置及缩放装置的侧视图。

图5是本发明平衡车在横向运动状态下的示意图。

图6是本发明平衡车在纵向运动状态下的示意图。

图7是本发明平衡车在类独轮车运动状态下的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1～图7，介绍本发明多态变结构智能平衡车的结构组成：其车体结构左右对称，由两个车头组成。其中设有运动装置、转向装置、缩放装置以及电控装置四个组成部件。下面分别说明。

运动装置(参见图2和图4)包括驱动电机2、车轮轴6、车叉11、车轮3以及传动内齿轮4和外齿轮5。其中车轮3通过车轮轴6铰接在车叉11上，驱动电机2垂直固连在车叉上，车轮3与驱动电机2通过内嵌于齿轮轮毂上的内齿轮4和固连与驱动电机输出轴上的外齿轮5传递动力。

转向装置(参见图2～图4)包括车头支架28、驱动电机32、谐波减速器19、三足电机支架33、转动套筒24以及传动同步轮20、22和同步带21。其中驱动电机32通过三足电机支架33垂直固连在车头支架28下侧，输出端配有谐波减速器19。谐波减速器19末端设置有同步轮20，通过同步带21驱动设置在车叉11上端的同步轮22，同时带动与转动套筒24通过轴承铰接的车叉11转动，从而达到驱动车轮转动的目的。

缩放装置(参见图2～图4)包括驱动电机25、联轴器34、丝杠10、丝母及移动支架13、光杠9，、光杆支架23以及滑鞍12。其中驱动电机25水平固连在车头支架28上侧(参见图3)，通过联轴器34驱动丝杠10，丝母及移动支架13固连在车头支架28下侧，电机25带动丝杠10转动，通过丝母及移动支架13将转动变成直线平动，进而改变变结构平衡车两车头间的距离；光杠9通过光杠支架23固连在车头支架28下部(参见图2)与丝杠10同侧，滑鞍12固连在车头支架28下部与丝母及移动支架13同侧，为变结构平衡车竖直方向提供载荷保障。

电控装置是由数字信号处理芯片为的核心处理器，和外部搭载的倾角、角度、速度等多种传感器及系统电源组成，用于收集机器人各部分运动参数与控制机器人六个电机的转动，从达到控制机器人运动的目的。所述电控装置中的多种传感器包含：角度传感器14、倾角传感器及数字信号处理芯片27、速度传感器7、距离传感器26、电机驱动器30以及系统移动电源29。角度传感器14是用来检测车头支架与车叉间转角的，通过码盘支架15与谐波减速器19固连，谐波减速器19输出端的同步轮18通过同步带17带动固连在角度传感器14上的同步轮16从而获得其转过的角度，并通过导线汇总到数字信号处理芯片中；倾角传感器及及数字信号处理芯片27固连在车头支架28左侧(参见图3)，其中数字信号处理芯片等控制电路与其集成在一起，用于测量系统的位姿参数；速度传感器7通过码盘支架8与车叉11固连，测量车轮3转速；距离传感器26与驱动电机25同轴布置，用于检测两轮轴距；电机驱动器30和系统移动电源29前后布置在车头支架28的左下方(参见图2)。

多态变结构平衡车车具有三种运动状态：横向运动状态(参见图5)、纵向运动状态(参见图6)以及类独轮车运动状态(参见图7)。其中，平衡车处在横向运动状态时，两车轮3与车身纵截面垂直，驱动电机32、25锁死，控制电路通过控制两车轮3的转速进行直线运动或者转动；处在纵向运动状态时，一车轮3与车身纵截面平行，一车轮3与车身纵截面成一定角度范围内转动以辅助平衡车系统自平衡，两台驱动电机32一台锁死，一台受控于控制电路，两台驱动电机2一台下电放开，一台受控于控制电路，其中锁死的驱动电机32与下电放开的驱动电机应置于一侧(参见图1)。控制电路通过控制驱动电机32与驱动电机2来是平衡系统保持稳定或者进行期望运动；处在类独轮车运动状态时，两车轮3与车身纵截面垂直，两车头纵向距离缩短到最小，驱动电机25锁死，两台驱动电机32保持同步控制，两台驱动电机2也保持同步控制。

多态变结构平衡车控制策略是通过倾角传感器及数字信号处理芯片27获得车体的位姿参数，输入到处理芯片中，再参考平衡车各个从角度传感器14、速度传感器7以及距离传感器26获得的系统各个部分参数，利用针对不同运动状态下芯片中固化的平衡算法对下一时刻6台电机的输出进行计算，从而保证平衡车完成预期动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种多态变结构智能平衡车，其特征在于：该车体结构左右对称，由两个车头组成，设有运动装置、转向装置、缩放装置以及电控装置四个组成部件，其中，

车头上部为中空箱体，内部设置转向装置、缩放装置以及电控装置；车头下部设置运动装置；

运动装置是由一个铰接在车叉上的车轮，一个垂直固连在车叉上的受控于电控装置的驱动电机组成，车轮与驱动电机通过内嵌于齿轮轮毂上的内齿轮和固连与驱动电机输出轴上的外齿轮传递动力；

转向装置是由一个垂直固连在车头支架下侧受控于电控装置的配有谐波减速器的驱动电机，一个垂直铰接在车头支架上的车叉，分别设置在谐波减速器输出轴末端和车叉上端的传动同步轮，和连接传动同步轮的同步带组成；

缩放装置是由两套对称的直线机构构成的，对称布置在车头两侧，直线机构由一个水平固连在车头支架上侧受控于电控装置的驱动电机，一套通过联轴器与驱动电机固连与车头支架上侧的直线单元及一根通过支撑架固连在车头支架下侧的承重导杆组成，其中直线单元包括一套丝杠丝母，固定支架以及移动支架；

电控装置是由数字信号处理芯片为的核心处理器，和外部搭载的倾角、角度、速度等多种传感器及系统电源组成，用于收集机器人各部分运动参数与控制机器人六个电机的转动，从达到控制机器人运动的目的；

所述电控装置中的多种传感器包含：检测车头支架与车叉间转角的角度传感器，检测车轮转速的转速传感器，检测两轮轴距的距离传感器，以及设置于主控电路板上的机器人位姿传感器；

所述的多态变结构双轮车具有三种运动状态：横向运动状态、纵向运动状态以及类独轮车运动状态，其中，双轮车处在横向运动状态时，两车轮与车身纵截面垂直；处在纵向运动状态时，一车轮与车身纵截面平行，一车轮与车身纵截面成一定角度范围内转动以辅助双轮车系统自平衡；处在类独轮车运动状态时，两车轮与车身纵截面垂直，两车头纵向距离缩短到最小。

2.根据权利要求1所述的多态变结构智能平衡车，其特征在于：所述的转向装置的动力输入由驱动电机传递到执行机构间添加消隙减速传动机构，以便消除车叉在往复转动时由回程差产生的角度误差；消隙减速传动机构包括一个固连在车头支架上的谐波减速器，一对分别与谐波减速器输出端和车叉上端固连的同步轮以及配套同步带组成，可通过大减速比将驱动电机内部的间隙误差消除，以达到精确控制系统的目的，该同步轮传动机构可替换为如消隙齿轮等消隙机构。

3.根据权利要求1所述的多态变结构智能平衡车，其特征在于：所述缩放装置中的直线机构包括固定在一车头支架一侧的丝杠支架，与另一个车头支架所固连的通过丝母与丝杠形成螺旋配合的移动支架，一根通过固定支架与车头支架一侧固连，通过滑鞍与另一车头支架一侧固连的用于承载系统竖直方向载荷的承重光杆组成，以达到能够改变两轮轴距，使其能够更大范围的适应不同的应用环境，使其形态接近独轮车状态，该平动驱动方式可替换为如直线电机等直线机构。