CN106892039B - 自平衡装置及电动车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡装置，用于电动车辆，所述电动车辆包括车体和至少三个车轮，三个车轮中至少有两个为驱动轮，包括踏板组件、控制系统及电机，电机设于驱动轮内，且电机的电机轴与车体枢接，踏板组件设于车体上且与车体枢接，控制系统包括与踏板组件相连的姿态检测单元以及分别与姿态检测单元和电机轴相连的处理单元，姿态检测单元用于检测踏板组件与水平面的倾角，处理单元根据倾角借助电机控制驱动轮运转，踏板组件还连接有至少能在处理单元控制驱动轮加速运转时用于部分或完全补偿倾角以平衡踏板组件的辅助平衡机构。该自平衡装置，操作灵活方便，运行平稳性较好。本发明还公开了一种设有上述自平衡装置的电动车辆。

Description

自平衡装置及电动车辆

技术领域

本发明涉及电动控制技术领域，尤其涉及一种自平衡装置及电动车辆。

背景技术

自平衡装置是一种用户通过对其踏板组件前后端施力不同，即可以“脚控”方式带动电动车辆前进、后退、转弯以及停止的装置，现有自平衡装置的踏板组件往往是与电动车辆的车体作为固定连接的整体存在，用户在使用时需要带动整个车体才能通过控制系统控制驱动轮动作，感应灵敏度低，导致用户实际操控困难，电动车辆尤其是在驱动轮加速运转时难以保持平稳运行，存在较大的安全隐患。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、便于操控且平稳性较好的自平衡装置。

为了解决上述技术问题，本发明的自平衡装置采用的技术方案是：

自平衡装置，用于电动车辆，所述电动车辆包括车体和至少三个车轮，三个所述车轮中至少有两个为驱动轮，该自平衡装置包括踏板组件、控制系统及电机，所述电机设于所述驱动轮内，且所述电机的电机轴穿出所述驱动轮后与所述车体枢接，所述踏板组件与所述车体枢接，所述控制系统包括与所述踏板组件相连的姿态检测单元以及分别与所述姿态检测单元和所述电机轴相连的处理单元，所述姿态检测单元用于检测所述踏板组件与水平面的倾角，所述处理单元根据所述倾角借助所述电机控制所述驱动轮运转，所述踏板组件还连接有至少能在所述处理单元控制所述驱动轮加速运转时用于部分或完全补偿所述倾角以平衡所述踏板组件的辅助平衡机构。

进一步的，所述辅助平衡机构为与所述电机轴传动连接的同步机构，所述同步机构至少能在所述处理单元控制所述驱动轮加速运转时将所述驱动轮作用于所述电机轴的力反馈至所述踏板组件以部分或完全补偿所述倾角。

进一步的，所述同步机构为齿轮传动机构、链传动机构、带传动机构、拉杆传动机构及球头联动杆传动机构中的任意一种。

进一步的，所述踏板组件包括踏板本体、踏板支架及踏板轴，所述踏板本体通过所述踏板支架与所述踏板轴固定连接，所述同步机构连接所述踏板轴与所述电机轴。

进一步的，所述姿态检测单元包括设于所述踏板本体或所述踏板支架或所述同步机构上的陀螺仪和加速度传感器。

进一步的，所述踏板轴与所述车体枢接且所述踏板轴与所述车体之间还设有轴向限位机构。

本发明还提供了一种电动车辆，所述电动车辆设有上述自平衡装置。

进一步的，所述电动车辆为姿态车、推车、环卫车、高尔夫球车、碰碰车、沙滩车及运输车中的任意一种。

进一步的，所述推车包括设有载物台和扶手的所述车体，所述踏板组件与所述载物台枢接，三个所述车轮中包括两个所述驱动轮和一个从动轮，所述电机轴与所述载物台枢接。

进一步的，所述车轮为四个；其中，四个所述车轮均为所述驱动轮，所述车体的左右两侧分别对称设有两个所述驱动轮；或者，四个所述车轮中包括两个所述驱动轮和两个从动轮，两个所述驱动轮对称设于所述车体的前部，两个所述从动轮对称设于所述车体的后部。

基于上述技术方案，本发明的自平衡装置及电动车辆相对于现有技术至少具有以下有益效果：该自平衡装置，结构简单，用户通过该自平衡装置可以“脚控”方式实现对电动车辆各种运行状态(前进、后退、转弯以及停止)的控制，省时省力，一方面踏板组件与车体枢接的结构可使用户在通过踏板组件进行“脚控”时无需带动笨重的车体，即可利用控制系统控制电机精确驱动驱动轮运行，操作灵活方便，另一方面辅助平衡机构的设置能在驱动轮加速运转时使踏板组件趋于平衡，确保电动车辆平稳运行，提升安全性和用户体验。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种自平衡装置在姿态车中使用时的分解结构示意图；

图2为图1所示的姿态车的另一种分解结构示意图；

图3为图1和图2所示姿态车的俯视图；

图4为图1和图2所示姿态车的仰视图；

图5为图1和图2所示姿态车的主视图；

图6为图1所示姿态车采用两个车体枢接的分解结构示意图；

图7为图6所示的姿态车的另一种分解结构示意图；

图8为图6和图7所示姿态车的俯视图；

图9为图6和图7所示姿态车的仰视图；

图10为图6和图7所示姿态车的主视图；

图11为图1所示姿态车采用两个车体枢接时的另一种结构示意图；

图12为图1所示姿态车采用三个车体枢接的分解结构示意图；

图13为图12所示姿态车的另一种分解结构示意图；

图14为图6、图7、图9至图13中限位轴的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的一种自平衡装置在一种推车中使用时的结构示意图；

图16为图15的侧视结构示意图；

图17为本发明实施例提供的一种自平衡装置在另一种推车中使用时的结构示意图；

图18为图15所示推车采用第一支承板和第二支承板枢接时的结构示意图；

图19为图18的侧视结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，以下实施例中的上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

参照图1至图13、图15至图18，本发明实施例提供的自平衡装置，用于电动车辆，电动车辆包括车体120和至少三个车轮，三个车轮中至少有两个为驱动轮400，该自平衡装置包括踏板组件510、控制系统530及电机，电机设于驱动轮400内，且电机的电机轴520穿出驱动轮400后与车体120枢接，踏板组件510与车体120枢接，控制系统530包括与踏板组件510相连的姿态检测单元以及分别与姿态检测单元(未示出)和电机轴520相连的处理单元，姿态检测单元用于检测踏板组件510与水平面的倾角，处理单元根据倾角借助电机控制驱动轮400运转，踏板组件510还连接有至少能在处理单元控制驱动轮400加速运转时用于部分或完全补偿倾角以平衡踏板组件510的辅助平衡机构。

该自平衡装置，结构简单，用户通过该自平衡装置可以“脚控”方式实现对电动车辆各种运行状态(前进、后退、转弯以及停止)的控制，省时省力，一方面踏板组件510与车体120枢接的结构可使用户在通过踏板组件510进行“脚控”时无需带动笨重的车体120，即可利用控制系统控制电机精确驱动驱动轮400运行，操作灵活方便，另一方面辅助平衡机构的设置能在驱动轮400加速运转时使踏板组件510趋于平衡，确保电动车辆平稳运行，提升安全性和用户体验。

上述驱动轮400即为常见的电机轮，其具体结构在此不作详述。

进一步的，参照图1至图13、图15至图18，在本实施例中，辅助平衡机构为与电机轴520传动连接的同步机构540，同步机构540至少能在处理单元控制驱动轮400加速运转时将驱动轮400作用于电机轴520的力反馈至踏板组件510以部分或完全补偿倾角。

具体在本实施例中，参照图1至图13、图15至图18，踏板组件510包括踏板本体511、踏板支架512及踏板轴513，踏板本体511通过踏板支架512与踏板轴513固定连接，同步机构540连接踏板轴513与电机轴520。该踏板支架512作为安装踏板本体511和踏板轴513的支承件能极大的提高整体结构的稳定性和可靠性。在实际应用时，该踏板支架512还优选包括对称于踏板本体511设置的第一支架和第二支架，以进一步提高结构的稳定性和可靠性。踏板本体511和踏板支架512既可以采用螺纹连接或铆接而能拆卸的固定连接在一起，也可以通过焊接固定为一个整体或者一体成型，以确保结构稳定性。

在实际使用时，上述处理单元可以是常见的伺服单元。

以加速为例，本实施例提供的自平衡装置在姿态车中应用时的具体控制过程为：当用户对踏板组件510(具体为踏板组件510的踏板本体511)的前部施加的前倾力或者当用户的重心相对于踏板组件510前倾时，踏板本体511相对于水平面产生倾角，一方面该倾角被姿态检测单元检测到后转换成相应的数据传输给伺服单元，伺服单元根据该数据相应的调整电机的运行环境参数从而精确地控制电机转动的加速度，另一方面与踏板本体511相连的同步机构540也会相应的向电机轴520传递一力矩，从而带动电机轴520加速转动，由此能够极大的提高自平衡装置的感应灵敏度，从而使用户对整个姿态车的操作更加灵活；在驱动轮400向前加速运转的过程可以理解为电机的外转子受到内定子的一个向前的作用力，在该作用力下，驱动轮400产生向前的加速度，而与此相应的，同步内定子及与之相连的电机轴520也会受到外转子的一个反作用力，同步机构540的设计还能够巧妙的将该反作用力由电机轴520反馈至踏板组件510，以利用该反作用力与骑行者作用于踏板本体511的前倾力相互平衡，从而相应的补偿前述倾角，保证骑行平稳，提高安全性。在实际应用时，上述处理单元还可以与姿态检测单元配合以实现后仰保护，其控制过程具体为：当处理单元判断姿态车过速后，会向姿态检测单元发出控制指令以使姿态检测单元相应的调节平衡角度，从而带动踏板组件510向后倾斜一定角度，使用户被迫达到重心向后的目的，从而实现减速，以进一步保证骑行平稳，提高安全性。

应当理解的是，自平衡装置在推车、环卫车、高尔夫球车、碰碰车、沙滩车及运输车中应用时的具体控制过程与上述姿态车类似，在此不作详述。

具体在本实施例中，姿态检测单元包括设于踏板本体511或踏板支架512或同步机构540上的陀螺仪(未示出)和加速度传感器(未示出)。陀螺仪和加速度传感器是电动控制技术领域常见的能准确检测踏板本体511相对于水平面倾角的结构。

应当理解的是，上述处理单元可设于控制板上，该控制板包括功率电子器件和集成电路模块等，在使用时优选设于踏板组件510下方，一方面可用于接收电机的启动、停止及制动等信号，用于控制电机的启动、停止及制动；另一方面便于提高接收姿态检测单元检测的踏板组件510位置信号和电机的正反转信号的准确性，以更好的控制各功率电子器件的通断，从而使电机产生连续转矩；此外，还便于接收速度指令和速度反馈信号，用于控制和调整电机转速。该控制板的结构及安装使用方式是在现有的电动控制技术领域中常见的，因此可以采用对应的现有技术，此处不赘述。

在实际应用时，同步机构540设计简单，通过选择不同尺寸和/或种类的同步机构540就能在有限组装空间内完成对踏板组件510与电机轴520的连接定位，并保证结构紧凑、组装操作方便。

具体的，同步机构540为现有的齿轮传动机构、链传动机构、带传动机构、拉杆传动机构及球头联动杆传动机构中的任意一种，用户可根据电动车辆的设计组装空间结构及传动需求进行相应的选择设计。参照图1、图2、图6以及图8，本实施例采用的是带传动机构。

进一步的，在本实施例中，踏板轴513与车体120枢接且踏板轴513与车体120之间还设有轴向限位机构(未示出)。这样的踏板轴513在与车体120起到连接定位作用的同时，还能确保与之相连的踏板支架512及踏板本体511不会相对于车体120发生轴向晃动，并且能保证整个踏板组件510能在用户的“脚控”下轻便灵活的调节倾斜角度，避免带动笨重的车体120动作，从而进一步提高操作的灵活性。该轴向限位机构可以采用现有的卡簧或止动环等结构，其结构简单、价格低廉且安装方便。

上述踏板轴513与车体120之间通过第一轴承或第一套筒枢接，电机轴520与车体120之间通过第二轴承或第二套筒枢接。踏板轴513和电机轴520分别通过定位块进行安装定位。该第一轴承、第一套筒、第二轴承、第二套筒及定位块都是在现有安装结构中常见的，在此不做详述。

上述电动车辆可以是姿态车、推车、环卫车、高尔夫球车、碰碰车、沙滩车及运输车中的任意一种。

图1至13所示出的是自平衡装置在姿态车中应用时的结构。

以姿态车为例进行具体说明如下：

参照图1至图14，车轮为四个；其中，四个车轮均为驱动轮400，车体120的左右两侧分别对称设有两个驱动轮400；或者，四个车轮中包括两个驱动轮400和两个从动轮300，两个驱动轮400对称设于车体120的前部，两个从动轮300对称设于车体120的后部。这样的四轮姿态车在骑行时的稳定性和平衡性较好，并且能避免断电后倾斜带来的使用危险。需要说明的是，本实施例附图1至5所示出的是采用两个驱动轮400和两个从动轮300的实施方式，踏板组件510优选设有两组，每组踏板组件510的踏板轴513分别通过同步机构540与相应驱动轮400的电机轴520相连。应当理解的是，当采用四个驱动轮时400，只需相应的调整各连接结构即可。在姿态车中应用时，踏板组件510可设于车体120的内侧或外侧。由于车体120置于两个驱动轮400之间，故该内侧具体指的是踏板组件设于两个驱动轮400之间的车体120；该外侧具体指的是踏板组件510设于两个驱动轮400的外侧。

进一步的，参照图6至图13、实际应用时，还可采用两个或三个车体120枢接的结构，以使姿态车在各种运行状态中车体120都能相应的带动各个车轮自适应进行高度调节，从而极大的提高各车轮的抓地性能，提高安全性，提升用户体验。

采用两个车体120时，可参照图6至图10所示，采用三个车体120时可参照图12和图13所示，在采用三个车体120时，中间的车体120无需设置驱动轮400。

可选的，参照图6至图10，两个车体120沿垂直于驱动轮400运行的方向依次分布，且两个驱动轮400分别对应设于两个车体120。即：两个车体120在姿态车行进的方向上呈左右分布，这样的结构尤其适合于四轮姿态车，左右两个车体120之间彼此枢接的结构同样能够很好改善各车轮的抓地性能。

具体本实施例中，参照图12和图13，三个车体120同样是垂直于驱动轮400运行的方向依次分布的，即三个车体120在姿态车行进的方向上呈由左至右依次分布。

另一种可选的结构是，参照图11，在本实施例中，两个车体120沿驱动轮400运行的方向依次分布，且至少三个车轮中的两个驱动轮400设于其中一个车体120，其余车轮设于另一个车体120；即两个车体120在姿态车行进的方向上呈前后分布，这种结构尤其适合于四轮姿态车，前车体120和后车体120之间彼此枢接的结构能够很好改善各车轮的抓地性能。

进一步的，在本实施例中，参照图6、图7、图9至图14，相邻两个车体120之间可通过限位轴600枢接，限位轴600与车体120之间具体可通过第三轴承或第三套筒枢接。限位轴600可分别通过定位块进行安装定位。此外，限位轴600还可设有对两个车体120进行轴向定位的第一限位部及能限制两个车体120之间周向转动角度的第二限位部610。第一限位部能避免车体120左右或前后运动(以姿态车行驶方向为前，下同)，第二限位部610的设置能使相邻两个车体120在整车行驶过程中可绕限位轴600转动，从而提高姿态车的越障能力。

进一步的，采用两个车体120时，两个车体120可以同时与限位轴600保持枢接，或者其中一个车体120与限位轴600的一端枢接，另一个车体120与限位轴600的另一端固定；采用三个车体120时，该姿态车相应的可设有两根限位轴600，各限位轴600与车体120之间的连接方式与采用两个车体120时类似，在此不赘述。

进一步的，第一限位部可以采用现有的卡簧620或止动环等结构，其结构简单、价格低廉且安装方便。第二限位部610优选为槽状结构，参照图14所示，限位轴600在第二限位部610处大致呈D型，根据对车体120的转动角度的限制要求，相应的调整槽状结构的尺寸即可。

图15至图19所示出的是自平衡装置在推车中应用时的结构。

以推车为例进行具体说明如下：

参照图15和图16，推车包括设有载物台100和扶手200的车体120，踏板组件510与载物台100枢接，三个车轮中包括两个驱动轮400和一个从动轮300，电机轴520与载物台100枢接。

上述扶手200设于驱动轮400上方的载物台100上，即：该推车为前轮驱动。载物台100可以是一体成型的结构。扶手200包括横杆201及经横杆201连接的第一竖杆202和第二竖杆(未示出)，第一竖杆202和第二竖杆设于载物台100上，结构简单，自重较轻。

参照图17至图19，载物台100包括第一支承板101和第二支承板102，踏板组件510设于第二支承板102且与第二支承板102枢接，第一支承板101的底部设有从动轮300，两个驱动轮400设于第二支承板102的底部，电机设于驱动轮400内且电机的电机轴520与第二支承板102枢接。

参照图17，当第一支承板101和第二支承板102一体成型时，优选第一支承板101用于承载货物，第二支承板102供承载用户，这样的结构有利于提高使用的便利性，应当理解的是，这种情况下驱动轮400为后轮驱动以提高使用的安全性；具体的，第一支承板101和第二支承板102可分设于扶手200的前后两侧；扶手200为设于载物台100上的立板结构，立板结构优选设于第一支承板101与第二支承板102之间，这样的结构在电动推车为后轮驱动时，可在实际使用时对第一支承板101所载货物起到后支撑的作用，避免加速时货物向后倾斜而对用户造成伤害，安全性较好。

此外，参照图18和图19，第一支承板101和第二支承板102还可以采用枢接的结构，与姿态车中的两个车体120前后枢接的结构类似，以提高各驱动轮400和从动轮300的抓地性能。参照图19，第一支承板101和第二支承板102之间同样可以通过限位轴600枢接，在此不做详述。

上述从动轮300优选有两个，由此上述推车即构成四轮推车，结构稳定性较好。

需要说明的是，参照图1至图13、图15至图18，上述自平衡装置还包括设于车体120并为控制系统530及电机提供电力的电源模块550。该电源模块550优选为充电电池。

本发明实施例还提供了一种电动车辆，该电动车辆设有上述自平衡装置。

应当理解的是，将上述自平衡装置在环卫车、高尔夫球车、碰碰车、沙滩车及运输车中进行设置时，其相应的结构在推车中类似，此时，自平衡装置的踏板组件可设于环卫车、高尔夫球车、碰碰车、沙滩车或运输车的底盘上。

上述电动车辆由于与本发明自平衡装置实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明自平衡装置实施例相同，具体内容可参见本发明自平衡装置实施例中的叙述，此处不再赘述。

以上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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.自平衡装置，用于电动车辆，所述电动车辆包括车体和至少三个车轮，三个所述车轮中至少有两个为驱动轮，其特征在于：包括踏板组件、控制系统及电机，所述电机设于所述驱动轮内，且所述电机的电机轴穿出所述驱动轮后与所述车体枢接，所述踏板组件与所述车体枢接，所述控制系统包括与所述踏板组件相连的姿态检测单元以及分别与所述姿态检测单元和所述电机轴相连的处理单元，所述姿态检测单元用于检测所述踏板组件与水平面的倾角，所述处理单元根据所述倾角借助所述电机控制所述驱动轮运转，所述踏板组件还连接有至少能在所述处理单元控制所述驱动轮加速运转时用于部分或完全补偿所述倾角以平衡所述踏板组件的辅助平衡机构；所述辅助平衡机构为与所述电机轴传动连接的同步机构，所述同步机构至少能在所述处理单元控制所述驱动轮加速运转时将所述驱动轮作用于所述电机轴的力反馈至所述踏板组件以部分或完全补偿所述倾角，包括：所述电机轴的力与作用于踏板本体的前倾力相互平衡，所述踏板组件包括踏板本体、踏板支架及踏板轴，所述踏板本体通过所述踏板支架与所述踏板轴固定连接，所述同步机构连接所述踏板轴与所述电机轴。

2.如权利要求1所述的自平衡装置，其特征在于：所述同步机构为齿轮传动机构、链传动机构、带传动机构、拉杆传动机构及球头联动杆传动机构中的任意一种。

3.如权利要求1所述的自平衡装置，其特征在于：所述姿态检测单元包括设于所述踏板本体或所述踏板支架或所述同步机构上的陀螺仪和加速度传感器。

4.如权利要求1所述的自平衡装置，其特征在于：所述踏板轴与所述车体枢接且所述踏板轴与所述车体之间还设有轴向限位机构。

5.电动车辆，其特征在于：所述电动车辆设有权利要求1至4中任一项所述的自平衡装置。

6.如权利要求5所述的电动车辆，其特征在于：所述电动车辆为姿态车、推车、环卫车、高尔夫球车、碰碰车、沙滩车及运输车中的任意一种。

7.如权利要求6所述的电动车辆，其特征在于：所述推车包括设有载物台和扶手的所述车体，所述踏板组件与所述载物台枢接，三个所述车轮中包括两个所述驱动轮和一个从动轮，所述电机轴与所述载物台枢接。

8.如权利要求6或7所述的电动车辆，其特征在于：所述车轮为四个；其中，四个所述车轮均为所述驱动轮，所述车体的左右两侧分别对称设有两个所述驱动轮；或者，四个所述车轮中包括两个所述驱动轮和两个从动轮，两个所述驱动轮对称设于所述车体的前部，两个所述从动轮对称设于所述车体的后部。

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