CN107554663A - 全向轮转向无车把自平衡自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向轮转向无车把自平衡自行车，包括车架、纵向行走装置和横向转弯装置，纵向行走装置包括安装于车架的前车叉上的前驱轮，前车叉上安装有通过行走齿轮传动机构带动前驱轮转动的薄饼电机，前车叉上还安装有检测前驱轮转动状态的编码器；横向转弯装置包括安装于车架的后车叉上的单排全向轮，单排全向轮包括于轮毂上圆周均布且可横向转动的节轮，各节轮之间通过横向齿轮转动机构连接同步转动；于轮毂上设置通过摩擦力带动一个节轮转动的摩擦轮，摩擦轮的驱动为设于轮毂上的转弯电机。本发明中，单排全向轮横移的速度矢量与前驱轮产生的纵向速度矢量合成，可实现无车把自行车的自动转弯，且该转弯方法不存在内轮差问题。

Description

全向轮转向无车把自平衡自行车

技术领域

本发明涉及自行车机器人，具体为一种全向轮转向无车把自平衡自行车。

背景技术

双轮自行车是一种人们常用的骑行工具，具有结构简单、节能环保、使用和维修方便等特点，相比四轮汽车，它可以在一些比较狭窄的道路上行驶，能够更加方便人们的出行。

自平衡双轮自行车是自行车机构和自动平衡控制技术相结合的产物，目前，有代表性的自平衡自行车有Lit Motors公司所生产的C-1自平衡双轮自行车。这种自平衡自行车的核心是自我平衡的机械陀螺仪技术，它通过机械陀螺产生陀螺力矩调整车体可以使车辆不会倾倒，并且通过车把偏转来改变前进的方向。

对已有研究分析表明，现有的自行车的转向通常是依靠车把进行的，这种转弯机制存在着内轮差(前轮转弯半径与后轮转弯半径之差)，如果有障碍物在旁边时该车进行转弯，可能会存在由于内轮差而碰到障碍物的危险。

另外，自行车的转向运动本质上是为了改变车体的航向，这与许多全向运动的行走小车类似，全向运动的行走小车中，通常采用全向轮作为支撑轮机构；然而，现有的全向轮虽然具有纵向与横向的运动功能，但其横向节轮(小滚轮)通常没有安装驱动，因而无法实现全向轮的自主横向移动。

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可实现自行车自动转向功能的全向轮转向无车把自平衡自行车。

能够解决上述技术问题的全向轮转向无车把自平衡自行车，其技术方案包括基于车架设置的纵向行走装置和横向转弯装置，其中

1、所述纵向行走装置包括安装于车架的前车叉上的前驱轮，所述前车叉上安装有通过行走齿轮传动机构带动前驱轮转动的薄饼电机，前车叉上还安装有通过齿轮传动副检测前驱轮转动状态的编码器。

2、所述横向转弯装置包括安装于车架的后车叉上的单排全向轮，所述单排全向轮包括于轮毂上圆周均布且可横向转动的节轮，各节轮之间通过横向齿轮转动机构连接同步转动。

3、选择其中一个节轮为主动轮，于轮毂上设置通过摩擦力带动该节轮转动的摩擦轮，所述摩擦轮的驱动为设于轮毂上的转弯电机。

所述横向齿轮转动机构的一种结构包括基于相邻节轮的对应端分别设置的锥齿轮传动副和直齿轮传动副，所述锥齿轮传动副包括啮合的节轮锥齿轮和过渡锥齿轮，所述直齿轮传动副包括啮合的过渡直齿轮和传动直齿轮，所述节轮锥齿轮安装于节轮的对应轴端上，所述传动直齿轮安装于相邻节轮之间设置的传动轴的对应轴端上，所述过渡锥齿轮与过渡直齿轮同轴安装于与传动轴平行的过渡传动轴上。

为减少单排全向轮的滚动冲击而保持运动连续性，可将各节轮的两端部镂空，所述横向齿轮转动机构设于相邻节轮对应端的空腔内，所述传动轴上同轴安装有内节轮(各内节轮形成的外圆周直径与各节轮形成的外圆周直径相同)，所述内节轮的两端设于相邻节轮对应端的空腔口。

所述转弯电机优选双轴减速电机，所述双轴减速电机的各输出轴分别通过对应的同步带连接摩擦轮的两轴端。

所述行走齿轮传动机构包括相啮合的主动小齿轮和从动大齿轮，所述主动小齿轮安装于薄饼电机的输出轴，所述从动大齿轮与前驱轮的对应轴端安装连接。

所述前车叉和后车叉对称于车架设置，使得骑行不分前、后方向。

进一步，所述车架上设有座板，所述座板下方的车架上设有左、右脚踏，座板前、后的车架上设有扶手。

本发明的有益效果：

1、本发明全向轮转向无车把自平衡自行车结构中，各节轮经过双轴减速电机驱动会产生一个使单排全向轮横移的速度矢量，该矢量与前驱轮产生的纵向速度矢量合成，可实现无车把自行车的自动转弯，且该转弯方法不存在内轮差问题。

2、本发明结构中，单排全向轮的节轮与节轮之间通过两级齿轮传动相连接，节轮与双轴减速电机通过摩擦传动副和带传动副相连接，从而实现了只需要一个驱动，便能使各节轮同步和同向转动。

3、本发明结构中，车架上的前、后车叉对称设置，前驱轮和单排全向轮可不分前、后轮，从而实现了自行车的双向行驶。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的主视图。

图2为图1实施方式的俯视图。

图3为图1、图2实施方式中单排全向轮的结构图。

图号标识：1、车架；2、前车叉；3、前驱轮；4、薄饼电机；5、编码器；6、单排全向轮；6-1、节轮；6-2、轮毂；6-3、摩擦轮；7、后车叉；8、转弯电机；9、主动小齿轮；10、从动大齿轮；11、节轮锥齿轮；12、过渡锥齿轮；13、过渡直齿轮；14、传动直齿轮；15、传动轴；16、过渡传动轴；17、内节轮；18、同步带；19、座板；20、脚踏；21、扶手；22、齿轮传动副。

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。

本发明全向轮转向无车把自平衡自行车，其结构包括车架1和纵向行走装置以及横向转弯装置。

所述车架1包括中间的座板19、座板19下方的左、右脚踏20、座板19前、后方的扶手21和设置在座板19前、后端的斜向插管，如图1、图2所示。

所述纵向行走装置包括前车叉2和前驱轮3，所述前车叉2的后端插杆斜向后上方与座板19的前插管插接，所述前驱轮3安装于前车叉2前端的叉体内，右侧叉体上安装有薄饼电机4，所述薄饼电机4通过相互啮合的主动小齿轮9和从动大齿轮10连接前驱轮3的右端轮轴，左侧叉体上安装有编码器5，所述编码器5通过齿轮传动副22检测前驱轮3的转动状态(如转速和转向)，如图1、图2所示。

所述横向转弯装置包括后车叉7和单排全向轮6，所述后车叉7的后端插杆斜向前上方与座板19的后插管插接，所述单排全向轮6安装于后车叉7前端的叉体内，如图1、图2所示。

所述单排全向轮6包括轮毂6-2以及圆周均布设于轮毂6-2上的六个大直径节轮6-1，六个节轮6-1中间间隔设有六个小直径的内节轮17，各内节轮17同轴设于对应的传动轴15上，各内节轮17形成的外圆周直径与各节轮6-1形成的外圆周直径相同，在横向齿轮转动机构的连接作用下，六个节轮6-1连同六个内节轮17可同步、同向横向转动，选择一个节轮6-1为主动轮，对应于该节轮6-1于轮毂6-2设置摩擦轮6-3以及对应于摩擦轮6-3于轮毂6-2上设置转弯电机8，所述摩擦轮6-3与该节轮6-1摩擦接触，所述转弯电机8采用双轴减速电机(与摩擦轮6-3平行设置)，双轴减速电机的两轴端分别通过各自的同步带18连接摩擦轮6-3的两轴端，如图3所示。

各节轮6-1的两端分别镂空，中间的内节轮17的两端伸入至前、后节轮6-1对应端的空腔口，各节轮6-1两端的空腔内均设有横向齿轮转动机构，所述横向齿轮转动机构包括锥齿轮传动副和直齿轮传动副，所述锥齿轮传动副包括啮合的节轮锥齿轮11和过渡锥齿轮12，所述直齿轮传动副包括啮合的过渡直齿轮13和传动直齿轮14，所述节轮锥齿轮11安装于节轮6-1的对应轴端上，所述传动直齿轮14安装于伸入节轮6-1对应端空腔内的传动轴15轴端上，所述过渡锥齿轮12与过渡直齿轮13同轴安装于与传动轴15平行的过渡传动轴16上，考虑到闭环传动会造成运动干涉，因此可以把与摩擦轮6-3对位传动的节轮轴上的节轮锥齿轮11去掉一个，如图3所示。

本发明的骑行方式为：

1、当自平衡自行车前进时，薄饼电机4正转驱动前驱轮3，单排全向轮6为从动轮且无横向移动。

2、当自平衡自行车后退时(驾驶人员可调换方向进行驾驶)，薄饼电机4反转驱动前驱轮3，单排全向轮6为从动轮且无横向移动。

3、当前驱轮3没有纵向移动，而双轴减速电机同步驱动各节轮6-1以及各内节轮17时，单排全向轮6产生一个横移的速度矢量，可使自行车以前驱轮3为定点以任意角度转弯。

4、当行进的自平衡自行车需要进行转弯时，双轴减速电机同步驱动各节轮6-1以及各内节轮17，使单排全向轮6产生一个横移的速度矢量，单排全向轮6的横移速度矢量与前驱轮3纵向速度矢量可合成为在任意方向上的速度矢量，从而实现自平衡自行车的自动转弯功能。

Claims (7)

1.全向轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：包括基于车架(1)设置的纵向行走装置和横向转弯装置，其中

①、所述纵向行走装置包括安装于车架(1)的前车叉(2)上的前驱轮(3)，所述前车叉(2)上安装有通过行走齿轮传动机构带动前驱轮(3)转动的薄饼电机(4)，前车叉(2)上还安装有通过齿轮传动副(22)检测前驱轮(3)转动状态的编码器(5)；

②、所述横向转弯装置包括安装于车架(1)的后车叉(7)上的单排全向轮(6)，所述单排全向轮(6)包括于轮毂(6-2)上圆周均布且可横向转动的节轮(6-1)，各节轮(6-1)之间通过横向齿轮转动机构连接同步转动；

③、选择其中一个节轮(6-1)为主动轮，于轮毂(6-2)上设置通过摩擦力带动该节轮(6-1)转动的摩擦轮(6-3)，所述摩擦轮(6-3)的驱动为设于轮毂(6-2)上的转弯电机(8)。

2.根据权利要求1所述的全向轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述横向齿轮转动机构包括基于相邻节轮(6-1)的对应端分别设置的锥齿轮传动副和直齿轮传动副，所述锥齿轮传动副包括啮合的节轮锥齿轮(11)和过渡锥齿轮(12)，所述直齿轮传动副包括啮合的过渡直齿轮(13)和传动直齿轮(14)，所述节轮锥齿轮(11)安装于节轮(6-1)的对应轴端上，所述传动直齿轮(14)安装于相邻节轮(6-1)之间设置的传动轴(15)的对应轴端上，所述过渡锥齿轮(12)与过渡直齿轮(13)同轴安装于与传动轴(15)平行的过渡传动轴上(16)。

3.根据权利要求1所述的全向轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：各节轮(6-1)的两端部镂空，所述横向齿轮转动机构设于相邻节轮(6-1)对应端的空腔内，所述传动轴(15)上同轴安装有内节轮(17)，所述内节轮(17)的两端设于相邻节轮(6-1)对应端的空腔口。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的全向轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述转弯电机(8)为双轴减速电机，所述双轴减速电机的各输出轴分别通过对应的同步带(18)连接摩擦轮(6-3)的两轴端。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的全向轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述行走齿轮传动机构包括相啮合的主动小齿轮(9)和从动大齿轮(10)，所述主动小齿轮(9)安装于薄饼电机(4)的输出轴，所述从动大齿轮(10)与前驱轮(3)的对应轴端安装连接。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的全向轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述所述前车叉(2)和后车叉(7)对称于车架(1)设置。

7.根据权利要求6所述的全向轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述车架(1)上设有座板(19)，所述座板(19)下方的车架(1)上设有左、右脚踏(20)，座板(19)前、后的车架(1)上设有扶手(21)。