CN107628175B - 球轮转向无车把自平衡自行车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球轮转向无车把自平衡自行车，包括车架、前球轮转向装置和后车轮驱动装置，前球轮转向装置包括基于前车球架设置的球轮以及驱动球轮左、右转动的球轮驱动机构，前车球架安装于车架前端，球轮驱动机构包括于球罩顶部设置的单排全向轮，单排全向轮穿过球罩上的开口与球轮上半球面垂直相切摩擦接触，单排全向轮转向薄饼电机；后车轮驱动装置包括安装于后车叉的叉体内的后车轮，后车叉安装于车架后端，后车叉的叉体上设有行走薄饼电机驱动后车轮。本发明采取无车把结构设计，减小了车身的横向尺寸，车身体型狭小、道路通过性好，可以在小空间范围内实现灵活的全方位运动，在森林作业、杂技娱乐及安保巡逻等领域有广泛应用前景。

Description

球轮转向无车把自平衡自行车

技术领域：

本发明涉及自平衡自行车机器人，具体为一种球轮转向无车把自平衡自行车。

背景技术

自行车具有结构简单、体型小巧、快速灵活等特点，相比于四轮汽车，它可以更自由地穿梭于街头巷尾，这种优点使其在森林作业、杂技娱乐及安保巡逻等领域有广泛应用前景。

自平衡自行车是自行车机构和自动平衡控制技术结合的产物，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，它的车体底部装有两个高速旋转的飞轮，根据陀螺仪原理，只要按一定的规律驱动飞轮进动就可以产生陀螺力矩来保持车体的平衡。

所述的自平衡自行车体现了一定的自动平衡和承载能力。然而，现有的自行车机构均采用双轮前、后排布且有车把的结构，这样的设计会加大车体的转弯半径，也会增加车身整体的横向宽度，而且传统的轮式自平衡自行车由于受到驱动轮运动方式的限制，很难在小范围内实现灵活的全方位运动。已有研究表明，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。

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运动灵活性好、路况适应能力强、车身整体横向尺寸小的球轮转向无车把自平衡自行车。

能够解决上述技术问题的球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前球轮转向装置和后车轮驱动装置，其中

1、所述前球轮转向装置包括基于前车球架设置的球轮以及驱动球轮左、右转动的球轮驱动机构，所述前车球架的上部安装于车架前端，前车球架的下部为球罩，所述球罩的上部罩住球轮的上半球，球罩的下部套托在球轮下半球的上部，球罩上部与上半球之间通过在对应滚珠保持架上均布的滚珠滚动连接，球罩的下部与下半球之间通过在对应滚珠保持架上水平圆周均布的滚珠滚动连接；所述球轮驱动机构包括于球罩顶部设置的单排全向轮，所述单排全向轮穿过球罩上的开口与球轮上半球面垂直相切摩擦接触，单排全向轮的驱动为设置在前车球架上部的转向薄饼电机，所述转向薄饼电机通过对应齿轮减速传动机构连接单排全向轮的一轴端，前车球架上部还设有检测单排全向轮转动状态(转动量和转向)的转向编码器。

2、所述后车轮驱动装置包括安装于后车叉下部左、右叉体内的后车轮，所述后车叉的上部安装于车架后端，所述后车叉的下部叉体上设有行走薄饼电机并通过对应齿轮减速传动机构连接后车轮的轮轴，后车叉的下部叉体上还设有检测后车轮转动状态的行走编码器。

所述前车球架的一种结构为：前车球架的上部包括由左、右的前斜杆和后斜杆构成的杆架，左、右前斜杆和后斜杆的上端均于车架前端的同一部位上固连，左、右前斜杆和后斜杆的下端固连在球罩的环架上；所述杆架内设有前车叉，所述单排全向轮安装于前车叉下部的前、后叉体内。

进一步，所述单排全向轮安装于前、后的支撑板和支撑杆之间，所述支撑板和支撑杆均通过弹簧减震元件安装于前车叉的前、后叉体上；所述转向薄饼电机及对应齿轮减速传动机构安装于支撑板上，所述转向编码器于支撑杆上与单排全向轮同轴安装。

所述车架为“U”型架，其前端高且向前伸展作为扶板，其后端低且向后伸展作为座板，所述前球轮转向装置安装于车架前端扶板的底部，所述后车轮驱动装置安装于车架后端座板的底部。

本发明的有益效果：

1、本发明球轮转向无车把自平衡自行车结构中，采用无车把结构设计，减小了车身的横向尺寸，车身体型狭小，道路通过性好。

2、本发明结构中，前球轮转向装置采用单排全向轮驱动球轮移动转向，这种转向方式灵活度高，转弯半径小，稳定性好，可以在小空间内灵活移动。

3、本发明结构中，车架与前车球架和后车叉固连为一体，具有设计简单、结构坚固、加工装配性好等优点。

4、本发明结构中，转向薄饼电机带动球轮产生一个使单排全向轮横移的速度矢量，该矢量与后车轮产生的纵向速度矢量合成，可实现无车把自平衡自行车的全方位运动。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。

图2为图1实施方式的正视图。

图3是图2中A-A剖视图。

图号标识：1、车架；2、球轮；3、球罩；4、滚珠；5、单排全向轮；6、转向薄饼电机；7、转向编码器；8、后车叉；9、后车轮；10、前斜杆；11 后斜杆；12、前车叉；13、支撑板；14、支撑杆；15、弹簧减震元件；16、齿轮减速传动机构；17、行走薄饼电机；18、行走编码器；19、环架。

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。

本发明球轮转向无车把自平衡自行车，其结构包括车架1、前球轮转向装置和后车轮驱动装置。

所述车架1设计为“U”型架，车架1的前端高且向前平伸作为扶板，车架1的后端低且向后平伸作为座板，如图1、图2所示。

所述前球轮转向装置设于车架1的前平伸端下方，包括前车球架、球轮 2和球轮驱动机构。

所述前车球架的上部分 由左、右的前斜杆10和设于左、右前斜杆10后方中央的后斜杆11构成，前车球架的下部为球罩3，所述球罩3的上部罩住球轮2的上半球，球罩3的下部套托在球轮2下半球的上部，球罩3上部与上半球面之间设有均布的滚珠4，各滚珠4滚动设于球弧形滚珠保持架上，球罩3的下部与下半球之间通过圈形滚珠保持架中水平圆周均布的滚珠4滚动连接；两前斜杆10与后斜杆11的上端于车架1前平伸端底部的相同位置上固连，两前斜杆10与后斜杆11的下端于球罩3上部环架19上的对应位置固连，如图1、图2、图3所示。

所述球轮驱动机构包括于球罩3顶部设置的一个单排全向轮5(竖直设置，其转动方向为左、右向)，所述单排全向轮5穿过球罩3顶部的的开口(应避开球弧形滚珠保持架)与球轮2的上半球顶面垂直相切摩擦接触，单排全向轮5上方的左、右前斜杆10之间设有前车叉12，所述前车叉12上部的杆体与左、右前斜杆10及后斜杆11的上端连接为一体，前车叉12下部的前、后叉体分别通过弹簧减震元件15安装支撑板13和支撑杆14，单排全向轮5 通过转动轴安装于支撑板13与支撑杆14之间，单排全向轮5的驱动为安装于支撑板13上的转向薄饼电机6，所述转向薄饼电机6通过支撑板13上安装的齿轮减速传动机构16连接单排全向轮5转动轴的前端，所述支撑杆14 上设有与单排全向轮5转动轴的后端同轴安装的转向编码器7(检测单排全向轮5的转动量和转向)，如图1、图2、图3所示。

所述后车轮驱动装置设于车架1的后平伸端下方，包括后车叉8和后车轮9，所述后车叉8的上部杆体固连于车架1后平伸端的底部，所述后车轮9 安装于后车叉8下部的左、右叉体内，一叉体上设有行走薄饼电机17，所述行走薄饼电机17通过该叉体上设置的齿轮减速传动机构16连接后车轮9的轮轴，该叉体上还通过支架安装有检测后车轮9转动状态(转动量和转向) 的行走编码器18，如图1、图2所示。

本发明的骑行方式为：

1、当自平衡自行车前进时，行走薄饼电机17正转驱动后车轮9向前运动，球轮2为从动轮并跟随向前滚动，球轮2滚动的同时带动单排全向轮5 中的节轮转动；当自平衡自行车后退时，行走薄饼电机17反转驱动后车轮9 向后运动，球轮2为向后滚动的从动轮，球轮2滚动时带动单排全向轮5中的节轮转动。

2、当后车轮9没有纵向移动，而转向薄饼电机6通过对应的齿轮减速传动机构16驱动单排全向轮5时，球轮2会产生一个左、右向横移的速度矢量，可实现自平衡自行车以后车轮9为定点以任意角度回转。

3、当行进的自平衡自行车需要转弯时，转向薄饼电机6驱动单排全向轮 5并带动球轮2产生一个左、右向横移的速度矢量，该横移速度矢量与后车轮9的纵向速度矢量合成为任意方向的速度矢量，从而实现自平衡自行车全方位的运动能力。

Claims (4)

1.球轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：包括基于车架(1)设置的前球轮转向装置和后车轮驱动装置，其中

所述前球轮转向装置包括基于前车球架设置的球轮(2)以及驱动球轮(2)左、右转动的球轮驱动机构，所述前车球架的上部安装于车架(1)前端，前车球架的下部为球罩(3)，所述球罩(3)的上部罩住球轮(2)的上半球，球罩(3)的下部套托在球轮(2)下半球的上部，球罩(3)上部与上半球之间通过在对应滚珠保持架上均布的滚珠(4)滚动连接，球罩(3)的下部与下半球之间通过在对应滚珠保持架上水平圆周均布的滚珠(4)滚动连接；所述球轮驱动机构包括于球罩(3)顶部设置的单排全向轮(5)，所述单排全向轮(5)穿过球罩(3)上的开口与球轮(2)上半球面垂直相切摩擦接触，单排全向轮(5)的驱动为设置在前车球架上部的转向薄饼电机(6)，所述转向薄饼电机(6)通过对应齿轮减速传动机构(16)连接单排全向轮(5)的一轴端，前车球架上部还设有检测单排全向轮(5)转动状态的转向编码器(7)；

所述后车轮驱动装置包括安装于后车叉(8)下部左、右叉体内的后车轮(9)，所述后车叉(8)的上部安装于车架(1)后端，所述后车叉(8)的下部叉体上设有行走薄饼电机(17)并通过对应齿轮减速传动机构(16)连接后车轮(9)的轮轴，后车叉(8)的下部叉体上还设有检测后车轮(9)转动状态的行走编码器(18)。

2.根据权利要求1所述的球轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述前车球架的上部包括由左、右的前斜杆(10)和后斜杆(11)构成的杆架，左、右前斜杆(10)和后斜杆(11)的上端均于车架(1)前端的同一部位上固连，左、右前斜杆(10)和后斜杆(11)的下端固连在球罩(3)的环架(19)上；所述杆架内设有前车叉(12)，所述单排全向轮(5)安装于前车叉(12)下部的前、后叉体内。

3.根据权利要求2所述的球轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述单排全向轮(5)安装于前、后的支撑板(13)和支撑杆(14)之间，所述支撑板(13)和支撑杆(14)均通过弹簧减震元件(15)安装于前车叉(12)的前、后叉体上；所述转向薄饼电机(6)及对应齿轮减速传动机构(16)安装于支撑板(13)上，所述转向编码器(7)于支撑杆(14)上与单排全向轮(5)同轴安装。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的球轮转向无车把自平衡自行车，其特征在于：所述车架(1)为“U”型架，其前端高且向前伸展作为扶板、后端低且向后伸展作为座板，所述前球轮转向装置安装于车架(1)前端扶板的底部，所述后车轮驱动装置安装于车架(1)后端座板的底部。

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