CN110962977B - 无人摩托转动陀螺主动平衡装置及无人摩托 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人摩托转动陀螺主动平衡装置，包括外壳和可转动地安装在外壳上的两个飞轮陀螺组件；飞轮陀螺组件包括飞轮组件和进动组件，飞轮组件用于提供大转动惯量；进动组件固定在飞轮组件的一侧且进动组件的轴线与飞轮组件的轴线垂直相交；两个飞轮组件的轴线沿上下方向延伸，两个飞轮组件的飞轮双向对称旋转，两个进动组件的轴线相互平行且沿左右方向延伸，其中一个飞轮陀螺组件的进动组件位于外壳的左侧，另一个飞轮陀螺组件的进动组件位于外壳的右侧，两个进动组件双向对称旋转。本发明可以实现大重量无人摩托车快速主动平衡调整，达到无人摩托车的高精度、高可靠性、高抗扰条件下的主动平衡调节，满足无人摩托车的敏捷运动调姿。

Description

无人摩托转动陀螺主动平衡装置及无人摩托

技术领域

本发明涉及无人摩托技术领域，尤其是涉及一种无人摩托转动陀螺主动平衡装置及无人摩托。

背景技术

我国幅员辽阔，覆盖了大量的山地、丘陵、荒漠、草地等多种恶劣地形，为自动物流运输带来巨大挑战。在这样的环境中，人力资源有限，而一般的无人驾驶机动车辆又无法适应这种越野环境。无人摩托具有高速、高机动性、高越野性的，可以胜任这项艰巨的任务。

摩托本身是一个静不稳定系统，因此无人摩托的静止平衡尤为重要。目前可以实现无人摩托静止平衡的手段主要有调整重心位置、调整车辆转向角、使用转动陀螺以及使用反应轮等。其中，对于典型的摩托车，通过改变车把转向角与车身侧倾角进行调姿，无法满足特殊工况下的抗扰性能。使用重物调整系统重心使系统保持平衡可操作性和稳定性不足。在相同的功率下，转动陀螺主动平衡装置所能提供的力矩远大于反应轮，这使得基于反应轮的平衡系统的抗扰性能受到限制。转动陀螺主动平衡调节装置具有响应时间短，输出力矩大的优点，能够在无人摩托车受到侧向扰动时提供响应迅速的抵抗力矩，能保证系统的抗扰性能。

无人摩托转动陀螺主动平衡装置有较高的精度和可靠性，将推动无人摩托转动陀螺在自动物流运输等领域的应用，具有重大实际意义。与此同时，为了保证无人摩托续航能力、抗扰能力等性能指标，需要对无人摩托转动陀螺主动平衡装置的结构参数进行优化设计。一方面，飞轮组件所能提供的反作用力矩与飞轮自转速度和惯量之积成正比，为了达到较强的抗扰性能，需要提高飞轮惯量和自转速度。另一方面，作为需要自动物流运输任务的无人摩托车，为了提高续航里程和载重能力，势必需要降低系统整体的质量和主动力以外的能耗。因此，抗扰性能和低能耗是一对互相拮抗的指标。

单个飞轮组件可以进行主动静止平衡调节，但飞轮进动时陀螺效应力矩方向会发生偏转，可以将输出力矩正交分解为滚转力矩分量和额外力矩分量，这个额外的力矩分量不利于系统的稳定。

无人摩托车一般采用前后两轮布局，具有道路通过性好、负载能力强、机动性高、地形适应能力强特性，在静止、低速和强外力冲击状态容易失去自身平衡。转动陀螺主动平衡装置可以辅助其进行滚动和俯仰姿态调整，但现在市面上的力矩陀螺自身体积较小，不适合进行大重量平台、大干扰力矩以及转向角快速响应。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种无人摩托转动陀螺主动平衡装置，可以实现大重量无人摩托车快速主动平衡调整，达到无人摩托车的高精度、高可靠性、高抗扰条件下的主动平衡调节，满足无人摩托车的敏捷运动调姿。

根据本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，包括：

外壳；

两个飞轮陀螺组件，两个所述飞轮陀螺组件的结构及尺寸相同；所述飞轮陀螺组件包括飞轮组件和进动组件，所述飞轮组件用于通过飞轮高速旋转提供大转动惯量；所述进动组件固定在所述飞轮组件的一侧且所述进动组件的轴线与所述飞轮组件的轴线垂直相交，用于带动所述飞轮组件绕所述进动组件的轴线旋转；两个所述飞轮陀螺组件在前后方向上间隔开地且可转动地安装在所述外壳上，其中，两个所述飞轮陀螺组件的所述飞轮组件的轴线沿上下方向延伸，两个所述飞轮陀螺组件的所述飞轮组件的飞轮工作时的旋转方式为双向对称旋转，两个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件的轴线在同一水平面上相互平行且沿左右方向延伸，两个所述飞轮陀螺组件中的一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件位于所述外壳的左侧，两个所述飞轮陀螺组件中的另一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件位于所述外壳的右侧，两个所述进动组件工作时的旋转方式为双向对称旋转。

根据本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，具有如下的优点：第一、由于飞轮组件通过飞轮高速旋转提供大转动惯量，提高了无人摩托转动陀螺主动平衡装置的抗扰性；第二、由于两个飞轮陀螺组件对称转动与进动，在静止平衡控制时输出力矩的滚转方向分量相互叠加，非滚转方向分量相互抵消，从而通过主动调整进动轴的转向和转速，对无人摩托产生滚转力矩，动态调整无人摩托的期望姿态，降低外干扰对无人摩托运动姿态的影响，从而避免了低摩擦地面等特殊工况下的潜在风险，例如，避免无人摩托在冰面等低摩擦地面环境下可能面临着侧向滑动的风险以及在坡道等场景下可能面临着前后滚翻的风险；第三、可以保证无人摩托在运动时两个飞轮始终处于零位时，两个飞轮输出的陀螺力矩始终大小相等、方向相反，相互抵消，抵消了对无人摩托的偏航力，解决了额外的复杂性和不确定性；第四、可以通过飞轮组件改变飞轮角动量的大小，可以通过进动组件改变飞轮角动量的方向变化率，可以通过同时调节飞轮组件和进动组件实现无人摩托主动静止平衡状态，因此，根据无人摩托行驶环境的不同，提供不同的角动量，用于平衡摩托车的姿态；第五、满足结构强度需求的前提下控制整体体积，并且作为独立机械模块，可以在多种无人摩托平台上快速更换。综上，本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置可以实现大重量无人摩托车快速主动平衡调整，达到无人摩托车的高精度、高可靠性、高抗扰条件下的主动平衡调节，满足无人摩托车的敏捷运动调姿。本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，已经在某无人摩托上进行试验，能够达到较好的主动平衡效果，飞轮组件中的飞轮可达到4500rpm以上高速转动，抵御人为模拟的30Nms以上外干扰冲击，无人摩托10度以上静止主动姿态调整，有较好的使用效果，可以长时间稳定工作。

在本发明的一些实施例中，所述飞轮组件包括飞轮壳体、所述飞轮和飞轮轴力矩电机，其中，所述飞轮具有上下延伸的飞轮轴，所述飞轮通过所述飞轮轴的上端和下端可旋转地对应安装在所述飞轮壳体的顶部和底部上，所述飞轮轴力矩电机固定在所述飞轮轴的上端且位于所述飞轮壳体内，所述进动组件与所述飞轮壳体的侧部固定。

在本发明的一些实施例中，所述飞轮轴力矩电机的转子与所述飞轮轴之间采用固持胶固化连接。

在本发明的一些实施例中，所述飞轮组件还包括霍尔磁场传感器，所述霍尔磁场传感器安装在所述飞轮轴力矩电机上，用于实时检测所述飞轮轴力矩电机的是否处于额定转速状态并将检测结果实时反馈给飞轮轴力矩电机驱动器，以使所述飞轮轴力矩电机驱动器控制所述飞轮轴力矩电机处于额定转速状态。

在本发明的一些实施例中，所述飞轮壳体包括下盖体、上盖体和堵头，其中，所述下盖体包括下盖体侧壁和下盖体底壁，所述下盖体侧壁和所述下盖体底壁围成一个用于容纳所述飞轮的凹腔，所述下盖体底壁上设有安装腔；所述上盖体盖合在所述下盖体上，所述上盖体上设有穿孔；所述飞轮轴的下端可转动地安装在所述安装腔中，所述飞轮轴的上端可转动地安装在所述穿孔中并穿过所述穿孔；所述堵头套设在所述飞轮轴的上端并与所述上盖体固定。

在本发明的一些实施例中，所述飞轮轴的上端支撑在第一高精密圆锥滚子轴承上，所述第一高精密圆锥滚子轴承安装在所述穿孔中；所述飞轮轴的下端支撑在第二高精密圆锥滚子轴承上，所述第二高精密圆锥滚子轴承安装在所述安装腔中，从而使得所述飞轮轴通过所述第一高精密圆锥滚子轴承和所述第二高精密圆锥滚子轴承进行定位和预紧。

在本发明的一些实施例中，所述第一高精密圆锥滚子轴承的内圈以及所述第二高精密圆锥滚子轴承的内圈采用GCr15材料制成；所述飞轮采用与所述GCr15材料的热膨胀系数相近的321不锈钢材料制成。

在本发明的一些实施例中，所述飞轮轴的上端与所述第一高精密圆锥滚子轴承的内圈之间以及所述飞轮轴飞轮轴的下端与所述第二高精密圆锥滚子轴承的内圈之间均采用过盈配合。

在本发明的一些实施例中，所述上盖体与所述飞在本发明的一些实施例中，轮轴力矩电机的定子通过第一法兰锁紧。

在本发明的一些实施例中，所述下盖体侧壁相对两外侧面上分别设有支撑凸柱和进动安装部，所述进动组件安装在所述下盖体的所述进动安装部上且所述进动组件的轴线与所述支撑凸柱的轴线重合；

所述外壳包括相对的外壳左侧壁和外壳右侧壁，所述外壳左侧壁上和所述外壳右侧壁上各设一个支撑孔，所述外壳左侧壁上和所述外壳右侧壁上还各设一个侧支撑盖，所述侧支撑盖设有与所述凹腔连通的安装孔；其中，

所述外壳左侧壁上的所述支撑孔与所述外壳右侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔左右相对，两个所述飞轮陀螺组件中的一个所述飞轮陀螺组件的所述支撑凸柱可转动地支撑在所述外壳左侧壁上的所述支撑孔中，两个所述飞轮陀螺组件中的一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件可转动地支撑在所述外壳右侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔中；

所述外壳左侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔与所述外壳右侧壁上的所述支撑孔左右相对，两个所述飞轮陀螺组件中的另一个所述飞轮陀螺组件的所述支撑凸柱可转动地支撑在所述外壳右侧壁上的所述支撑孔中，两个所述飞轮陀螺组件中的另一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件可转动地支撑在所述外壳左侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔中。

在本发明的一些实施例中，两个所述侧支撑盖可拆卸地分别固定在所述外壳左侧壁上和所述外壳右侧壁上。

在本发明的一些实施例中，所述进动组件包括进动端谐波减速器、进动轴和进动端力矩电机；所述进动端谐波减速器、进动轴和进动端力矩电机均位于所述侧支撑盖的所述安装孔中，所述进动端谐波减速器的一端固定在所述下盖体的所述进动安装部上，所述进动端谐波减速器的另一端与所述进动轴的一端固定，所述进动端谐波减速器的轴线与所述进动轴的轴线重合；所述进动端力矩电机固定在所述进动轴上，用于驱动所述进动轴和所述进动端谐波减速器旋转，从而带动所述飞轮组件旋转。

在本发明的一些实施例中，所述进动组件还包括进动端码盘安装盘和进动端增量式角位移数字编码器，所述进动端码盘安装盘设置在所述进动轴的另一端端部外侧且与所述侧支撑盖的端部连接；所述进动端增量式角位移数字编码器设置在所述进动轴与所述进动端码盘安装盘之间，且所述进动端增量式角位移数字编码器的一端固定在所述进动轴的另一端处，所述进动端增量式角位移数字编码器的另一端相对所述进动端码盘安装盘可旋转地伸入所述进动端码盘安装盘，用于检测所述进动轴的角位移，并将检测的结果实时反馈给进动端力矩电机驱动器；所述飞轮陀螺组件还包括支撑端绝对式角位移数字编码器，所述支撑端绝对式角位移数字编码器安装在所述支撑凸柱上，用于实时检测所述支撑凸柱的角位移，并将检测的结果实时反馈给所述进动端力矩电机驱动器；所述进动端力矩电机驱动器根据所述进动端增量式角位移数字编码器检测的角位移结果和所述支撑端绝对式角位移数字编码器检测的角位移结果，实时控制所述进动端力矩电机的转速和转向。

在本发明的一些实施例中，还包括控制器，所述控制器控制用于根据摩托倾角和所述支撑端绝对式角位移数字编码器反馈的进动角度来控制所述飞轮轴力矩电机驱动器和所述进动端力矩电机驱动器。

在本发明的一些实施例中，还包括进动端外罩，所述进动端外罩罩设在所述进动端码盘安装盘上并与所述进动端码盘安装盘固定。

在本发明的一些实施例中，还包括支撑端外罩，所述支撑凸柱以及所述支撑端绝对式角位移数字编码器位于所述支撑端外罩内，所述支撑端外罩与所述外壳固定。

在本发明的一些实施例中，所述进动端力矩电机与所述进动轴刚性连接。

本发明还公开了一种无人摩托。

根据本发明实施例的无人摩托，包括本发明上述任意一个实施例的所述无人摩托转动陀螺主动平衡装置。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置的整体示意图。

图2为本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置在水平方向上的一个单剖视图。

图3为本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置在垂直方向上的一个双剖视图。

图4为本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置在垂直方向上的一个单剖视图。

图5为本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置的爆炸示意图。

图6为本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置的控制系统的示意图。

附图标记：

无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000

外壳1

外壳左侧壁101 外壳右侧壁102 支撑孔103 侧支撑盖104

飞轮陀螺组件2

飞轮组件21

飞轮2101 飞轮轴21011

飞轮轴力矩电机2102

飞轮壳体2103 下盖体21031 支撑凸柱210311 进动安装部210312

上盖体21032 堵头21033

第一高精密圆锥滚子轴承2104

第二高精密圆锥滚子轴承2105

第一法兰2106

进动组件22

进动端谐波减速器2201 进动轴2202 进动端力矩电机2203

进动端码盘安装盘2204 进动端增量式角位移数字编码器2205

支撑端绝对式角位移数字编码器3

支撑端外罩4

进动端外罩5

飞轮轴力矩电机驱动器6

进动端力矩电机驱动器7

控制器8

霍尔磁场传感器9

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图6描述根据本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000。

如图1至图5所示，根据本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000，包括外壳1和两个飞轮陀螺组件2。

具体地，外壳1用于支撑两个飞轮陀螺组件2，将两个飞轮陀螺组件2的组装成一个整体模块，即本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000，结构可靠。通过外壳1还可以将本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000方便地安装在无人摩托的框架上。

两个飞轮陀螺组件2的结构及尺寸相同；飞轮陀螺组件2包括飞轮组件21和进动组件22，飞轮组件21用于通过飞轮2101高速旋转提供大转动惯量；进动组件22固定在飞轮组件21的一侧且进动组件22的轴线与飞轮组件21的轴线垂直相交，用于带动飞轮组件21绕进动组件22的轴线旋转；两个飞轮陀螺组件2在前后方向上间隔开地且可转动地安装在外壳1上，其中，两个飞轮陀螺组件2的飞轮组件21的轴线沿上下方向延伸，两个飞轮陀螺组件2的飞轮组件21的飞轮2101工作时的旋转方式为双向对称旋转，即两个飞轮旋转方向相反，一个飞轮逆时针旋转且另一个飞轮顺时针旋转；两个飞轮陀螺组件2的进动组件22的轴线在同一水平面上相互平行且沿左右方向延伸，两个飞轮陀螺组件2中的一个飞轮陀螺组件2的进动组件22位于外壳1的左侧，两个飞轮陀螺组件2中的另一个飞轮陀螺组件2的进动组件22位于外壳1的右侧，两个进动组件工作时的旋转方式为双向对称旋转，即两个进动组件旋转方向相反，一个进动组件逆时针旋转且另一个进动组件顺时针旋转。根据本发明实施的无人摩托转动陀螺主动平衡1000，可以面向100kg以上重型无人摩托平衡控制需求，安装在无人摩托的底部，与无人摩托机械结构整体融合。安装在无人摩托上时，使得两个飞轮组件21处于水平状态，进动组件22的轴线与飞轮组件21的轴线垂直，两个进动组件22的轴线与无人摩托的后轮旋转轴平行。

根据本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000，具有如下的优点：第一、由于飞轮组件21通过飞轮2101高速旋转提供大转动惯量，提高了无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000的抗扰性；第二、由于两个飞轮陀螺组件2对称转动与进动，在静止平衡控制时输出力矩的滚转方向分量相互叠加，非滚转方向分量相互抵消，从而通过主动调整进动轴2202的转向和转速，对无人摩托产生滚转力矩，动态调整无人摩托的期望姿态，降低外干扰对无人摩托运动姿态的影响，从而避免了低摩擦地面等特殊工况下的潜在风险，例如，避免无人摩托在冰面等低摩擦地面环境下可能面临着侧向滑动的风险以及在坡道等场景下可能面临着前后滚翻的风险；第三、可以保证无人摩托在运动时两个飞轮2101始终处于零位时，两个飞轮2101输出的陀螺力矩始终大小相等、方向相反，相互抵消，抵消了对无人摩托的偏航力，解决了额外的复杂性和不确定性；第四、可以通过飞轮组件21改变飞轮2101角动量的大小，可以通过进动组件22改变飞轮2101角动量的方向变化率，可以通过同时调节飞轮组件21和进动组件22实现无人摩托主动静止平衡状态，因此，根据无人摩托行驶环境的不同，提供不同的角动量，用于平衡摩托车的姿态；第五、满足结构强度需求的前提下控制整体体积，并且作为独立机械模块，可以在多种无人摩托平台上快速更换。综上，本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000可以实现大重量无人摩托车快速主动平衡调整，达到无人摩托车的高精度、高可靠性、高抗扰条件下的主动平衡调节，满足无人摩托车的敏捷运动调姿。本发明实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000，已经在某无人摩托上进行试验，能够达到较好的主动平衡效果，飞轮组件21中的飞轮2101可达到4500rpm以上高速转动，抵御人为模拟的30Nms以上外干扰冲击，无人摩托10度以上静止主动姿态调整，有较好的使用效果，可以长时间稳定工作。

在本发明的一些实施例中，飞轮组件21包括飞轮壳体2103、飞轮2101和飞轮轴力矩电机2102；其中，飞轮2101具有上下延伸的飞轮轴21011；飞轮2101通过飞轮轴21011的上端和下端可旋转地对应安装在飞轮壳体2103的顶部和底部上，飞轮轴力矩电机2102固定在飞轮轴21011的上端且位于飞轮壳体2103内；进动组件22与飞轮壳体2103的侧部固定，便于进动组件22旋转时可以带动飞轮组件21整体同步旋转。可以理解的是，飞轮壳体2103起支撑飞轮2101的作用，通过飞轮壳体2103设置便于与进动组件22固定连接，通过设置飞轮壳体2103，可以确保飞轮轴力矩电机2102驱动飞轮2101高速旋转时不受外界因素的干扰，保护飞轮轴力矩电机2102和飞轮2101，提高飞轮组件21结构及运行的可靠性；飞轮2101的高速旋转可以提供大转动惯量，飞轮轴力矩电机2102可以直接驱动飞轮2101高速旋转，可以通过调节飞轮轴力矩电机2102角速度改变飞轮2101角动量的大小。

在本发明的一些实施例中，飞轮壳体2103为铝合金多次固溶壳体，可以对单个飞轮2101进行支撑和保护，可以在保证支撑刚度和强度的情况下，保证飞轮2101精密转动。

在本发明的一些实施例中，飞轮轴力矩电机2102的转子与飞轮轴21011之间采用固持胶固化连接，从而使得飞轮轴力矩电机2102的转子可以和飞轮2101在同轴度较高的条件下转动。需要说明的是，飞轮轴力矩电机2102的转子与飞轮轴21011采用固持胶固定的过程为：先将飞轮轴21011上与转至配合的轴段均匀涂抹固持胶，在将飞轮轴力矩电机2102的转子慢慢旋入涂抹有固持胶的轴段上初步固化1小时，完全固化24小时，从而确保飞轮轴力矩电机2102的转子与飞轮轴21011稳固连接。

在本发明的一些实施例中，飞轮组件21还包括霍尔磁场传感器9(如图6所示)，霍尔磁场传感器9安装在飞轮轴力矩电机2102上，用于实时检测飞轮轴力矩电机2102的是否处于额定转速状态并将检测结果实时反馈给飞轮轴力矩电机驱动器6(如图6所示)，以使飞轮轴力矩电机驱动器6控制飞轮轴力矩电机2102实时处于额定转速状态，保证无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000的高抗扰性。

在本发明的一些实施例中，飞轮壳体2103包括下盖体21031、上盖体21032和堵头21033，其中，下盖体21031包括下盖体21031侧壁和下盖体21031底壁，下盖体21031侧壁和下盖体21031底壁围成一个用于容纳飞轮2101的凹腔，下盖体21031底壁上设有安装腔；上盖体21032盖合在下盖体21031上，上盖体21032上设有穿孔；飞轮轴21011的下端可转动地安装在安装腔中，飞轮轴21011的上端可转动地安装在穿孔中并穿过穿孔；堵头21033套设在飞轮轴21011的上端并与上盖体21032固定。可以理解的是，通过将飞轮壳体2103设置成下盖体21031、上盖体21032和堵头21033的分体式结构，便于加工制作，便于飞轮2101及电机的安装。

在本发明的一些实施例中，飞轮轴21011的上端支撑在第一高精密圆锥滚子轴承2104上，第一高精密圆锥滚子轴承2104安装在穿孔中；飞轮轴21011的下端支撑在第二高精密圆锥滚子轴承2105上，第二高精密圆锥滚子轴承2105安装在安装腔中，从而使得飞轮轴21011通过第一高精密圆锥滚子轴承2104和第二高精密圆锥滚子轴承2105进行定位和预紧，提高了无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000的精度。

需要说明的是，第一高精密圆锥滚子轴承2104的内圈安装在飞轮轴21011上端的安装方式以及第二高精密圆锥滚子轴承2105的内圈安装在飞轮轴21011下端的安装方式均采用压力机压入或热装方式。第二高精密圆锥滚子轴承2105安装在安装腔中的具体安装方式为：将第二高精密圆锥滚子轴承2105的外圈用压力机压入下盖体21031的安装腔中，再将已安装好的飞轮2101转动体上的第二高精密圆锥管子轴承的内圈装入第二高精密圆锥滚子轴承2105的外圈内，将下盖体21031放置在平面度为5um精度的平板上，用千分表对飞轮2101上沿进行平面度数据采集。第一高精密圆锥滚子轴承2104安装在上盖的具体安装方式为：将第一高精密圆锥滚子轴承2104的外圈用压力机压入上盖体21032的穿孔中，再将已安装好的飞轮2101转动体上的第一高精密圆锥滚子轴承2104的内圈装入第一高精密圆锥滚子轴承2104的外圈中，同时，将飞轮轴力矩电机2102的定子部分安装在上盖体21032内并用第一法兰2106锁紧。

在本发明的一些实施例中，第一高精密圆锥滚子轴承2104的内圈以及第二高精密圆锥滚子轴承2105的内圈采用GCr15材料制成。由此，第一高精密圆锥滚子轴承2104的内圈以及第二高精密圆锥滚子轴承2105的内圈具有高的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能且耐腐蚀性好；飞轮2101采用与GCr15材料的热膨胀系数相近的321不锈钢材料制成。由此，有利飞轮轴21011的上端与第一高精密圆锥滚子轴承2104之间以及飞轮轴21011的上端与第二高精密圆锥滚子轴承2105之间的配合稳定。

在本发明的一些实施例中，飞轮轴21011的上端与第一高精密圆锥滚子轴承2104的内圈之间以及飞轮2101转轴的下端与第二高精密圆锥滚子轴承2105的内圈之间均采用过盈配合，由此，安装牢靠，飞轮2101可以平稳高速旋转。

在一些实施例中，上盖体21032与飞轮轴力矩电机2102的定子通过第一法兰2106锁紧。由于上盖体21032承受较小的轴向力，因此，可以保证飞轮轴力矩电机定子的稳固。

在一些实施例中，下盖体21031侧壁相对两外侧面上分别设有支撑凸柱210311和进动安装部210312，进动组件22安装在下盖体21031的进动安装部210312上且进动组件22的轴线与支撑凸柱210311的轴线重合；

外壳1包括相对的外壳左侧壁101和外壳右侧壁102，外壳左侧壁101上和外壳右侧壁102上各设一个支撑孔103，外壳左侧壁101上和外壳右侧壁102上还各设一个侧支撑盖104，侧支撑盖104设有与凹腔连通的安装孔；其中，

外壳左侧壁101上的支撑孔103与外壳右侧壁102上的侧支撑盖104的安装孔左右相对，两个飞轮陀螺组件2中的一个陀螺组件2的支撑凸柱210311可转动地支撑在外壳左侧壁101上的支撑孔103中，两个飞轮陀螺组件2中的一个陀螺组件2的进动组件22可转动地支撑在外壳右侧壁102上的侧支撑盖104的安装孔中；

外壳左侧壁101上的侧支撑盖104的安装孔与外壳右侧壁102上的支撑孔103左右相对，两个飞轮陀螺组件2中的另一个飞轮陀螺组件2的支撑凸柱210311可转动地支撑在外壳右侧壁102上的支撑孔103中，两个飞轮陀螺组件2中的另一个飞轮陀螺组件2的进动组件22可转动地支撑在外壳左侧壁101上的侧支撑盖104的安装孔中。由此，实现了两个飞轮陀螺组件2的反向安装，结构简单牢靠，安装方便。

在一些实施例中，两个侧支撑盖104可拆卸地分别固定在外壳左侧壁101上和外壳右侧壁102上。由此，可以方便飞轮陀螺组件2的安装。

在一些实施例中，进动组件22包括进动端谐波减速器2201、进动轴2202和进动端力矩电机2203；进动端谐波减速器2201、进动轴2202和进动端力矩电机2203均位于侧支撑盖104的安装孔中，进动端谐波减速器2201的一端固定在飞轮2101下盖体21031的进动安装部210312上，进动端谐波减速器2201的另一端与进动轴2202的一端固定，进动端谐波减速器2201的轴线与进动轴2202的轴线重合；进动端力矩电机2203固定在进动轴2202上，用于驱动进动轴2202和进动端谐波减速器2201旋转，从而带动飞轮组件21旋转，改变飞轮2101的角动量的方向，可以通过调节进动端力矩电机2203的角速度可以改变飞轮2101，角动量的方向变化率，从而敏捷调节无人摩托的运动姿态。也可以通过同时调节飞轮轴力矩电机2102角速度和进动端力矩电机2203的角速度可以实现无人摩托主动静止平衡状态。

在一些实施例中，进动组件22还包括进动端码盘安装盘2204和进动端增量式角位移数字编码器2205，进动端码盘安装盘2204设置在进动轴2202的另一端端部外侧且与侧支撑盖104的端部连接；进动端增量式角位移数字编码器2205设置在进动轴2202与进动端码盘安装盘2204之间，且进动端增量式角位移数字编码器2205的一端固定在进动轴2202的另一端处，进动端增量式角位移数字编码器2205的另一端相对进动端码盘安装盘2204可旋转地伸入进动端码盘安装盘2204，用于检测进动轴2202的角位移，并将检测的结果实时反馈给进动端力矩电机驱动器7；飞轮陀螺组件2还包括支撑端绝对式角位移数字编码器3，支撑端绝对式角位移数字编码器3安装在支撑凸柱210311上，用于实时检测支撑凸柱210311的角位移，并将检测的结果实时反馈给进动端力矩电机驱动器7(如图6所示)；进动端力矩电机驱动器7根据进动端增量式角位移数字编码器2205检测的角位移结果和支撑端绝对式角位移数字编码器3检测的角位移结果，实时控制进动端力矩电机2203的转速和转向。可以理解的是，由于飞轮轴力矩电机2102安装了霍尔磁场传感器9，进动端力矩电机2203安装了增量式角位移数字编码器2205，支撑凸柱210311上安装了支撑端绝对式角位移数字编码器3，通过控制率可以实现无人摩托的静止主动平衡状态，提高了无人摩托的运动控制精度，满足了无人摩托敏捷操作的重要需求。

在一些实施例中，还包括控制器8(如图6所示)，控制器8控制用于根据摩托倾角和支撑端绝对式角位移数字编码器3反馈的进动角度来控制飞轮轴力矩电机驱动器6和进动端力矩电机驱动器7。通过控制率可以实现无人摩托的静止主动平衡状态，提高了无人摩托的运动控制精度，满足了无人摩托敏捷操作的重要需求。

在一些实施例中，飞轮陀螺组件2还包括进动端外罩5，进动端外罩5罩设在进动端码盘安装盘2204上并与进动端码盘安装盘2204固定。通过设置进动端外罩5，可以避免进动端码盘安装盘2204外露，保护进动端码盘安装盘2204等部件。

在一些实施例中，还包括支撑端外罩4，支撑凸柱210311以及支撑端绝对式角位移数字编码器3位于支撑端外罩4内，支撑端外罩4与外壳1固定。通过设置支撑端外罩4，可以避免支撑端绝对式角位移数字编码器3等部件外露，包括支撑端绝对式角位移数字编码器3等部件。

在一些实施例中，进动端力矩电机2203与进动轴2202刚性连接，例如通过第二法兰连接，由此，可以保证进动端力矩电机2203与进动轴2202之间稳固连接。

本发明还公开了一种无人摩托。

根据本发明实施例的无人摩托，包括本发明上述任意一个实施例的无人摩托转动陀螺主动平衡装置1000。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，包括：

外壳；

两个飞轮陀螺组件，两个所述飞轮陀螺组件的结构及尺寸相同；所述飞轮陀螺组件包括飞轮组件和进动组件，所述飞轮组件用于通过飞轮高速旋转提供大转动惯量；所述进动组件固定在所述飞轮组件的一侧且所述进动组件的轴线与所述飞轮组件的轴线垂直相交，用于带动所述飞轮组件绕所述进动组件的轴线旋转；两个所述飞轮陀螺组件在前后方向上间隔开地且可转动地安装在所述外壳上，其中，两个所述飞轮陀螺组件的所述飞轮组件的轴线沿上下方向延伸，两个所述飞轮陀螺组件的所述飞轮组件的飞轮工作时的旋转方式为双向对称旋转，两个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件的轴线在同一水平面上相互平行且沿左右方向延伸，两个所述飞轮陀螺组件中的一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件位于所述外壳的左侧，两个所述飞轮陀螺组件中的另一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件位于所述外壳的右侧，两个所述进动组件工作时的旋转方式为双向对称旋转；

所述飞轮组件包括飞轮壳体、所述飞轮和飞轮轴力矩电机，其中，所述飞轮具有上下延伸的飞轮轴，所述飞轮通过所述飞轮轴的上端和下端可旋转地对应安装在所述飞轮壳体的顶部和底部上，所述飞轮轴力矩电机固定在所述飞轮轴的上端且位于所述飞轮壳体内，所述进动组件与所述飞轮壳体的侧部固定；

所述飞轮壳体包括下盖体、上盖体和堵头，其中，所述下盖体包括下盖体侧壁和下盖体底壁，所述下盖体侧壁和所述下盖体底壁围成一个用于容纳所述飞轮的凹腔，所述下盖体底壁上设有安装腔；所述上盖体盖合在所述下盖体上，所述上盖体上设有穿孔；所述飞轮轴的下端可转动地安装在所述安装腔中，所述飞轮轴的上端可转动地安装在所述穿孔中并穿过所述穿孔；所述堵头套设在所述飞轮轴的上端并与所述上盖体固定；

所述下盖体侧壁相对两外侧面上分别设有支撑凸柱和进动安装部，所述进动组件安装在所述下盖体的所述进动安装部上且所述进动组件的轴线与所述支撑凸柱的轴线重合；

所述外壳包括相对的外壳左侧壁和外壳右侧壁，所述外壳左侧壁上和所述外壳右侧壁上各设一个支撑孔，所述外壳左侧壁上和所述外壳右侧壁上还各设一个侧支撑盖，所述侧支撑盖设有与所述凹腔连通的安装孔；其中，

所述外壳左侧壁上的所述支撑孔与所述外壳右侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔左右相对，两个所述飞轮陀螺组件中的一个所述飞轮陀螺组件的所述支撑凸柱可转动地支撑在所述外壳左侧壁上的所述支撑孔中，两个所述飞轮陀螺组件中的一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件可转动地支撑在所述外壳右侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔中；

所述外壳左侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔与所述外壳右侧壁上的所述支撑孔左右相对，两个所述飞轮陀螺组件中的另一个所述飞轮陀螺组件的所述支撑凸柱可转动地支撑在所述外壳右侧壁上的所述支撑孔中，两个所述飞轮陀螺组件中的另一个所述飞轮陀螺组件的所述进动组件可转动地支撑在所述外壳左侧壁上的所述侧支撑盖的所述安装孔中；

所述进动组件包括进动端谐波减速器、进动轴和进动端力矩电机；所述进动端谐波减速器、进动轴和进动端力矩电机均位于所述侧支撑盖的所述安装孔中，所述进动端谐波减速器的一端固定在所述下盖体的所述进动安装部上，所述进动端谐波减速器的另一端与所述进动轴的一端固定，所述进动端谐波减速器的轴线与所述进动轴的轴线重合；所述进动端力矩电机固定在所述进动轴上，用于驱动所述进动轴和所述进动端谐波减速器旋转，从而带动所述飞轮组件旋转；

所述进动组件还包括进动端码盘安装盘和进动端增量式角位移数字编码器，所述进动端码盘安装盘设置在所述进动轴的另一端端部外侧且与所述侧支撑盖的端部连接；所述进动端增量式角位移数字编码器设置在所述进动轴与所述进动端码盘安装盘之间，且所述进动端增量式角位移数字编码器的一端固定在所述进动轴的另一端处，所述进动端增量式角位移数字编码器的另一端相对所述进动端码盘安装盘可旋转地伸入所述进动端码盘安装盘，用于检测所述进动轴的角位移，并将检测的结果实时反馈给进动端力矩电机驱动器；所述飞轮陀螺组件还包括支撑端绝对式角位移数字编码器，所述支撑端绝对式角位移数字编码器安装在所述支撑凸柱上，用于实时检测所述支撑凸柱的角位移，并将检测的结果实时反馈给所述进动端力矩电机驱动器；所述进动端力矩电机驱动器根据所述进动端增量式角位移数字编码器检测的角位移结果和所述支撑端绝对式角位移数字编码器检测的角位移结果，实时控制所述进动端力矩电机的转速和转向。

2.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，所述飞轮轴力矩电机的转子与所述飞轮轴之间采用固持胶固化连接。

3.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，所述飞轮组件还包括霍尔磁场传感器，所述霍尔磁场传感器安装在所述飞轮轴力矩电机上，用于实时检测所述飞轮轴力矩电机的是否处于额定转速状态并将检测结果实时反馈给飞轮轴力矩电机驱动器，以使所述飞轮轴力矩电机驱动器控制所述飞轮轴力矩电机处于额定转速状态。

4.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，所述飞轮轴的上端支撑在第一高精密圆锥滚子轴承上，所述第一高精密圆锥滚子轴承安装在所述穿孔中；所述飞轮轴的下端支撑在第二高精密圆锥滚子轴承上，所述第二高精密圆锥滚子轴承安装在所述安装腔中，从而使得所述飞轮轴通过所述第一高精密圆锥滚子轴承和所述第二高精密圆锥滚子轴承进行定位和预紧。

5.根据权利要求4所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，所述第一高精密圆锥滚子轴承的内圈以及所述第二高精密圆锥滚子轴承的内圈采用GCr15材料制成；所述飞轮采用与所述GCr15材料的热膨胀系数相近的321不锈钢材料制成。

6.根据权利要求4所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，所述飞轮轴的上端与所述第一高精密圆锥滚子轴承的内圈之间以及所述飞轮轴的下端与所述第二高精密圆锥滚子轴承的内圈之间均采用过盈配合。

7.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，所述上盖体与所述飞轮轴力矩电机的定子通过第一法兰锁紧。

8.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，两个所述侧支撑盖可拆卸地分别固定在所述外壳左侧壁上和所述外壳右侧壁上。

9.根据权利要求3所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器控制用于根据摩托倾角和所述支撑端绝对式角位移数字编码器反馈的进动角度来控制所述飞轮轴力矩电机驱动器和所述进动端力矩电机驱动器。

10.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，还包括进动端外罩，所述进动端外罩罩设在所述进动端码盘安装盘上并与所述进动端码盘安装盘固定。

11.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，还包括支撑端外罩，所述支撑凸柱以及所述支撑端绝对式角位移数字编码器位于所述支撑端外罩内，所述支撑端外罩与所述外壳固定。

12.根据权利要求1所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置，其特征在于，所述进动端力矩电机与所述进动轴刚性连接。

13.一种无人摩托，其特征在于，包括如权利要求1-12中任意一项所述的无人摩托转动陀螺主动平衡装置。

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