CN114056470A - 一种自平衡越障车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡越障车，本自平衡越障车包括：车架；驱动器，安装于车架上方两侧，用于控制本自平衡越障车的行驶；电池；动量轮,安装于车架下方两侧，用于保证车架平衡；后轮，安装于车架后下方，防止本自平衡越障车向后倾斜角度过大，保证使用者安全；动力组件，安装于车架两侧，其包括轮毂，气弹簧，橡胶板，内齿轮以及二力杆，通过气弹簧的伸缩能力以及与橡胶板、二力杆组成的传动机构，达到阻尼减振与增大接触地面面积的效果。本发明降低了操作难度，解决了平稳越障的问题，实现了代步、爬楼、越障的功能。

Description

一种自平衡越障车

技术领域

本发明属于一种自平衡车技术领域，具体为一种自平衡越障车。

背景技术

随着社会的发展，现代动态平衡技术的成熟，自平衡车逐渐进入人们的生活，但是对于目前的自平衡车，其车轮较小，不易跨越楼梯、台阶、崎岖路面等障碍；使用者一般需要站立驾驶，容易产生疲劳；自平衡车依靠重心调节速度，其安全性较低、操作难度高，不容易掌握。

发明内容

针对上述问题，设计一种自平衡越障车，实现安全平稳跨越障碍的功能，解决操作复杂的问题。

本发明通过如下技术方案实现。

一种自平衡越障车，其特征在于，包括：

车架；

驱动器，其安装于所述车架上方两侧；所述驱动器包括:两个第一电机，两个手柄，两个外齿轮；两个所述第一电机是带减速器的电机，其分别安装于所述车架上方左、右两侧，所述第一电机用于输出力矩并控制所述自平衡越障车的行驶速度；两个所述手柄分别安装于所述车架上方左、右两侧的内侧，所述手柄控制所述第一电机的输出力矩的大小与方向；所述外齿轮安装于所述第一电机上；

电池，其安装于所述车架上；

两个动量轮，其安装于所述车架的下方的内侧；

后轮，其安装于所述车架的后侧；

两个动力组件，其分别安装于所述车架左、右两侧；所述动力组件包括轮毂、内齿轮、若干橡胶板、与橡胶板对应的气弹簧和二力杆；所述气弹簧安装于轮毂上，所述橡胶板安装于所述气弹簧上，若干橡胶板沿轮毂外侧形成一圈，所述气弹簧的两端分别与所述轮毂和所述橡胶板连接；所述内齿轮，其连接在所述轮毂上，所述内齿轮与所述外齿轮啮合；所述二力杆连接于各所述橡胶板之间并将所述橡胶板依次相连。

根据本申请的一些实施例，在断开所述电池的情况下，所述车架可绕着所述动力组件的中心轴线自由转动，且其重心靠后而向后旋转。

其中，所述后轮用于限制车架向后旋转，其距离所述动力组件中心轴线应足够远。

根据本申请的一些实施例，所述驱动器上，所述外齿轮与所述动力组件上的所述内齿轮形成内啮合，经过齿轮传减速传动，输出驱动力进一步增大、行驶速度进一步减小。

其中，所述驱动器的两个所述手柄分别独立控制左、右侧的所述动力组件，可实现原地转弯，减小所述自平衡越障车的最小转弯半径。

根据本申请的一些实施例，所述动力组件中，所述二力杆的连接方式如下：第一个所述二力杆连接于所述第一个、第二个橡胶板的前端，其安装于所述动力组件的外侧，第二个所述二力杆连接于第二个、第三个所述橡胶板的后端，其安装于所述动力组件的内侧，第三个所述二力杆连接第三个、第四个所述橡胶板的前端，其安装于所述动力组件的外侧，如此交替连接下去。

其中，该连接方法的特点是，当所述动力组件其中的一个所述橡胶板位置确定时，其余所述橡胶板位置均确定，维持结构稳定性。

根据本申请的一些实施例，在所述动力组件上，一个所述橡胶板接触地面并受力，安装于其上的所述气弹簧受压缩回，该所述橡胶板也一同缩回，同时安装于其上的二力杆传递运动与载荷给其相邻的所述橡胶板，使其相邻的所述橡胶板伸展并支撑地面；即最终，一个所述动力组件上至少有两个所述橡胶板同时支撑地面。

根据本申请的一些实施例，其特征在于，所述车架包括：

支架；

座椅，其安装于所述支架上侧；

轴承座，其安装于所述支架上；

两个第二电机，两个所述第二电机为不带减速器的电机，其分别安装于所述支架下方左、右两侧，其包括陀螺仪传感器与中央处理器，所述陀螺仪传感器安装于所述车架底部，其用于检测所述车架的俯仰角度与加速度，中央处理器用于处理所述陀螺仪传感器采集的信号并控制所述第二电机的输出力矩；

脚踏板，其安装于所述支架底部。

根据本申请的一些实施例，转动所述手柄时，所述动力组件转动，根据动量矩守恒原理，所述车架会向所述动力组件转动的反方向旋转，所述中央处理器通过所述陀螺仪传感器采集所述座椅底部的水平角度与加速度信号来判断所述车架的倾斜方向与趋势，并根据倒立摆原理控制所述第二电机的输出力矩，所述动量轮发生转动，且其转动产生的加速度用于抵消所述动力组件、所述齿轮以及所述车架的转动力矩，使所述座椅保持水平状态。

其中，所述车架绕所述动力组件的中心轴线转动时，因为所述座椅、所述脚踏板、所述驱动器均连接于支架，所以三者之间的相对位置均不发生变化；即保证人的坐姿不发生变化。

其中，所述轴承座共有六个，其结构为立式轴承座，所述轴承座设置于所述支架和所述座椅之间；其底面与所述座椅通过螺纹连接；所述轴承座的安装位置分散，增大所述车架的结构稳定性。

其中，所述动量轮安装于所述第二电机上；其作用为抵消动力组件的反扭矩，保证所述座椅不发生转动。

其中，所述第二电机的两侧也均连接于所述支架；其保证所述座椅不发生转动的同时还用于固定支架。

其中，所述脚踏板的形状为凸型，其用于放置使用者的脚部的同时还保证所述支架的结构稳定性。

根据本申请的一些实施例，所述轮毂包括：

支撑筒，其为不锈钢钢管，设置于内轮毂与外轮毂之间，用于支撑外轮毂；

内轮毂，其安装于所述车架上，所述内轮毂上设有盲孔，用于安装所述支撑筒，盲孔内设有内螺纹孔，其内螺纹用于连接所述气弹簧；

可拆卸的外轮毂，其包括第一外轮毂与第二外轮毂，所述第一外轮毂与所述第二外轮毂通过螺纹副连接。

根据本申请的一些实施例，所述气弹簧上装有橡胶活塞，所述橡胶活塞与所述支撑筒形成空腔，所述支撑筒的侧面设有三个通孔，当所述气弹簧被压缩时，所述橡胶活塞像所述空腔内推进，所述空腔体积减小、气体从所述通孔中排除，所述通孔的面积较小，其阻碍所述气弹簧的压缩；随着空腔的体积越来越小，其气体排出面积也越来越小，所述气弹簧的压缩更困难，起到阻尼减振的效果。

其中，所述橡胶板上装有钢板，所述钢板用于承受、传递载荷，所述钢板的前端、后端均设有接头，其被所述二力杆依次连接。

所述橡胶板呈圆弧形，一个所述动力组件上共设有八个所述橡胶板，八个所述橡胶板的弧长之和小于或等于所述外轮毂的圆周长；防止所述橡胶板的弧长过大而造成机构卡死；所述橡胶板的弧长也不宜过小，防止所述自平衡越障车振动性过大。

所述橡胶板间存在间隙，其间隙可以包容障碍物，使所述自平衡越障车轻松跨越障碍。

以下结合附图，对根据本申请实施例中提到的组成结构以及功能原理进行描述，以便于更直观的理解，这些附图仅用于解释实施例，所以附图中可能包含夸张性显示且非一定比例绘制。

与现有技术相比，本发明的优点是：该平衡越障车可以跨越楼梯、台阶、崎岖路面等障碍，实现安全平稳跨越障碍的功能，解决操作复杂的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的自平衡越障车的结构图

图2是图1的爆炸图；

图3是图1中自平衡越障车的车架结构图；

图4是图1中自平衡越障车的驱动器结构图；

图5是图1中自平衡越障车的动力组件爆炸图；

图6是图5中动力组件的轮毂爆炸图；

图7是图1自平衡越障车的自平衡原理图；

图8是图1自平衡越障车的减振原理图；

图9是图1自平衡越障车的平地越障示意图；

图10是图1自平衡越障车的爬楼越障示意图；

图11是图1自平衡车的操作示意图；

图12是图1自平衡车的防后摔示意图。

附图标记说明：

1、车架；

2、驱动器；

3、电池；

4、动量轮；

5、后轮；

6、动力组件。

值得注意的是这些描述属于示例展示，不限定本申请的保护范围；同时，本申请中用到了许多方向词，对本申请中所表述的“左侧”、“右侧”、“两侧”、“外侧”、“上侧”、“内侧”、“底部”、“前端”、“后端”、“两端”、“水平状态”等属于方向词，其根据使用者操作驾驶的方向来定义，与附图中的定义一致，当本车所处的空间位置发生变化时，上述方向词也会发生相应的变化，所以，不应将这些或其他方位用于理解为限制性用语。

对本文中涉及到的术语进行详细说明，除术语“第一电机”与“第二电机”外，其他术语“第一”，“第二”等仅用于描述相应零部件，如“第一二力杆”与“第二二力杆”是同一类型的，且其功能相同，仅仅是称呼上不同，并不影响本车的结构，这类术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，方便本领域技术人员更好地理解；特别指出，“第一电机”与“第二电机”虽然结构相同，但其作用与安装位置不同。

具体实施方式

对于本申请的自平衡越障车的结构图参考图1-图6，根据图1-图6，本申请实施例中的一种自平衡越障车其包括：车架1、驱动器2、电池3、动量轮4、后轮5以及动力组件6；

车架1，其结构如图3所示，车架1包括支架11、座椅12、轴承座13、两个第二电机15以及脚踏板14，座椅12安装于所述支架11的顶端，支架11与座椅12通过轴承座13连接；两个第二电机15分别安装于所述支架11下方左、右两侧；脚踏板14安装于所述支架11底部；

驱动器2可拆卸地安装于车架1上，其结构如图4所示，驱动器2包括两个第一电机21，两个手柄22，两个外齿轮23，第一电机21的两侧可拆卸地安装于车架1的支架11上；两个手柄22也安装于支架11，其安装位置与第一电机21在同一水平轴线上，左、右手柄可独立控制左、右动力组件6的转动，外齿轮23连接于第一电机21上；此外，驱动器2还包括陀螺仪传感器，其安装于座椅12的底部并检测座椅12底部的水平倾斜角度与加速度，驱动器2通过手柄22控制与齿轮传动来驱动动力组件6；

电池3可拆卸地安装于车架1的支架11上，其给两个第一电机21、两个第二电机15共四个电机供电；

动量轮4可拆卸地安装于第二电机15上，其用于抵消动力组件6转动所带来的反扭矩，保证座椅12处于水平状态；

后轮5可拆卸地安装于支架11的后方，因为座椅12重心偏向后方，所以车架1失稳时会向后旋转倾倒，后轮可以防止车架1倾斜角度过大而造成的安全事故；

动力组件6可拆卸地安装于车架1的支架11两侧,用于驱动本申请的自平衡越障车；其结构如图5所示，包括轮毂61，气弹簧62，橡胶板63，内齿轮64以及二力杆65，气弹簧62安装于轮毂61上，橡胶板63安装于气弹簧62上，气弹簧62的两端分别与轮毂61和橡胶板63连接，内齿轮64连接于轮毂61上，内齿轮64与外齿轮23啮合；二力杆65设于橡胶板63之间，其将橡胶板63依次相连。作为更优选的实施方案，所述橡胶板63呈圆弧形，一个所述动力组件6上共设有八个所述橡胶板63，八个所述橡胶板63的弧长之和小于或等于外轮毂613的圆周长；防止所述橡胶板63的弧长过大而造成机构卡死；所述橡胶板63的弧长也不宜过小，防止所述自平衡越障车振动性过大；所述橡胶板63间存在间隙，其间隙可以包容障碍物，使所述自平衡越障车轻松跨越障碍。

对轮毂61做更详细的描述，轮毂包括：支撑筒611、内轮毂612、可拆卸的外轮毂613；支撑筒611为不锈钢钢管，其设置于612内轮毂与可拆卸的外轮毂613之间，支撑筒611的侧面有通孔6111，其与气弹簧62组成空腔6112，当气弹簧62压缩容腔6112时，气体从通孔6111中排除，通孔6111排气面积小，其减缓气弹簧62的压缩速度；内轮毂612安装于车架1上，其侧面设有盲孔6121，用于安装支撑筒611，盲孔6121内设有内螺纹孔6122，内螺纹孔6122用于连接气弹簧62；外轮毂613包括第一外轮毂6131与第二外轮毂6132，第一外轮毂6131与第二外轮毂6132通过螺纹副连接。

对于本申请的自平衡越障车的工作原理及功能演示参考图7-图11。

本申请的一种自平衡越障车的自平衡原理：结合图7，当驱动手柄22转动时，第一电机21驱动外齿轮23旋转，外齿轮23带动内齿轮64，动力组件6便随之转动，此时根据动量矩守恒原理，车架1会绕着动力组件6的中心轴反方向旋转，此时陀螺仪传感器采集车架1上的座椅12倾斜的方向与趋势的信号传递给中央处理器，根据动量矩守恒原理，其控制第二电机15转动，消除动力组件6、车架1与外齿轮23所带来的反扭矩，并使座椅12在极短时间内重新恢复水平状态；此外，值得注意的是，在接电池3的情况下，本车无论行驶还是静止，车架1上的座椅12仍然能保持水平状态。

本申请的一种自平衡越障车的减振原理：结合图8，在本车的行驶过程中，动力组件6上的气弹簧62容易产生弹性变形，这容易造成车的振动，针对这一问题，二力杆65通过传递运动与载荷并增大动力组件与地面的接触，可以大幅度减轻车的振动；气弹簧62受压，其与第二橡胶板632一起缩回，此时，第一橡胶板631与第三橡胶板633分别受到第一二力杆651与第二二力杆652传递的运动与载荷，其向外伸展接触地面并受到地面的支撑力，这种支撑力与第一二力杆651、第二二力杆652所传递的载荷达到平衡，最终其结果是第一橡胶板631、第二橡胶板632与第三橡胶板633共同承担地面的支撑力并传递给各自的气弹簧；自平衡越障车继续前进，第三橡胶板633受压缩回，第二橡胶板632与第四橡胶板634伸展支撑地面，如此运行下去；这保证了运动的平稳性。

本申请的一种自平衡越障车的越障原理：结合图9-图10，本车在平地行驶过程中会穿过不平坦的地面即遇到障碍7，障碍7会影响车的平稳性，其容易使车发生颠簸甚至导致安全事故；第二橡胶板632接触第二障碍72后缩回，同时，第一橡胶板631、第三橡胶板633伸展并支撑地面，本车达到平稳障碍2的目的，同时，第一障碍71、第三障碍73处于橡胶板63的间隙中，其不对车的行驶产生影响；同样地，本车的爬楼越障与过程平地越障过程相似，在遇到台阶时，第二橡胶板632缩回，第一橡胶板631、第三橡胶板633伸展，三者同时与楼梯接触，实现平稳爬楼。

详细地描述轮椅的操作，参考图11，以使用者面朝方向为正方向描述前进操作，即本车的前进为正方向，使用者坐于本车的座椅12，其脚放在脚踏板14上，手柄22的位置处于座椅12的前上方，稳定坐姿后，使用者左手握住第一手柄221，右手握住第二手柄222，值得注意的是手柄22的转动方向与对应的动力组件的转动方向相同，即第一手柄221与第二手柄222同时正转，本车则向前行驶，向左转动，第一电机21的输出力矩的大小取决于手柄22的转过角度的大小，若左转，则是第一手柄22正方向转动角度大于第二手柄正方向22的转动角度，也可以第一手柄221正方向转动，第二手柄222不动或反方向转动。

具体地，车架1与动力组件6通过支架11上的轴承111连接，因此车架1可绕着动力组件6的中心轴线转动，但此时座椅12、所述脚踏板14、驱动器2、电池3、后轮5均可拆卸地安装于支架11上，所以六者的相对位置不发生变化，人的坐姿也不发生变化。

特别指出，参考图12，车架1的重心靠后，在断开电池3的情况下，车架1会向后旋转，后轮5安装于车架1后方，其与车架1一同向后旋并接触地面，后轮5阻碍车架1继续旋转从而防止使用者后摔。

综上所述，本申请的一种自平衡越障车的自平衡功能的实现是通过陀螺仪采集座椅倾斜角度与加速度的信号，处理器驱动第二电机控制动量轮转动，消除动力组件的反扭矩，使座椅保持水平状态；平稳越障爬楼是依靠结构独特的设计，当橡胶板触底缩回时，连接与该橡胶板上的二力杆推动相邻橡胶板伸展支撑地面，增大动力组件与地面的支撑点；实现平稳越障功能。

本申请通过参考附图公开，同时使本领域中的技术人员能够实施本申请，包括：制造、使用任何装置或系统，采用合适的材料以及使用任何结合的方法；请求保护的技术方案用于限定本申请范围；只要此类其他实例类似于保护的技术方案字面语言的结构元件，或此类其他实例包含与请求保护的技术方案上没有实质性区分的等价结构元件，则此类其他实例应当被认为处于本申请请求保护的技术方案所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种自平衡越障车，其特征在于，包括：

车架；

驱动器，其安装于所述车架上方两侧；所述驱动器包括:两个第一电机，两个手柄，两个外齿轮；两个所述第一电机是带减速器的电机，其分别安装于所述车架上方左、右两侧，所述第一电机用于输出力矩并控制所述自平衡越障车的行驶速度；两个所述手柄分别安装于所述车架上方左、右两侧的内侧，所述手柄控制所述第一电机的输出力矩的大小与方向；所述外齿轮安装于所述第一电机上；

两个电池，其安装于所述车架上；

两个动量轮，其安装于所述车架的下方的内侧；

后轮，其安装于所述车架的后侧；

两个动力组件，其分别安装于所述车架左、右两侧；所述动力组件包括轮毂、内齿轮、若干橡胶板、与橡胶板对应的气弹簧和二力杆；所述气弹簧安装于轮毂上，所述橡胶板安装于所述气弹簧上，若干橡胶板沿轮毂外侧形成一圈，各橡胶板之间存在间隙，所述气弹簧的两端分别与所述轮毂和所述橡胶板连接；所述内齿轮，其连接在所述轮毂上，所述内齿轮与所述外齿轮啮合；所述二力杆连接于各所述橡胶板，其并将所述橡胶板依次连接。

2.根据权利要求1所述的自平衡越障车，其特征在于，在断开所述电池的情况下，所述车架可绕着所述动力组件的中心轴线自由转动，且其重心靠后而向后旋转；

其中，所述后轮距离所述动力组件中心轴线足够远，其用于限制车架向后旋转。

3.根据权利要求1所述的自平衡越障车，其特征在于，所述驱动器上的所述外齿轮与所述动力组件上的所述内齿轮形成内啮合，经过齿轮传减速传动，输出驱动力进一步增大、行驶速度进一步减小；

其中，两个所述手柄分别独立控制左、右侧的所述动力组件，可实现原地转弯，减小所述自平衡越障车的最小转弯半径。

4.根据权利要求1所述的自平衡越障车，其特征在于，所述二力杆的连接方式如下：第一个所述二力杆连接于所述第一、第二橡胶板的前端，其安装于所述动力组件的外侧，第二个所述二力杆连接于第二、第三所述橡胶板的后端，其安装于所述动力组件的内侧，第三个所述二力杆连接所述第三、第四橡胶板的前端，其安装于所述动力组件的外侧，如此交替连接下去。

5.根据权利要求1所述的自平衡越障车，其特征在于，在所述动力组件上，一个所述橡胶板接触地面并受力，安装于其上的所述气弹簧受压缩回，该所述橡胶板也一同缩回，同时，安装于其上的二力杆传递运动与载荷给其相邻的所述橡胶板，使其相邻的所述橡胶板伸展并支撑地面；即最终，一个所述动力组件上至少有两个所述橡胶板同时支撑地面。

6.根据权利要求1-5任一项中所述的自平衡越障车，其特征在于，所述车架包括：

支架；

座椅，其安装于所述支架上侧；

轴承座，其安装于所述支架上；

两个第二电机，两个所述第二电机为不带减速器的电机，其分别安装于所述支架下方左、右两侧，其包括陀螺仪传感器与中央处理器，所述陀螺仪传感器安装于所述车架底部，其用于检测所述车架的俯仰角度与加速度，中央处理器用于处理所述陀螺仪传感器采集的信号并控制所述第二电机的输出力矩；

脚踏板，其安装于所述支架底部。

7.根据权利要求6所述的自平衡越障车，其特征在于，转动所述手柄时，所述动力组件转动，根据动量矩守恒原理，所述车架会向所述动力组件转动的反方向旋转，所述中央处理器通过所述陀螺仪传感器采集所述座椅底部的水平角度与加速度信号来判断所述车架的倾斜方向与趋势，并根据倒立摆原理控制所述第二电机的输出力矩，所述动量轮发生转动，且其转动产生的加速度用于抵消所述动力组件、所述齿轮以及所述车架的转动力矩，使所述座椅保持水平状态；

其中，所述动量轮安装于所述第二电机上；其作用为抵消动力组件的反扭矩，保证所述座椅不发生转动。

8.根据权利要求1-5所述的自平衡越障车，其特征在于，所述轮毂包括：

支撑筒，其为不锈钢钢管，设置于内轮毂与外轮毂之间，用于支撑外轮毂；

内轮毂，其安装于所述车架上，所述内轮毂上设有盲孔，用于安装所述支撑筒，盲孔内设有内螺纹孔，其内螺纹用于连接所述气弹簧；

可拆卸的外轮毂，其包括第一外轮毂与第二外轮毂，所述第一外轮毂与所述第二外轮毂通过螺纹副连接。

9.根据权利要求8所述的自平衡越障车，其特征在于，所述气弹簧上装有橡胶活塞，所述橡胶活塞与所述支撑筒形成空腔，所述支撑筒的侧面设有三个通孔，当所述气弹簧被压缩时，所述橡胶活塞像所述空腔内推进，所述空腔体积减小、气体从所述通孔中排除，所述通孔的面积较小，其阻碍所述气弹簧的压缩；随着空腔的体积越来越小，其气体排出面积也越来越小，所述气弹簧的压缩更困难，起到阻尼减振的效果。

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