CN114194321A - 前后串列式自平衡车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种前后串列式自平衡车，其车架上设置有前轮、后轮，前后轮支架的车架上的平衡仪腔体内设置有直线运动式平衡仪；直线运动式平衡仪包括长方形的壳体，壳体的上端部通过两个轴承座活动设置有丝杆，还包括与丝杆平行布置的平衡电机，丝杆与平衡电机传动连接；还包括配重块，配重块的上端通过调节螺母与丝杆连接、下端与壳体的底板接触；还包括通过销轴悬挂设置在壳体内的单摆，单摆自由端的两侧壳体上固定有前、后微动开关，单摆的摆动面与丝杆的轴线相平行。作为主动轮的后轮其重心设置于轮轴以下。本发明在额定范围内具备自平衡能力，适用范围广，生产成本低。

Description

前后串列式自平衡车

技术领域

本发明涉及轮式车辆，具体涉及一种自平衡车。

背景技术

自平衡车也称为体感车，是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。自平衡车种类繁多，市场上主要有独轮和双轮两类，双轮又分为串列式和并列式。从用途角度，自平衡车可作为低强度代步工具、休闲娱乐产品。从体量、荷载角度分类，大型的自平衡车可负荷成人体重，小型化的自平衡车可以用于搭载摄像头等设备作为机器人使用。

自平衡车基于被称为"动态稳定"(Dynamic Stabilization)的基本原理设计，该车利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。现有技术中，已有自平衡车轮投入应用，其工作原理和工作场景各不相同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于一种前后串列式自平衡车，其在额定范围内具备自平衡能力，适用范围广，生产成本低。

为解决上述技术问题，本发明的前后串列式自平衡车，包括车架，所述车架上设置有前叉、后叉，所述前叉上连接有前轮，后叉上设置有后轮；所述前轮之间的车架上设置有平衡仪腔体，所述平衡仪腔体内设置有直线运动式平衡仪；还包括与所述前轮连接的转向装置；

所述直线运动式平衡仪包括长方形的壳体，所述壳体的上端部通过两个轴承座活动设置有丝杆，还包括与所述丝杆平行布置的平衡电机，所述丝杆与所述平衡电机传动连接；还包括配重块，所述配重块的上端通过调节螺母与所述丝杆连接、下端与所述壳体的底板接触；还包括通过销轴悬挂设置在壳体内的单摆，所述单摆自由端的两侧壳体上固定有前、后微动开关，所述单摆的摆动面与所述丝杆的轴线相平行。

所述配重块的下端部设置有若干个球型腔体，所述球型腔体内设置有滚珠，所述滚珠与所述壳体的底板滚动摩擦。

所述后轮包括中空的轮毂，所述轮毂内部设置有截面为半圆形的配重腔，所述配重腔的上端面盖板上设置有轴座，所述轴座内设置有轮轴，所述轮轴的两端分别通过左、右轴承与所述轮毂的两个侧面板活动连接，所述轮轴的两个自由端延伸至所述轮毂以外；所述轴座上还固定有电机座，所述电机座内连接有行走电机，所述行走电机的动力输出轴上固定有电机轴齿轮，所述轮毂的一个侧面板的中心设置有输出齿轮，所述电机轴齿轮与所述输出齿轮传动连接；所述右轴承嵌套在所述输出齿轮的内腔内。

本发明中，前后串列式车身上加装有直线运动式平衡仪，其可提供车身左右方向的重心补偿，车身倾斜由单摆与两个微动开关感知，配重块的行走由微动开关信号控制，从而使得车身具备自平衡能力。作为主动轮的后轮进行了优化设计，使得其重心降低，产生不倒翁效果，进一步提高了自平衡能力。本发明适用范围广，生产成本低，市场前景广阔。

附图说明

图1 是本发明的前后串列式自平衡车的示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是实施例一中直线运动式平衡仪的爆炸视图；

图4是实施例一中直线运动式平衡仪沿其长度方向的剖视图；

图5是实施例一中直线运动式平衡仪沿其宽度方向的剖视图；

图6是图4的俯视图。

图7是实施例二中后轮的爆炸视图；

图8是实施例二中后轮的配重腔、轮轴、行走电机的配合示意图；

图9是实施例二中后轮的剖视图。

具体实施方式

如图1、图2可见，本发明提供了一种前后串列式自平衡车，其包括车架10，所述车架10上设置有前叉11、后叉12，所述前叉11上连接有前轮2，后叉12上设置有后轮3；所述前轮2、后轮3之间的车架10上设置有平衡仪腔体13，所述平衡仪腔体13内设置有直线运动式平衡仪4。还包括与所述前轮2连接的转向装置14，本实施例中，所述转向装置14设置为与所述前叉11连接的方向盘。

实施例一

在额定范围内，本前后串列式自平衡车的车身发生侧向倾转时，其平衡仪能提供一定的重心补偿，从而使其恢复平衡。

如图3、图4、图5、图6可见，所述直线运动式平衡仪4包括长方形的壳体41，本实施例中，所述壳体41由“冂”字型的上端盒体410和“U” 字型的下端盒体411组合而成，两者之间螺栓连接；壳体41采用分体式结构，便于各部件组装；所述壳体41的上端部通过两个轴承座活动设置有丝杆42，还包括与所述丝杆42平行布置的平衡电机43，所述丝杆42与所述平衡电机43传动连接；还包括配重块44，所述配重块44的上端通过调节螺母440与所述丝杆42连接、下端与所述壳体41的底板接触；还包括通过销轴悬挂设置在壳体41内的单摆45，所述单摆45自由端的两侧壳体41上固定有前、后微动开关46、46’，所述单摆45的摆动面与所述丝杆42的轴线相平行。

作为传动连接的实现方式之一，所述丝杆42的一个自由端固定有从动齿轮420，所述平衡电机43的主轴上固定有主动齿轮430，所述主动齿轮430与所述从动齿轮420互相啮合。

作为优选方案，所述配重块44的下端部设置有若干个球型腔体，所述球型腔体内设置有滚珠441，所述滚珠441与所述壳体41的底板滚动摩擦。本实施例中，所述丝杆42沿壳体41的长度方向布置，沿所述壳体41的宽度方向设置有两个球型腔体，相应设置有两个滚珠441，当丝杆42旋转时，滚珠441与壳体41的底板配合，限制配重块44只能沿壳体41的长度方向行走而不能绕丝杆旋转。

工作原理：

对于两轮前后串列式车辆，其倾斜发生在车身两侧，本直线运动式平衡仪按左右向布置在车身中轴线上，即丝杆42垂直于前轮2、后轮3之间的连线，且丝杆42与前轮2、后轮3的轮轴平行，也就是要求配重块44能沿左右方向相对于车身往复行走。

单摆45通过销轴悬挂设置在壳体上，始终保持铅垂线方向。当车身姿态平衡时，不发生左右倾斜，单摆45与前、后微动开关46、46’不接触。当车身左向或右向倾斜时，壳体41随之倾斜，与单摆45发生相对偏转，此时单摆45与前、后微动开关46、46’之一接触，微动开关经控制电路向平衡电机43发出信号，平衡电机43工作，丝杆42旋转驱动配重块44行走进行补偿，由于丝杆沿车身左右方向布置，配重块44也沿车身左右方向行走，从而在左右侧调节整体重心，实现额定范围内车身的自平衡。配重块44底部设置的滚珠441一方面起到降低摩擦系数作用，另一方面也限制配重块只能行走而不会旋转。平衡过程中，配重块44进给方向与车身倾斜方向相反。

平衡过程中，电机的旋转方向、启动时机、工作时长均由前、后微动开关46、46’所给出的信号确定。由于两个微动开关分别设置在单摆的两侧，车身的倾斜方向易于识别，控制难度也大为降低。

实施例二

如图1、图2、图7、图8、图9可见，在实施例一的基础上，本实施例中，所述后轮上进一步适配了辅助平衡装置，从而进一步增强自平衡能力。

如图7、图8、图9可见，所述后轮3包括中空的轮毂31，所述轮毂31内部设置有截面为半圆形的配重腔32，所述配重腔32的上端面盖板320上设置有轴座33，所述轴座33内设置有轮轴34，所述轮轴34的两端分别通过左、右轴承35、35’ 与所述轮毂31的两个侧面板活动连接，所述轮轴34的两个自由端延伸至所述轮毂31以外；所述轴座33上还固定有电机座36，所述电机座36内连接有行走电机37，所述行走电机37的动力输出轴上固定有电机轴齿轮370，所述轮毂31的一个侧面板的中心设置有输出齿轮310，所述电机轴齿轮370与所述输出齿轮310传动连接；所述右轴承35’ 嵌套在所述输出齿轮310的内腔内。

本实施例中，行走电机37使用减速电机，其动力输出轴与电机中轴线相偏离，电机轴齿轮370设置于电机中轴线下方，从而便于各零部件在狭小空间内的配合。

所述轮毂31上套装有轮胎321。

所述轮轴34的两个自由端都对称的切削有定位面，所述后叉12与所述轮轴34卡接。车辆运动时，配重腔32、轴座33和轮轴34都不转，轮毂31、轮胎321转动。

工作原理：

轮轴34的内腔中空，电线从其中穿过并与行走电机37连接；电线的另一端与电池连接。当电源接通时，行走电机37工作，并经电机轴齿轮370、输出齿轮310驱动轮毂31转动，此时，平衡车实现行走，当方向盘受力时，平衡车转向。

如图9可见，配重腔32内设置有配重，以轮轴34为支点，其下方的配重重量大于其上方的电机座36、行走电机37等负载重量；图3中以虚线示出了本自平衡车专用的车轮的重心分布，当轮胎321着地时，本车轮的重心在轮轴34的下方，轮胎321的接地线的两个远端与本车轮的重心呈等腰三角形分布。此时本车轮重心平衡，并具备一定的复位能力。

任何平衡车或车轮的平衡范围均是有极限范围的，当其重心偏离过大时则会发生倾覆。在本发明中，适当扩大轮毂31的幅宽与直径之比可以提高其平衡能力，作为一个推荐值，所述轮毂31的幅宽与直径之比为1：2～1：4。

本实施例中，后轮内部增加了配重，从而使得后轮整体重心在轮轴34下方，产生不倒翁效果，后轮自身抗倾斜能力增强，进一步提高了车辆的自平衡能力。

实施例三

如图2可见，在实施例一的基础上，本实施例中，所述车架10上设置有前轮操纵电机140，所述前轮操纵电机140与所述方向盘传动连接。具体而言，所述前轮操纵电机140与所述前叉平行布置，电机轴与所述方向盘齿轮传动。

本实施例还包括与所述行走电机37、前轮操纵电机140匹配的控制系统，借助于该控制系统，可以控制行走电机37前进、后退、加速、减速；可以控制前轮操纵电机140转动，进而通过前叉带动前轮转动，实现车辆的转向。该控制系统可以通过手机app部署，手机与车载系统之间无线通讯，从而实现基于云端的控制。本实施例中，车辆上自带电池供电，尤其适用于将车辆设计为小型玩具，或应用于小载荷的无人驾驶场景。

本发明的具体实施方式包括但不局限于上述实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但仍然落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种前后串列式自平衡车，包括车架（10），所述车架（10）上设置有前叉（11）、后叉（12），所述前叉（11）上连接有前轮（2），后叉（12）上设置有后轮（3）；其特征在于：所述前轮（2）、后轮（3）之间的车架（10）上设置有平衡仪腔体（13），所述平衡仪腔体（13）内设置有直线运动式平衡仪（4）；还包括与所述前轮（2）连接的转向装置（14）；

所述直线运动式平衡仪（4）包括长方形的壳体（41），所述壳体（41）的上端部通过两个轴承座活动设置有丝杆（42），还包括与所述丝杆（42）平行布置的平衡电机（43），所述丝杆（42）与所述平衡电机（43）传动连接；还包括配重块（44），所述配重块（44）的上端通过调节螺母（440）与所述丝杆（42）连接、下端与所述壳体（41）的底板接触；还包括通过销轴悬挂设置在壳体（41）内的单摆（45），所述单摆（45）自由端的两侧壳体（41）上固定有前、后微动开关（46、46’），所述单摆（45）的摆动面与所述丝杆（42）的轴线相平行。

2.如权利要求1所述的前后串列式自平衡车，其特征在于：所述配重块（44）的下端部设置有若干个球型腔体，所述球型腔体内设置有滚珠（441），所述滚珠（441）与所述壳体（41）的底板滚动摩擦。

3.如权利要求1所述的前后串列式自平衡车，其特征在于：所述后轮（3）包括中空的轮毂（31），所述轮毂（31）内部设置有截面为半圆形的配重腔（32），所述配重腔（32）的上端面盖板（320）上设置有轴座（33），所述轴座（33）内设置有轮轴（34），所述轮轴（34）的两端分别通过左、右轴承（35、35’ ）与所述轮毂（31）的两个侧面板活动连接，所述轮轴（34）的两个自由端延伸至所述轮毂（31）以外；所述轴座（33）上还固定有电机座（36），所述电机座（36）内连接有行走电机（37），所述行走电机（37）的动力输出轴上固定有电机轴齿轮（370），所述轮毂（31）的一个侧面板的中心设置有输出齿轮（310），所述电机轴齿轮（370）与所述输出齿轮（310）传动连接；所述右轴承（35’ ）嵌套在所述输出齿轮（310）的内腔内。

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