CN206456475U - 轮式自平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轮式自平衡装置。该装置包括框架、支撑装置、车轮以及用于驱动车轮转动的动力装置，动力装置、车轮以及支撑装置被设置在框架上，支撑装置包括支撑杆和用于驱动支撑杆的驱动装置；支撑装置被配置为：在非运行状态时，支撑杆与地面接触，支撑杆和车轮一起形成至少三点支撑以使轮式自平衡装置保持平衡；在运行状态时，支撑杆离开地面。该装置可以保持平衡，从而避免在断电后或者静止时，装置发生倾斜或者倒向一边。

Description

轮式自平衡装置

技术领域

本实用新型涉及自平衡装置技术领域，更具体地，涉及一种具有支撑装置的轮式自平衡装置。

背景技术

平衡车或轮式机器人，其动作原理主要是利用电机驱动、伺服控制装置，姿态传感器采集角速度和角度信号，共同协调控制车体的平衡。车体或机器人内部设计有陀螺仪和加速度传感器，检测车体或机器人姿态的变化。通过改变车体或机器人的重心位置，便可实现平衡车或机器人的启动、加速、减速、停止等动作。

通常，平衡车或轮式机器人(尤其是独轮和双轮平衡车或机器人)在通电工作时，重力感应实时监测平衡车或机器人的重心变化，并通过伺服控制保持车体和机器人的平衡。但是，当平衡车或机器人断电不工作时，其因重心失去监测而无法继续保持平衡。此时，平衡车或机器人失去直立状态。这样，不便于产品的停放收纳，也影响产品的体验。此外，当仅需要平衡车平衡静止时，由于地面的不绝对水平，平衡车会频繁的加速前进、后退，一直处于找平衡的状态中，此时会大量地耗费电能。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种轮式自平衡装置的新技术方案，以解决上述技术问题。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种轮式自平衡装置。该装置包括框架、支撑装置、车轮以及用于驱动所述车轮转动的动力装置，所述动力装置、所述车轮以及所述支撑装置被设置在所述框架上，所述支撑装置包括支撑杆和用于驱动所述支撑杆的驱动装置；所述支撑装置被配置为：在非运行状态时，所述支撑杆与地面接触，所述支撑杆和所述车轮一起形成至少三点支撑以使所述轮式自平衡装置保持平衡；在运行状态时，所述支撑杆离开地面。

可选地，包括相对设置的两个所述车轮，所述支撑装置包括一个所述支撑杆。

可选地，所述支撑装置还包括锁定装置，所述驱动装置为第一电机，所述第一电机被设置在所述框架上，所述支撑杆被设置在所述第一电机的输出轴上，输出轴与支撑杆垂直，所述第一电机被配置为用于驱动所述支撑杆转动以使所述支撑杆的支地端与地面接触和离开地面，所述锁定装置被配置为当所述支地端与地面接触时锁定所述支撑杆的位置。

可选地，所述锁定装置包括设置在所述框架上的卡槽，所述支撑杆还包括与远离所述支地端的卡位部以及位于所述支地端和所述卡位部之间的连接部，所述连接部与所述输出轴连接在一起，在非运行状态时所述第一电机带动所述支撑杆转动，以使所述支地端与地面接触并且所述卡槽对所述卡位部形成支撑力以锁定所述支撑杆的位置。

可选地，在所述支地端设置有转轮，所述转轮为定向轮或者万向轮。

可选地，所述支撑杆为齿条，所述驱动装置为第二电机，所述第二电机被设置在所述框架上，所述第二电机的蜗杆与所述齿条相啮合，以驱动所述齿条伸出和缩回。

可选地，所述齿条与所述框架的平台垂直。

可选地，在所述齿条上设置有用于防止所述齿条反向运动的止锁结构。

可选地，所述第二电机通过蜗轮组件与所述齿条相啮合，所述蜗轮组件包括同轴设置的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与所述第二电机的蜗杆相啮合，所述第二齿轮与齿条相啮合。

可选地，所述轮式自平衡装置为平衡车或者轮式机器人。

本实用新型的发明人发现，在现有技术中，现有的平衡车在断电不工作时无法保持平衡，并且在通电但需要静止时由于无法保持平衡，平衡车会一直处于寻找平衡的状态，耗费电能。因此，本实用新型所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本实用新型是一种新的技术方案。

本实用新型提供的轮式自平衡装置结构简单，在非运行状态时，支撑杆与地面接触，支撑杆和车轮一起形成至少三点支撑以使轮式自平衡装置保持平衡，从而避免在断电后或者静止时，该装置发生倾斜或者倒向一边。

此外，在通电时的静止状态，使装置保持竖直状态，以达到平衡，避免装置处于频繁的加速前进、后退的找平衡的状态中，节约了电能。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型实施例的一种轮式自平衡装置的分解图。

图2是本实用新型实施例的轮式自平衡装置运行状态的示意图。

图3是本实用新型实施例的轮式自平衡装置非运行状态的示意图。

图4是本实用新型实施例的支撑杆的结构示意图。

图5是本实用新型实施例的另一种轮式自平衡装置的分解图。

图6是本实用新型实施例的另一种轮式自平衡装置的结构示意图。

图7是本实用新型实施例的另一种轮式自平衡装置一部分的示意图。

图8是本实用新型实施例的齿条的结构示意图。

图9是本实用新型实施例的一种支撑装置的结构示意图。

图10是本实用新型实施例的蜗杆组件的结构示意图。

图中，12：车轮；13：动力装置；14：支撑杆；15：支地端；16：转轮；17：卡位部；18：连接部；19：卡槽；20：第一电机；21：第二电机；22：齿条；23：蜗轮组件；24：位置传感器；25：下支撑板；26：上支撑板；27：出孔；28：连接板；29：固定板；30：线路板；31：电源；32：控制装置；33：中支撑板；34：第一齿轮；35：第二齿轮；36：滑槽。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了至少解决上述技术问题之一，本实用新型提供一种轮式自平衡装置。该装置可以是但不局限于平衡车或者轮式机器人。该装置包括框架、支撑装置、车轮12以及用于驱动车轮12转动的动力装置13。动力装置13、车轮12以及支撑装置被设置在框架上。支撑装置包括支撑杆14和用于驱动支撑杆14的驱动装置。支撑装置被配置为：在非运行状态时，支撑杆14与地面接触，支撑杆14和车轮12一起形成至少三点支撑以使轮式自平衡装置保持平衡；在运行状态时，支撑杆14离开地面。

本实用新型提供的轮式自平衡装置结构简单，在非运行状态时，支撑杆14与地面接触，支撑杆14和车轮12一起形成至少三点支撑以使轮式自平衡装置保持平衡，从而避免在断电后或者静止时，该装置发生倾斜或者倒向一边。

此外，在通电时的静止状态，使装置保持竖直状态，以达到平衡，避免装置处于频繁的加速前进、后退的找平衡的状态中，节约了电能。

图1示出了本实用新型实施例的一种轮式自平衡装置。在该实施例中，框架包括上支撑板26和下支撑板25。上支撑板26和下支撑板25连接在一起以在二者之间形成容纳空间。电源31、线路板30、控制装置(未示出)等均被设置在容纳空间中。该装置为两轮自平衡装置，两个车轮12相对设置。动力装置13通过连接板28被设置在下支撑板25的下方。可选的是，动力装置13为电机、燃油发动机等。两个车轮12形成了两点支撑，本领域技术人员应该理解的是，装置的平衡需要至少形成三点支撑，并且三个点不在同一直线上。为了达到此目的，在该实施例中，支撑装置包括一个支撑杆14，该支撑杆14用于形成第三个支撑点。支撑杆14为摆动式的结构。在非运行状态时，第一电机20带动支撑杆14摆动，以使支撑杆14的支地端15与底面接触并形成支撑以防止支撑杆14侧向滑移。优选的是，支撑杆14的长度应使得在形成支撑时，框架的平台，例如上支撑板26或者下支撑板25与地面保持水平。

形成支撑时，支撑杆14的支地端15相对于两个车轮12的位置可以根据实际需要进行设置，只要能形成三点支撑即可。优选的是，该位置位于两个车轮12之间连线的中垂线上，这样可以使装置的重心更平稳。

当然，支撑杆14也可以被设置为多个，例如，形成四点支撑、五点支撑等，只要能保持装置的平衡即可。支撑杆14的高度可以根据实际需要进行设置，以适应不同的地面环境。例如，支撑杆14可以形成多个支撑角度，以适应不同倾斜角度的斜坡地面，使框架的平台与斜坡地面保持合适的相对角度。例如，支撑杆14可以形成多个支撑高度，以使下支撑板25与地面之间的高度可调，以适应凸凹不平的地面。

在一个例子中，如图2-4所示，支撑装置还包括锁定装置。驱动装置为第一电机20，第一电机20被设置在框架上。在此，第一电机20为转动电机或者伺服电机。例如，通过固定板29将第一电机20固定在下支撑板25的下方。支撑杆14被设置在第一电机20的输出轴上。例如，输出轴与支撑杆14垂直，这种方式可以防止在形成支撑时，支撑杆14与输出轴形成倾斜角度，避免了输出轴受到沿轴向的力，保证第一电机20的平稳运行。

第一电机20被配置为用于驱动支撑杆14转动以使支撑杆14的支地端15与地面接触以及离开地面。锁定装置被配置为当支地端15与地面接触时锁定支撑杆14的位置。锁定装置可以进一步防止支撑杆14在形成支撑时发生侧向偏斜，导致装置失去平衡。

在一个例子中，锁定装置包括设置在框架上的卡槽19。例如，卡槽19被设置在下支撑板25上。支撑杆14还包括与远离支地端15的卡位部17以及位于支地端15和卡位部17之间的连接部18。连接部18与输出轴连接在一起。在非运行状态时，第一电机20带动支撑杆14转动，以使支地端15与地面接触并且卡槽19对卡位部17形成支撑力以锁定支撑杆14的位置。在此，支撑杆14转过竖直位置后被卡槽19阻挡，才能形成对支撑杆14的支撑力。如果支撑杆14的转动为达到竖直位置，当支撑杆14受到压力后会发生倾斜，从而无法形成支撑力。

此外，为了便于支撑杆14在与地面接触时的滑动，如图3或者4所示，在支地端15设置有转轮16。当支地端15与地面接触时会受到地面的摩擦力，转轮16的使用变滑动摩擦为滚动摩擦，可以大大减小摩擦力。可选的是，转轮16为定向轮或者万向轮。

此外，为了实现自动控制和限位保护，该装置还包括用于感测支撑杆14的位置的位置传感器24。例如，位置传感器24被设置在支地端15或者卡位部17。控制装置感测到支地端15或者卡位部17的位置，从而控制驱动装置的运行。例如，当卡位部17位于卡槽19中时，或者支地端15到达下支撑板25时，控制第一电机20停止运行。

摆动式的支撑杆14可以被设置在下支撑板25的下方，节省了框架内的空间，顺应了电子设小型化、轻薄化的发展趋势。

然而，支撑杆14的长度固定，不便于根据不同的底面状况，例如斜坡、凸凹不平的路面等调整支撑杆14的支撑高度。

为了解决该技术问题，图5-10示出了本实用新型实施例的另一种轮式自平衡装置。该装置采用蜗轮齿条22机构实现支撑杆14的上、下运动。该装置包括位于上支撑板26和下支撑板25之间的中支撑板33。在下支撑板上25设置有控制装置32。支撑杆14为齿条22。驱动装置为第二电机21。在此，第二电机21为转动电机或者伺服电机。在第二电机21的输出轴上设置有用于与齿条22相配合的蜗杆。第二电机21被设置在框架上。第二电机21被配置为用于驱动齿条22伸出和缩回。例如，第二电机21被固定在中支撑板33上，蜗杆位于中支撑板33与下支撑板25之间，齿条22从下支撑板25的出孔27中穿出。如图9所示，为了防止齿条22发生偏斜，在出孔27的周围还设置有平行于齿条22的滑槽36。齿条22沿滑槽36滑动，并且滑槽36可以防止齿条22发生倾斜。

在非运行状态时，第二电机21驱动齿条22向下滑动，齿条22的支地端15与地面接触，齿条22与车轮12形成三点支撑。在运行状态时，第二电机21驱动齿条22相上滑动，使支地端15离开地面，以便两个车轮12运行。

当遇到斜坡或者凸凹不平的地面时，蜗轮和齿条22之间的配合具有多个自由度，可以调整齿条22的伸出长度，从而达到装置的平衡。

蜗杆直接与齿条22啮合，在框架上必须具有足够的安装空间，这样限制了安装位置。为了解决该技术问题，如图5或者6所示，蜗杆通过蜗轮组件23与齿条22形成啮合。如图10所示，蜗轮组件23包括同轴设置的第一齿轮34和第二齿轮35，第一齿轮34与第二电机21的蜗杆相啮合，第二齿轮35与齿条22相啮合，以实现传动。这种方式可以根据实际的安装空间设置第二电机21和齿条22的位置，便于各种元器件的布置。

在一个例子中，齿条22与框架的平台垂直。这种设置方式可以避免齿条22发生倾斜，并且避免了在支撑时出孔27形成对齿条22的剪切力。

为了防止齿条22在伸出时反向运动，在齿条22上设置有用于防止齿条22反向运动的止锁结构。例如，在齿条22上设置有卡扣，卡扣位于与支地端15相对的另一端。卡扣可以阻止蜗轮与齿条22的相对运动，从而阻挡齿条22的反向运动。

在一个例子中，蜗轮组件23与蜗杆形成自锁条件。例如，当蜗杆的导程角小于第一轮齿间的当量摩擦角时，该装置具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮组件23转动，而不能由蜗轮组件23带动蜗杆转动。防止齿条22受地面作用力大，造成反向运动而使平衡车失衡。

此外，在齿条22上设置有位置传感器24，以控制第二电机21的运行与停止。

当然，本领域技术人员可以理解的是，当轮式自平衡装置为独轮式时，支撑装置需要至少两个支撑杆，才能与车轮一起形成三点支撑。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种轮式自平衡装置，其特征在于，包括框架、支撑装置、车轮(12)以及用于驱动所述车轮(12)转动的动力装置(13)，所述动力装置(13)、所述车轮(12)以及所述支撑装置被设置在所述框架上，所述支撑装置包括支撑杆(14)和用于驱动所述支撑杆(14)的驱动装置；所述支撑装置被配置为：在非运行状态时，所述支撑杆(14)与地面接触，所述支撑杆(14)和所述车轮(12)一起形成至少三点支撑以使所述轮式自平衡装置保持平衡；在运行状态时，所述支撑杆(14)离开地面。

2.根据权利要求1所述的轮式自平衡装置，其特征在于，包括相对设置的两个所述车轮(12)，所述支撑装置包括一个所述支撑杆(14)。

3.根据权利要求1所述的轮式自平衡装置，其特征在于，所述支撑装置还包括锁定装置，所述驱动装置为第一电机(20)，所述第一电机(20)被设置在所述框架上，所述支撑杆(14)被设置在所述第一电机(20)的输出轴上，输出轴与支撑杆(14)垂直，所述第一电机(20)被配置为用于驱动所述支撑杆(14)转动以使所述支撑杆(14)的支地端(15)与地面接触和离开地面，所述锁定装置被配置为当所述支地端(15)与地面接触时锁定所述支撑杆(14)的位置。

4.根据权利要求3所述的轮式自平衡装置，其特征在于，所述锁定装置包括设置在所述框架上的卡槽(19)，所述支撑杆(14)还包括与远离所述支地端(15)的卡位部(17)以及位于所述支地端(15)和所述卡位部(17)之间的连接部(18)，所述连接部(18)与所述输出轴连接在一起，在非运行状态时所述第一电机(20)带动所述支撑杆(14)转动，以使所述支地端(15)与地面接触并且所述卡槽(19)对所述卡位部(17)形成支撑力以锁定所述支撑杆(14)的位置。

5.根据权利要求3或者4所述的轮式自平衡装置，其特征在于，在所述支地端(15)设置有转轮(16)，所述转轮(16)为定向轮或者万向轮。

6.根据权利要求1所述的轮式自平衡装置，其特征在于，所述支撑杆(14)为齿条(22)，所述驱动装置为第二电机(21)，所述第二电机(21)被设置在所述框架上，所述第二电机(21)的蜗杆与所述齿条(22)相啮合，以驱动所述齿条(22)伸出和缩回。

7.根据权利要求6所述的轮式自平衡装置，其特征在于，所述齿条(22)与所述框架的平台垂直。

8.根据权利要求6所述的轮式自平衡装置，其特征在于，在所述齿条(22)上设置有用于防止所述齿条(22)反向运动的止锁结构。

9.根据权利要求6所述的轮式自平衡装置，其特征在于，所述第二电机(21)通过蜗轮组件(23)与所述齿条(22)相啮合，所述蜗轮组件(23)包括同轴设置的第一齿轮(34)和第二齿轮(35)，所述第一齿轮(34)与所述第二电机(21)的蜗杆相啮合，所述第二齿轮(35)与齿条(22)相啮合。

10.根据权利要求1所述的轮式自平衡装置，其特征在于，所述轮式自平衡装置为平衡车或者轮式机器人。