CN212423356U - 可跨越障碍型单点支撑平衡系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可跨越障碍型单点支撑平衡系统，包括：机壳，所述机壳内设有轴支撑框架；主控电路板；加速度传感器，用于判断所述机壳倾斜状态；若干支撑平衡机构，支撑平衡机构包括：平衡电机、以及力矩盘；地磁传感器；移动机构，移动机构包括：滚动件、以及驱动马达；障碍检测单元，障碍检测单元包括：距离检测模块、以及障碍探测模块；以及，蓄力弹跳机构，蓄力弹跳机构包括：弹跳组件、以及蓄力控制电机。通过主控电路板控制若干组平衡电机和驱动马达产生的力矩和力矩方向，保持物体的平衡，通过障碍检测单元进行障碍物检测后，选择避开障碍物移动或者跨越障碍物，需要跨越障碍物时由蓄力弹跳机构发生弹跳实现跨越障碍物的移动。

Description

可跨越障碍型单点支撑平衡系统

技术领域

本实用新型涉及平衡装置技术领域，特别涉及一种可跨越障碍型单点支撑平衡系统。

背景技术

目前的平衡类装置如双轮平衡车或者陀螺类产品，其中双轮平衡车依靠两个或者两个以上的支撑点来保持平衡，而陀螺类产品通过旋转单点支撑保持平衡，这些产品的或是需要多个支撑点，或是平衡性较差，且不具备跨越障碍物的性能，产品的使用性能受到较大的限制。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种可跨越障碍型单点支撑平衡系统，具有平衡性好、且可跨越障碍物的优点。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种可跨越障碍型单点支撑平衡系统，包括：

机壳，所述机壳内设有轴支撑框架；

承载于所述机壳的主控电路板，所述主控电路板连接有用于提供工作电压的电源模块；

与所述主控电路板相连接的加速度传感器，所述加速度传感器用于判断所述机壳倾斜状态，并生成加速度参数发送至所述主控电路板；

若干承载于所述轴支撑框架且与所述主控电路板相连接的支撑平衡机构，若干所述支撑平衡机构环绕圆周方向均匀分布，所述支撑平衡机构包括：承载于所述轴支撑框架且与所述主控电路板相连接的平衡电机、以及装配于所述平衡电机的动力输出轴的力矩盘，所述主控电路板依据所述加速度参数调整所述力矩盘的转速；

与所述主控电路板相连接的地磁传感器，所述地磁传感器用于检测物体的移动方向，并生成位移参数发送至所述主控电路板；

设置于所述机壳底部的移动机构，所述移动机构包括：转动式装配于所述机壳的滚动件、以及用于驱动所述滚动件转动以驱动物体移动的驱动马达，所述主控电路板依据所述加速度参数和所述位移参数控制所述驱动马达工作以使所述滚动件滚动产生位移；

与所述主控电路板相连接的障碍检测单元，所述障碍检测单元包括：用于检测障碍物距离的距离检测模块、以及用于检测障碍物高度和类型的障碍探测模块；以及，

承载于所述机壳的蓄力弹跳机构，所述蓄力弹跳机构包括：用于产生弹跳力的弹跳组件、以及与所述弹跳组件相连接用于控制弹跳力的蓄力控制电机。

实现上述技术方案，使用时，若需要物体单点支撑站立，则控制其中若干组平衡电机驱动对应的力矩盘高速转动而产生一个旋转的力矩，通过这个力矩来克服地心引力，当该力矩大于力矩盘的质量时，根据角动量守恒定律即可使物体保持站立的状态，直到产生的惯量消失而打破平衡状态时，物体即会再次掉落；而当物体受到外力干扰时，此时控制两组或两组以上的平衡电机控制相应的力矩盘转动产生旋转力矩，以对来自各个方向的外力进行抵消，使物体能够保持平衡的状态；在整个控制的过程中，通过加速度传感器的加速度参数判断物体是处于直立状态还是倒地状态，其原理是物体位于不同的状态时加速度参数时不同的，主控电路板通过获取加速度参数按照内置的核心算法，分别控制若干组平衡电机产生不同的旋转方向和旋转速度产生旋转力矩协调作用在物体上，以保持物体处于站立和旋转的状态；而若需要控制物体前、后、左、右移动时，主控单片机通过获取加速度传感器产生的加速度参数和地磁传感器产生的位移参数，通过内置的核心算法计算若干组平衡电机和驱动马达产生的力矩和力矩方向，即可控制物体进行平稳的移动；同时物体移动的过程中，通过距离检测模组检测移动方向上障碍物的距离，通过障碍探测模块检测障碍物的类型、高度、尺寸、数量等参数，主控电路板通过内置的核心算法计算出需要选择避开障碍物移动、直接通过或者跨越障碍物，需要跨越障碍物时加载蓄力弹跳机构所需的角度、弹力大小，通过蓄力控制电机控制弹跳组件的弹力，实现跨越障碍物的移动，并保持单点支撑的状态，使得移动过程更加稳定，从而提高智能化程度更高，适用范围更广。

作为本实用新型的一种优选方案，所述距离检测模块从如下结构中选择单独或者组合适用：红外测距传感器、激光测距传感器或者超声波传感器。

作为本实用新型的一种优选方案，所述障碍探测模块从如下结构中选择单独或者组合适用：超声波传感器或者激光雷达传感器。

作为本实用新型的一种优选方案，所述弹跳组件为弹簧蓄力弹跳组件或者弯曲关节式蓄力弹跳组件。

作为本实用新型的一种优选方案，所述滚动件为滚珠或者滚轮。

作为本实用新型的一种优选方案，所述主控电路板还连接有温湿度传感器，所述温湿度传感器设置在所述机壳内，用于检测所述机壳内或者机壳外围环境的温度值和湿度值，并发送至所述主控电路板。

实现上述技术方案，通过采集机壳内的温湿度数值以检测电源模块和平衡电机和驱动马达的工作环境，防止系统发生损坏，同时在雨天或者设备不慎掉入水中时，可及时进行断电或者其他应急处理。

作为本实用新型的一种优选方案，所述主控电路板还连接有无线通讯模块，所述无线通讯模块用于与控制设备相连接，所述无线通讯模块包括：蓝牙模块、wifi模块、NBIOT模块、LTE模块、以及5G通讯模块。

实现上述技术方案，通过设置无线通讯模块提供多种无线连接方式与手机、无线控制器、服务器等控制设备进行无线连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述主控电路板还连接有定位模块，所述定位模块采用GPS定位模块或者北斗定位模块。

实现上述技术方案，可以对物体进行定位及位移路径的查询，防止物体丢失。

作为本实用新型的一种优选方案，所述主控电路板还连接有语音控制模块。

实现上述技术方案，使得物体控制更加方便。

综上所述，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型实施例通过提供一种可跨越障碍型单点支撑平衡系统，使用时，若需要物体单点支撑站立，则控制其中若干组平衡电机驱动对应的力矩盘高速转动而产生一个旋转的力矩，通过这个力矩来克服地心引力，当该力矩大于力矩盘的质量时，根据角动量守恒定律即可使物体保持站立的状态，直到产生的惯量消失而打破平衡状态时，物体即会再次掉落；而当物体受到外力干扰时，此时控制两组或两组以上的平衡电机控制相应的力矩盘转动产生旋转力矩，以对来自各个方向的外力进行抵消，使物体能够保持平衡的状态；在整个控制的过程中，通过加速度传感器的加速度参数判断物体是处于直立状态还是倒地状态，其原理是物体位于不同的状态时加速度参数时不同的，主控电路板通过获取加速度参数按照内置的核心算法，分别控制若干组平衡电机产生不同的旋转方向和旋转速度产生旋转力矩协调作用在物体上，以保持物体处于站立和旋转的状态；而若需要控制物体前、后、左、右移动时，主控单片机通过获取加速度传感器产生的加速度参数和地磁传感器产生的位移参数，通过内置的核心算法计算若干组平衡电机和驱动马达产生的力矩和力矩方向，即可控制物体进行平稳的移动；同时物体移动的过程中，通过距离检测模组检测移动方向上障碍物的距离，通过障碍探测模块检测障碍物的类型、高度、尺寸、数量等参数，主控电路板通过内置的核心算法计算出需要选择避开障碍物移动、直接通过或者跨越障碍物，需要跨越障碍物时加载蓄力弹跳机构所需的角度、弹力大小，通过蓄力控制电机控制弹跳组件的弹力，实现跨越障碍物的移动，并保持单点支撑的状态，使得移动过程更加稳定，从而提高智能化程度更高，适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的控制框图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1、机壳；11、轴支撑框架；2、主控电路板；21、电源模块；22、无线通讯模块；23、定位模块；24、温湿度传感器；25、语音控制模块；3、加速度传感器；4、支撑平衡机构；41、平衡电机；42、力矩盘；5、地磁传感器；6、移动机构；61、滚动件；62、驱动马达；7、障碍检测单元；71、距离检测模块；711、红外测距传感器；712、激光测距传感器；72、障碍探测模块；721、超声波传感器；722、激光雷达传感器；8、蓄力弹跳机构；81、弹跳组件；82、蓄力控制电机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

一种可跨越障碍型单点支撑平衡系统，如图1和图2所示，包括：机壳1，机壳1内设有轴支撑框架11；承载于机壳1的主控电路板2，主控电路板2连接有用于提供工作电压的电源模块21；与主控电路板2相连接的加速度传感器3，加速度传感器3用于判断机壳1倾斜状态，并生成加速度参数发送至主控电路板2；若干承载于轴支撑框架11且与主控电路板2相连接的支撑平衡机构4；与主控电路板2相连接的地磁传感器5，地磁传感器5用于检测物体的移动方向，并生成位移参数发送至主控电路板2；设置于机壳1底部的移动机构6；与主控电路板2相连接的障碍检测单元7；以及，承载于机壳1的蓄力弹跳机构8。

具体的，本实施方式中，支撑平衡机构4设置有三组，三组支撑平衡机构4环绕圆周方向均匀分布，支撑平衡机构4包括：承载于轴支撑框架11且与主控电路板2相连接的平衡电机41、以及装配于平衡电机41的动力输出轴的力矩盘42，主控电路板2依据加速度参数调整力矩盘42的转速；

移动机构6包括：转动式装配于机壳1的滚动件61、以及用于驱动滚动件61转动以驱动物体移动的驱动马达62，主控电路板2依据加速度参数和位移参数控制驱动马达62工作以使滚动件61滚动产生位移，滚动件61可选用滚珠或者滚轮，驱动马达62采用摩擦方式或者电磁换极方式驱动滚动件61转动，实现物体的移动和转动。

障碍检测单元7包括：用于检测障碍物距离的距离检测模块71、以及用于检测障碍物高度和类型的障碍探测模块72，距离检测模块71从如下结构中选择单独或者组合适用：红外测距传感器711、激光测距传感器712或者超声波传感器721，障碍探测模块72从如下结构中选择单独或者组合适用：超声波传感器721或者激光雷达传感器722，本实施方式中距离检测模块71选择红外测距传感器711和激光测距传感器712组合使用，障碍探测模块72选择超声波传感器721和激光雷达传感器722组合使用。

蓄力弹跳机构8包括：用于产生弹跳力的弹跳组件81、以及与弹跳组件81相连接用于控制弹跳力的蓄力控制电机82，弹跳组件81为弹簧蓄力弹跳组件81或者弯曲关节式蓄力弹跳组件81，弹簧蓄力弹跳组件81和弯曲关节式蓄力弹跳组件81均为现有结构，在此不作赘述，蓄力控制电机82通过控制弹跳组件81的弹性变化量来控制弹跳力的大小和方向。

主控电路板2还连接有无线通讯模块22，无线通讯模块22用于与控制设备相连接，无线通讯模块22包括：蓝牙模块、wifi模块、NBIOT模块、LTE模块、以及5G通讯模块，通过设置无线通讯模块22提供多种无线连接方式与手机、无线控制器等控制设备进行无线连接，从而实现远程控制。

进一步的，主控电路板2还连接有定位模块23，定位模块23采用GPS定位模块23或者北斗定位模块23，从而可以对陀螺进行定位及位移路径的查询，防止陀螺丢失。

主控电路板2还连接有温湿度传感器24，温湿度传感器24设置在机壳11内，用于检测机壳1内或者机壳1外围环境的温度值和湿度值，并发送至主控电路板2，通过采集机壳1内的温湿度数值以检测电源模块21和平衡电机41和驱动马达62的工作环境，防止陀螺发生损坏，同时在雨天或者设备不慎掉入水中时，可及时进行断电或者其他应急处理。

同时，主控电路板2还连接有语音控制模块25，使得陀螺控制更加方便，本实施方式中，语音控制模块25采用音色识别来增加安全性，防止被他人恶意控制。

使用时，若需要物体单点支撑站立，则控制其中若干组平衡电机41驱动对应的力矩盘42高速转动而产生一个旋转的力矩，通过这个力矩来克服地心引力，当该力矩大于力矩盘42的质量时，根据角动量守恒定律即可使物体保持站立的状态，直到产生的惯量消失而打破平衡状态时，物体即会再次掉落；而当物体受到外力干扰时，此时控制两组或两组以上的平衡电机41控制相应的力矩盘42转动产生旋转力矩，以对来自各个方向的外力进行抵消，使物体能够保持平衡的状态；在整个控制的过程中，通过加速度传感器3的加速度参数判断物体是处于直立状态还是倒地状态，其原理是物体位于不同的状态时加速度参数时不同的，主控电路板2通过获取加速度参数按照内置的核心算法，分别控制若干组平衡电机41产生不同的旋转方向和旋转速度产生旋转力矩协调作用在物体上，以保持物体处于站立和旋转的状态；而若需要控制物体前、后、左、右移动时，主控单片机通过获取加速度传感器3产生的加速度参数和地磁传感器5产生的位移参数，通过内置的核心算法计算若干组平衡电机41和驱动马达62产生的力矩和力矩方向，即可控制物体进行平稳的移动；同时物体移动的过程中，通过距离检测模组检测移动方向上障碍物的距离，通过障碍探测模块72检测障碍物的类型、高度、尺寸、数量等参数，主控电路板2通过内置的核心算法计算出需要选择避开障碍物移动、直接通过或者跨越障碍物，需要跨越障碍物时加载蓄力弹跳机构8所需的角度、弹力大小，通过蓄力控制电机82控制弹跳组件81的弹力，实现跨越障碍物的移动，并保持单点支撑的状态，使得移动过程更加稳定，从而提高智能化程度更高，适用范围更广。

同时，本实用新型还具有如下优点：

1.将该系统应用于玩具中，可以增加娱乐性和互动性；

2.可应用于教学器具中，增加教学乐趣；

3.可以实现单点移动精确巡线，跨越不同障碍；

4.可以实现楼梯式台阶的连续攀爬跨障碍、管道内部的障碍跨越等；

5.可以实现竞技对抗方式或者竞技闯关方式的比赛；

6.通过红外测距传感器711和激光测距传感器712进行测距等的检测，通过激光雷达传感器722进行障碍物体的形状检测具体位置检测，可通过空间大小检测，实现不同类型的障碍跨越，从而进一步实现复杂情况、复杂地形、复杂空间的勘察、勘探。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，包括：

机壳，所述机壳内设有轴支撑框架；

承载于所述机壳的主控电路板，所述主控电路板连接有用于提供工作电压的电源模块；

与所述主控电路板相连接的加速度传感器，所述加速度传感器用于判断所述机壳倾斜状态，并生成加速度参数发送至所述主控电路板；

若干承载于所述轴支撑框架且与所述主控电路板相连接的支撑平衡机构，若干所述支撑平衡机构环绕圆周方向均匀分布，所述支撑平衡机构包括：承载于所述轴支撑框架且与所述主控电路板相连接的平衡电机、以及装配于所述平衡电机的动力输出轴的力矩盘，所述主控电路板依据所述加速度参数调整所述力矩盘的转速；

与所述主控电路板相连接的地磁传感器，所述地磁传感器用于检测物体的移动方向，并生成位移参数发送至所述主控电路板；

设置于所述机壳底部的移动机构，所述移动机构包括：转动式装配于所述机壳的滚动件、以及用于驱动所述滚动件转动以驱动物体移动的驱动马达，所述主控电路板依据所述加速度参数和所述位移参数控制所述驱动马达工作以使所述滚动件滚动产生位移；

与所述主控电路板相连接的障碍检测单元，所述障碍检测单元包括：用于检测障碍物距离的距离检测模块、以及用于检测障碍物高度和类型的障碍探测模块；以及，

承载于所述机壳的蓄力弹跳机构，所述蓄力弹跳机构包括：用于产生弹跳力的弹跳组件、以及与所述弹跳组件相连接用于控制弹跳力的蓄力控制电机。

2.根据权利要求1所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述距离检测模块从如下结构中选择单独或者组合适用：红外测距传感器、激光测距传感器或者超声波传感器。

3.根据权利要求1或2所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述障碍探测模块从如下结构中选择单独或者组合适用：超声波传感器或者激光雷达传感器。

4.根据权利要求3所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述弹跳组件为弹簧蓄力弹跳组件或者弯曲关节式蓄力弹跳组件。

5.根据权利要求1所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述滚动件为滚珠或者滚轮。

6.根据权利要求1所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述主控电路板还连接有温湿度传感器，所述温湿度传感器设置在所述机壳内，用于检测所述机壳内或者机壳外围环境的温度值和湿度值，并发送至所述主控电路板。

7.根据权利要求1所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述主控电路板还连接有无线通讯模块，所述无线通讯模块用于与控制设备相连接，所述无线通讯模块包括：蓝牙模块、wifi模块、NBIOT模块、LTE模块、以及5G通讯模块。

8.根据权利要求1所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述主控电路板还连接有定位模块，所述定位模块采用GPS定位模块或者北斗定位模块。

9.根据权利要求1所述的可跨越障碍型单点支撑平衡系统，其特征在于，所述主控电路板还连接有语音控制模块。

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