CN220743249U - 一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，属于自行车平衡技术领域，包括后轮驱动模块、重心转移模块和控制力矩陀罗装置；后轮驱动模块安装于车座支架上，并通过挤压与自行车后轮连接；重心转移模块安装于自行车横梁下方；控制力矩陀罗装置安装于自行车横梁上方。在自行车处于平衡状态下时，通过驱动后轮驱动模块实现移动，同时平衡装置不动作；当偏差较小时，通过控制重心转移模块进行重心转移，实现在较小角度下的平衡。当偏转角度较大时利用控制力矩陀罗装置产生大的恢复力矩保持平衡。采用力矩陀螺效应与重心转移结合方法能产生较大的恢复力矩，可实现较高水平下的平衡，能够提高装置的使用寿命。

Description

一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置

技术领域

本实用新型属于自行车平衡技术领域，具体涉及一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置。

背景技术

目前自平衡技术已成为自行车、电动车领域的研究热点，平衡恢复力矩及平衡稳定性是衡量一种自平衡装置性能的重要指标，它受各个方面的影响，如平衡原理，装置尺寸等。

就平衡原理而言，目前主要是利用电动机带动金属飞轮旋转产生反作用力维持车体平衡，该方案虽然可以实现静止状态下的平衡，但产生的恢复力矩较小，为提高恢复力矩该装置往往需要更大的体积，其次装置整体过于灵敏，导致电机频繁启停，稳定性较差，且对电机及传感器性能有较高要求。

针对现有的反作用轮平衡装置存在的恢复力矩较小以及在平衡位置附近整体装置稳定性差的问题，急需找到一种新的能产生较大的恢复力矩，同时可实现较高水平下平衡的自平衡装置。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，以解决反作用轮平衡装置存在的恢复力矩较小以及在平衡位置附近整体装置稳定性差的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型公开了一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，包括后轮驱动模块、重心转移模块、控制力矩陀罗装置、姿态传感器和单片机；所述后轮驱动模块安装于自行车车座支架上，并通过挤压与自行车后轮连接；重心转移模块安装于自行车横梁下方；控制力矩陀罗装置安装于自行车横梁上方；姿态传感器水平安装于自行车横梁上；单片机安装于自行车车座后方。

优选地，控制力矩陀罗装置包括水平放置的框架电机，安装于框架电机上方的陀罗转子及保护装置，安装于框架电机下方的连接装置，连接装置与自行车横梁固定连接。

优选地，陀罗转子及保护装置包括高速电机，与高速电机连接的金属飞轮，固定于高速电机和金属飞轮外部的第一机械框架和第二机械框架，第二机械框架底部与框架电机顶部连接，金属飞轮与框架电机相互垂直。

优选地，高速电机与金属飞轮之间依次设有飞轮固定螺丝和电机-飞轮连接件。

优选地，电机-飞轮连接件和金属飞轮四周均开设有若干孔洞，飞轮固定螺丝安装于电机-飞轮连接件和金属飞轮的孔洞内。

优选地，第一机械框架和高速电机之间依次设置有电机连接件和电机防脱件，第一机械框架和电机连接件中间位置设有孔洞，电机防脱件一端安装于孔洞内，另一端固定在高速电机的定子部分。

优选地，陀罗转子及保护装置还包括设置在第一机械框架外侧的保护外壳主体以及设置在第二机械框架外侧的保护外壳配件。

优选地，连接装置包括控制力矩陀罗装置固定件及套设在控制力矩陀罗装置固定件上方的框架电机固定装置，框架电机固定装置与框架电机底部配合连接。

优选地，重心转移模块包括偏转电机和质量块；偏转电机一侧设置有电机安装架，电机安装架通过第一装置固定件与自行车横梁固定连接，偏转电机另一侧设置有第一传动装置，质量块置于第一传动装置上。

优选地，后轮驱动模块包括驱动电机，分别安装在驱动电机两侧的连接件和第二传动装置，与连接件连接的第二装置固定件，第二装置固定件与自行车车座支架连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型公开了一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，包括后轮驱动模块、重心转移模块和控制力矩陀罗装置；后轮驱动模块安装于车座支架上，并通过挤压与自行车后轮连接；重心转移模块安装于自行车横梁下方；控制力矩陀罗装置安装于自行车横梁上方，在自行车处于平衡状态下时，通过驱动后轮驱动模块实现移动，同时平衡装置不动作；水平安装于自行车横梁上的姿态传感器实时检测自行车的姿态信号，并将信号发送给位于自行车车座后方的单片机，当车体发生侧偏时，利用设定在单片机内的程序分析出自行车的状态与设定值比较。当偏差较小时，通过控制重心转移模块进行重心转移，实现在较小角度下的平衡。当偏转角度较大时利用控制力矩陀罗装置的框架电机产生大的恢复力矩保持平衡。本实用新型采用控制力矩陀罗效应和重心转移结合方法能产生较大的恢复力矩，同时可实现较高水平下的平衡。当车体有较小的偏转角度时使用重心转移方法可以降低控制力矩陀罗装置对侧偏角度的灵敏度，降低其使用次数，提高装置的使用寿命。

进一步地，控制力矩陀罗装置包括水平放置的框架电机，安装于框架电机上方的陀罗转子及保护装置，安装于框架电机下方的连接装置，连接装置与自行车横梁固定连接。陀罗转子及保护装置与框架电机的转子部分通过螺丝连接，整体随着框架电机转动而发生偏转，产生恢复力矩。

进一步地，所述陀罗转子及保护装置包括高速电机，与高速电机连接的金属飞轮，固定于高速电机和金属飞轮外部的第一机械框架和第二机械框架，第二机械框架底部与框架电机顶部连接，金属飞轮与框架电机相互垂直。高速电机带动金属飞轮做匀速的高速旋转，同时框架电机带动整体框架以一定的速度绕金属飞轮径向旋转产生恢复力矩，力矩方向满足右手定则。

进一步地，第一机械框架和高速电机之间依次设置有电机连接件和电机防脱件，第一机械框架和电机连接件中间位置设有孔洞，电机防脱件一端安装于孔洞内，另一端固定在高速电机的定子部分。陀罗转子及保护装置还包括设置在第一机械框架外侧的保护外壳主体以及设置在第二机械框架外侧的保护外壳配件。在高速电机及金属飞轮外围设计封闭式结构提高系统的安全性。保护外壳主体、第一机械框架、第二机械框架、保护外壳配件构成了支撑框架以及飞轮保护装置，将框架电机及金属飞轮固定其中并形成保护，防止金属飞轮脱落对人身造成危害。电机防脱件通过飞轮固定螺丝固定在高速电机的定子部分，防止高速下高速电机转子脱落。电机连接件主要用于高速电机与框架部分固定连接。

进一步地，重心转移模块包括偏转电机和质量块；偏转电机一侧设置有电机安装架，电机安装架通过第一装置固定件与自行车横梁固定连接，偏转电机另一侧设置有第一传动装置，质量块置于第一传动装置上。平衡状态下质量块位于车体正下方，当车体发生侧偏时，偏转电机带动质量块向相反方向偏转，达到转移重心目的，使得车体恢复平衡。通过偏转电机旋转使得质量块偏离竖直方向，从而让自行车本身重心发生改变达到平衡目的。

进一步地，后轮驱动模块包括驱动电机，分别安装在驱动电机两侧的连接件和第二传动装置，与连接件连接的第二装置固定件，第二装置固定件与自行车车座支架连接。第二传动装置与后车轮连接，通过驱动电机旋转实现自行车前进后退，通过对齐不同的孔位可以方便调节装置与车轮之间接触摩擦力。通过驱动电机旋转使得与第二传动装置接触的后车轮转动，达到驱动目的。

进一步地，本实用新型所采用的质量块可以是整车的电池，控制系统等部分，可以在节省空间同时提供恢复力矩。本实用新型设计的金属飞轮由硅钢片堆叠组成并通过螺丝固定，此设计便于灵活调节整体飞轮改变飞轮转动惯量。

附图说明

图1为本实用新型的基于控制陀螺效应与重心转移结合的自平衡自行车系统的正视示意图；

图2为本实用新型的基于控制陀螺效应与重心转移结合的自平衡自行车系统的俯视示意图；

图3为本实用新型的基于控制陀螺效应与重心转移结合的自平衡自行车系统的右视示意图；

图4为本实用新型的控制力矩陀罗装置整体结构示意图；

图5为本实用新型的控制力矩陀罗装置各部件结构示意图；

图6为本实用新型的重心转移模块整体结构示意图；

图7为本实用新型的重心转移模块各部件结构示意图；

图8为本实用新型的后轮驱动模块的整体结构示意图；

图9为本实用新型的后轮驱动模块的各部件结构示意图；

图10为本实用新型的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置的工作流程图。

其中：1-后轮驱动模块；2-重心转移模块；3-控制力矩陀罗装置；4-自行车横梁；5-陀罗转子及保护装置；6-框架电机；7-连接装置；8-保护外壳主体；9-第一机械框架；10-电机连接件；11-电机防脱件；12-高速电机；13-飞轮固定螺丝；14-电机和飞轮连接件；15-金属飞轮；16-第二机械框架；17-保护外壳配件；18-框架电机固定装置；19-控制力矩陀罗装置固定件；20-第一装置固定件；21-电机安装架；22-偏转电机；23-质量块；24-第一传动装置；25-连接件；26-第二装置固定件；27驱动电机；28-第二传动装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，包括控制力矩陀罗装置3、重心转移模块2、后轮驱动模块1、姿态传感器和单片机；控制力矩陀罗装置3由高速电机12，金属飞轮15，第一机械框架9，第二机械框架16和框架电机6组成；该控制力矩陀罗装置3固定于自行车横梁4上，框架电机6水平放置，高速电机12连接金属飞轮15固定于第一机械框架9和第二机械框架16内，金属飞轮15与框架电机6呈垂直方向。高速电机12带动金属飞轮15做匀速的高速旋转，同时框架电机6带动整体框架以一定的速度绕金属飞轮15径向旋转产生恢复力矩，力矩方向满足右手定则。重心转移模块2由质量块23和偏转电机22组成，连接于自行车横梁下方。平衡状态下质量块23位于车体正下方，当车体发生侧偏时，偏转电机22带动质量块23向相反方向偏转，达到转移重心目的，使得车体恢复平衡。后轮驱动模块1由驱动电机27、第二传动装置28和连接件25组成。该部分与后车轮连接，通过驱动电机27旋转实现自行车前进后退；姿态传感器水平安装于自行车横梁4上；单片机安装于自行车车座后方。

一种自平衡自行车，安装有本实用新型公开的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其实现自平衡的方法为：

在自行车处于平衡状态下时，通过驱动后轮驱动模块1的驱动电机27实现移动，同时平衡装置不动作；水平安装于自行车横梁上的姿态传感器实时检测自行车的姿态信号，并将信号发送给位于自行车车座后方的单片机，当车体发生侧偏时，水平安装于自行车横梁4上的姿态传感器(JY61-MPU6050)检测到偏转信息发送给位于自行车车座后方的单片机，利用设定在单片机内的程序分析出自行车的状态与给定平衡角度值比较。当偏差较小时，通过控制重心转移模块2的偏转电机22带动质量块23偏转，进行重心转移，实现在较小角度下的平衡。当偏转角度较大时利用控制力矩陀罗装置3的框架电机6产生大的恢复力矩保持平衡。

参见图1为本实用新型的基于控制陀螺效应与重心转移结合的自平衡自行车系统的正视示意图；图2为本实用新型的基于控制陀螺效应与重心转移结合的自平衡自行车系统的俯视示意图；图3为本实用新型的基于控制陀螺效应与重心转移结合的自平衡自行车系统的右视示意图；从图中可以看出，本实用新型公开的一种控制力矩陀罗效应与重心转移结合的自平衡装置，包括后轮驱动模块1、重心转移模块2和控制力矩陀罗装置3；后轮驱动模块1安装于车座支架上，并通过挤压与自行车后轮连接；重心转移模块2安装于自行车横梁4下方；控制力矩陀罗装置3安装于自行车横梁4上方，控制力矩陀螺装置3通过连接装置7与自行车横梁4固定连接；

参见图4为本实用新型的控制力矩陀罗装置整体结构示意图；图5为本实用新型的控制力矩陀罗装置各部件结构示意图；从图中可以看出，控制力矩陀罗装置3分为三个部分，陀罗转子及保护装置5，框架电机6和连接装置7；陀罗转子及保护装置5与框架电机6的转子部分通过螺丝连接，整体随着框架电机6转动而发生偏转，产生恢复力矩；框架电机6底部定子部分与装置底部的连接装置7连接，并固定于自行车横梁4上；陀罗转子及保护装置5由保护外壳主体8、第一机械框架9、第二机械框架16、电机连接件10、电机防脱件11、高速电机12、飞轮固定螺丝13、电机-飞轮连接件14、金属飞轮15、保护外壳配件17构成。其中保护外壳主体8、第一机械框架9、第二机械框架16、保护外壳配件17构成了支撑框架以及飞轮保护装置，将框架电机6及金属飞轮15固定其中并形成保护，防止金属飞轮15脱落对人身造成危害。电机防脱件11通过飞轮固定螺丝13固定在高速电机12的定子部分，防止高速下高速电机12转子脱落。电机连接件10主要用于高速电机12与框架部分固定连接。高速电机12通过飞轮固定螺丝13和飞轮连接装置14与金属飞轮15连接。

参见图6为本实用新型的重心转移模块整体结构示意图；图7为本实用新型的重心转移模块各部件结构示意图；从图中可以看出，重心转移模块2包括第一装置固定件20、电机安装架21、偏转电机22、质量块23和第一传动装置24，电机安装架21通过螺丝与偏转电机22转子部分连接，偏转电机22定子部分与第一传动装置24连接，质量块23固定在第一传动装置24上。通过偏转电机22旋转使得质量块23偏离竖直方向，从而让自行车本身重心发生改变达到平衡目的。

参见图8为本实用新型的后轮驱动模块的整体结构示意图；图9为本实用新型的后轮驱动模块的各部件结构示意图；从图中可以看出，后轮驱动模块1包括第二装置固定件26、连接件25、驱动电机27和第二传动装置28，驱动电机27定子部分与连接件25通过螺丝固定，转子部分与第二传动装置28连接，第二传动装置28通过挤压方式与自行车后轮连接，第二装置固定件26和连接件25通过螺丝连接，通过对齐不同的孔位可以方便调节装置与车轮之间接触摩擦力。通过驱动电机27旋转使得与第二传动装置28接触的后车轮转动，达到驱动目的。

参见图10为本实用新型的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置的工作流程图，从图中可以看出，本实用新型的工作过程为：先启动控制力矩陀罗装置3的高速电机12，待其速度稳定后，启动平衡控制装置，姿态传感器读取车体的倾斜角度并将信息回传给姿态控制器与给定值进行比较，如果偏差为零则表明此刻车体平衡，无需纠正，在自行车处于平衡状态下时，通过驱动后轮驱动模块1的驱动电机27实现移动，同时平衡装置不动作。当检测到车体倾斜角度和给定值不同时，说明车体发生倾斜，通过比较实际值与给定值大小关系判断车体倾斜方向，同时判断偏差大小，当偏差在一定范围内时，启动重心转移模块2，通过偏转电机22旋转调整整车重心从而实现车体平衡控制。当偏转角度大于给定范围时，说明转移重心效果不足，此时通过控制控制力矩陀罗装置3的高速电机12转动产生回复力矩调整车体姿态使其平衡。当角度最后等于平衡角度时装置停止运转，实现自平衡功能。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，包括后轮驱动模块（1）、重心转移模块（2）、控制力矩陀罗装置（3）、姿态传感器和单片机；所述后轮驱动模块（1）安装于自行车车座支架上，并通过挤压与自行车后轮连接；重心转移模块（2）安装于自行车横梁（4）下方；控制力矩陀罗装置（3）安装于自行车横梁（4）上方；姿态传感器水平安装于自行车横梁（4）上；单片机安装于自行车车座后方。

2.根据权利要求1所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述控制力矩陀罗装置（3）包括水平放置的框架电机（6），安装于框架电机（6）上方的陀罗转子及保护装置（5），安装于框架电机（6）下方的连接装置（7），连接装置（7）与自行车横梁（4）固定连接。

3.根据权利要求2所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述陀罗转子及保护装置（5）包括高速电机（12），与高速电机（12）连接的金属飞轮（15），固定于高速电机（12）和金属飞轮（15）外部的第一机械框架（9）和第二机械框架（16），第二机械框架（16）底部与框架电机（6）顶部连接，所述金属飞轮（15）与框架电机（6）相互垂直。

4.根据权利要求3所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述高速电机（12）与金属飞轮（15）之间依次设有飞轮固定螺丝（13）和电机-飞轮连接件（14）。

5.根据权利要求4所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述电机-飞轮连接件（14）和金属飞轮（15）四周均开设有若干孔洞，飞轮固定螺丝（13）安装于电机-飞轮连接件（14）和金属飞轮（15）的孔洞内。

6.根据权利要求3所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述第一机械框架（9）和高速电机（12）之间依次设置有电机连接件（10）和电机防脱件（11），第一机械框架（9）和电机连接件（10）中间位置设有孔洞，电机防脱件（11）一端安装于孔洞内，另一端固定在高速电机（12）的定子部分。

7.根据权利要求2所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述陀罗转子及保护装置（5）还包括设置在第一机械框架（9）外侧的保护外壳主体（8）以及设置在第二机械框架（16）外侧的保护外壳配件（17）。

8.根据权利要求2所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述连接装置（7）包括控制力矩陀罗装置固定件（19）及套设在控制力矩陀罗装置固定件（19）上方的框架电机固定装置（18），框架电机固定装置（18）与框架电机（6）底部配合连接。

9.根据权利要求1所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述重心转移模块（2）包括偏转电机（22）和质量块（23）；偏转电机（22）一侧设置有电机安装架（21），电机安装架（21）通过第一装置固定件（20）与自行车横梁（4）固定连接，偏转电机（22）另一侧设置有第一传动装置（24），质量块（23）置于第一传动装置（24）上。

10.根据权利要求1所述的基于力矩陀螺效应与重心转移的平衡自行车平衡装置，其特征在于，所述后轮驱动模块（1）包括驱动电机（27），分别安装在驱动电机（27）两侧的连接件（25）和第二传动装置（28），与连接件（25）连接的第二装置固定件（26），第二装置固定件（26）与自行车车座支架连接。