WO2023126549A1 - Vehículo personal - Google Patents

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WO2023126549A1
WO2023126549A1 PCT/ES2021/070949 ES2021070949W WO2023126549A1 WO 2023126549 A1 WO2023126549 A1 WO 2023126549A1 ES 2021070949 W ES2021070949 W ES 2021070949W WO 2023126549 A1 WO2023126549 A1 WO 2023126549A1
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WO
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wheels
personal vehicle
axis motor
axis
ball
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PCT/ES2021/070949
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English (en)
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Inventor
Antoni DORAT WATT
Original Assignee
Dorat Watt Antoni
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63C—SKATES; SKIS; ROLLER SKATES; DESIGN OR LAYOUT OF COURTS, RINKS OR THE LIKE
    • A63C17/00—Roller skates; Skate-boards
    • A63C17/22—Wheels for roller skates
    • A63C17/24—Wheels for roller skates with ball-shaped or spherical running surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B19/00—Wheels not otherwise provided for or having characteristics specified in one of the subgroups of this group
    • B60B19/14—Ball-type wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track

Definitions

  • This application refers to a personal, electric vehicle, small in size to be able to be carried by the user when necessary and with high maneuverability.
  • motorized personal use vehicles such as scooters, Segways (registered trademark), Hoverboards, etc. is known in the state of the art.
  • These vehicles have at least two wheels, and have a certain limitation in terms of maneuverability. For example, they can only move in one direction with respect to the base of support or rotate on themselves, but they cannot make lateral movements.
  • omnidirectional wheels are also considered relevant, such as those disclosed in US2020062031, US10675912 or US2010270850.
  • the invention consists of a personal vehicle according to the first claim. Its different variants solve the problems outlined.
  • the idea consists of a self-balancing personal transport system on two axes on a sphere or ball. For this, it has two or more motors, at least one for each axis, controlled by a microcontroller. He The controller sends a speed setpoint to the motors based on the input received from the sensors to maintain balance and by doing so the device moves in the direction where it is tilted.
  • the personal vehicle is formed by a support board of a user. You can define a main X direction (the natural forward direction) and a cross Y direction, and a set of stabilization sensors for the set to make it self-balancing.
  • the table has a central driving ball, on a support that allows it to rotate (usually an annular or hemispherical jaw with interposed spherical bearings) and in contact with at least two motorized omnidirectional wheels arranged on two oblique axes.
  • the oblique axes correspond to the X and Y axes.
  • the vehicle comprises an X-axis motor and a Y-axis motor, each connected to at least one wheel that moves forwards or backwards along that axis.
  • the Y-axis motor may be connected to two nearby parallel wheels, and the X-axis motor may be connected to two opposite parallel wheels on both sides of the ball.
  • the microcontroller is preferably configured for fuzzy control of the wheels, and connected to an array of gyroscopes and accelerometers.
  • Gyroscopes and accelerometers can be part of a 6-axis MEMS (3-axis accelerometer and 3-axis gyroscope).
  • the microcontroller calculates the angle of inclination, on the one hand, by seeing the variation in a given time of the angle measured by the gyroscopes, and on the other, by means of a trigonometric function, calculates the resulting angle with the acceleration measured by the accelerometers.
  • These two measurements are merged with a filter to avoid as much as possible the problems inherent to both types of sensor, gyroscopes have drift problems over time and accelerometers are sensitive to vibrations.
  • the system performs the previously described cycle continuously after it has started until it stops due to one of the programmed protections. These are for low battery or for exceeding a limit angle in any of the two axes and in either case the brake command will be sent to both motors.
  • the device At the moment of starting the device, it will carry out a starting sequence consisting of calibrating the sensors for a predetermined angle (the one that will have resting on one side), arming the previously configured variators to have forward gear, brake and reverse gear. Once these steps have been carried out, it will carry out the cycle described, however, the command to the motors will be to brake until it has passed through the inclination point 0 (with a margin of 5 o ) from which the controller will try to maintain at all times. the balance until there is one of the cases in which it must stop.
  • the power of the system is given by one or more batteries properly placed to help the balance of the complete system, the batteries are connected in parallel and feed both motors. They also feed a 5V voltage regulator to power the sensors and the microcontroller.
  • the vehicle has a main switch and two relays that are in charge of arming the variators after calibrating the sensors.
  • Figure 1 Schematic perspective view of a first embodiment.
  • Figure 2 Schematic view of the mechanical elements of the previous embodiment.
  • Figure 3 Example of electronic schematic.
  • the vehicle 1 comprises a user support board (1) with a central ball (2) on a support that allows it to rotate in any direction.
  • the ball (2) is in contact with omnidirectional wheels (3), whose axes are connected to two motors (4.5), generally electric.
  • the connection between the axles of the wheels (3) and the motors (4,5) can have mechanical transmissions through gears, belts... including multipliers or reducers (6), gearboxes and other similar accessories. It will incorporate an X axis motor (4) and a Y axis motor (5).
  • the vehicle has four wheels (3), two parallel on the same side of the ball (2) and two facing each other.
  • the two parallel wheels (3) are perpendicular to the two facing wheels (3) in order to move the ball (2) in any direction. It must be considered that the number of wheels (3) and motors (4.5) in each direction is variable, as long as they can be properly coordinated to rotate the ball (2).
  • the two facing wheels (3) correspond to the most common direction of the ball (2), which corresponds to the X axis.
  • a series of sensors and a control unit similar to those used in the state of the art, activate or deactivate the motors (4,5) depending on the position of the user.
  • Figure 2 shows an example of an electronic operating diagram.
  • Some gyroscopes (7,8) and accelerometers (9,10,11) can be seen.
  • the reading of the accelerometers (9,10,11) allows a trigonometric calculation of position (12) and, together with the gyroscopes (7,8), the positions in both axes are calculated in a sensory fusion stage (13).
  • the X axis gyroscope (7) the Y axis accelerometer (10) and the Z axis accelerometer (11) are used.
  • the readings from the Y axis gyroscope (8), the X axis accelerometer (9) and again the Z axis accelerometer (11) are required.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Motorcycle And Bicycle Frame (AREA)

Abstract

El vehículo personal está formado por una tabla (1) de soporte de un usuario con una dirección X principal y una dirección Y transversal, y un conjunto de sensores de estabilización, de tal manera que la tabla (1) posee una bola (2) central motriz, en un soporte que permite su giro y en contacto con al menos dos ruedas (3) omnidireccionales motorizadas dispuestas en dos ejes oblicuos.

Description

DESCRIPCIÓN
Vehículo personal
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente solicitud se refiere a un vehículo personal, eléctrico, de reducido tamaño para poder ser portado por el usuario cuando es necesario y de alta maniobrabilidad.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Se conoce en el estado de la técnica la existencia de vehículos de uso personal motorizados como patinetes, Segways (marca registrada), Hoverboards, etc.
Estos vehículos poseen al menos dos ruedas, y tienen una cierta limitación en cuanto a la maniobrabilidad. Por ejemplo, sólo pueden moverse en una dirección respecto de la base de apoyo o girar sobre sí mismos, pero no pueden hacer movimientos laterales.
También se considera relevante la presencia de ruedas omnidireccionales, como las divulgadas en US2020062031, US10675912 o US2010270850.
El solicitante no conoce ningún vehículo que permita resolver estos problemas.
BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención consiste en un vehículo personal según la reivindicación primera. Sus diferentes variantes resuelven los problemas reseñados.
La ¡dea consiste en un sistema de transporte personal autobalanceado en dos ejes sobre una esfera o bola. Para ello cuenta con dos o más motores, al menos uno por cada eje, controlados por un microcontrolador. El controlador envía una consigna de velocidad a los motores en función de la entrada recibida por los sensores para mantener el equilibrio y al hacerlo el dispositivo avanza en la dirección donde se incline.
El vehículo personal está formado por una tabla de soporte de un usuario. Se puede definir una dirección X principal (la dirección natural de avance) y una dirección Y transversal, y un conjunto de sensores de estabilización del conjunto para hacerlo autobalanceado. La tabla posee una bola central motriz, en un soporte que permite su giro (generalmente una mordaza anular o semiesférica con cojinetes esféricos interpuestos) y en contacto con al menos dos ruedas omnidireccionales motorizadas dispuestas en dos ejes oblicuos. Preferiblemente los ejes oblicuos corresponden con los ejes X e Y.
Como solución más preferida, el vehículo comprende un motor de eje X y un motor de eje Y, cada uno conectado a al menos una rueda que avanza o retrocede según ese eje.
En ese caso, el motor de eje Y puede estar conectado a dos ruedas paralelas próximas, y el motor de eje X puede estar conectado a dos ruedas paralelas enfrentadas a ambos lados de la bola.
El microcontrolador está preferiblemente configurado para control borroso de las ruedas, y conectado a una serie de giroscopios y acelerómetros. Los giroscopios y acelerómetros pueden formar parte de un MEMS de 6 ejes (acelerómetro de 3 ejes y giroscopio de 3 ejes).
Con estas señales del MEMS, el microcontrolador calcula el ángulo de inclinación por un lado viendo la variación en un tiempo determinado del ángulo medido por los giroscopios y por otro mediante una función trigonométrica calcula el ángulo resultante con la aceleración medida por los acelerómetros. Estas dos medidas las fusiona con un filtro para evitar lo máximo posible los problemas inherentes a ambos tipos de sensor, los giroscopios tienen problemas de derivas en el tiempo y los acelerómetros son sensibles a las vibraciones. Una vez calculado el ángulo de inclinación en cada eje, se introduce como dato de entrada en el microcontrolador, en conjunto con la consigna dada en el anterior ciclo de ejecución. El microcontrolador realiza el control borroso para recalcular la consigna a enviar a cada uno de los variadores encargados de controlar cada uno de los motores.
El sistema realiza el ciclo anteriormente descrito en continuo después de haberse iniciado hasta que se pare por alguna de las protecciones programadas. Estas son por batería baja o por sobrepasar un ángulo limite en cualquiera de los dos ejes y en cualquiera de los dos casos se enviara la consigna de freno a los dos motores.
En el momento de dar marcha al dispositivo hará una secuencia de arranque consistente en calibrar los sensores para un ángulo prefijado (el que tendrá en reposo apoyado en un lateral), armar los variadores previamente configurados para tener marcha adelante, freno y marcha atrás. Una vez realizado estos pasos hará el ciclo descrito, sin embargo la consigna a los motores será de frenar hasta que no haya pasado por el punto de inclinación 0 (con un margen de 5o) a partir del cual el controlador intentara en todo momento mantener el equilibrio hasta que no se de alguno de los casos en los que deba parar.
La alimentación del sistema viene dada por una o más baterías colocadas adecuadamente para ayudar al equilibrio del sistema completo, las baterías están conectadas en paralelo y alimentan ambos motores. Además alimentan un regulador de tensión de 5V para alimentar los sensores y el microcontrolador.
Para la activación del sistema, el vehículo cuenta con un interruptor general y dos relés que se encargan de armar los variadores posteriormente a la calibración de los sensores.
Otras variantes se aprecian en el resto de la memoria. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para una mejor comprensión de la invención, se incluyen las siguientes figuras.
Figura 1 : Vista en perspectiva esquemática de un primer ejemplo de realización.
Figura 2: Vista esquemática de los elementos mecánicos de la realización anterior.
Figura 3: Ejemplo de esquema electrónico.
MODOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
A continuación se pasa a describir de manera breve un modo de realización de la invención, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de ésta.
El vehículo 1 comprende una tabla (1) de soporte del usuario con una bola (2) central en un soporte que permite su giro en cualquier dirección.
La bola (2) está en contacto con ruedas (3) omnidireccionales, cuyos ejes están conectados a sendos motores (4,5), generalmente eléctricos. La conexión entre los ejes de las ruedas (3) y los motores (4,5) pueden tener transmisiones mecánicas mediante engranajes, correas... incluyendo multiplicadores o reductores (6), cajas de cambio y otros complementos similares. Incorporará un motor de eje X (4) y un motor de eje Y (5).
El vehículo cuenta con cuatro ruedas (3), dos paralelas en un mismo lado de la bola (2) y dos enfrentadas. Las dos ruedas (3) paralelas son perpendiculares a las dos ruedas (3) enfrentadas para poder mover la bola (2) en cualquier dirección. Se ha de considerar que el número de ruedas (3) y motores (4,5) en cada dirección es variable, siempre que puedan coordinarse adecuadamente para girar la bola (2). En este caso, las dos ruedas (3) enfrentadas corresponden a la dirección más habitual de la bola (2), que corresponde al eje X.
Una serie de sensores y una unidad de control, similares a los utilizados en el estado de la técnica, activan o desactivan los motores (4,5) según la posición del usuario.
En la figura 2 se aprecia un ejemplo de esquema electrónico de funcionamiento. Se aprecian unos giroscopios (7,8) y acelerómetros (9,10,11). La lectura de los acelerómetros (9,10,11) permite realizar un cálculo trigonométrico de posición (12) y, junto a los giroscopios (7,8) se calculan las posiciones en ambos ejes en una etapa de fusión sensorial (13). El microcontrolador (14), mediante control borroso, envía las consignas a los motores (4,5), a través de variadores de potencia (15).
Por ejemplo, para el eje X se utiliza el giroscopio del eje X (7), el acelerómetro del eje Y (10) y el acelerómetro del eje Z (11). Para el eje Y, se requieren las lecturas del giroscopio del eje Y (8), el acelerómetro del eje X (9) y de nuevo el acelerómetro del eje Z (11).

Claims

REIVINDICACIONES
1- Vehículo personal, formado por una tabla (1) de soporte de un usuario con una dirección X principal y una dirección Y transversal, y un conjunto de sensores de estabilización, caracterizado por que la tabla (1) posee una bola (2) central motriz, en un soporte que permite su giro y en contacto con al menos dos ruedas (3) omnidireccionales motorizadas dispuestas en dos ejes oblicuos.
2- Vehículo personal, según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un motor de eje X (4) y un motor de eje Y (5), cada uno conectado a al menos una rueda (3).
3- Vehículo personal, según la reivindicación 2, caracterizado por que el motor de eje y (5) está conectado a dos ruedas (3) paralelas próximas.
4- Vehículo personal, según la reivindicación 2, caracterizado por que el motor de eje X (4) está conectado a dos ruedas (3) paralelas enfrentadas a ambos lados de la bola (2).
5- Vehículo personal, según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un microcontrolador (14) configurado para control borroso de las ruedas (3), y conectado a una serie de giroscopios (7,8) y acelerómetros (9,10,11).
6
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Citations (4)

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