本發(fā)明涉及平衡控制技術(shù)，具體為一種球形陀螺調(diào)節(jié)的雙輪自平衡車。

背景技術(shù)：

自平衡車是利用動態(tài)平衡原理控制車體前進(jìn)和后退的高科技智能產(chǎn)品，其運(yùn)行主要是建立在一種被稱為“動態(tài)穩(wěn)定”(Dynamic Stabilization)的基本原理上。目前，自平衡車多數(shù)以內(nèi)置的精密固態(tài)陀螺儀(Solid-StateGyroscopes)來判斷車身所處的姿勢狀態(tài)，通過精密且高速的中央微處理器計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹噶詈螅?qū)動馬達(dá)來做到平衡的效果。

控制力矩陀螺技術(shù)是應(yīng)用于航天領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)，常用于衛(wèi)星或航天器在空間的方向(姿態(tài))調(diào)整，其實(shí)現(xiàn)方式是通過控制高速旋轉(zhuǎn)的慣性飛輪系統(tǒng)的進(jìn)動產(chǎn)生一定大小和方向的力矩，該力矩施加于所在的物體(如衛(wèi)星)上，從而使物體的空間姿態(tài)或指向發(fā)生改變。

Lit Motors C1是自平衡車技術(shù)和控制力矩陀螺技術(shù)的產(chǎn)物之一，在結(jié)構(gòu)上同摩托車一樣只有兩個輪子，卻和汽車一樣有著全封閉的車身，并且能夠一直保持直立狀態(tài)。Lit Motors C1內(nèi)置專利控制系統(tǒng)，在駕駛員的座椅下有兩個轉(zhuǎn)速為5000—12000r/m的機(jī)械陀螺裝置，這兩個陀螺裝置能夠讓車輛在停止、行駛或轉(zhuǎn)彎時保持平衡不倒；然而Lit Motors C1的兩個機(jī)械陀螺為水平安裝，只能在俯仰方向上單向進(jìn)動，其產(chǎn)生的陀螺力矩方向會受到一定的限制。

北京郵電大學(xué)郭磊、宋原等的《一種多態(tài)變結(jié)構(gòu)智能平衡車》發(fā)明專利(申請?zhí)枮?01610524122.X)，該平衡車既能工作在直行車態(tài)又能工作在segway態(tài)，根據(jù)不同環(huán)境來切換行駛狀態(tài)，其狀態(tài)的切換靠轉(zhuǎn)動車叉來實(shí)現(xiàn)，但該平衡車的車叉只能繞車叉軸線方向(鉛垂方向)轉(zhuǎn)動，自由度單一，對于有些復(fù)雜多變的地形環(huán)境，難以應(yīng)對；另外，該平衡車主要依靠車輪轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動車把來保持車體平衡，車體沒有安裝專門的平衡調(diào)節(jié)機(jī)械裝置，故其平衡范圍和負(fù)載能力有待進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出了一種適應(yīng)多種路況行走環(huán)境且機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性高的球形陀螺調(diào)節(jié)的雙輪自平衡車。

能夠解決上述技術(shù)問題的球形陀螺調(diào)節(jié)的雙輪自平衡車，其技術(shù)方案包括安裝于車架前、后端的前、后車輪裝置，所述前、后車輪裝置均包括有車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和車輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所述車架上設(shè)有車輛平衡裝置，所不同的是所述車輛平衡裝置包括前、后球形陀螺機(jī)構(gòu)，所述前、后球形陀螺機(jī)構(gòu)均包括有球殼、于球殼上、下球面上分別圓周均布的三個全向輪組以及設(shè)于球殼內(nèi)的陀螺儀，各全向輪組包括設(shè)于對應(yīng)輪架上的至少三個與球殼球面接觸的全向輪，兩兩全向輪的轉(zhuǎn)軸之間通過萬向節(jié)連接，首、尾全向輪的轉(zhuǎn)軸分別連接球殼電機(jī)和檢測全向輪轉(zhuǎn)速的增量式編碼器。

所述車輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)包括車叉和車輪，所述車輪于車叉下部的左、右叉臂內(nèi)安裝，叉臂上設(shè)有驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的行走電機(jī)和檢測車輪轉(zhuǎn)速的增量式編碼器。

所述車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)包括固定架、活動架和軸座，所述固定架安裝于車架端頭，所述活動架通過前、后的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)安裝于固定架內(nèi)，所述軸座通過左、右的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)安裝于活動架內(nèi)，所述車叉上部的叉軸貫穿軸座安裝，所述軸座上設(shè)有轉(zhuǎn)動車叉的轉(zhuǎn)向電機(jī)和檢測車叉轉(zhuǎn)角的絕對式編碼器；所述固定架上設(shè)有轉(zhuǎn)動活動架的左右傾電機(jī)和檢測活動架轉(zhuǎn)角的絕對式編碼器；所述活動架上設(shè)有轉(zhuǎn)動軸座的前后傾電機(jī)和檢測軸座轉(zhuǎn)角的絕對式編碼器。

所述陀螺儀的一種結(jié)構(gòu)包括陀螺轉(zhuǎn)子，所述陀螺轉(zhuǎn)子的上、下軸端通過軸承機(jī)構(gòu)安裝，陀螺轉(zhuǎn)子的一軸端連接陀螺電機(jī)，另一軸端連接檢測陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增量式編碼器。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明球形陀螺調(diào)節(jié)的雙輪自平衡車可以實(shí)現(xiàn)原地定車平衡運(yùn)動、直線平衡運(yùn)動、轉(zhuǎn)彎平衡運(yùn)動及復(fù)雜曲線平衡運(yùn)動。

2、本發(fā)明將兩個球形陀螺機(jī)構(gòu)安裝在平衡車的車架上，兩個球形陀螺機(jī)構(gòu)產(chǎn)生互補(bǔ)的力矩或產(chǎn)生的力矩疊加作用在車身上，可增強(qiáng)平衡車在平衡運(yùn)動時的穩(wěn)定性和縮短車身達(dá)到平衡的時間，提高了平衡車的自身調(diào)節(jié)能力和增強(qiáng)了自平衡車的平衡效果，使平衡車可以適應(yīng)不同路況環(huán)境的行走。

3、本發(fā)明的車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能在空間任意方向上轉(zhuǎn)動，可根據(jù)平衡運(yùn)動時的實(shí)際要求通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)動來降低車身的重心和調(diào)整重心位置，該自平衡車可工作在縱向狀態(tài)(自行車態(tài))，也可工作在橫向狀態(tài)(賽格威態(tài))，還可工作及其他狀態(tài)，體現(xiàn)出靈活多變、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

4、本發(fā)明六個全向輪組共同作用于球殼上可使球殼內(nèi)的陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸方向任意改變，進(jìn)而使球形陀螺機(jī)構(gòu)產(chǎn)生空間中任意方向的力矩，將此力矩合理應(yīng)用到平衡車上，極大的提高了平衡車的穩(wěn)定性。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1實(shí)施方式中的車輪裝置和球形陀螺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的側(cè)視圖。

圖4為圖2的俯視圖。

圖5為圖2中活動架與軸座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖2中球殼內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖號標(biāo)識：1、車架；2、球殼；3、陀螺轉(zhuǎn)子；4、輪架；5、全向輪；6、萬向節(jié)；7、球殼電機(jī)；8、增量式編碼器；9、球形陀螺機(jī)構(gòu)；10、車叉；11、車輪；12、行走電機(jī)；13、固定架；14、活動架；15、軸座；16、絕對式編碼器；17、轉(zhuǎn)向電機(jī)；18、左右傾電機(jī)；19、前后傾電機(jī)；20、陀螺電機(jī)；21、轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；22、支架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖所示實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明球形陀螺調(diào)節(jié)的雙輪自平衡車，其技術(shù)方案包括車架1，所述車架1的前、后兩端對稱設(shè)有前、后車輪裝置，車架1的前、后部內(nèi)對稱設(shè)有球形陀螺機(jī)構(gòu)9，各車輪裝置均包括有車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和車輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

所述球形陀螺機(jī)構(gòu)9包括球殼2和設(shè)于球殼2內(nèi)的陀螺儀，所述球殼2由上、下兩組驅(qū)動件(分別對應(yīng)在上、下半球殼面上)全方位驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，各組驅(qū)動件包括圓周均布的三個全向輪組(各全向輪組處于對應(yīng)的豎直面上)，各全向輪組包括通過對應(yīng)輪架4安裝的三個均與球殼2接觸的全向輪5，第一個全向輪5的轉(zhuǎn)軸與第二個全向輪5的轉(zhuǎn)軸、第二個全向輪5的轉(zhuǎn)軸與第三個全向輪5的轉(zhuǎn)軸之間均通過萬向節(jié)6連接，第一個全向輪5的轉(zhuǎn)軸與輪架4上安裝的球殼電機(jī)7的輸出軸連接，第三個全向輪5的轉(zhuǎn)軸與輪架4上安裝的增量式編碼器8的轉(zhuǎn)軸連接，各輪架4均于車架1內(nèi)的對應(yīng)位置上安裝；所述陀螺儀包括水平的陀螺轉(zhuǎn)子3，所述陀螺轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)軸的上、下端分別通過球殼2內(nèi)部的上、下軸承機(jī)構(gòu)就位安裝，陀螺轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)軸的上端由陀螺電機(jī)20直接驅(qū)動，陀螺轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)軸的下端連接絕對式編碼器16，如圖2、圖3、圖6所示。

所述車輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括車輪11和車叉10，所述車輪11于車叉10下部的左、右叉臂內(nèi)就位安裝，一叉臂上通過支架22安裝有行走電機(jī)12，所述行走電機(jī)12通過支架22內(nèi)部設(shè)置的減速齒輪傳動副驅(qū)動車輪11旋轉(zhuǎn)，所述支架22上還設(shè)有通過齒輪傳動方式檢測車輪11轉(zhuǎn)速的絕對式編碼器16，如圖2、圖3所示。

所述車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)包括固定架13、活動架14和供車叉10上部的叉軸就位安裝的軸座15，所述固定架13固定安裝于車架1的對應(yīng)端，所述活動架14設(shè)于固定架13內(nèi)部并通過前、后轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)21安裝，所述固定架13上設(shè)有左右傾電機(jī)18，所述左右傾電機(jī)18通過降速齒輪傳動方式連接活動架14的一轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)21，左右傾電機(jī)18的正、反向轉(zhuǎn)動帶動活動架14左、右擺動，固定架13上還設(shè)有通過齒輪傳動方式連接該轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)21的增量式編碼器8以檢測活動架14的擺動角度；所述軸座15設(shè)于活動架14內(nèi)并通過左、右的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)21安裝，所述活動架14上設(shè)有前后傾電機(jī)19，所述前后傾電機(jī)19通過降速齒輪傳動方式連接軸座15的一轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)21，前后傾電機(jī)19的正、反向轉(zhuǎn)動帶動軸座15前、后擺動，活動架14上還設(shè)有通過齒輪傳動方式連接該轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)21的增量式編碼器8以檢測軸座15的擺動角度；所述車叉10上部的叉軸以貫穿的方式于軸座15內(nèi)部就位安裝，所述軸座15上設(shè)有轉(zhuǎn)向電機(jī)17，所述轉(zhuǎn)向電機(jī)17通過降速齒輪傳動方式連接叉軸，轉(zhuǎn)向電機(jī)17的正、反向轉(zhuǎn)動帶動車叉10即車輪11轉(zhuǎn)向，軸座15上還設(shè)有通過齒輪傳動方式連接叉軸的增量式編碼器8以檢測車輪11的轉(zhuǎn)向角度，如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

本發(fā)明技術(shù)方案中還包括電控裝置，所述電控裝置包括由工控機(jī)作為上位機(jī)，多個以DSP芯片作為控制電路的下位機(jī)和外部多種傳感器及電源，用于收集平衡車各部分運(yùn)動參數(shù)和控制平衡車多個電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從達(dá)到控制平衡車運(yùn)動的目的。

本發(fā)明具有三種運(yùn)動狀態(tài)：

橫向運(yùn)動狀態(tài)(賽格威態(tài))、縱向運(yùn)動狀態(tài)(自行車態(tài))以及兩車輪11平行且與車架1成一定角度的運(yùn)動狀態(tài)。其中，自平衡車處在橫向運(yùn)動狀態(tài)時，兩車輪11與車架1的前、后方向垂直；處在縱向運(yùn)動狀態(tài)時，一車輪11與車架1的前、后方向平行，另一車輪與車架1的前、后方向成一定角度并在該角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動以輔助雙輪車系統(tǒng)的平衡。

當(dāng)自平衡車處在橫向狀態(tài)(賽格威態(tài))并在平面上行走時，調(diào)節(jié)球形陀螺機(jī)構(gòu)9的方向，使其產(chǎn)生平行于車架1左、右方向的力矩矢量，以實(shí)現(xiàn)自平衡車俯仰平衡；上坡時，調(diào)節(jié)球形陀螺機(jī)構(gòu)9的方向，使其產(chǎn)生平行于車架左、右方向的力矩矢量，該力矩可使自平衡車俯仰平衡且對地有一定的附著力，以實(shí)現(xiàn)自平衡車能上坡且俯仰方向平衡；下坡時，調(diào)節(jié)球形陀螺機(jī)構(gòu)9的方向，使其產(chǎn)生平行于車架1左、右方向的力矩矢量，該力矩可使自平衡車俯仰平衡且對地有一定的附著力，以實(shí)現(xiàn)自平衡車能下坡且俯仰方向平衡。

當(dāng)自平衡車處在縱向運(yùn)動狀態(tài)(自行車態(tài))并在平面上行走時，調(diào)節(jié)球形陀螺機(jī)構(gòu)9的方向，使其產(chǎn)生平行于車架1左、右方向的力矩矢量，以實(shí)現(xiàn)自平衡車側(cè)向平衡；上坡時，調(diào)節(jié)球形陀螺機(jī)構(gòu)9的方向，使其產(chǎn)生平行于上坡方向與垂直于車架1左、右方向的合力矩矢量，平行于上坡方向的力矩矢量是保證自平衡車側(cè)向平衡而垂直于車架1左、右方向的力矩矢量是保證車身對地有一定的附著力，兩者的合力矩矢量能實(shí)現(xiàn)自平衡車能上坡且側(cè)向平衡；下坡時，調(diào)節(jié)球形陀螺機(jī)構(gòu)9的方向，使其產(chǎn)生平行于下坡方向與垂直于車架1左、右方向的合力矩矢量，平行于下坡方向的力矩矢量是保證自平衡車側(cè)向平衡而垂直于車架1左、右方向的力矩矢量是保證車身對地有一定的附著力，以實(shí)現(xiàn)自平衡車能下坡且側(cè)向平衡。