專利名稱：一種多地形自平衡兩輪車的制作方法
技術領域：
發明涉及一種兩輪車，具體涉及一種多地形自平衡兩輪車，屬于機器人技術領域。
背景技術：
兩輪自平衡車具有靈活的優點，但越障性較差，而履帶式移動機器人越障能力強，但靈活性較差，如何將輪式機器人的靈活性和履帶機器人的高越障性結合在一起是機器人機構技術的難點。輪/履變結構移動機器人的研制在一定程度上大大提高了傳統履帶式機器人的靈活性，但作為一種傳統的三輪和四輪機器人，與兩輪自平衡移動機器人的靈活性相比，仍舊存在一定的差距。輪/履變結構移動機器人的專利文獻較少，專利文獻[公開號:CN101570216]提出了一種輪/履變結構的移動機器人，由帶有輪/履變結構的行走輪和后面安裝的萬向輪組成。該機器人的越障礙能力較強，但由于輪子較多和體積上的限制，在一定路況下或狹小的空間內，其靈活性會受到限制。兩輪自平衡車的研究較為成熟，參考文獻也較多，但現在的兩輪自平衡車一般工作在平坦或較為平坦的路面上，在溝壑、樓梯等復雜路面上無法行走。由于兩輪車的越障礙能力較差，所以兩輪自平衡車的推廣和應用受到了很大的限制。本發明中的行走輪定位機構采用了申請號為“201210539103.6”(專利名稱為“一種用于輪履變換結構移動機器人的可伸縮履帶及行走輪定位機構”)中提出的行走輪定位方案。
發明內容
有鑒于此，本發明提供一種多地形自平衡兩輪車，通過改裝帶有輪/履變換裝置的車輪，加裝可伸縮、輪式/桿式可切換的尾桿機構，實現兩輪車能夠在平地、樓梯臺階、溝壑等多地形下通過特定的行走模式平衡穩定的行走。本發明的多地形的自平衡兩輪車包括:箱體、尾桿機構和兩套相同的行走輪機構。所述行走輪機構包括:彈性履帶、外片行走輪、內片行走輪、行走輪驅動機構和輪履變換裝置。其中輪履變換裝置包括:直線步進電機A、光軸、滑塊、支架、連接板A和兩套相同的執行機構。行走輪驅動機構包括:驅動電機、外片行走輪驅動軸、齒輪軸、小同步帶輪、同步帶和大同步帶輪。所述尾桿機構包括:蝸輪蝸桿減速電機A、齒輪組、尾部擺桿驅動軸A、尾部擺桿驅動軸B、關節A、萬向輪和連接座。所述兩套行走輪機構通過行走輪定位機構對稱的安裝在箱體的左端面和右端面，所述尾桿機構通過連接座與箱體后側面的底部固接，并位于兩套行走輪機構中間。所述輪履變換裝置中的支架與箱體固接。所述行走輪機構中，內片行走輪和外片行走輪同軸放置，彈性履帶與內片行走輪和外片行走輪的外齒嚙合。所述驅動電機的安裝座固定在支架上，驅動電機減速后與齒輪軸相連，所述齒輪軸上固接有與內片行走輪內齒嚙合的齒輪，從而驅動內片行走輪；所述小同步帶輪與齒輪軸固接，小同步帶輪通過同步帶與大同步帶輪相連。所述外片行走輪驅動軸與大同步帶輪固接，外片行走輪驅動軸用于驅動外片行走輪。所述輪履變換裝置位于內片行走輪和外片行走輪之間的位置；其中直線步進電機A安裝在支架上，所述直線步進電機A通過螺桿沿豎直方向輸出動力；與直線步進電機A輸出軸配套的螺母與連接板A固接，所述滑塊與連接板A固接。所述光軸豎直穿過連接板A和滑塊后固接在支架上，所述連接板A和滑塊能夠沿光軸的軸線運動。所述輪履變換裝置的兩套執行機構沿光軸的軸線對稱安裝，每套執行機構包括均連桿A、連桿B和小腳輪。所述連桿A的一端與滑塊鉸接，另一端與連桿B在非端點處鉸接；所述連桿B的一端與小腳輪連接，另一端和支座鉸接，設該鉸接點為A點，所述連桿B能夠繞A點轉動，從而收起小腳輪。所述輪履變換裝置保證在收起兩個小腳輪時，不影響兩輪車的輪式移動；兩個小腳輪展開時，兩輪車能夠實現履帶式移動。所述尾桿機構中，與連接座固接的蝸輪蝸桿減速電機A的輸出軸通過齒輪組驅動尾部擺桿驅動軸A，尾部擺桿驅動軸A與尾部擺桿驅動軸B間通過鏈輪鏈條機構傳遞動力；所述尾部擺桿驅動軸A和尾部擺桿驅動軸B的軸線均與外片行走輪的軸線平行。所述關節A的一端固接在尾部擺桿驅動軸B的中間位置，另一端通過關節B連接萬向輪安裝座，萬向輪固接在萬向輪安裝座上，所述萬向輪的軸線與外片行走輪的軸線平行。所述關節A能夠在尾部擺桿驅動軸B的帶動下繞其軸線擺動。所述尾桿機構中進一步包括直線步進電機B。所述關節A和關節B均為套筒結構，關節B與關節A相連的一端套裝在關節A內。所述直線步進電機B安裝在關節A內部與擺桿驅動軸B固接端的端部，直線步進電機B以螺桿作為輸出軸，與直線步進電機B的輸出軸配套的螺母固接在關節B上，通過直線步進電機B的驅動實現關節B的在關節A中的伸縮。在所述關節A遠離直線步進電機B安裝端端面的內側安裝有滾珠保持架B，在關節B位于節A內部的端面的外側安裝有滾珠保持架A。尾桿機構中還包括蝸輪蝸桿減速電機B，所述蝸輪蝸桿減速電機B固定在關節B安裝萬向輪的一端，蝸輪蝸桿減速電機B的輸出軸與萬向輪安裝座連接，從而帶動萬向輪繞其軸線轉動，實現萬向輪與地面的接觸和分離。所述外片行走輪驅動軸的一端通過軸承與箱體連接，其中部通過軸承固定在輪履變換裝置的支架上，從而提高外片行走輪驅動軸的強度。有益效果:(I)本發明對傳統的兩輪進行改進，改裝有輪/履變換裝置的車輪，在車體尾部加裝可伸縮、輪/桿模式可切換的尾桿，大大增強了兩輪車的越障能力，使其能夠在平地、樓梯等多種地形環境下，以兩輪式、三輪式或兩輪+尾桿式等特定模式運行，實現了兩輪車的多形性行走。(2)本發明拓展了兩輪車的使用范圍，本發明拓展了兩輪自平衡車的使用范圍，使得這一成熟技術能夠在軍民兩用上得到更好地推廣:可以作為一種智能輪椅平臺，使老年人或殘疾人借助單一平臺能夠獨立地在家庭、戶外等多種場所下活動；還可在上面安裝攝像頭、機械臂等裝置，作為軍事偵察等的小型機器人平臺。(3)本發明的尾桿機構可伸縮，能夠依據路況需求調整多節尾桿的長度，進一步提高其平衡能力和使用范圍。
(4)尾桿機構中安裝有滾珠保持架將尾桿伸縮時的滑動轉換為滾動，減少摩擦，使其運動更靈活。
圖1為本發明多地形自平衡兩輪車的結構示意圖；圖2為輪/履變換裝置的結構示意圖；圖3為兩片行走輪上采用的同步帶傳動示意圖；圖4為尾桿機構的結構示意圖；圖5為尾桿的伸縮結構及萬向輪的擺動結構示意圖。其中:1-箱體，2-可伸縮履帶，3-外片行走輪，5-關節B，6-萬向輪，7-光軸，8-連接板A，9-滑塊，10-固定座，11-外片行走輪驅動軸，12-螺桿，13-連接板B，14-內片行走輪，15-連桿A，16-連桿B，17-連接板C，18-齒輪軸，19-直線步進電機A，20-小同步帶輪，21-同步帶，22-大同步帶輪，23-鏈輪鏈條機構，24-蝸輪蝸桿減速電機A，25-齒輪組，26-尾桿擺動驅動軸A，27-尾桿擺動驅動軸B，28-關節A，29-直線步進電機B，30-滾珠保持架A，31-滾珠保持架B，32-蝸輪蝸桿減速電機B，33-萬向輪安裝座，34-連接座，35-小腳輪
具體實施例方式下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。本實施例提供一種輪/履可變換、尾桿可擺動/伸縮、輪/桿式可切換的自平衡兩輪車，該兩輪車能夠在平地、樓梯臺階、溝壑等不同地形條件下更換不同的行走模式，保證行走的平衡性和穩定性。圖1為該多地形自平衡兩輪車的結構示意圖，包括箱體1、左行走輪機構、右行走輪機構和尾桿機構。本實施例中箱體I上側的為半圓柱形結構，左行走輪機構和右行走輪機構通過行走輪定位機構對稱的安裝在箱體I軸線方向的兩端，尾桿機構的連接座34通過螺栓固接在箱體I外圓周面的底部，并位于左行走輪機構和右行走輪機構之間。由于左行走輪機構和右行走輪機構結構相同，且分別采用獨立的電機驅動，下面以左行走輪機構為例，對其進行詳細介紹。左行走輪機構包括可伸縮履帶2、外片行走輪3、內片行走輪14、行走輪驅動機構和輪/履變換裝置，如圖2所示。可伸縮履帶2與內片行走輪14和外片行走輪3的外齒嚙合，輪履變換裝置位于內片行走輪14和外片行走輪3之間的位置，行走輪驅動機構用于驅動外片行走輪3和內片行走輪14。所述輪/履變換裝置通過螺旋傳動的方式實現輪履變換結構的收縮,包括:驅動機構和兩套執行機構，其中驅動機構包括直線步進電機A19、SCS直線滑動單元、連接板C17、連接板B13和連接板AS ;兩套執行機構沿外片行走輪3豎直中心線對稱安裝，共用一個固定座10，每套執行機構包括連桿A15、連桿B16和小腳輪35。其中SCS直線滑動單元包括光軸7和滑塊9。直線步進電機A19通過螺釘固接在水平連接板C17上，連接板C17通過4根豎直放置的螺桿12與水平連接板B13固接，連接板B13通過U型螺栓固接在與箱體I緊固連接的螺桿上，從而完成對直線步進電機A19的定位。直線步進電機A19以螺桿作為輸出軸，該輸出軸的軸線沿豎直方向；與直線步進電機A19配套使用的螺母固接在連接板AS上，直線步進電機A19轉動，帶動該螺母上下移動。SCS直線滑動單元的滑塊9也與連接板AS固連，所述滑塊9位于外片行走輪3豎直中心線所在平面內。SCS直線滑動單元的光軸7豎直穿過連接板AS和滑塊9后通過帶有攻絲的縮緊擋圈固連在連接板C17上，光軸7和滑塊9起導向作用，而直線步進電機19和與之配套的螺母完成驅動作用。連桿A的一端與滑塊9鉸接，另一端與連桿B在非端點處鉸接(如圖2中的鉸接點為B)，連桿B的一端與小腳輪35連接，另一端和與箱體I固接的固定座10鉸接(如圖2中的鉸接點為A)。輪/履變換裝置能夠在SCS直線滑動單元的導向作用和直線步進電機19的共同作用下，實現收縮，具體為:以圖2中輪/履變換裝置展開時的狀態為初始狀態，當需要將輪/履變換裝置收起即收起小腳輪35時，直線步進電機A19轉動，帶動與其配套使用的螺母沿豎直方向向上移動，通過連接板A8帶動滑塊9向上移動，進一步通過連桿A15向上移動帶動連桿B16繞A點轉動，從而收起小腳輪35。所述行走輪驅動機構包括驅動電機、外片行走輪驅動軸11、齒輪軸18、小同步帶輪20、同步帶21和大同步帶輪22，如圖3所示。本實施例中行走輪驅動機構的設計原理為:將內片行走輪14和外片行走輪3通過同一個電機減速后驅動，兩個同步帶輪之間通過同步帶來傳動，合理分配小同步帶輪和大同步帶輪的傳動比，使外片行走輪3和內片行走輪14在不同驅動軸的作用下以相同的線速度運行。其具體結構為:驅動電機減速后與齒輪軸18相連，齒輪軸18上固接有與內片行走輪14內齒嚙合的齒輪，從而帶動內片行走輪14轉動。小同步帶輪20與齒輪軸18固接，小同步帶輪20通過同步帶21與大同步帶輪22相連；夕卜片行走輪驅動軸11與大同步帶輪22固接，從而驅動外片行走輪3。為了提高外片行走輪驅動軸11的剛度，將外片行走輪驅動軸11靠近箱體的一端通過深溝球軸承和軸承端蓋安裝在箱體I上，同時將其中部通過軸承套將深溝球軸承固定在連接板C17上。所述尾桿機構的結構如圖4和圖5所示，包括蝸輪蝸桿減速電機A24、齒輪組25、尾部擺桿驅動軸A26、尾部擺桿驅動軸B27、關節A28、關節B5、萬向輪6和連接座34。其連接為:安裝在連接座34上的蝸輪蝸桿減速電機A24的輸出軸通過齒輪組25帶動尾部擺桿驅動軸A26，尾部擺桿驅動軸A26與尾部擺桿驅動軸B27通過鏈輪鏈條機構23傳遞動力，關節A28的一端固接在尾部擺桿驅動軸B27的中間位置，另一端通過關節B5連接萬向輪6。關節A28能夠在尾部擺桿驅動軸B2的帶動下擺動，最終實現整個尾桿的擺動，從而控制萬向輪6是否和地面接觸。由于蝸輪蝸桿減速電機A24本身帶有自鎖功能，所以多節尾桿不會在地面反作用力下而被動擺動，其擺動只受蝸輪蝸桿減速電機A24的主動控制。為使尾桿機構的適用范圍更廣，且結構更緊湊，本實施例中對關節B5增加了可伸縮功能，對萬向輪6增加了擺動功能。結合圖5說明尾桿伸縮的實現原理和擺動的實現原理。關節A28為截面為方形的套筒，直線步進電機B29安裝在關節A28內部與擺桿驅動軸B27固接端的端部。在關節A28遠離直線步進電機B29安裝端的軸向端面內側安裝有方形滾珠保持架B31，關節B5的一端套裝在關節A28內部，且該端軸向端面外側安裝有方形滾珠保持架A30。通過方形滾珠保持架B31和方形滾珠保持架A30能夠將滑動變為滾動。與直線步進電機B29配套的螺母固連在關節B5上，這樣通過兩個方形滾珠保持架完成導向作用，而通過直線步進電機B29的驅動完成關節B5從關節A28中的伸縮。在關節B5安裝萬向輪6的一端安裝蝸輪蝸桿減速電機B32，用于帶動萬向輪安裝座33的擺動，從而實現萬向輪6的擺動。由于蝸輪蝸桿具有自鎖功能，所有地面對萬向輪6的反作用力不會使其被動擺動，其擺動只受蝸輪蝸桿減速電機B32的主動控制。該自平衡兩輪車是一種變結構體，隨著路況環境的改變，該車可以選擇兩輪自平衡式、三輪式或兩輪+可調長度的尾桿式等多種特定的模式運行。在較為平臺的路面上，如馬路、室內等環境下，以兩輪式運行，充分發揮兩輪的靈活性能；在較為坎坷的路面上，如泥土地或爬越樓梯時，以三輪式運行，改善了兩輪車自平衡車的不穩定性；當遇到一定高度的障礙物或溝壑時，以兩輪+尾桿的方式運行，尾桿在一定角度內的擺動可以起到一定的支撐作用，調整兩輪自平衡車的姿態，達到越障礙的目的。在各模式的運行過程中，能夠動態實現行走輪的輪式和履帶式切換；尾桿做成可伸縮的關節，可以根據不同的工況或者在空間有限的條件下，靈活地調整尾桿的長度；當機器人以兩輪方式運行時，尾桿收縮到很短的距離不占用空間，保證兩輪的靈活性。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種多地形的自平衡兩輪車，其特征在于，包括:箱體(I)、尾桿機構和兩套相同的行走輪機構； 所述行走輪機構包括:彈性履帶(2)、外片行走輪(3)、內片行走輪(14)、行走輪驅動機構和輪履變換裝置；其中輪履變換裝置包括:直線步進電機A (19)、光軸(7)、滑塊(9)、支架、連接板A (8)和兩套相同的執行機構；行走輪驅動機構包括:驅動電機、外片行走輪驅動軸(11)、齒輪軸(18)、小同步帶輪(20)、同步帶(21)和大同步帶輪(22)； 所述尾桿機構包括:蝸輪蝸桿減速電機A (24)、齒輪組(25)、尾部擺桿驅動軸A (26)、尾部擺桿驅動軸B (27)、關節A (28)、萬向輪(6)和連接座(34); 所述兩套行走輪機構通過行走輪定位機構對稱的安裝在箱體(I)的左端面和右端面，所述尾桿機構通過連接座(34)與箱體(I)后側面的底部固接，并位于兩套行走輪機構中間；所述輪履變換裝置中的支架與箱體(I)固接； 所述行走輪機構中，內片行走輪(14)和外片行走輪(3)同軸放置，彈性履帶(2)與內片行走輪(14)和外片行走輪(3)的外齒嚙合；所述驅動電機的安裝座固定在支架上，驅動電機減速后與齒輪軸(18)相連，所述齒輪軸(18)上固接有與內片行走輪(14)內齒嚙合的齒輪，從而驅動內片行走輪(14);所述小同步帶輪(20)與齒輪軸(18)固接，小同步帶輪(20)通過同步帶(21)與大同步帶輪(22)相連；所述外片行走輪驅動軸(11)與大同步帶輪(22)固接，外片行走輪驅動軸(11)用于驅動外片行走輪(3);所述輪履變換裝置位于內片行走輪(14)和外片行走輪(3)之間的位置；其中直線步進電機A(19)安裝在支架上，直線步進電機A (19)通過螺桿沿豎直方向輸出動力；與直線步進電機A (19)輸出軸配套的螺母與連接板A (8)固接，所述滑塊(9)與連接板A (8)固接；所述光軸(7)豎直穿過連接板A (8)和滑塊(9)后固接在支架上，所述連接板A (8)和滑塊(9)能夠沿光軸(7)的軸線運動；所述輪履變換裝置的兩套執行機構沿光軸(7)的軸線對稱安裝，每套執行機構包括均連桿A(15)、連桿B(16)和小腳輪(35);所述連桿A (15)的一端與滑塊(9)鉸接，另一端與連桿B (16)在非端點處鉸接；所述連桿B (16)的一端與小腳輪(35)連接，另一端和支座鉸接，設該鉸接點為A點，所述連桿B (16)能夠繞A點轉動，從而收起小腳輪(35);所述輪履變換裝置保證在收起兩個小腳輪時，不影響兩輪車的輪式移動；兩個小腳輪展開時，兩輪車能夠實現履帶式移動； 所述尾桿機構中，與連接座(34)固接的蝸輪蝸桿減速電機A (24)的輸出軸通過齒輪組(25 )驅動尾部擺桿驅動軸A (26 )，尾部擺桿驅動軸A (26 )與尾部擺桿驅動軸B (27 )間通過鏈輪鏈條機構(23)傳遞動力；所述尾部擺桿驅動軸A (26)和尾部擺桿驅動軸B (27)的軸線均與外片行走輪(3)的軸線平行；所述關節A (28)的一端固接在尾部擺桿驅動軸B(27)的中間位置，另一端通過關節B(5)連接萬向輪安裝座(33)，萬向輪(6)固接在萬向輪安裝座(33)上，所述萬向輪(6)的軸線與外片行走輪(3)的軸線平行；所述關節A (28)能夠在尾部擺桿驅動軸B (27)的帶動下繞其軸線擺動。
2.如權利要求1所述的一種多地形自平衡兩輪車，其特征在于，所述尾桿機構中進一步包括直線步進電機B (29); 所述關節A (28)和關節B (5)均為套筒結構，關節B (5)與關節A (28)相連的一端套裝在關節A (28)內；所述直線步進電機B (29)安裝在關節A(28)內部與擺桿驅動軸B(27)固接端的端部，直線步進電機B (29)以螺桿作為輸出軸，與直線步進電機B (29)的輸出軸配套的螺母固接在關節B (5)上，通過直線步進電機B (29)的驅動實現關節B (5)的在關節A (28)中的伸縮。
3.如權利要求2所述的一種多地形自平衡兩輪車，其特征在于，在所述關節A(28)遠離直線步進電機B (29)安裝端端面的內側安裝有滾珠保持架B (31)，在關節B (5)位于節A (28)內部的端面的外側安裝有滾珠保持架A (30)。
4.如權利要求1或2所述的一種多地形自平衡兩輪車，其特征在于，所述尾桿機構中還包括蝸輪蝸桿減速電機B (32)，所述蝸輪蝸桿減速電機B (32)固定在關節B (5)安裝萬向輪(6)的一端，蝸輪蝸桿減速電機B (32)的輸出軸與萬向輪安裝座(33)連接，從而帶動萬向輪(6)繞其軸線轉動。
5.如權利要求1所述的一種多地形自平衡兩輪車，其特征在于，所述外片行走輪驅動軸(11) 一端通過軸承與箱體(I )連接，其中部通過軸承固定在輪履變換裝置的支架上。
全文摘要
本發明公開一種多地形自平衡兩輪車，包括箱體、兩套相同的行走輪機構和尾桿機構。行走輪機構包括輪履變換裝置、行走輪驅動機構、內/外片行走輪和彈性履帶。輪履變換裝置通過步進減速電機組成的螺旋機構實現，通過直線滑動單元對直線電機配套的螺母及其連接板進行導向。行走輪驅動機通過合理分配同步帶的傳動比，實現內外片行走輪不同驅動軸下同一速度行走。車體尾部安裝尾桿機構，其擺動由蝸輪蝸桿減速電機通過齒輪傳動、鏈輪鏈條傳動后驅動；在滾珠保持架的導向下，尾桿的伸縮由直線步進電機驅動；尾桿末節安裝的萬向輪在電機的作用下實現與地面的接觸和分離。兩輪車具有兩輪式、三輪式或兩輪+桿式三種運動模式，運動靈活且有很強的越障能力，能夠在平地、樓梯、溝壑等多種地形環境下穩定行走。
文檔編號A61G5/06GK103112510SQ20131004248
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者高學山, 郭文增, 白陽, 靳飛 申請人:北京理工大學