一种机电陀螺平衡滑板车的制作方法

本实用新型涉及独轮滑板车技术领域，尤其涉及一种机电陀螺平衡滑板车。

背景技术：

传统滑板车是一个拥有两个或者更多轮子的小平台，依靠使用者蹬踏地面前进。由于滑板车速度适中，好学易操作，从最开始的娱乐活动逐步演变成人们日常生活中代步工具。同时，在绿色、环保等理念的倡导下，人们也越来越愿意选择滑板车这种既轻便又节约能源的新型交通工具来代替汽车等传统的交通工具。而且在年轻人群中，滑板车还被看作是一种时尚的象征，受到大力追捧。

滑板车种类繁多，并且随着科技进步不断更新。从传统的由车头扶手和滑板组成的双轮、三轮、四轮滑板车，更新到去掉扶手的双轮滑板车，再到独轮的自平衡滑板车，驱动方式由人力驱动变成电力驱动，使用起来也更加方便，并且由于滑板车的结构不断简化，外形也不断简约时尚，占地空间越来越少，携带和收捡也越来越方便。

现在市面上运用最多也最受消费者喜爱的是一种独轮自平衡滑板车。该种滑板车的结构大致包括：车轮、将车轮固定于中心的外壳、设置在外壳顶部中央的空心的踏板、置于车轮内的电机和控制电机转动的控制电路板。通常情况下，该控制电路办还包括角加速度计和陀螺仪(陀螺仪，是指用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置)。加速度计和陀螺仪用于检测踏板的倾斜角度。该种滑板车的工作原理大致如下：控制电路板根据角加速度计和陀螺仪检测到的角度倾斜数据计算车体的倾斜角度，再根据倾斜角度算出滑板车的 运行速度，最后根据滑板车的速度得出电机的转速，并将该信息传递给控制电路板，控制电路板再根据该信息控制电机的转速，从而实现平衡。在滑板车运行过程中，使用者通过控制身体重心来平衡车体。

该种独轮滑板车所指的自平衡，事实上只实现了对车体前后方向的平衡，对于车体左右方向的平衡并没有通过车体自身来实现平衡。现有的独轮滑板车大多采用以下平衡方式来进行左右平衡。方式一，通过增大车轮沿轴向的厚度来实现左右平衡，由于车轮沿轴向的厚度较大，使用者在滑板车上只需要控制身体重心即可，不需担心车体的左右平衡问题。但是这种自平衡独轮滑板车由于车轮厚度较大，导致整个车体笨重、体积大、不方便携带，已经逐渐被淘汰。方式二，使用者通过控制身体重心来保持左右平衡，该种独轮滑板车虽然可以避免车体笨重、体积大等缺陷，但是该种方式显然不是通过车体自身来实现左右平衡的，并且该种方式操作难度大，尤其是对于初学者而言不易上手。当使用者踩上踏板后车体由于受力不均而左右倾倒，初学者很难控制身体重心，因此难以顺利的踩上滑板车，在上车阶段需要耗费大量的时间，而且在后期独轮滑板车运行过程中也要随时调整身体重心以保证车体左右方向的平衡。同时，在初学阶段，使用者不得不借助外在的支撑，例如旁人帮忙扶住身体或依靠墙壁支撑学习，十分不便。并且，对于年龄较小的初学者而言因不易控制身体平衡，还容易在学习的过程中摔倒受伤。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种机电陀螺平衡滑板车，其能够在不需要任何外加辅助力量的情况下，使初学者能够快速上车，并且在后期滑板车运行过程中通过车体自身来实现前后左右方向的平衡，使用者只需要通过控制身体前倾或后仰来控制滑板车的前进、后退、加速或减速。

为了实现上述目的，本实用新型特采用了以下技术方案：

一种机电陀螺平衡滑板车，包括：

车轮，车轮包括内置的第一电机和嵌套在第一电机外侧的充气轮胎；

滑板支架，滑板支架设置在车轮的外侧并位于车轮的中间位置处；

至少一个机电陀螺仪，机电陀螺仪设置在滑板支架内并且以不影响车轮转动的方式设置在车轮的旁侧，机电陀螺仪包括第二电机以及在第二电机驱动下高速旋转以在水平面内产生扭矩的陀螺；以及

控制板，用于控制第一电机和第二电机旋转的控制板设置在滑板支架内并且分别与第一电机和第二电机连接，控制板设有用于检测机电陀螺平衡滑板车的运行加速度的加速度传感器。

在本实用新型的较佳实施例中，上述车轮还包括用于支撑固定滑板支架的支撑轴，支撑轴位于第一电机的轴心并从第一电机的表面向外延伸凸出。

在本实用新型的较佳实施例中，上述滑板支架包括上支架和下支架，上支架和下支架限定出一腔体，腔体中设有加强横梁。

在本实用新型的较佳实施例中，上述上支架、下支架和加强横梁分别在与车轮对应的位置处设有足以容纳车轮的第一通孔、第二通孔和第三通孔。

在本实用新型的较佳实施例中，上述第二电机和陀螺成对地设置在滑板支架内，其中，第二电机为高速直流无刷电机，陀螺呈圆盘状并且在其轴心处设置有第二电机。

在本实用新型的较佳实施例中，上述控制板根据加速度传感器检测到的机电陀螺平衡滑板车的加速度以及公式α＝arc sin(g/a)计算出机电陀螺平衡滑板车的倾斜角度，并根据计算出的倾斜角度控制第一电机和/或第二电机的旋转方向和/或旋转速度，其中，α为机电陀螺平衡滑板车的倾斜角度，a为机电陀螺平衡滑板车的加速度，g为重力加速度，等于9.8m/s²。

在本实用新型的较佳实施例中，上述机电陀螺平衡滑板车还包括沿滑板支架的用于支撑人体的第一表面向外凸出的轮胎保护盖，轮胎保护盖与暴露在第一表面外侧的车轮保持相匹配的形状和尺寸。

在本实用新型的较佳实施例中，上述机电陀螺平衡滑板车还包括设置在控制板上的蓝牙模块，蓝牙模块与移动设备连接并且根据移动设备发出的指令将机电陀螺平衡滑板车设定为柔和骑行模式、舒适骑行模式或劲爆骑行模式。

在本实用新型的较佳实施例中，上述机电陀螺平衡滑板车还包括设置在滑板支架内的电池组，电池组分别与第一电机、第二电机、控制板和加速度传感器连接，并且在滑板支架的外侧设有与电池组相对应的充电接口。

在本实用新型的较佳实施例中，上述机电陀螺平衡滑板车还包括照明灯、尾灯和USB接口，其中，

照明灯和尾灯分别设置在滑板支架的两个端面上，

USB接口设置在滑板支架的与电池组相对应的侧面上，并且USB接口与电池组连接。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型的机电陀螺平衡滑板车通过设置在滑板车支架内且位于车轮旁侧的至少一个机电陀螺仪实现了滑板车在前后左右方向上的全方位平衡。本实用新型的机电陀螺仪完全不同于现有技术中的用于检测物体倾斜角度的电子陀螺仪。本实用新型的机电陀螺仪包括由高速直流无刷电机作为驱动的第二电机以及陀螺。陀螺在高速直流无刷电机的驱动下高速旋转，由于陀螺效应，陀螺在高速旋转过程中在其所处水平面内沿各个方向，包括滑板车的前后左右方向，均产生扭矩，从而维持滑板车车体前后左右方向的平衡。本实用新型的机电陀螺平衡滑板车在不增加车轮厚度以及不需要使用者通过控制身体来保证左右平衡的情况下，真正实现了独轮 滑板车的自平衡。有效解决了初学者“上车难”的问题。同时，本实用新型的滑板车在运行过程中，只需要使用者通过控制身体重心来调节车体的运动方向以及运行速度即可，不必担心在滑板车运行过程中的平衡问题。

并且，本实用新型结构简单，外形时尚，既保留了传统滑板车的娱乐性和趣味性，同时还通过与移动设备连接的蓝牙模块来控制滑板车的运行模式，以满足不同道路状况下对车速的不同需求，实现智能化。同时还可以通过移动设备远程控制滑板车的运动状态。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型的机电陀螺平衡滑板车的结构图；

图2是本实用新型的机电陀螺平衡滑板车的结构爆炸图；

图3是本实用新型的机电陀螺平衡滑板车的剖视图；

图4是本实用新型的机电陀螺平衡滑板车在运行过程中所受力的分布图，由于质量相同，因此图中仅用对应的加速度表示，图中α为机电陀螺平衡滑板车的倾斜角度，a为机电陀螺平衡滑板车的加速度，g为重力加速度，等于9.8m/s²。

附图标记列表：

机电陀螺平衡滑板车100；

车轮101；滑板支架102；机电陀螺仪103；控制板104；轮胎保护盖105；电池组106；充电接口107；照明灯108；尾灯109；USB接口110；开关111；

第一电机1011；充气轮胎1012；支撑轴1013；

上支架1021；下支架1022；加强横梁1023；腔体1024；第一通孔1025；第二通孔1026；第三通孔1027；第一表面1028；手拿孔1029；

第二电机1031；陀螺1032。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如， 可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

参见图1和图2，机电陀螺平衡滑板车100，包括：车轮101、滑板支架102、机电陀螺仪103、控制板104、轮胎保护盖105、电池组106、充电接口107、照明灯108、尾灯109；USB接口110和开关111。

车轮101包括内置的第一电机1011和嵌套在第一电机1011外侧的充气轮胎1012以及用于支撑固定滑板支架102的支撑轴1013。

第一电机1011设置在车轮的轴心位置，具体地，第一电机1011的轴心线与车轮101的轴心线重合。优选地，第一电机1011为直流无刷电机，其体积小，便于内置在车轮内，避免增大车轮101的体积，从而实现滑板车整体小型化。

优选地，充气轮胎1012表面设置有凹凸不平的防滑纹路，增大车轮与地面的摩擦力，尤其是在湿滑路面上。优选地，充气轮胎1012外径宽9-12英寸，轮胎厚度为2-3cm。

支撑轴1013位于第一电机1011的轴心并从第一电机1011的表面向外延伸凸出。第一电机1011在电力的驱动下绕支撑轴1013旋转。支撑轴1013从第一电机1011表面向外延伸的凸出部分用于支撑固定滑板支架102，并且该凸出部分的长度以足以支撑滑板支架102为宜。因此，本领域技术人员可以根据滑板支架102宽度对支撑轴1013的长度做相应调整。

滑板支架102设置在车轮101的外侧并位于车轮101的中间位置处。车轮101设置从滑板支架102的中间穿出，车轮101的上半部暴露在滑板支架102的上方，车轮101的下半部暴露在滑板支架102的下方。

滑板支架102包括上支架1021和下支架1022。上支架1021和下支 架1022限定出一腔体1024，如图3所示。腔体1024中设有用于增强滑板支架102强度的加强横梁1023。上支架1021和下支架1022为由塑料制成的板状构件，减轻滑板车自身重量。加强横梁1023为金属板材构件，主要起到支撑、承力作用，弥补由塑料制成的上支架1021和下支架1022承载重量有限的缺陷。

在上支架1021的中间部位设置有与车轮101对应匹配的第一通孔1025。第一通孔1025为形状与上支架相匹配的长条形孔。第一通孔1025具有足以容纳车轮101的空间，使得车轮能够在第一通孔1025内自由转动。

滑板支架102的第一表面1028成型在上支架1021上，用于使用者踩踏或站立。第一表面1028为中间平直且两端斜向上微翘，并且中间的平面与两端的向上微翘的斜面或弧面平滑过渡连接。本实用新型将滑板车的用于踩踏的第一表面设计两端向上微翘的结构，有利于使用者控制车速，提高使用者对滑板车的操控能力，并且还有可以避免因惯性过大而发生的危险。

加强横梁1023为套设在车轮外侧的金属板材构件。在加强横梁1023的中间部位同样设置有与车轮101对应匹配的第二通孔1026。第二通孔1026为形状与加强横梁1023相匹配的长条形孔。第二通孔1026具有足以容纳车轮101的空间，使得车轮能够在第二通孔1026内自由转动。由于第二通孔1026处在离车轮101轴心线更近的位置，因此第二通孔1026沿滑板支架102轴向的长度大于第一通孔1025的长度。当然，在第二通孔1026能够足以容纳车轮101的情况下，第一通孔1025可以具有与第二通孔1026相同的尺寸。

下支架1022与上支架1021相配合，构成滑板支架102的外壳。优选地，下支架1022以卡扣连接或螺纹连接的方式与上支架1021配合连接。下支架1022形如小船形状。在下支架1022的底面设置有与车轮101对应匹配的第三通孔1027。第三通孔1027为形状与下支架1022形状相匹配 的长条形孔。第三通孔1027具有足以容纳车轮101的空间，使得车轮能够在第三通孔1027内自由转动。

优选地，第一通孔1025、第二通孔1026和第三通孔1027彼此保持相匹配的形状和尺寸。

在滑板支架102的一端设有手拿孔1029。手拿孔1029贯穿上支架1021和下支架1022，其方便使用者携带滑板车。

机电陀螺平衡滑板车100包括至少一个机电陀螺仪103。机电陀螺仪103设置在滑板支架102内并且以不影响车轮101转动的方式设置在车轮101的旁侧。

优选地，机电陀螺平衡滑板车100包括两个机电陀螺仪103，两个机电陀螺仪103分别设置在车轮的前后两侧。

优选地，机电陀螺平衡滑板车100包括两个机电陀螺仪103，两个机电陀螺仪103分别设置在车轮的左右两侧。

优选地，机电陀螺平衡滑板车100包括四个机电陀螺仪103，四个机电陀螺仪103分别设置在车轮的前后左右。

优选地，机电陀螺平衡滑板车100包括至少两个机电陀螺仪103，至少两个机电陀螺仪103对称的设置在车轮101的两侧。

机电陀螺仪103包括第二电机1031以及在第二电机1031驱动下高速旋转以在水平面内产生扭矩的陀螺1032。第二电机1031的转轴固定在滑板支架102的下支架1022上，并且第二电机1031以嵌入的方式设置在陀螺1032的轴心处。在第二电机1031的驱动下，陀螺1032高速旋转。当人体重心与车轮重心不在一个平面上时，人体沿其倾斜方向施加在车轮上的力可以通过陀螺1032在因高速旋转而在水平面内产生的力矩进行平衡，从而使车体保持平衡。

第二电机1031和陀螺1032成对地设置在滑板支架102内。即，一个 陀螺1032便对应一个第二电机1031。本实用新型的第二电机1031为高速直流无刷电机。本实用新型的第二电机1031体积小，并且转速可达18000-20000r/min。陀螺1032呈圆盘状并且在其轴心处与第二电机1031连接。陀螺1032为铁合金制成的盘状结构。本实用新型的陀螺1032也可以称之为转子，其在第二电机1031的驱动下高速旋转。陀螺1032在第二电机1031的驱动下，高速旋转，由于陀螺效应，陀螺1032在高速旋转过程中在其所处水平面内沿各个方向产生扭矩，使得车体能够在各个方向受力均衡，进而在整体上平衡车体。

控制板104用于控制第一电机1011和第二电机1031旋转。控制板104设置在滑板支架102内并且分别与第一电机1011和第二电机1031连接。控制板104设有用于检测机电陀螺平衡滑板车100的运行加速度的加速度传感器。加速度传感器不断检测检测机电陀螺平衡滑板车100的运行加速度，并将检测到的加速度反馈给控制板104。优选地，加速度传感器的检测周期为2ms。

控制板104根据反馈的加速度计算出检测机电陀螺平衡滑板车100的倾斜角度，并根据倾斜角度来控制第一电机1011的旋转方向。例如，当计算出的倾斜角度大于零时，说明车体向前倾写，此时控制板104控制第一电机1011向后旋转。当计算出的倾斜角度为零，即，检测到的运行加速度为零，说明车体处于平衡状态。当计算出的倾斜角度小于零时，说明车体向后倾斜，控制板104控制第一电机1011向前旋转。本实用新型通过控制板104和加速度传感器来控制检测机电陀螺平衡滑板车100在前后方向上的自平衡。

轮胎保护盖105沿滑板支架102的用于支撑人体的第一表面1028向外凸出。轮胎保护盖105与暴露在第一表面1028外侧的车轮101保持相匹配的形状和尺寸。如图1或图2所示，轮胎保护盖105呈半圆形，其设置在第一通孔1025处。轮胎保护盖105处了保护暴露在车轮101上方的轮胎部分以外，对使用者也具有保护功能，避免将裤脚或裙角卷入车轮中， 造成危险。

机电陀螺平衡滑板车100还包括设置在控制板104上的蓝牙模块。蓝牙模块与移动设备(例如手机或遥控器)连接的蓝牙模块根据移动设备发出的指令将机电陀螺平衡滑板车100设定为柔和骑行模式、舒适骑行模式或劲爆骑行模式。

柔和骑行模式为低速运行模式，即，机电陀螺平衡滑板车100在低速下行驶，一般在10km/h以下。柔和骑行模式适用于路况较差的情形，例如，下雨天道路，拥堵导道路，坑洼道路；此外还适合人群较多的路口，例如，十字路口、学校路口等。

舒适骑行模式为中速运行模式，即，机电陀螺平衡滑板车100在中速下行驶，一般在10-25km/h内。舒适骑行模式适合一般路况，其介于柔和骑行模式和劲爆骑行模式之间。

劲爆骑行模式为高速运行模式，即，机电陀螺平衡滑板车100在高速下行驶，一般在25km/h以上。但为了安全起见，在生产时，将机电陀螺平衡滑板车100的最高运行速度设置为40km/h。劲爆骑行模式适用于路况较好的情形，例如，行人和车辆较少的平直道路。

柔和骑行模式、舒适骑行模式以及劲爆骑行模式均为机电陀螺平衡滑板车100的自动运行模式。当使用者未开启自动运行模式时，使用者仍通过调节身体在运动方向上的重心，例如，前倾或后仰身体，来自行控制机电陀螺平衡滑板车100的车速。当使用者开启自动运行模式时，即选择上述三种模式中的任意一种，控制板104控制第一电机1011的旋转，将车速调整到与设定模式相匹配的速度。当第一电机1011的转速发生变化时，第二电机1031也相应发生正相关的变化。即，第一电机1011转速增大，第二电机1031相应增大，反之亦然。

在运行过程中，若当前车速超过当前骑行模式下的预设阈值时，滑板支架102会自动翘起，即，翘板功能，并且控制板104会控制第一电机 1011车速减慢，此时，使用者便被提醒已超速。该预设阈值也可是使用者通过手机运用软件进行设定的。

本实用新型的检测机电陀螺平衡滑板车100还可以通过蓝牙模块向手机等移动设备发送数据，例如，车速、系统温度、电池组106的剩余电量等。

电池组106设置在滑板支架102内。电池组106分别与第一电机1011、第二电机1031、控制板104以及控制板104上的加速度传感器和蓝牙模块连接，为其提供电能。电池组106为具有充放电功能的蓄电池组。在滑板支架102的外侧设有与电池组106相对应的充电接口107。

优选地，电池组106用16串18650电池，电池电压可以达到53-67.2V。

机电陀螺平衡滑板车100的照明灯108和尾灯109分别设置在滑板支架102的两个端面上。

照明灯108用于在光线不好的道路上行驶时为使用者提供照明。

优选地，照明灯108内置有光敏传感器，光敏传感器能够感知外界环境光线的变化，当采集到的光线低于预设阈值或高于预设阈值时，照明灯108自动点亮或熄灭，使得机电陀螺平衡滑板车100更加方便、智能化。

优选地，尾灯109可以由反光板代替。该反光板表面涂覆有一层荧光粉。当在夜路间行驶时，便于后面行驶的车辆能看到，起到提醒和警示的作用，从而提高行车的安全性。并且，涂有荧光粉的反光板不需要消耗电能，节能环保。

USB接口110设置在滑板支架102的与电池组106相对应的侧面上，并且USB接口110与电池组106连接。使用者可以通过USB接口110为手机等移动设备进行充电。

下面结合图4，对本实用新型的机电陀螺平衡滑板车100的工作原理进 行说明。

使用者通过开关111启动机电陀螺平衡滑板车100，控制板104控制设置在车轮101旁侧的至少一个机电陀螺仪103高速旋转，由于陀螺效应，机电陀螺仪103的陀螺1032在高速旋转过程中在其所处水平面内沿各个方向产生扭矩，使得车体能够在各个方向受力均衡，进而在整体上平衡车体。加速度传感器将检测到的机电陀螺平衡滑板车100的加速度以脉冲信号(PWM)的形式发送给控制板104，控制板104根据接受到的代表加速度值的脉冲信号(PWM)和反三角函数α＝arc sin(g/a)计算出机电陀螺平衡滑板车的倾斜角度。当计算出的倾斜角度大于零时，说明车体向前倾写，此时控制板104控制第一电机1011向后旋转。当计算出的倾斜角度为零，即，检测到的运行加速度为零，说明车体处于平衡状态。当计算出的倾斜角度小于零时，说明车体向后倾斜，控制板104控制第一电机1011向前旋转。通过调节第一电机1011向前或前后旋转来控制机电陀螺平衡滑板车100在前后方向上的平衡。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。