转轴5，如图1、图2、图3所示。
[0026]上述结构中，高速旋转的侧向平衡转盘3与小角度转动(正转或反转)的侧向平衡框架2同时运动产生陀螺力矩，而上、下对应的两侧向平衡转盘3和侧向平衡框架2的运动方向实时相反，由此产生一对关于一平面完全对称的陀螺力矩，该平面平行于基体1的底板且位于两侧向平衡框架2的正中间，使得这一对陀螺力矩在水平方向上分量的合成力矩能够克服车体倾倒的重力矩，并在垂直方向上的分量能够相互抵消，从而避免对转弯的影响。
[0027]所述俯仰平衡调节行走机构设于基体1的下方，包括独轮10和车叉11，所述车叉11的上端固定连接在基体1的底板上，所述独轮10通过轮轴安装于车叉11的两侧叉体内，车叉11的一侧叉体上安装薄饼电机12，所述薄饼电机12的输出轴与独轮10的钢圈之间通过齿轮传动副连接，该侧叉体上还通过斜架安装车轮编码器13，所述车轮编码器13的输出轴与独轮10的钢圈之间通过齿轮传动副连接，如图1、图2、图3所示。
[0028]所述转弯调节机构设于顶板和隔板之间的基体1上部，包括转弯调节框架15(框架呈水平，其长度方向为左、右的横向，其内部空间为上、下方向)和转弯调节转盘16(盘体呈竖直状)，所述转弯调节框架15通过左、右两侧的转弯调节框架转轴17安装在左、右侧板之间，所述转弯调节转盘16通过纵向转盘转轴19居中安装于转弯调节框架15内；基体1的右侧板上设置转弯调节框架驱动电机20，所述转弯调节框架驱动电机20通过齿轮传动副连接右侧的转弯调节框架转轴17，对应于转弯调节框架15于基体1的左侧板上设置转弯调节框架编码器22，所述转弯调节框架编码器22通过齿轮传动副连接左侧的转弯调节框架转轴17，转弯调节框架15上设有转弯调节转盘驱动电机21和转弯调节转盘编码器23，所述转弯调节转盘驱动电机21和转弯调节转盘编码器23分别通过齿轮传动副连接纵向转盘转轴19，如图1、图2、图3所示。
[0029]上述结构中，高速旋转的转弯调节转盘16与小角度转动(正转或反转)的转弯调节框架15产生陀螺力矩，该陀螺力矩的垂直分量实现车体的转弯控制，该陀螺力矩的水平分量成为侧向平衡力矩的一个微小干扰，与侧向平衡力矩共同调节车体的侧向平衡运动。
[0030]本发明的控制系统设于基体1的底板上，包括通过相关电路连接的电池组25、陀螺仪26、无线模块27、伺服驱动器14和运动控制器24，控制系统实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机的运转，如图1所示。
[0031]本发明的运行方式:
[0032]机器人(独轮车装置)在运动过程中，陀螺仪25实时检测车体的姿态，当车体发生侧向倾倒时，陀螺仪25检测到姿态信号，将数据传送给运动控制器24，运动控制器24通过伺服驱动器14控制侧向平衡调节机构的侧向平衡框架驱动电机6旋转的速度，通过侧向平衡框架齿轮传动副18小角度的旋转，从而带动上、下侧向平衡框架2实时反向转动，同时运动控制器24通过伺服驱动器14驱动侧向平衡转盘3高速旋转，对应的两侧向平衡转盘3的运动方实时相同，两侧向平衡框架2的运动方向实时相反，由此产生一对关于一平面完全对称的陀螺力矩，由于该平面平行于基体1的底板且位于两侧向平衡框架2的正中间，使得这一对陀螺力矩在水平方向上分量的合成力矩能够克服车体倾倒的重力矩，并在垂直方向上的分量能够相互抵消，从而避免对转弯的影响。
[0033]与此同理，当陀螺仪25检测到转弯的航向信号时，将数据传送给运动控制器24，运动控制器24通过伺服驱动器14控制转弯调节机构的转弯调节转盘16高速旋转，同时运动控制器24通过伺服驱动器14控制转弯调节框架15小角度转动，所产生的陀螺力矩在垂直方向上分量的合成力矩能够调节车体的转弯，并在水平方向上的分量参与调节车体的侧向平衡。
[0034]车轮编码器13采集独轮10的转速，反馈给运动控制器24控制车体的前、后俯仰运动。
【主权项】
1.可实现转弯平衡的独轮车装置，其特征在于:包括基于基体(1)设置的俯仰平衡调节行走机构、侧向平衡调节机构和转弯调节机构，其中 ①、所述侧向平衡调节机构包括上、下侧向平衡框架⑵和上、下侧向平衡转盘⑶，各侧向平衡框架(2)通过左、右两侧的侧向平衡框架转轴(4)安装于基体(1)的中下部，上、下侧向平衡转盘(3)通过竖直转盘转轴(5)分别安装于上、下侧向平衡框架(2)内，所述基体⑴上设有控制一个侧向平衡框架⑵作小角度正反转的侧向平衡框架驱动电机(6)，同侧的上、下侧向平衡框架转轴(4)之间由传动比为1: 1的侧向平衡框架齿轮传动副(18)连接，各侧向平衡框架(2)上设有驱动对应侧向平衡转盘(3)高速旋转的侧向平衡转盘驱动电机(7)，基体⑴上设有分别检测各侧向平衡框架(2)转动幅度的侧向平衡框架编码器(8)，各侧向平衡框架(2)上设有检测对应侧向平衡转盘(3)转速的侧向平衡转盘编码器(9)； ②、所述俯仰平衡调节行走机构包括独轮(10)和车叉(11)，所述车叉(11)安装在基体(1)的底部，所述独轮(10)于车叉(11)内安装，车叉(11)上设有驱动独轮(10)转动的薄饼电机(12)和检测独轮(10)转速的车轮编码器(13)； ③、所述转弯调节机构包括转弯调节框架(15)和转弯调节转盘(16)，所述转弯调节框架(15)通过左、右两侧的转弯调节框架转轴(17)安装于基体(1)上部，所述转弯调节转盘(16)通过纵向转盘转轴(19)安装于转弯调节框架(15)内，所述基体(1)上设有控制转弯调节框架(15)作小角度正反转的转弯调节框架驱动电机(20)，转弯调节框架(15)上设有驱动转弯调节转盘(16)高速旋转的转弯调节转盘驱动电机(21)，基体(1)上设有检测转弯调节框架(15)转动幅度的转弯调节框架编码器(22)，转弯调节框架(15)上设有检测转弯调节转盘(16)转速的转弯调节转盘编码器(23)。2.根据权利要求1所述的可实现转弯平衡的独轮车装置，其特征在于:所述侧向平衡框架齿轮传动副(18)为扇形齿轮传动副。3.根据权利要求1或2所述的可实现转弯平衡的独轮车装置，其特征在于:所述基体(1)上设有实时检测车体姿态并根据车体姿态向各电机发出驱动信号、同时接收各编码器的反馈信号以进一步修正各电机运转的控制系统，所述控制系统包括通过相关电路连接的电池组(25)、陀螺仪(26)、无线模块(27)、运动控制器(24)和伺服驱动器(14)。
【专利摘要】本发明公开了一种可实现转弯平衡的独轮车装置，其侧向平衡调节机构包括于基体中下部设置的上、下侧向平衡框架和基于上、下侧向平衡框架分别设置的上、下侧向平衡转盘，上、下侧向平衡转盘高速旋转，上、下侧向平衡框架作小角度相对转动；其俯仰平衡调节行走机构设于基体底部，包括独轮和车叉；其转弯调节机构设于基体上部，包括转弯调节框架和设于转弯调节框架的转弯调节转盘，左、右转弯调节转盘高速旋转，转弯调节框架作小角度转动。本发明不仅在物理结构上实现了解耦，而且数学模型也是解耦的，因此控制更为简单。
【IPC分类】B62D61/00
【公开号】CN105235774
【申请号】CN201510782577
【发明人】庄未, 江汉, 黄用华, 何淑通, 刘成举, 张明明, 张 杰, 王昌盛, 钟永全
【申请人】桂林电子科技大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年11月16日