一种平衡伸缩机构及包含其的平衡车的制作方法

本实用新型涉及机械结构领域，具体的说是一种平衡伸缩机构及包含其的平衡车。

背景技术：

在货物运输如化学品搬运、火星车、特种运输设备中需要运输平台不能有震动，或者要求运输平台保持水平。平台表面不发生震动，对于运输危险品，科学探测有着深远的影响。对于特种运输场合，因为其质量大，重心高稍发生倾斜就会有危险。

目前存在的所谓的“主动避震”为调整悬挂刚度系数来提高通过性，尚不能做到主动避震，调节车身水平功能和避震功能融合不完善。

中国专利申请CN 105235468 A《主动悬架式火星车移动机构》公开了一种主动悬架式火星车移动机构，通过其第一张角调节器和第二张角调节器实现两侧悬架的折叠和展开，改变了移动机构的高度和长度；通过第一张角调节器和第二张角调节器可以改变中轮和后轮间距，实现火星车轮步复合行进；通过张角调节器和主副摇臂离合器相互配合，实现了前中后轮独立抬升。但是，由于其主摇臂和副摇臂均为固定尺寸，虽然通过控制摇臂间的夹角，可以实现控制，但是，摇臂的调整仅限于长度方向，由于长度方向的限制，摇臂调整的程度受到一定的限制。

技术实现要素：

根据上述不足之处，本实用新型的目的在于：提供一种平衡伸缩机构及包含其的平衡车。该平衡车可以实现主动避震而且能够调节水平度，提高运输效率，同时保证运输安全性，解决了运输中出现的振动以及倾斜问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案在于：一种平衡伸缩机构，它包括侧向设置的固定架，固定架侧面的竖直方向上依次分别设有第一固定耳、第二固定耳和第三固定耳，第一固定耳和第三固定耳分别通过轴承座与第一叉臂和第二叉臂的一端相连，第一叉臂和第二叉臂的另一端分别通过轴承座与车轮臂相连，车轮臂靠近地面的一端设有车轮；第一叉臂通过轴承座与纵向传动臂的一端相连，纵向传动臂的另一端与转向块的转折端相连，转向块的一端与第二固定耳相连，转向块的另一端与横向传动臂的一端相连，横向传动臂的另一端与驱动单元相连。

优选的是：驱动单元包括电机和丝杠，丝杠上设有滑块，滑块与横向传动臂相连。

优选的是：转向块与第二固定耳、纵向传动臂和横向传动臂之间以及横向传动臂与滑块之间为铰接。

优选的是：第一叉臂和第二叉臂包括第一叉支、第二叉支和第三叉支；第一叉支、第二叉支和第三叉支之间形成“Y”型。

优选的是：第一叉支和第二叉支与固定架相连，第三叉支与车轮臂相连。

优选的是：转向块包括第一转向臂和第二转向臂，第一转向臂和第二转向臂之间形成“L”型；其中，第一转向臂的端部与第二固定耳相连，第二转向臂的端部与横向传动臂的一端相连。

本实用新型还提供一种平衡车，包含有如前所述的平衡伸缩机构。

优选的是：平衡车车身的前方通过支架设有激光扫描测距传感器，平衡车车体的水平方向上设有重力加速度陀螺仪传感器，丝杠上设有丝杠编码器，车轮设有减速电机，平衡车还设有用于控制其进行主动避震的控制系统。

优选的是：控制系统包括：

路面信息采集系统：用于采集路面是否起伏的信息；

车身平衡信息采集系统：用于采集车身本身是否水平的信息；

电机驱动系统：用于驱动车轮调整上下高度以及驱动车轮运动；

监测反馈系统：用于校正车身前进的速度；

处理器系统：将采集的路面是否起伏及车身是否水平的信息进行计算，得到每个车轮应该抬起的时间、距离以及倾斜的角度，控制电机驱动系统执行动作，完成避震。

优选的是：支架为倒梯形，车身一端的测距传感器为两个，分别设置在所述支架的两端，两个测距传感器之间的距离与左右侧轮子之间的间距相同。

本实用新型的有益效果在于：

1、通过转向块将横向传动臂和纵向传动臂相连，将车轮竖直的上下运动变成水平的横向运动，将纵向的力变为横向，可以将直线驱动电机变为横向放置，大大节省空间，使得整个平衡车结构紧凑；

2、将前后及水平距离的信息进行采集计算，提前做出判断，并控制车轮进行调整，真正实现主动避震；同时将避震功能与保持水平功能进行整合，大大提高平台平衡性能。

附图说明

图1是本实用新型平衡伸缩机构实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型平衡伸缩机构实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型平衡车的结构示意图一；

图4是本实用新型平衡车的结构示意图二；

图5是本实用新型第一叉臂的结构示意图一；

图6是本实用新型第一叉臂的结构示意图二；

图7是本实用新型第二叉臂的结构示意图一；

图8是本实用新型第二叉臂的结构示意图二；

图9是本实用新型转向块的结构示意图；

图10是本实用新型转向块的结构示意图；

图11是本实用新型的使用流程图。

图中，1-电机；2-轴承座；3-滑块；4-横向传动臂；5-转向块；6-第二叉臂；7-丝杠；8-车轮；9-车轮臂；10-纵向传动臂；11-第一叉臂；12-固定架；13-第一固定耳；14-第二固定耳；15-第三固定耳；16-支架；17-激光扫描测距传感器；18-加强筋；19-第一叉支；20-第二叉支；21-第三叉支；22-第一转向臂；23-第二转向臂；24-转折端。

具体实施方式

如图1可知，本实用新型涉及一种平衡伸缩机构，它包括侧向设置的固定架12，固定架12侧面的竖直方向上依次分别设有第一固定耳13、第二固定耳14和第三固定耳15，第一固定耳13和第三固定耳15分别通过轴承座2与第一叉臂11和第二叉臂6的一端相连，第一叉臂11和第二叉臂6的另一端分别通过轴承座2与车轮臂9相连，车轮臂9靠近地面的一端设有车轮；第一叉臂11通过轴承座2与纵向传动臂10的一端相连，纵向传动臂10的另一端与转向块5的转折端24相连，转向块5的一端与第二固定耳14相连，转向块5的另一端与横向传动臂4的一端相连，横向传动臂4的另一端与驱动单元相连。

其中，驱动单元包括电机1和丝杠7，丝杠7上设有滑块3，滑块3与横向传动臂4相连。具体的说，电机1为减速电机1，通过电机1与丝杠7相连，丝杠7通过轴承座2和螺母进行固定，当电机1驱动，带动丝杠7转动，也就带动滑块3运动。

为了便于车轮上下位置的调整方便转向块5与第二固定耳14、纵向传动臂10和横向传动臂4之间以及横向传动臂4与滑块3之间为铰接。铰接处设有轴套，轴套中设有润滑油，可以起到自润滑的作用，可以降低铰接过程中的摩擦力，确保转向块5、横向传动臂4和纵向传动臂10之间转动的顺畅，保证平衡车避震过程的顺利完成。

如图5-8所示的第一叉臂11和第二叉臂6包括第一叉支19、第二叉支20和第三叉支21；第一叉支19、第二叉支20和第三叉支21之间形成“Y”型。其中，第一叉支19和第二叉支20与固定架12相连，第三叉支21与车轮臂9相连。这样的设置，使得固定架12与车轮臂9之间通过三个连接点进行连接，根据三角形的结构特性，其稳定性是最高的，这样设置也就提高了平衡车的稳定性。

为了使得整个结构更加紧凑性，纵向传动臂10的一端与第一叉臂11和第二叉臂6的第一叉支19、第二叉支20和第三叉支21之间的交点位置进行连接，其纵向传动臂10穿过第二叉臂6的第一叉支19和第二叉支20之间的空隙与转向块5相连接。

由于第一叉臂11和第二叉臂6与第一固定耳13和第二固定耳14的连接点有第一叉支19和第二叉支20两个连接点，相应的第一固定耳13和第二固定耳14分别需要对应的两个。

第二固定耳14只需要与纵向传动臂10的一端相连，因此，第二固定耳14只需要一个即可，且第二固定耳14位于两个第一固定耳13和两个第三固定耳15的中间附近位置即可，也就是在第一叉臂11和第二叉臂6对应的中心线上即可。

进一步的，为了确保车轮臂9在车轮的上下位置调整过程中确保其竖直性，也就是为了避免车轮臂9在车轮上下位置调整时偏离或靠近车身固定架12，从而导致车身的不稳，第一叉臂11和第二叉臂6的形状有所不同，如图5-8所示，第一叉臂11因其与纵向传动臂10相连，也就是第一叉臂11是主要受力臂，而第二叉臂6是从动臂，所以，第一叉臂11的第一叉支19和第二叉支20长于第二叉臂6的第一叉支19和第二叉支20，相应的，第三固定耳15的长度要长于第一固定耳13的长度，这样相互配合更为协调。

进一步的，如图9-10所示，转向块5包括第一转向臂22和第二转向臂23，第一转向臂22和第二转向臂23之间形成“L”型。其中，第一转向臂22的端部与第二固定耳14相连，第二转向臂23的端部与横向传动臂4的一端相连。为了更好的传动横向传动臂4与纵向传动臂10之间的力，第一转向臂22的长度可以稍长于第二转向臂23。

本实用新型还提供一种平衡车，包含有如前所述的平衡伸缩机构。

具体的说，平衡车车身的前方通过支架16设有激光扫描测距传感器17，平衡车车体的水平方向上设有重力加速度陀螺仪传感器，丝杠7上设有丝杠7编码器，车轮设有减速电机1，平衡车还设有用于控制其进行主动避震的控制系统。

进一步的，控制系统包括：

路面信息采集系统：用于采集路面是否起伏的信息；激光扫描测距传感器位于车身前端，用于读取到车身前方路面与测距传感器之间的距离。

车身平衡信息采集系统：用于采集车身本身是否水平的信息；重力加速度陀螺仪传感器对平衡信息实时采集，并将采集回来的重力加速度计和陀螺仪的值进行滤波拟合，其中滤波方法采用卡尔曼滤波，确保数据实时性及准确性。

电机驱动系统：用于驱动车轮调整上下高度以及驱动车轮运动；其中，驱动单元的丝杠电机采用继电器进行正反方向上的步进电机控制。车轮的电机为减速电机。

监测反馈系统：用于校正车身前进的速度；丝杠编码器对电机位移进行闭环反馈，检测滑块运动是否精确，使用编码器对车身前进速度进行校正，保证避震的准确性。

处理器系统：将采集的前方路面是否起伏及是否水平的信息进行计算，得到每个车轮应该抬起的时间、距离以及倾斜的角度，控制电机驱动系统执行动作，完成避震。读取激光雷达返回数据并进行计算，得到每个车轮抬起的时间以及距离，控制电机驱动系统执行动作，完成避震。读取陀螺仪系统数据进行闭环反馈，放置累积误差，并实时调节倾角。使用监测反馈系统数据对平台工作情况实时校准。

进一步的，支架16为倒梯形，车身一端的激光扫描测距传感器17为两个，分别设置在支架16的两端。倒梯形的设置也是为了提高激光扫描测距传感器17的稳定性，这是因为激光扫描测距传感器17测得的数据的准确性非常重要，其数据直接影响到处理系统进行计算处理并给予车轮的执行指令的准确性，从而直接影响车轮避震的准确性。为了进一步提高激光扫描测距传感器17的稳定性，在支架16内部可以设置加强筋18。两个激光扫描测距传感器17之间的距离与左右侧轮子之间的间距相同。

车身的前后两端均设置一套激光扫描测距传感器，且均与处理器系统相连，使得本平衡车既可以前进也可以后退，适应程度更广泛。

车轮至少为4个，分别左右两侧对应两个，也可以为6个、8个等。每个轮子独立控制，执行上升或下降的调整。每个车轮配有减速电机1，用于驱动车轮。

如图11所示，开机后，平衡车首先进行初始化过程，具体的说是电机1带动丝杠7反向转动，待滑块3触碰到行程开关后电机1带动丝杠7正向转动，通过累计丝杠7编码器的脉冲数判断丝杠7行进距离，直至丝杠7电机1行进到丝杠7中间位置后停止转动，初始化过程完毕。

平衡车在工作过程中，通过激光扫描测距传感器17实时检测前方路面起伏情况控制各个车轮抬起或落下的时间和距离。

例如，当激光扫描测距传感器17检测到前方有障碍物时，处理器系统通过计算，得到车轮抬起的时间和抬起的高度。当车轮到达障碍物时，驱动单元的电机1运动，通过联轴器带动丝杠7转动，丝杠7旋转带动滑块3向车体外侧滑动，滑块3推动横向传动臂4，横向传动臂4通过转向块5将力传给纵向传动臂10，纵向传动臂10推动第一叉臂11向上，第一叉臂11带动车轮臂9向上抬起，从而带动车轮向上抬起，而第二叉臂6根据车轮臂9的向上抬起而运动，第二叉臂6的设置可以提高车轮臂9与第一叉臂11以及车体固定架12之间的稳定性。当车轮跨过障碍物时，通过电机1控制丝杠7带动滑块3回到原来的位置，也就是说，滑块3将横向传动臂4拉回，横向传动臂4通过转向块5将纵向传动臂10向下拉，纵向传动臂10向第一叉臂11施加力，使第一叉臂11下降，车轮臂9随之下降，车轮也跟着下降，恢复到平面位置，完成平衡车过障碍物的过程。

又如，当激光扫描测距传感器17检测到前方有凹坑时，滑块3向车体内侧滑动，带动横向传动臂4运动，后面的一系列运动如前所述，完成平衡车过凹坑的过程。

另一方面，通过重力加速度陀螺仪传感器检测车身倾斜情况控制丝杠7电机1行进，从而保证车身始终水平。

例如，当车身左右倾斜时，陀螺仪返回倾斜数值，通过对x、y两个方向上的倾角进行分别补偿，计算出每个车轮x、y方向上应运动的补偿量，然后将补偿量进行叠加之后拟合到每个车轮上，用过电机1驱动滑块3运动带动车轮，进行补偿倾角。当共计有四个轮子时，将左方三个轮子视为一组，右方三个轮子视为一组，左方车轮组和右方车轮组抬起或放下抵消车身左右倾斜；当车身前后倾斜时，中间两个轮子不动，前方两个轮子视为一组，后方两个轮子视为一组，前方车轮组和后方车轮组抬起或放下抵消车身前后倾斜。

开发配套PC端上位机软件，在上位机中可以查看激光扫描测距传感器17、重力加速度陀螺仪传感器的采集数值，可以控制平衡车行进方向和速度，可以规划平衡车行进路线。

根据驱动单元的位置，可以将本平衡伸缩机构分为两种情况，下面分别进行论述。

实施例1

按照驱动装置设置在车体上方的情况进行论述。

如图1所示，平衡伸缩机构，它包括侧向设置的固定架12，固定架12侧面的竖直方向上从上到下依次分别设有第一固定耳13、第二固定耳14和第三固定耳15，第一固定耳13和第三固定耳15分别通过轴承座2与第一叉臂11和第二叉臂6的一端相连，从图1可知，第一叉臂11位于第二叉臂6的上方，第一叉臂11和第二叉臂6的另一端分别通过轴承座2与车轮臂9相连，车轮臂9靠近地面的一端设有车轮。上方的第一叉臂11通过轴承座2与纵向传动臂10的一端相连，纵向传动臂10的另一端与转向块5的转折端24相连，转向块5的一端与第二固定耳14相连，转向块5的另一端与横向传动臂4的一端相连，横向传动臂4的另一端与驱动单元相连。其余的结构如前所述。

实施例2

按照驱动装置设置在车体下方的情况进行论述。

与实施例1不同的是，固定架12侧面的竖直方向上从上到下依次分别设有第三固定耳15、第二固定耳14和第一固定耳13，也就是说，第一叉臂11位于第二叉臂6的下方，其余同实施例1。