CN110615046B - 一种基于陀螺进动效应的自平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺进动效应的自平衡装置，包括机架，机架内设置有两个进动机构，两个进动机构相对于机架的中轴线对称设置；每个进动机构包括第一飞轮组件、第二飞轮组件、进动电机、第一传动机构和第二传动机构；第一飞轮组件及第二飞轮组件可绕各自的纵向中轴线自转；进动电机通过第一传动机构与第一飞轮组件连接，第一飞轮组件通过第二传动机构与第二飞轮组件相连接，利用两个进动机构的飞轮组件的自转，以及每个进动机构的进动电机同时带动两个飞轮组件的进动旋转，使该自平衡装置可在双轴方向上保持自平衡，满足实际需求，并且保证进动机构的两个飞轮组件的运动统一，能够达到很高的进动加速度，具有较小的尺寸，节约空间。

Description

一种基于陀螺进动效应的自平衡装置

技术领域

本发明涉及平衡控制技术领域，特别涉及一种基于陀螺进动效应的自平衡装置。

背景技术

运动物体在行驶过程中，在行进过程中，由于外界环境因素，会受到外力作用导致失去平衡。因此，需要在运动物体上安装自平衡装置，以保证运动物体在失去平衡后，能够自行平衡，防止倾倒。但是现有的自平衡装置每个飞轮盘均需要一个舵机来进行控制，造成飞轮盘的运动不统一，不能达到很高的进动加速度，若需得到大的调整力，则需要进一步加大飞轮的转动惯量而导致造成整体尺寸的加大，占用大量空间；并且只能实现单轴稳定，不能满足实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于陀螺进动效应的自平衡装置，以解决现有的自平衡装置每个飞轮盘均需要一个舵机来进行控制，造成飞轮盘的运动不统一，不能达到很高的进动加速度，若需得到大的调整力，则需要进一步加大飞轮的转动惯量而导致造成整体尺寸的加大，占用大量空间；并且只能实现单轴稳定，不能满足实际需求的问题。

根据本发明的实施例，提供了一种基于陀螺进动效应的自平衡装置，包括机架，

所述机架内设置有两个进动机构，两个所述进动机构相对于所述机架的中轴线对称设置；

每个所述进动机构包括第一飞轮组件、第二飞轮组件、进动电机、第一传动机构和第二传动机构；所述第一飞轮组件及第二飞轮组件可绕各自的纵向中轴线自转；

所述进动电机通过第一传动机构与第一飞轮组件连接，所述第一飞轮组件通过第二传动机构与第二飞轮组件相连接，所述进动电机能够使第一飞轮组件与第二飞轮组件以速率相同且方向相反的角速度绕各自的横向中轴线旋转。

具体地，所述第一飞轮组件和第二飞轮组件均包括壳体、飞轮、飞轮电机及连接轴承；

所述飞轮位于壳体内，且所述飞轮一端的周壁通过连接轴承与所述壳体的一端面转动连接，所述飞轮另一端的周壁通过连接轴承与所述壳体的另一端面转动连接；所述飞轮电机的转动轴穿过所述壳体的一端面且与所述飞轮的一端连接，所述飞轮电机能够驱动飞轮沿所述第一飞轮组件的纵向中轴线旋转；所述第一飞轮组件和第二飞轮组件的进动联动齿轮相啮合；

所述第一飞轮组件的壳体的外侧壁通过第二传动机构与第二飞轮组件的壳体的外侧壁相连接；

所述第一飞轮组件的壳体上与所述飞轮电机相对的一端面通过第一传动机构与进动电机连接。

具体地，所述第一传动机构包括第一进动驱动齿轮和第二进动驱动齿轮；所述第一进动驱动齿轮安装在进动电机的转动轴上，所述第二进动驱动齿轮安装在第一飞轮组件的壳体上与所述飞轮电机相对的一端面上且所述第二进动驱动齿轮的安装方向与壳体的端面相垂直，所述第一进动驱动齿轮与第二进动驱动齿轮啮合。

具体地，所述第二传动机构包括第一进动联动齿轮和第二进动联动齿轮；

所述第一进动联动齿轮安装在所述第一飞轮组件的壳体的外侧壁，所述第二进动联动齿轮安装在所述第二飞轮组件的壳体的外侧壁；

所述第一进动联动齿轮与第二进动联动齿轮相啮合。

具体地，所述飞轮电机为无刷直流电机，所述飞轮的转速为30000r/min。

具体地，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体的外缘与所述下壳体的外缘为可拆卸连接。

具体地，所述壳体的外侧壁上沿横向中轴线的方向设置有进动转轴。

具体地，两个所述进动机构的进动转轴在同一平面上彼此呈夹角设置。

本发明实施例提供了一种基于陀螺进动效应的自平衡装置，利用两个进动机构的飞轮组件的自转，以及每个进动机构的进动电机同时带动两个飞轮组件的进动旋转，使该自平衡装置可在双轴方向上保持自平衡，满足实际需求，并且保证进动机构的两个飞轮组件的运动统一，能够达到很高的进动加速度，具有较小的尺寸，节约空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明提供的一种基于陀螺进动效应的自平衡装置俯视图；

图2为第一飞轮组件的结构图；

图3为图2的主视图；

图4为进动机构的结构图；

图5为基于陀螺进动效应的自平衡装置的受力分析图。

其中，1-进动机构，11-第一飞轮组件，111-飞轮电机，112-上壳体，113-连接轴承，114-飞轮，115-进动转轴，116-下壳体，12-第二飞轮组件，2-第一进动联动齿轮，3-第二进动驱动齿轮，4-第二进动联动齿轮，5-第一进动驱动齿轮，6-进动电机，7-机架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，如图1、图4和图5所示，提供了一种基于陀螺进动效应的自平衡装置，包括机架7，机架7内设置有两个进动机构1，两个进动机构1相对于机架7的中轴线对称设置；每个进动机构1包括第一飞轮组件11、第二飞轮组件12、进动电机6、第一传动机构和第二传动机构；第一飞轮组件11及第二飞轮组件12可绕各自的纵向中轴线自转；进动电机6通过第一传动机构与第一飞轮组件11连接，第一飞轮组件11通过第二传动机构与第二飞轮组件12相连接，进动电机6能够使第一飞轮组件11与第二飞轮组件12以速率相同且方向相反的角速度绕各自的横向中轴线旋转。

本发明实施例提供了一种基于陀螺进动效应的自平衡装置，利用两个进动机构1的飞轮组件的自转，以及每个进动机构1的进动电机6同时带动两个飞轮组件的进动旋转，使该自平衡装置可在双轴方向上保持自平衡，满足实际需求，并且保证进动机构1的两个飞轮组件的运动统一，能够达到很高的进动加速度，具有较小的尺寸，节约空间。

在上述实施例中，如图2和图3所示，第一飞轮组件11和第二飞轮组件12均包括壳体、飞轮114、飞轮电机111及连接轴承113；飞轮114位于壳体内，且飞轮114一端的周壁通过连接轴承113与壳体的一端面转动连接，飞轮114另一端的周壁通过连接轴承113与壳体的另一端面转动连接；飞轮电机111的转动轴穿过壳体的一端面且与飞轮114的一端连接，飞轮电机111能够驱动飞轮114沿第一飞轮组件11的纵向中轴线旋转；第一飞轮组件11和第二飞轮组件12的进动联动齿轮相啮合；第一飞轮组件11的壳体的外侧壁通过第二传动机构与第二飞轮组件12的壳体的外侧壁相连接；第一飞轮组件11的壳体上与飞轮电机111相对的一端面通过第一传动机构与进动电机6连接。其中，进动电机6上使用霍尔传感器进行位置和速度的检测，以监测自平衡装置的姿态，并且进动电机6通过法兰固定连接在机架7上；飞轮电机111使用PWM控制，飞轮电机111与壳体固定连接。飞轮114与飞轮电机111通过螺纹副连接，飞轮114采用法兰式结构，飞轮114轴上下各有一个轴肩，分别顶在壳体两端面的连接轴承113上。

具体地，如图5所示，一个进动机构1包括飞轮组件A和飞轮组件C，另一个进动机构1包括飞轮组件B和飞轮组件D，四个飞轮组件的飞轮114在工作时以大小相同，方向不同的角速度运动。当机架7所连接的装置绕x轴转动，重心产生偏移，重力对支撑平面产成一个翻转力矩M0，飞轮组件A中的飞轮电机111带动飞轮114沿图5所示方向绕轴顺时针以ω0’的角速度自转，飞轮组件C的飞轮电机111带动飞轮114以ω0的角速度沿图5所示方向绕轴逆时针自转，进动电机6通过第一传动机构带动飞轮组件A以大小为ω1沿着图5示方向进动，飞轮组件A通过第二传动机构带动飞轮组件C以大小为ω1且与飞轮组件A进动方向相反的方向进动，根据角动量守恒，两个飞轮组件会分别提供翻转力矩M1和M1’与翻转力矩M0相反的平衡力矩，使整体达到平衡。

同理，当机架7所连接的装置绕Y轴转动，重心产生偏移，重力对支撑平面产成一个翻转力矩M0’，飞轮组件B的飞轮电机111带动飞轮114沿图5所示方向绕轴顺时针以ω0’的角速度旋转，飞轮组件D的飞轮电机111带动飞轮114以ω0’的角速度绕轴逆时针旋转，进动电机6通过第一传动机构带动飞轮组件B以大小为ω2沿着图5示方向进动，飞轮组件B通过第二传动机构带动飞轮组件D以大小为ω2且与飞轮组件B进动方向相反的方向进动，根据角动量守恒，两个飞轮组件会分别提供翻转力矩M2、M2’与翻转力矩M0’相反的平衡力矩，使整体达到平衡。因此，本实施例的自平衡装置仅利用飞轮组件的飞轮114自转以及一个进步电机带动两个飞轮组件的进动，就可以达到一个方向的平衡，与现有技术中每个飞轮114盘都需要单独的舵机驱动进行进动相比，保证飞轮组件运动的统一性和同步性，能够达到很高的进动加速度，具有较小的尺寸，节约空间。

在上述实施例中，如图2、图3和图4所示，第一传动机构包括第一进动驱动齿轮5和第二进动驱动齿轮3；第一进动驱动齿轮5安装在进动电机6的转动轴上，第二进动驱动齿轮3安装在第一飞轮组件11的壳体上与飞轮电机111相对的一端面上且第二进动驱动齿轮3的安装方向与壳体的端面相垂直，第一进动驱动齿轮5与第二进动驱动齿轮3啮合。其中，第二进动驱动齿轮3为半圆状的齿轮结构，利用进动电机6通过第一进动驱动齿轮5和第二进动驱动齿轮3的转动，带动第一飞轮组件11绕第一飞轮组件11的水平横向中轴线旋转，即图5所示的X轴或Y轴。

在上述实施例中，如图2、图3和图4所示，第二传动机构包括第一进动联动齿轮2和第二进动联动齿轮4；第一进动联动齿轮2安装在第一飞轮组件11的壳体的外侧壁，第二进动联动齿轮4安装在第二飞轮组件12的壳体的外侧壁；第一进动联动齿轮2与第二进动联动齿轮4相啮合。其中，第一进动联动齿轮2和第二进动联动齿轮4为圆弧状的齿轮结构；在第一飞轮组件11在旋转的过程中，利用第一进动联动齿轮2与第二进动联动齿轮4的啮合，带动第二飞轮组件12沿与第一飞轮组件11转动速度相同，且方向相反进行旋转，从而保证两个飞轮组件的旋转的统一性和同步性。

在上述实施例中，飞轮电机111为无刷直流电机，飞轮114的转速为30000r/min。无刷直流电机具有启动迅速，加速度快的特点，能在极短的时间内为飞轮114提供一个大的进动角。

在上述实施例中，如图2所示，壳体包括上壳体112和下壳体116，上壳体112的外缘与下壳体116的外缘为可拆卸连接。具体地，上壳体112与下壳体116通过螺栓连接，可方便壳体的拆装。

在上述实施例中，如图5所示，壳体的外侧壁上沿横向中轴线的方向设置有进动转轴115。具体地，进动转轴115与机架7铰接，并且进动转轴115沿进动电机6带动飞轮组件的进动旋转所绕的旋转轴的方向设置，即图5所示的X轴或Y轴。

在上述实施例中，两个进动机构1的进动转轴115在同一平面上彼此呈夹角设置。如图5所示，飞轮组件A、飞轮组件B、飞轮组件C和飞轮组件D的进动转轴115处于同一平面上，且飞轮组件A的进动转轴115和飞轮组件B进动转轴115之间形成夹角，飞轮组件C的进动转轴115和飞轮组件D进动转轴115之间形成夹角,夹角可为任意不为零的角度即可，即图5所示的X轴或Y轴在同一平面且不相互平行即可。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种基于陀螺进动效应的自平衡装置，其特征在于，包括机架(7)，

所述机架(7)内设置有两个进动机构(1)，两个所述进动机构(1)相对于所述机架(7)的中轴线对称设置；

每个所述进动机构(1)包括第一飞轮组件(11)、第二飞轮组件(12)、进动电机(6)、第一传动机构和第二传动机构；所述第一飞轮组件(11)及第二飞轮组件(12)可绕各自的纵向中轴线自转；

所述进动电机(6)通过第一传动机构与第一飞轮组件(11)连接，所述第一飞轮组件(11)通过第二传动机构与第二飞轮组件(12)相连接，所述进动电机(6)能够使第一飞轮组件(11)与第二飞轮组件(12)以速率相同且方向相反的角速度绕各自的横向中轴线旋转；

两个进动机构(1)的进动转轴(115)在同一平面上彼此呈夹角设置。

2.根据权利要求1所述的基于陀螺进动效应的自平衡装置，其特征在于，所述第一飞轮组件(11)和第二飞轮组件(12)均包括壳体、飞轮(114)、飞轮电机(111)及连接轴承(113)；

所述飞轮(114)位于壳体内，且所述飞轮(114)一端的周壁通过连接轴承(113)与所述壳体的一端面转动连接，所述飞轮(114)另一端的周壁通过连接轴承(113)与所述壳体的另一端面转动连接；所述飞轮电机(111)的转动轴穿过所述壳体的一端面且与所述飞轮(114)的一端连接，所述飞轮电机(111)能够驱动飞轮(114)沿所述第一飞轮组件(11)的纵向中轴线旋转；所述第一飞轮组件(11)和第二飞轮组件(12)的进动联动齿轮相啮合；

所述第一飞轮组件(11)的壳体的外侧壁通过第二传动机构与第二飞轮组件(12)的壳体的外侧壁相连接；

所述第一飞轮组件(11)的壳体上与所述飞轮电机(111)相对的一端面通过第一传动机构与进动电机(6)连接。

3.根据权利要求2所述的基于陀螺进动效应的自平衡装置，其特征在于，所述第一传动机构包括第一进动驱动齿轮(5)和第二进动驱动齿轮(3)；所述第一进动驱动齿轮(5)安装在进动电机(6)的转动轴上，所述第二进动驱动齿轮(3)安装在第一飞轮组件(11)的壳体上与所述飞轮电机(111)相对的一端面上且所述第二进动驱动齿轮(3)的安装方向与壳体的端面相垂直，所述第一进动驱动齿轮(5)与第二进动驱动齿轮(3)啮合。

4.根据权利要求2所述的基于陀螺进动效应的自平衡装置，其特征在于，所述第二传动机构包括第一进动联动齿轮(2)和第二进动联动齿轮(4)；

所述第一进动联动齿轮(2)安装在所述第一飞轮组件(11)的壳体的外侧壁，所述第二进动联动齿轮(4)安装在所述第二飞轮组件(12)的壳体的外侧壁；

所述第一进动联动齿轮(2)与第二进动联动齿轮(4)相啮合。

5.根据权利要求2所述的基于陀螺进动效应的自平衡装置，其特征在于，所述飞轮电机(111)为无刷直流电机，所述飞轮(114)的转速为30000r/min。

6.根据权利要求2所述的基于陀螺进动效应的自平衡装置，其特征在于，所述壳体包括上壳体(112)和下壳体(116)，所述上壳体(112)的外缘与所述下壳体(116)的外缘为可拆卸连接。

7.根据权利要求2所述的基于陀螺进动效应的自平衡装置，其特征在于，所述壳体的外侧壁上沿横向中轴线的方向设置有进动转轴(115)。

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