一种自主平衡载物车
阅读说明：本技术 一种自主平衡载物车 (Autonomic balance carries thing car ) 是由 崔玉鑫 杨彬 黄楚九 宫泽睿 李文莉 范文赫 林金柱 王彬彬 于 2021-02-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自主平衡载物车,包括履带车、平移导轨、平衡框架、下滑台、上滑台、载物台、电源、重量传感器、控制系统、电机驱动器和陀螺仪,本发明运用平衡框架将载物台与履带小车巧妙结合起来,上部载物台搭载重物,中间平衡框架调整重心,可根据不同实际地形、坡度自主通过上滑台带动连接杆调节载物台的角度使载物台始终保持水平,并通过下滑台调整小车的重心使小车不至于倾翻,维持稳定；下部的履带车提供动力,履带车本身具有平稳上下楼梯的功能。本发明采取全自主调节方式,便于操作,可以行动于楼梯等有较大坡度的地方,弥补了以往运输小车的缺陷,提供了极大的便利,用于水平地面及上下楼梯运输。(The invention provides an autonomous balance carrier vehicle, which comprises a tracked vehicle, a translation guide rail, a balance frame, a lower sliding table, an upper sliding table, a carrier table, a power supply, a weight sensor, a control system, a motor driver and a gyroscope, wherein the balance frame is used for ingeniously combining the carrier table and the tracked vehicle, the upper carrier table carries a heavy object, the center of gravity of the intermediate balance frame is adjusted, the carrier table can be always kept horizontal by automatically driving a connecting rod to adjust the angle of the carrier table through the upper sliding table according to different actual terrains and gradients, and the center of gravity of the trolley is adjusted through the lower sliding table so that the trolley cannot tip over and is kept stable; the tracked vehicle on the lower part provides power, and the tracked vehicle has the function of stably going up and down stairs. The invention adopts a full-automatic adjusting mode, is convenient to operate, can act on places with larger slopes such as stairs, makes up for the defects of the traditional transport trolley, provides great convenience, and is used for transporting on the horizontal ground and up and down the stairs.)
技术领域
本发明涉及一种载物车，特别涉及一种自主平衡载物车。
背景技术
现如今，社会飞速发展，购物变得方便快捷，但老人仍愿意亲力亲为。而老人大多独自生活且行动不便，需要上下楼梯的情况较多，特别是购买重量较大的物品难以携带，上楼不便，如有不慎容易发生跌倒的危险。对此，需要一种适应能力更强的助老服务车，能够通过简单操作，进行平地运输，并且还能自主平衡调节载物平台的角度，使其适应楼梯坡度保持平衡，进行平稳的上下楼梯运输，帮助老年人承载重物，节省运输物品的时间和体能，保证老人的安全。同时，在军事运输、抢险救灾等恶劣环境，也需要一种以机械代替人力，使运输和救援更加高效安全的自主平衡载物车。然而现有的载物车操作繁琐，结构复杂，控制难度较大，不适应在上楼梯等坡度较大的环境运输。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种自主平衡载物车，包括履带车、平移导轨、平衡框架、下滑台、上滑台、载物台、电源、重量传感器、控制系统、电机驱动器和陀螺仪，所述的履带车的上平台设有一组平移导轨，平移导轨沿履带车纵向设置，下滑台设在平移导轨之间，与平移导轨平行设置；所述的平衡框架包括底框和立框，底框上部的左右两侧分别设有立框，两组立框相互平行，且与平移导轨平行；底框的下部设有滑动连接件，滑动连接件与平移导轨滑动连接；底框的下部同时与下滑台的滑动座相连，滑动座在下滑台上移动带动平衡框架沿平移导轨移动；上滑台固定在底框上，位于两组立框之间，上滑台和下滑台平行设置；平衡框架的两组立框上方分别设有轴承支座，载物台的下部设有转轴固定座，转轴固定座上设有转轴，转轴沿载物台横向设置，转轴的两端通过轴承与平衡框架两侧立框上的轴承支座相连；上滑台的滑动座上设有第一固定铰支座，载物台下部一端设有第二固定铰支座，第一固定铰支座和第二固定铰支座之间设有连杆，连杆的两端分别与第一固定铰支座和第二固定铰支座铰接；电源、控制系统、电机驱动器、陀螺仪分别设在履带车上，电源分别与重量传感器、控制系统、电机驱动器、陀螺仪相连，并提供电能，重量传感器设在载物台上，用于检查载物台上所载重物的质量；控制系统与重量传感器、电机驱动器和陀螺仪相连，由控制系统接收重量传感器测得的重物质量信息及陀螺仪测得的载物车倾斜角度信息，经过计算输出控制信号给电机驱动器，电机驱动器的输出端分别与上滑台和下滑台的驱动电机相连，控制上滑台和下滑台的驱动电机运行，进而改变上滑台和下滑台的滑动座的滑动位置。
数据传输系统设在履带车上，并与控制系统相连，通过接收和传输数据进行相应的人机交互控制。
所述的连杆的两端包括鱼眼轴承，连杆与鱼眼轴承通过螺纹连接，通过鱼眼轴承与第一固定铰支座和第二固定铰支座铰接。
上滑台和下滑台的控制方法如下：
当载物车位于水平状态时，上滑台和下滑台的滑动座分别位于初始位置；
当载物车在前进方向遇到上坡或下坡时，陀螺仪检查到载物车产生倾斜角度θ，控制系统根据倾斜角度的变化及重物质量，通过电机驱动器实时调整下滑台的滑动座向载物车倾斜坡度上方移动，带动平衡框架上移，以使整体重心上移，防止载物车向前倾覆；同时控制系统通过电机驱动器实时调整上滑台的滑动座向载物车倾斜坡度下方移动，通过连杆的作用以使载物台保持水平。
在控制系统中，对于下滑台的滑动座移动距离计算过程如下：
以载物车的履带后端与地面接触点为原点，前进方向为x轴，垂直于x轴向上的方向为y轴，建立直角坐标系；
载物车的质量为m1，载物台上所载重物的质量为m2，水平状态下载物车空载时重心的坐标(x1，y1)，载物台上所载重物重心的坐标(x2，y2)，载物车及重物整体重心的坐标(xc，yc)满足如下关系：
由于载物车须保持重心平衡不倾覆，调节下滑台的过程中所载重物重心坐标(x2，y2)发生变化，计算公式如下：
y2＝h2+h3+h1 cosθ (3)
公式(2)和(3)中：表示水平放置时重物重心的初始横坐标；d1为下滑台的滑动座移动的距离；h1为所载重物的重心与载物台的转轴之间的距离；h2为履带车的高度，即下滑台离地面的高度；h3为平衡框架的高度，即载物台的转轴与下滑台之间的距离；θ为载物车的倾斜角；
载物车及重物整体重心的坐标(xc，yc)同时满足如下关系：
xc-yc tanθ＝|x1| (4)
输入陀螺仪测得载物车的倾斜角θ，由上述公式(1)-(4)得到下滑台滑动座移动的距离d1，下滑台的滑动座向载物车倾斜坡度上方移动距离d1以使整体重心上移保持平衡；
同时，对于上滑台的滑动座移动距离计算过程如下：
公式(5)中：d2为上滑台的滑动座移动的距离；l1为连杆的长度；h4为转轴与上滑台滑动座之间的垂直距离；l2为转轴与第二固定铰支座之间的距离；θ为载物车的倾斜角；
输入陀螺仪测得载物车的倾斜角θ，由公式(5)得到上滑台滑动座移动的距离d2，上滑台的滑动座向载物车倾斜坡度下方移动距离d2以使载物台保持水平。
本发明的有益效果：
本发明运用平衡框架将载物台与履带小车巧妙结合起来，上部载物台搭载重物，中间平衡框架调整重心，可根据不同实际地形、坡度自主通过上滑台带动连杆调节载物台的角度使载物台始终保持水平，并通过下滑台调整小车的重心使小车不至于倾翻，维持稳定；下部的履带车提供动力，履带车本身具有平稳上下楼梯的功能。本发明采取全自主调节方式，便于操作，可以行动于楼梯等有较大坡度的地方，弥补了以往运输小车的缺陷，提供了极大的便利，用于水平地面及上下楼梯运输，可帮助老人进行物品搬运，除了应用于生活助老方面，还可应用于军事，医疗，救援等领域，可以在人力条件不足、成本较高的情况下运输更多物品，节省人力和时间，提高效率，节约成本。
附图说明
图1为本发明正视结构示意图；
图2为本发明侧视结构示意图；
图3为本发明俯视结构示意图；
图4为本发明平衡框架及载物台结构示意图；
图5为本发明下滑台移动过程计算参考示意图一；
图6为本发明下滑台移动过程计算参考示意图二；
图7为本发明上滑台移动过程计算参考示意图；
图8为本发明载物台转动adams仿真示意图一；
图9为本发明载物台转动adams仿真示意图二；
图10为本发明载物台转动范围示意图；
1、履带车 2、平导轨 3、下滑台 4、平衡框架 5、底框 6、立框
7、滑动连接件 8、上滑台 9、轴承支座 10、载物台 11、转轴固定座
12、转轴 13、第一固定铰支座 14、第二固定铰支座 15、连杆
16、电源 17、控制系统 18、电机驱动器 19、陀螺仪
20、数据传输系统 21、鱼眼轴承。
具体实施方式
请参阅说明书附图1-4所示：
本发明提供一种自主平衡载物车，包括履带车1、平移导轨2、下滑台3、平衡框架4、上滑台8、载物台10、电源16、控制系统17、电机驱动器18、陀螺仪19、重量传感器和数据传输系统20，所述的履带车1的上平台设有一组平移导轨2，一组平移导轨2包括两条平行设置的平移导轨2，平移导轨2沿履带车1纵向设置，下滑台3设在平移导轨2之间，与平移导轨2平行设置；所述的平衡框架4包括底框5和立框6，底框5上部的左右两侧分别设有立框6，两组立框6相互平行，且与平移导轨2平行；底框5的下部设有滑动连接件7，滑动连接件7与平移导轨2滑动连接；底框5的下部同时与下滑台3的滑动座相连，滑动座在下滑台3上移动带动平衡框架4沿平移导轨2移动；上滑台8固定在平衡框架4的底框5上，位于两组立框6之间，上滑台8和下滑台3平行设置；平衡框架4的两组立框6上方分别设有轴承支座9，载物台10的下部设有转轴固定座11，转轴固定座11上设有转轴12，转轴12沿载物台10横向设置，转轴12的两端通过轴承与平衡框架4两侧立框6上的轴承支座9相连；上滑台8的滑动座上设有第一固定铰支座13，载物台10下部纵向的一端设有第二固定铰支座14，第一固定铰支座13和第二固定铰支座14之间设有连杆15，连杆15的两端分别与第一固定铰支座13和第二固定铰支座14铰接；电源16、控制系统17、电机驱动器18、陀螺仪19分别设在履带车1上，重量传感器设在载物台10上，电源16分别与控制系统17、电机驱动器18、陀螺仪19和重量传感器相连，并提供电能，用于检查载物台10上所载重物的质量；控制系统17与重量传感器、电机驱动器18和陀螺仪19相连，由控制系统接收重量传感器测得的重物质量信息及陀螺仪19测得的载物车倾斜角度信息，经过计算输出控制信号给电机驱动器18，电机驱动器18的输出端分别与上滑台8和下滑台3的驱动电机相连，控制上滑台8和下滑台3的驱动电机运行，进而改变上滑台8和下滑台3的滑动座的滑动位置。
数据传输系统20设在履带车1上，并与控制系统17相连，通过接收和传输数据进行相应的人机交互控制。
所述的连杆15的两端包括鱼眼轴承21，连杆15两端与鱼眼轴承21通过螺纹连接，通过鱼眼轴承21与第一固定铰支座13和第二固定铰支座14铰接。
所述的控制系统17为微型计算机，电机驱动器18、陀螺仪19、重量传感器和数据传输系统20均为现有设备。
上滑台8和下滑台3的控制方法如下：
当载物车位于水平状态时，上滑台8和下滑台3的滑动座分别位于初始位置，初始位置为上滑台8和下滑台3滑道的某一点；
当载物车在前进方向遇到上坡或下坡时，陀螺仪19检查到载物车产生倾斜角度θ，控制系统17根据倾斜角度的变化及重物质量，通过电机驱动器18实时调整下滑台3的滑动座向载物车倾斜坡度上方移动，带动平衡框架4上移，以使整体重心上移，防止载物车向前倾覆；同时控制系统17通过电机驱动器18实时调整上滑台8的滑动座向载物车倾斜坡度下方移动，通过连杆15的作用以使载物台10保持水平。
在控制系统17中，对于下滑台3的滑动座移动距离计算过程如下：
请参阅图5、6所示，以履带车的履带后端与地面接触点为原点O，前进方向为x轴，垂直于x轴向上的方向为y轴，建立直角坐标系；
载物车的质量为m1，载物台10上所载重物的质量为m2，水平状态下载物车空载时重心的坐标C1(x1，y1)，载物台10上所载重物重心的坐标C2(x2，y2)，载物车及重物整体重心的坐标C(xc，yc)满足如下关系：
由于载物车须保持重心平衡不倾覆，调节下滑台3的过程中所载重物重心坐标(x2，y2)发生变化，计算公式如下：
y2＝h2+h3+h1 cosθ (3)
公式(2)和(3)中：表示水平放置时重物重心的初始横坐标；d1为下滑台3的滑动座移动的距离；h1为所载重物的重心与载物台10的转轴12之间的相对距离，如图中C2D，D点为转轴的轴心点；h2为履带车的高度，即下滑台3离地面的高度，如图中BE，B点为履带车底部的中心点，E点为履带车上平台中心点，相当于下滑台滑道的中心点；h3为平衡框架4的高度，即载物台10的转轴12与下滑台3之间的距离，如图中AD，A点为D点到履带车上平台的垂足点；θ为载物车的倾斜角；
载物车及重物整体重心的坐标C(xc，yc)同时满足如下关系：
xc-yc tanθ＝|x1| (4)
输入陀螺仪19测得载物车的倾斜角θ，由上述公式(1)-(4)得到下滑台3滑动座移动的距离d1，下滑台3的滑动座向载物车倾斜坡度上方移动距离d1以使整体重心上移保持平衡；
同时，请参阅图7所示，对于上滑台8的滑动座移动距离计算过程如下：
公式(5)中：d2为上滑台8的滑动座移动的距离；l1为连杆15的长度，如图中SF；h4为转轴12与上滑台滑动座之间的垂直距离，如图中DH；l2为转轴12与第二固定铰支座14之间的距离，如图中DF；θ为载物车的倾斜角；
输入陀螺仪19测得载物车的倾斜角θ，由公式(5)得到上滑台8滑动座移动的距离d2，上滑台8的滑动座向载物车倾斜坡度下方移动距离d2以使载物台保持水平。
载物台的转动参考说明书附图8-10。
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