[实用新型]一种人机联合平衡车

说明书

本专利提出一种人机联合平衡车，借鉴了目前二轮车和三轮车各自的特点，将它们的优点进行了结合，既有二轮车的人体平衡特点，又有三轮车/四轮车与地面接触的特点。车在行驶过程中，通过人的平衡，保证了安全平稳，同时又增强的防侧滑能力；车在低速和驻车时，人不需要将脚伸出车厢就能保证车体平稳直立，并且实现了小型车的车厢全封闭，不仅可以减小车的尺寸，并且拥有非常高的安全性。

技术领域

本专利涉及车辆领域，具体涉及一种人机联合平衡车。

背景技术

目前小型电动车、机动车(摩托车)主要是两轮、小型三轮和四轮。小汽车(小轿车)、新能源汽车不在本文讨论的范围。以下分别分析二轮和三轮/四轮车(小型)的现状和存在的问题。

1.二轮车

传统二轮自行车(以下简称二轮车)平衡体系原理的实质是人的平衡感知与平衡控制，因此不需要车有多复杂的结构，不需要任何电气设备。

二轮车前后方向有两个支点，是稳固的，但其左右方向只有一个支点(如图1所示的O点)，因此需要左右方向的平衡，这种平衡是靠人来实现的。车在行驶的过程中，人通过微调车的行进方向(很微小的拐弯，可用拐弯半径r来表达)、车速v使得F_离与G的合力F(延长线) 交替的来回经过O点，从而实现动态平衡。因此，二轮车的行进路线不是理论的直线，而是波动细微的S曲线，也正因为如此，二轮车在静止时是不能立于O点而不倒的。

除了微观上二轮车在行驶过程中车身周期性的围绕O点作极细微的摆动之外，车在经过弯道拐弯时，车身在宏观上有较大幅度的倾斜(控制摆动角θ)，以克服较大离心力，使合力F通过O点；当车减速直至驻车时，人用双脚支撑于地面以保持直立。

从以上分析可以看到：二轮车在整个行驶过程中，车身在人的操控下(调整v、r、θ)不断的围绕O点作左右摆动，实现动态平衡下的车身不倒。但由于二轮车在较低速和驻车时，需要依靠人脚触地的协助才能保持车直立不倒。由此得到结论：二轮车由于利用了人体的自身平衡能力，使车保持平稳，因此在正常行驶时，二轮车具有极高的稳定性和安全性。但是较低速和驻车时，二轮车需要人脚作为支点，所以二轮车不能采用封闭车厢的根本原因在于较低速和驻车时缺少支点。

近年有采用陀螺仪技术的自平衡两轮车，可以在安全的前提下实现车厢全封闭，但其价格非常昂贵，还没普及；另外也有带收放辅轮的全封闭两轮车，其相对安全，也没有得到普及和应用。

由于二轮车与地面的摩擦力不如三轮和四轮车，因此在行驶过程中，它的防侧滑能力不如三轮车和四轮车。

2.三轮车/四轮车

目前小型的三轮车/四轮车可以做成全封闭的车厢，但它最大的问题是拐弯翻车的风险很大，横向两轮的间距越小，越容易翻车；增加尺寸又会使得车更笨重，使用不够方便灵活，受力分析如图2。

从图2可以看出，传统三轮/四轮车拐弯时，合力F延长线与地面的交点P如果落在两轮支点A、B之间(左图)，车是稳定安全的，点 A、B就是临界点；当F_离增大时，P点就向A点靠近，最终越过A点，落在AB之外(右图)，这种情况就会翻车。合力F与重力G夹角θ的临界值是α，即当θ≤α时安全，否则翻车，临界值α＝arctan(L/2H)。

从以上分析可以看到：由于三轮/四轮车在左右方向上增加了支点，车与地面的接触由“线”变成了“面”，使得它在驻车时就具有了“先天”的静态稳定性和防侧滑能力。但与二轮车相比，三轮/四轮车有翻车的风险，因为它放弃了人在行驶时的平衡作用。当三轮或四轮着地，人们就理所当然的认为人的自身平衡已经没有必要，而完全依赖车的固有支撑结构，于是车的尺寸和安全之间的矛盾就产生了。

传统的设计思路总是无法将二轮车的特点与三轮车或四轮车进行结合，增加车轮就是意味着放弃人的平衡作用，这是传统设计思路最根本的缺陷。

发明内容