自己做輛平衡車（上）

平衡車是現(xiàn)在市面上比較熱銷的一種科技產(chǎn)品，受到很多青少年的喜愛(ài)。但出于安全方面的考慮，平衡車的出行還是受到了諸多限制。此外，一輛平衡車價(jià)格不菲，大多數(shù)青少年難以承受。本期我們就來(lái)制作一輛簡(jiǎn)單的平衡車，它雖不能真正用來(lái)駕行，但依然可以讓你體驗(yàn)到玩平衡車的樂(lè)趣。

基 本 原 理

平衡車能夠?qū)崿F(xiàn)自主平衡，主要是運(yùn)用了倒立擺的控制原理。

倒立擺，如上圖所示，支撐的細(xì)桿位于擺的下方，而小球位于其頂端。倒立擺在自然狀態(tài)下是不穩(wěn)定的，無(wú)法保持平衡，必須施加外力，從外部進(jìn)行控制，才能確保擺不會(huì)倒下。

比如，若細(xì)桿頂端的小球往左側(cè)傾斜（見(jiàn)藍(lán)色箭頭），則需要把下方的小車也往左側(cè)移動(dòng)（見(jiàn)紅色箭頭），這相當(dāng)于給細(xì)桿的底端施加一個(gè)向左的力，能讓擺重回豎直。

平衡車就是通過(guò)不斷地改變小車的運(yùn)動(dòng)方向，使小車的車身在豎直方向上保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

市面上的平衡車都采用了這種原理，只是它們的平衡調(diào)節(jié)更加精密，小車運(yùn)動(dòng)控制得很迅速也很細(xì)微，站在車上不會(huì)明顯感覺(jué)出來(lái)。

對(duì)于平衡車車身后仰或者前傾的趨勢(shì)，控制系統(tǒng)必須及時(shí)進(jìn)行糾正。但糾正太早了可能使車子運(yùn)動(dòng)過(guò)快，變成相反姿態(tài)而失去控制；糾正太晚了可能已經(jīng)錯(cuò)過(guò)時(shí)機(jī)，無(wú)法恢復(fù)平衡，最后導(dǎo)致車子傾倒。要確知什么時(shí)刻糾正才恰當(dāng)，就需要借助一個(gè)姿態(tài)反饋機(jī)構(gòu)，及時(shí)改變車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

我們制作的平衡車為雙輪結(jié)構(gòu)，這里使用限位開(kāi)關(guān)作為機(jī)械傳感器用于反饋平衡車的姿態(tài)。同時(shí)把電池盒用支架豎起來(lái)，把重心移到頂端，整體構(gòu)成倒立擺的結(jié)構(gòu)。另外，在限位開(kāi)關(guān)的彈片上安裝一個(gè)觸碰球，當(dāng)平衡車的車身沒(méi)有后仰時(shí)，觸碰球不著地，限位開(kāi)關(guān)不被觸發(fā)，電機(jī)向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車子前進(jìn)；當(dāng)車子的車身后仰到一定角度時(shí)，觸碰球著地，觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)改為相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)車子后退。

制 作 過(guò) 程

1. 參照2017年第6期《奔跑吧，倉(cāng)鼠》一文，制作減速電機(jī)并安裝電池盒。

2. 取下輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在其兩端各套上一個(gè)帶孔的單層齒輪，作為兩側(cè)車輪的內(nèi)側(cè)輪轂。注意要保證輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸重新裝上后它們不會(huì)碰到減速電機(jī)上短軸兩端的塑料墊圈（橙色）。

3. 在輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸兩端的外側(cè)，再各套上一個(gè)帶孔的單層齒輪，作為兩側(cè)車輪的外側(cè)輪轂。把輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸重新裝到減速電機(jī)的軸承槽里，把軸承扣扣上，并用手扭動(dòng)輪轂，讓四個(gè)輪轂上的小孔位置完全對(duì)準(zhǔn)。

4. 參照2017年第6期《奔跑吧，倉(cāng)鼠》一文中步驟8—10的制作方法，制作平衡車的兩個(gè)輪胎和輻條。

5. 由于減速電機(jī)兩側(cè)的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸長(zhǎng)度有限，而兩側(cè)車輪的輪胎寬度又比較大，因此為保證減速電機(jī)不會(huì)碰到兩側(cè)的輪胎，連接輪轂和輪胎之間的輻條要被彎折成一定的角度，詳見(jiàn)下圖中的俯視剖面圖?？紤]到手工制作輪胎可能存在誤差，因而輻條的長(zhǎng)度留有一定冗余，通過(guò)改變輻條的彎折程度就可以讓輻條的長(zhǎng)度調(diào)到適應(yīng)輪胎直徑?？赏瑫r(shí)調(diào)整輪胎的安裝角度，使兩側(cè)輪胎都垂直地面且互相平行。

6. 把安裝了車輪的輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸重新安裝到減速電機(jī)上。把減速電機(jī)的軸承扣扣上，將輸出轉(zhuǎn)動(dòng)軸封在軸承槽中，這樣相當(dāng)于把減速電機(jī)掛在了車輪上。車輪表面較光滑，摩擦系數(shù)小，不利于平衡車來(lái)回運(yùn)動(dòng)控制平衡，因此在車輪外側(cè)粘貼一圈海綿膠帶，增大摩擦力。

7. 制作一個(gè)干電池外接轉(zhuǎn)換器。使用時(shí)，把外接轉(zhuǎn)換器當(dāng)作一個(gè)干電池，直接裝入電池盒，就可以利用DC接口與其他外部電源連接了。首先裁剪一塊長(zhǎng)35mm、寬12mm的PVC方塊作為轉(zhuǎn)換器背板，用502膠水將相同長(zhǎng)度的軌道卡扣粘貼到方塊的兩側(cè)，注意軌道卡扣光滑的側(cè)面朝外側(cè)。這樣制作好的轉(zhuǎn)換器可用軌道卡扣扣在電池盒兩側(cè)邊緣上。

8. 取兩段寬12mm的PVC線槽，將各段線槽的一個(gè)側(cè)邊剪掉，制成兩個(gè)L形結(jié)構(gòu)。在L形結(jié)構(gòu)的側(cè)邊上各剪出2mm寬的缺口，用502膠水將它們粘在步驟7制作的轉(zhuǎn)換器背板上，制成凹槽結(jié)構(gòu)。

9. 把凹槽結(jié)構(gòu)扣到電池盒內(nèi)，用鉛筆透過(guò)電池盒電極上的小孔，在凹槽結(jié)構(gòu)的側(cè)板上做打孔標(biāo)記，然后用錐子鉆出直徑約2mm的小孔。

10. 取一顆M2×10mm的圓頭螺絲和一顆M2×6mm的平頭螺絲，在圓頭螺絲上擰入兩顆M2螺母，在平頭螺絲上擰入一顆M2螺母，然后再分別套上一個(gè)M3的金屬墊片。取紅黑色導(dǎo)線各一根，剝?nèi)テ湟欢瞬糠滞馄?，分別繞在兩顆螺絲上。再取兩顆螺母，如圖將兩顆連接了導(dǎo)線的螺絲固定在凹槽結(jié)構(gòu)上。

11. 在凹槽結(jié)構(gòu)上靠近M2×10mm螺絲這一端，分別距離邊緣13mm、8mm的兩個(gè)中心位置各打一個(gè)孔，將紅黑導(dǎo)線分別從兩個(gè)孔中穿出。把兩根導(dǎo)線前端的塑料絕緣皮都去掉一點(diǎn)，給露出的金屬線上好焊錫。

12. 用尖嘴鉗把DC插座側(cè)面的引腳（腳3）折彎到與插座底面平齊。給DC插座的另外兩根引腳（腳1、腳2）上好焊錫。把紅色導(dǎo)線焊接到DC插座尾部的引腳（腳1）上，把黑色導(dǎo)線焊接到DC插座前端的引腳（腳2）上。

用502膠水把DC插座粘貼在轉(zhuǎn)換器背板上。在背板內(nèi)側(cè)，用熱熔膠把理整齊的紅、黑導(dǎo)線固定在背板上。電池外接轉(zhuǎn)換器就完成了。

13. 制作支架。截取長(zhǎng)10cm的一段PVC線槽，在距離一端邊緣40mm的位置，作一條橫截線，再在分別距離兩側(cè)邊緣5mm的位置，各作一條與該橫截線垂直的直線。如圖沿線框在線槽上開(kāi)一個(gè)方形的缺口。剪一段長(zhǎng)24mm、寬2mm的PVC細(xì)長(zhǎng)條，用502膠水把這細(xì)長(zhǎng)條固定在方形缺口的前端邊緣。

（在下期中，我們將繼續(xù)介紹平衡車其他部分的制作）endprint