自己做辆平衡车（上）

平衡车是现在市面上比较热销的一种科技产品，受到很多青少年的喜爱。但出于安全方面的考虑，平衡车的出行还是受到了诸多限制。此外，一辆平衡车价格不菲，大多数青少年难以承受。本期我们就来制作一辆简单的平衡车，它虽不能真正用来驾行，但依然可以让你体验到玩平衡车的乐趣。

基 本 原 理

平衡车能够实现自主平衡，主要是运用了倒立摆的控制原理。

倒立摆，如上图所示，支撑的细杆位于摆的下方，而小球位于其顶端。倒立摆在自然状态下是不稳定的，无法保持平衡，必须施加外力，从外部进行控制，才能确保摆不会倒下。

比如，若细杆顶端的小球往左侧倾斜（见蓝色箭头），则需要把下方的小车也往左侧移动（见红色箭头），这相当于给细杆的底端施加一个向左的力，能让摆重回竖直。

平衡车就是通过不断地改变小车的运动方向，使小车的车身在竖直方向上保持一个动态平衡。

市面上的平衡车都采用了这种原理，只是它们的平衡调节更加精密，小车运动控制得很迅速也很细微，站在车上不会明显感觉出来。

对于平衡车车身后仰或者前倾的趋势，控制系统必须及时进行纠正。但纠正太早了可能使车子运动过快，变成相反姿态而失去控制；纠正太晚了可能已经错过时机，无法恢复平衡，最后导致车子倾倒。要确知什么时刻纠正才恰当，就需要借助一个姿态反馈机构，及时改变车轮的运动状态。

我们制作的平衡车为双轮结构，这里使用限位开关作为机械传感器用于反馈平衡车的姿态。同时把电池盒用支架竖起来，把重心移到顶端，整体构成倒立摆的结构。另外，在限位开关的弹片上安装一个触碰球，当平衡车的车身没有后仰时，触碰球不着地，限位开关不被触发，电机向一个方向转动，驱动车子前进；当车子的车身后仰到一定角度时，触碰球着地，触发限位开关，电机改为相反方向转动，从而驱动车子后退。

制 作 过 程

1. 参照2017年第6期《奔跑吧，仓鼠》一文，制作减速电机并安装电池盒。

2. 取下输出转动轴，在其两端各套上一个带孔的单层齿轮，作为两侧车轮的内侧轮毂。注意要保证输出转动轴重新装上后它们不会碰到减速电机上短轴两端的塑料垫圈（橙色）。

3. 在输出转动轴两端的外侧，再各套上一个带孔的单层齿轮，作为两侧车轮的外侧轮毂。把输出转动轴重新装到减速电机的轴承槽里，把轴承扣扣上，并用手扭动轮毂，让四个轮毂上的小孔位置完全对准。

4. 参照2017年第6期《奔跑吧，仓鼠》一文中步骤8—10的制作方法，制作平衡车的两个轮胎和辐条。

5. 由于减速电机两侧的输出转动轴长度有限，而两侧车轮的轮胎宽度又比较大，因此为保证减速电机不会碰到两侧的轮胎，连接轮毂和轮胎之间的辐条要被弯折成一定的角度，详见下图中的俯视剖面图。考虑到手工制作轮胎可能存在误差，因而辐条的长度留有一定冗余，通过改变辐条的弯折程度就可以让辐条的长度调到适应轮胎直径。可同时调整轮胎的安装角度，使两侧轮胎都垂直地面且互相平行。

6. 把安装了车轮的输出转动轴重新安装到减速电机上。把减速电机的轴承扣扣上，将输出转动轴封在轴承槽中，这样相当于把减速电机挂在了车轮上。车轮表面较光滑，摩擦系数小，不利于平衡车来回运动控制平衡，因此在车轮外侧粘贴一圈海绵胶带，增大摩擦力。

7. 制作一个干电池外接转换器。使用时，把外接转换器当作一个干电池，直接装入电池盒，就可以利用DC接口与其他外部电源连接了。首先裁剪一块长35mm、宽12mm的PVC方块作为转换器背板，用502胶水将相同长度的轨道卡扣粘贴到方块的两侧，注意轨道卡扣光滑的侧面朝外侧。这样制作好的转换器可用轨道卡扣扣在电池盒两侧边缘上。

8. 取两段宽12mm的PVC線槽，将各段线槽的一个侧边剪掉，制成两个L形结构。在L形结构的侧边上各剪出2mm宽的缺口，用502胶水将它们粘在步骤7制作的转换器背板上，制成凹槽结构。

9. 把凹槽结构扣到电池盒内，用铅笔透过电池盒电极上的小孔，在凹槽结构的侧板上做打孔标记，然后用锥子钻出直径约2mm的小孔。

10. 取一颗M2×10mm的圆头螺丝和一颗M2×6mm的平头螺丝，在圆头螺丝上拧入两颗M2螺母，在平头螺丝上拧入一颗M2螺母，然后再分别套上一个M3的金属垫片。取红黑色导线各一根，剥去其一端部分外皮，分别绕在两颗螺丝上。再取两颗螺母，如图将两颗连接了导线的螺丝固定在凹槽结构上。

11. 在凹槽结构上靠近M2×10mm螺丝这一端，分别距离边缘13mm、8mm的两个中心位置各打一个孔，将红黑导线分别从两个孔中穿出。把两根导线前端的塑料绝缘皮都去掉一点，给露出的金属线上好焊锡。

12. 用尖嘴钳把DC插座侧面的引脚（脚3）折弯到与插座底面平齐。给DC插座的另外两根引脚（脚1、脚2）上好焊锡。把红色导线焊接到DC插座尾部的引脚（脚1）上，把黑色导线焊接到DC插座前端的引脚（脚2）上。

用502胶水把DC插座粘贴在转换器背板上。在背板内侧，用热熔胶把理整齐的红、黑导线固定在背板上。电池外接转换器就完成了。

13. 制作支架。截取长10cm的一段PVC线槽，在距离一端边缘40mm的位置，作一条横截线，再在分别距离两侧边缘5mm的位置，各作一条与该横截线垂直的直线。如图沿线框在线槽上开一个方形的缺口。剪一段长24mm、宽2mm的PVC细长条，用502胶水把这细长条固定在方形缺口的前端边缘。

（在下期中，我们将继续介绍平衡车其他部分的制作）endprint