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。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，一輛平衡車價格不菲，大多數(shù)青少年難以承受。本期我們就來制作一輛簡單的平衡車，它雖不能真正用來駕行，但依然可以讓你體驗到玩平衡車的樂趣。

基 本 原 理

平衡車能夠實現(xiàn)自主平衡，主要是運用了倒立擺的控制原理。

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

比如，若細桿頂端的小球往左側傾斜（見藍色箭頭），則需要把下方的小車也往左側移動（見紅色箭頭），這相當于給細桿的底端施加一個向左的力，能讓擺重回豎直。

平衡車就是通過不斷地改變小車的運動方向，使小車的車身在豎直方向上保持一個動態(tài)平衡。

市面上的平衡車都采用了這種原理，只是它們的平衡調節(jié)更加精密，小車運動控制得很迅速也很細微，站在車上不會明顯感覺出來。

對于平衡車車身后仰或者前傾的趨勢，控制系統(tǒng)必須及時進行糾正。但糾正太早了可能使車子運動過快，變成相反姿態(tài)而失去控制；糾正太晚了可能已經(jīng)錯過時機，無法恢復平衡，最后導致車子傾倒。要確知什么時刻糾正才恰當，就需要借助一個姿態(tài)反饋機構，及時改變車輪的運動狀態(tài)。

我們制作的平衡車為雙輪結構，這里使用限位開關作為機械傳感器用于反饋平衡車的姿態(tài)。同時把電池盒用支架豎起來，把重心移到頂端，整體構成倒立擺的結構。另外，在限位開關的彈片上安裝一個觸碰球，當平衡車的車身沒有后仰時，觸碰球不著地，限位開關不被觸發(fā)，電機向一個方向轉動，驅動車子前進；當車子的車身后仰到一定角度時，觸碰球著地，觸發(fā)限位開關，電機改為相反方向轉動，從而驅動車子后退。

制 作 過 程

1. 參照2017年第6期《奔跑吧，倉鼠》一文，制作減速電機并安裝電池盒。

2. 取下輸出轉動軸，在其兩端各套上一個帶孔的單層齒輪，作為兩側車輪的內側輪轂。注意要保證輸出轉動軸重新裝上后它們不會碰到減速電機上短軸兩端的塑料墊圈（橙色）。

3. 在輸出轉動軸兩端的外側，再各套上一個帶孔的單層齒輪，作為兩側車輪的外側輪轂。把輸出轉動軸重新裝到減速電機的軸承槽里，把軸承扣扣上，并用手扭動輪轂，讓四個輪轂上的小孔位置完全對準。

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

5. 由于減速電機兩側的輸出轉動軸長度有限，而兩側車輪的輪胎寬度又比較大，因此為保證減速電機不會碰到兩側的輪胎，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，因而輻條的長度留有一定冗余，通過改變輻條的彎折程度就可以讓輻條的長度調到適應輪胎直徑?？赏瑫r調整輪胎的安裝角度，使兩側輪胎都垂直地面且互相平行。

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

7. 制作一個干電池外接轉換器。使用時，把外接轉換器當作一個干電池，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35mm、寬12mm的PVC方塊作為轉換器背板，用502膠水將相同長度的軌道卡扣粘貼到方塊的兩側，注意軌道卡扣光滑的側面朝外側。這樣制作好的轉換器可用軌道卡扣扣在電池盒兩側邊緣上。

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

9. 把凹槽結構扣到電池盒內，用鉛筆透過電池盒電極上的小孔，在凹槽結構的側板上做打孔標記，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M3的金屬墊片。取紅黑色導線各一根，剝去其一端部分外皮，分別繞在兩顆螺絲上。再取兩顆螺母，如圖將兩顆連接了導線的螺絲固定在凹槽結構上。

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

12. 用尖嘴鉗把DC插座側面的引腳（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。把紅色導線焊接到DC插座尾部的引腳（腳1）上，把黑色導線焊接到DC插座前端的引腳（腳2）上。

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

13. 制作支架。截取長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一個方形的缺口。剪一段長24mm、寬2mm的PVC細長條，用502膠水把這細長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