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“渣趣味”制作的第一阶段——我即车,坐地日行八十里
预先声明一下,这个作品首发在工作单位的社区平台上。发在这里不是为了什么交换流量这种目的,纯为让各位拍砖,看看这个制作下一改进版的走向。当然如果到硬创邦的网站上逛逛,鄙人默默感激之。
而文章的写作方式,与其说是教程,还不如说是制作故事。当然,如果制作第二版改进的车子,那时就有比较完善的过程了。
这类的车子,放在YouTube上可能类似可能种类很多。不过,请相信我,这是当初冒出的想法不断改进出来的,而且本来就是“不正常”的动机。
原文地址:http://ingchuang.com/group/thread/266

(本作品曾接收了以下排名不分先后人士直接或间接帮助,在此感谢。
郭阳、李犁、王怀泽、刘音奇、张路、丁可可、汪洋、刘晋如、范磊、李化龙、闫赫、王娜、窦艳妮、王玉琨、刘长福、杨健行、汪雄飞、何旭国、周佳森、清华大学基础工业实验室、李寅、朱永健、张珩梽、杨锐。文章联合署名:骆兴龙、杨健行、汪雄飞、周佳森、王玉琨。)


一直以来,存在着这些想法与事实在我身上。
1.我无法驾驭除自平衡车以外的两轮系交通工具,对重心高的交通工具有不信任感。
2.即使是自平衡车,我也无法忍受站在上面骑行半个小时以上。我认为既然交通工具要省人力,为何不彻底些?
3.一个人用的交通工具如果能便携,能戴在身上会很好。
4.所有人都是偷车贼的预备役。
5.认为履带系的交通工具是很酷的,因为能原地转向。

这些想法的综合想象产物曾几次萌芽,比如说在自平衡车后头倒扣个垃圾桶作为座椅,然后像女巫骑扫帚那样开;看到同事用单轮自平衡车牵引办公椅,自己就多用一个,希望能做到差速转向效果,结果被椅子转飞了;借了一双旱冰鞋,坐在单轮自平衡车上,殊不知它本身是为适应站立而设计的,结果就导致狂飙难以控制的效果。

终于在一次再次被郭阳敦促学习骑自行车、滑板车的讨论中,想法一下子井喷了——我干嘛要学车,自己做一台自己能开的车不就得了?我把自己做成车子的一部分不就行了?

于是开始画草图,在屁股下垫平板小车、两腿上面加驱动轮牵引,利用差速转向,开车时抱着控制板,电池放书包里。一切想象得很好,也引起不少质疑:这能走吗?好难看啊。底盘这么低不怕路面的障碍物?
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这个草图不是原来用笔画的那个。原来那张不幸成了短缺卫生纸的替代品。

稍微解释一下,所谓差速转向,就是利用左右轮不同转速产生转弯效果。如果两轮相反方向转动,就能做到原地转弯效果。一些女生质疑其卖相极差,我可以略微反击一下,如果把推进功率做大,当跑在马路上时,会让身旁的名车车主、司机心理很不好受的,我要的就是这个效果。我倒是纳闷,女生们为何没有提到担心裙子走光的问题?
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差速转向效果图,这是原地向右转。

先不管这些,做出来验证看看再说。

第一批准备的材料:
180W10寸无霍尔轮毂电机两个、24V锂电池(20AH)、无霍尔控制器两个、硅胶延长导线、带倒档的转把两个、电子刹车闸两个、六个10寸充气橡胶脚轮。
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当时为了追求极致(我不想说其实是为了省材料钱而动用公司物资等不厚道想法),打算用3D打印除后座外的全部车架零件。考虑到材料强度和为了节省材料,将填充率设为100%,及在板块设计上打了无数个洞眼,用于上螺丝固定。
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在电源方面,曾考虑过每个电机独立电源。但这么一来,不可避免会因为朝某个方向转弯多了,有个电机电源就没电了。所以就采用了统一电源,将电流分流到两个控制器输出。

在握把方面,因为要做成推进手柄形式,所以用3D打印机打印了个手柄,手刹往里面套,然后在把它粘在转把上即可。
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用手握住白色握把,直接推拉进行加速。如果刹车则捏手刹。
电机方面,因为采用了无霍尔电机,接线变得简单了。只是因为在电池上改装成双输出,所以干脆剪掉电源线上的插座,直接拧在电源延长线上。电机的相线按颜色接好就能正转,但需要注意的是,因为接线需要走大腿内侧,所以有一个轮子是要反过来安装的,导致它的相线也要反接。操作方法是任意两根相线颠倒即可。

安装轮子了。砌好前脚轮架,然后把电机、从动脚轮往缺口上拧。把轮毂电机全部装在内侧。试装在脚踝时,强烈感受到了电机的强劲推进力——绑腿线勒得好疼。郭阳建议把底板加长,承托部分小腿,增加多一道绑腿绳在后面,形成一定力矩平衡了推进力的惯性。改了之后感觉好多了。两公斤的电机,外加脚轮架让自己感觉戴了脚镣,但相对于走路这个功能实现,不是什么大问题,大不了实际情况下,后面加多一条绳索,挂在腰带上。

轮到后座了。因为使用3D打印机过度且效率很低,最后舍弃安装车座护栏了。反正先验证,轮子可能摩擦裤子的问题不是大事。

最初的设计只是很简单的平板配一根车轴。当时为了省经费,就买了尼龙棒作为车轴。结果成也弹性,败也弹性——车轴能承受我的一半体重(另一半由两对前脚轮分担了),但也压弯了。
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上面看到的是把尼龙棒作为后座车轴的加工过程。

后来改成前后两排充气脚轮后,后座就能承受我的一半体重了。这时出现了更大的问题——因为都是定向轮,在受到牵引轮转向牵引时,就变成滑动摩擦弯,就会导致后座侧翻。所以这个设定也被废除了。

何旭国这时提供了金属螺杆,作为车轴材料。郭阳将它用角磨机裁成需要长度,安装在轮子底板上。金属的车轴能承受远超于我的体重,即使车座木板断了它也纹丝不动!

提一下当中到底采用单排轮还是前后双排轮的争论。郭阳、王怀泽认为停车时很不便,需要维持后座平衡而不能让人前后倾倒。我的看法是整个结构存在着平衡力矩,它不会向后倾倒,是因为我的小腿形成了长长的力臂,避免后座绕着后轮轴向后旋转。如果加上了绑腿带,把大腿和后座固定起来,因为躯干的缘故,后座也不会向前翻滚。当然,为了简化实验,绑腿没有加上去。

将所有东西组装起来测试了,在想象当中,这等同于有人拽着你的双腿,你则坐在平板车上,被拉走的景象。貌似一种愉快的体验,例如古装片当中被马摔在地上拖行的刺激感觉。

但是结果事与愿违。这“人形车子”根本走不了多远。开了不到一米,就有一种两腿被撕开的现象。我一直忽略了这个事实——人的两腿不是平行的,尤其在平坐的时候。将前脚轮架卡在脚踝上等于将所有前轮按照非平行方式排列,它们不是万向轮,焉有不劈叉之理?同样,后退过程就是前进过程的逆向——车轴碰在一起了。另外,驾驶当中也无法将轮子不断调整方向。这次试验在电机将一只前脚轮骨架掰断而告终,强烈验证了另一件事——3D打印材料绝对不宜应用在高强度冲击的环境中。

上面看到的两个视频还是好好的,当然不能开快,不然“两马分尸”。

既然两条大腿是不平行的,能否把轮子旋转一定角度补偿呢?理论可行,但细想想就推翻了。在行驶过程中,人腿不可能一直固定不动,哪怕速度再快,相对移动还是存在的,尤其是过障碍的时候。腿移动了,好不容易砌出的平行状态就被打破了。

于是,前驱方案完全推翻,采用后驱,一切重来。

后驱的结构和前驱类似,只是把前轮换成万向轮而已。一开始我每条腿下面加了一个6寸充气万向脚轮,在模拟滚动时就发现问题了。一个脚轮无法平衡,而并排脚轮又超过板子空间了。我拒绝将双脚捆到同一块前脚轮板上,这样就失去了“变形”功能了。解决办法就是把每个前脚轮板做成12cm x 25cm大小,上面安置41.5寸或2寸万向脚轮。经过测试,滚动和转向畅顺。但是,切勿将其改装成旱冰鞋,这样的旱冰鞋无法转弯,只能走直线。(就是说,要利用反作用力转向,经过万向脚轮的处理后还是方向不变。)
上面说的不够直观?看视频就知道了,这东西无法保证前轮平衡。

后轮方面,因为是两个独立的驱动轮,出于加工问题,没有统一成一根车轴,而是分别固定在密度板座位两边。在试车时就出了问题——因为后轮是驱动轮而不是从动轮,启动时就把纤维密度板撕开了。这时郭阳提供了框架设计意见,就是把座位板和驱动轮安装在金属框架上,以金属的强度能够承受电机启动时的推进力。

买了角钢,经过切割、钻孔、安装后,再一次进行测试。这次的结果是设计强度都很满意,骨架承受住了推进力,但因为惯性直接把我向后掀翻了。试想想,我的体重75千克,其中约一半由前脚轮承受了,后座上最起码也有40千克,加上结构、框架、电机、电池等就超过50千克了。我用的电机总共功率是360瓦,也就是说在启动时会加载360牛的力推进,换而言之相当于有36千克推力。这在短时间内足够将一个采坐姿的人拉倒。解决办法就是后面加个万向脚轮。(其实放在前面也可以啦。)

经过室内测试,一切运作正常。因为室内地方狭窄,这次就搬到户外测试了。为了容易装卸,座位板都是用网线拧、绑在车架子上的。同时,测试结构上也没有增加绑腿安全带,腿部固定可谓是五花大绑的,前脚轮甚至是使用透明胶带捆在脚踝上的。

在户外测试时,操作感觉良好。意外发生了,用网线固定的座位板还是无法承受推进力骤大骤小,被拉断了,导致座位板塌陷蹭地了。王玉琨老师绑的安全绳太结实,解开它着实费劲。另外,急转弯会有侧翻的可能。再者,即使以上意外都没有发生,当务之急是要将它轻量化。像这样要站起来是做不到的。

要想轻量化,就有这几种出路:
1.骨架换材料,比方说变成航空铝合金骨架、钛合金、碳纤维等,不过这样成本太高。
2.还是换材料,不过这次把普通角钢换成万能角钢,在不影响强度的前提下减轻了重量,而且上面预留的孔位有利于上螺栓固定。
3.电机重量减轻,不过市面上太难找到这类电机。
4.电池重量减轻,但是这样对续航力有影响,能量密度参数就摆在那里无法逾越。
5.改进结构,看能否利用更少的量达到相同的结构强度。

612日到14日期间,中美青年创客大赛北京赛区成了另一个试验场。我们打算用两天时间挑战一下,能否做出改进型的车辆。

在出发前,我们先将工具和材料打包装箱装车。赛场在清华大学,离公司不远,也就不到三公里路程,拉一个小时多一点就到了。
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打包装箱,并标好内容物及注意事项,然后拉到比赛场地。
在比赛之前,还用三维建模软件稍微比划了一下效果图。
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到了赛场之后,经过一晚上休整,第二天起来动工。
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不过之后因为切割金属会带来火灾隐患,就挪到清华的基础工业实验室了。
同时经过讨论,发现在结构上经过改进,还能减轻重量。汪雄飞设计的这个架构,能让整体重量下降将近2千克。
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这么一来,车体总体变窄,即使增强了座位受力横梁用料,还是节省了材料。在操纵杆下面增添两个万向脚轮,用于急转弯时稳定车身。这样甚至连大腿固定绑带都能省了。(不过这样也无法变成可穿戴设备。)
具体大小因人而异。这台车子主结构大致为50cm*35cm,后面延伸部分约长25cm。
回到现场,先去切割角钢。

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切割前,先标好所需角钢长度。
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切割万能角钢中……
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将切割完成的角钢磨边,避免划伤。
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回到现场,切割木板,用来做前脚轮和座位。
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开始组装骨架。
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组装完的骨架
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将电池、电机、座位板上好。
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参与测试的周佳森说:“我后悔没买保险。”实际上,为了简化测试过程,前脚轮只用了一个,两腿翘在一起用,用胶带纸捆在脚轮底板上,脚轮底板上还裸露着螺母……
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最后一天早上继续奋战,重新布线。将原来捧在手里的操纵方式变成固定操纵杆,而且将能确定走线的部分固定了。
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上好靠背,别让电池硌着背后。
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把所有线路上好。万能角钢的多孔结构,对走线作业方便多了。
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把后座万向脚轮都上好了,速度控制器也固定在车架上面。
至此,全车基本安装完毕,能够光天化日之下招摇过市试驾。

不过别高兴得太早。后来开着这辆车在清华大学校园里逛了大半圈,结果脚轮和滚烫的路面不断摩擦下化了。幸好维修及时,用电烙铁把变形部分热切割掉了。
最后秀一下这次比赛的成果——优胜奖。周佳森当天中午赶飞机,不能参加下午活动。这张照片我们一直在想是否应该PS一下呢。
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在文章的最后,补充一下展望未来改进的方向。现在在准备改进第三版的车子。
  • 前脚轮做成靴套,总是用胶带纸捆扎小腿,不雅之余还不方便。
  • 用轻型高硬度材料做后座部分骨架,最好加上简单减震弹簧。全车重量要限制在10千克以内。
  • 尽量把电源整合到车体内。
  • 还是增加大腿卡扣,固定在车体上不光稳定,还有利于站立行走。(现在这个版本无法做到直接站立行走。)
  • 增加背带,不光固定身体,还能用于把车子背在身上。
  • 控制杆部分可以折叠。如果站立时,驱动轮像飞机起落架那样能够折叠就更好了。
  • 后座支撑用的万向轮改用耐磨耐高温材料。
kalimov(作者)
1楼
上面加了五个视频,视频地址是youku的,貌似不能直接显示的样子。


看了这么多,说的也比较啰嗦。我的动机只是,把自己变成车架子的一部分,用来代步就好了。想走就走,想开就开。交警拦住说是机动车,我可以说这是我的衣服,我穿着衣服在地上爬还不行么?(还有更和谐的,例如扒公交车底、警车底盘之类的……)

正在攒钱,要弄个第二版的,那时要上6061或7075铝材,让结构稍微再轻一些。有个暴力测试的目标,在有足够电池供应和护航车的条件下,从北京长途开到天津,甚至大连,看车体能否抗得住。那种情况下,减震装置、车体内嵌应急维修工具什么的都要考虑。


先上个构想中第二版后车座的图。
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2楼
感觉安全问题很大吧?
另外楼主我可以转载到微信公众号吗?会注明来源。
kalimov(作者)
3楼
引用 萧远山:
感觉安全问题很大吧?
另外楼主我可以转载到微信公众号吗?会注明来源。
可以啊,原来的来源是硬创邦http://ingchuang.com/group/thread/266
4楼
浪费资源啊………无语了
5楼
有个性,把外观弄漂亮点就更好了,要不有点像要饭的那种车
kalimov(作者)
6楼
引用 l1304889862:
有个性,把外观弄漂亮点就更好了,要不有点像要饭的那种车
馊主意:要饭车上大电机,跑得比公交快,用来寒掺别人家的豪车。(豁出去不要命的玩法)
7楼
其实这个设计很烂,人是半躺着的,视野低,其次转向系统用大腿来控制显然弊大于利,可以考虑设计成座位式的,或者直接站立式的,,驱动轮在屁股底下,转向结构可以设计在鞋子上,只需要扭动脚踝就可以转向。
8楼
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kalimov(作者)
9楼
有个朋友就是搞这个的,椅子背后上涡喷,我说他是不是模仿万户……
10楼
@kalimov:那是土豪级别了。。
11楼
这其实思路是让轮子长在身上?如果穿脱方便当是不错。
不,即使穿脱方便形象也不怎么样。
人体的强度差,这么弄有多少人的腿撑得住几公里啊。

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