[發明專利]一種基于電磁效應的倒立擺系統

有效

• 申請號: 201110406839.1
• 申請日: 2011-12-08
• 公開（公告）號: CN102522042A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 阮曉鋼;朱曉慶;彭奎;左國玉;龔道雄;李亞磊;王愷;侯旭陽;趙秉輝;高靜欣;魏若巖;張蓉;張玉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G09B25/02
• 分類號: G09B25/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發明涉及科學研究或教學的實驗系統，尤其涉及一種基于電磁效應的倒立擺系統，該系統在控制領域用來檢驗某種理論或方法的正確性與可行性，更重要的是該系統可以為獨輪機器人的側向平衡提供解決方案。

背景技術

文獻檢索及專利檢索顯示，現有的倒立擺系統控制其平衡的力或力矩絕大多數是在倒立擺的下端，如很常見的小車倒立擺就是通過控制連接擺桿的小車運動達到控制倒立擺平衡的目的，但是隨著獨輪機器人研究的進行，獨輪機器人側向平衡問題一直困擾著研究人員，因為獨輪機器人的一個輪子只有前后方向的自由度，沒有側向的自由度，因而在不改變輪子結構前提下，不能通過只控制一個獨輪就保持獨輪機器人的平衡，必須通過在獨輪機器人上方施加力方可保持獨輪機器人的側向平衡，為此申請號為200810106348.3的發明專利首先給出了一種控制獨輪機器人側向平衡的方案，其通過改變側向配重的重心位置來達到控制獨輪機器人側向平衡的目的；然后申請號為201010151221.0的發明專利給出了基于慣性飛輪旋轉產生反扭矩控制倒立擺平衡，間接解決了機器人側向平衡問題。但是以上兩類解決方案都存在系統笨重問題，即需要質量較大的裝置才能保持平衡，而且慣性飛輪的方法產生的力與加速度有關系，受電機性能限制很難控制。

發明內容

為了解決現有從倒立擺上部產生作用力的倒立擺平衡控制系統結構笨重，質量較大的問題，本發明提出了一種基于電磁效應產生力或力矩作用于倒立擺上部來得到控制倒立擺平衡，間接為控制獨輪機器人側向平衡提供解決方案。因為其控制巧妙亦可作為高等院校的實驗教學儀器，為獨輪機器人的側向平衡研究及高等院校教學提供實驗平臺。更值得一提的是因為采用電磁效應產生作用力所以系統的體積小，質量輕，更加適合獨輪機器人的機動性能要求。

本發明采用如下技術方案，參照圖1，基于電磁效應的倒立擺系統，包括基座1、連接軸2、線圈3、線圈平臺4、舵機5、舵機連接桿6、永磁體支架7、永磁體8、隔板9、陀螺儀10、加速度計11、控制模塊12、電源模塊13、線圈繞組14、線圈支架15，基座把手16，電磁屏蔽材料17。

基座1與連接桿2活動相連，線圈3下端與連接軸2固定連接，平臺4與線圈3是一個整體，位于線圈3側面的下端，舵機5固定在線圈3一側的平臺4上，舵機連接桿6下端與舵機5轉動盤同心連接，永磁體支架7與舵機連接桿6的另一端固定連接，永磁體8固定在永磁體支架7上，三塊隔板9鑲嵌入線圈的內側，陀螺儀10和加速度計11安放在第二塊隔板9上，控制模塊12安放在最下邊的隔板9上，陀螺儀10和加速度計11由控制模塊13供電，并且與控制模塊12相連將測量的信息傳輸給控制模塊12，電源模塊13安放在線圈3下部的內側面上，線圈繞組14繞于線圈3外側面，電源模塊13給控制模塊12和線圈繞組14供電，控制模塊12輸出控制量控制舵機4和線圈繞組14中的電流。線圈支架15固定在基座1上對稱置于轉動連接軸2兩側，。

基座1通過兩個軸承與連接桿2相連。

所述的控制模塊13為單片機芯片，DSP芯片、ARM芯片或FPGA。

所述的舵機5亦可替代為步進電機或直流電機。

所述的基于電磁效應的倒立擺系統，線圈繞組14位于線圈3頂部桿處加有鐵芯，以增強電磁效應所產生的力或力矩，但線圈繞組14位于線圈3底部外側安放有電磁屏蔽材料，以避免電磁效應對底部的線圈繞組產生力的作用。

所述的基于電磁效應的倒立擺系統，所述的線圈3與舵機4連接有兩種結構，一種是舵機4固定在線圈3一側的平臺上，這時永磁體在舵機4作用下將一直在線圈正上方產生磁場；另一種結構是在線圈4兩側對稱伸出兩個平臺，也就是將第一種結構的平臺4向上移動到側面中心位置，并在對面對稱這么設置，然后在平臺4上固定連接兩個舵機5，這時舵機5將帶動永磁體8在線圈3周邊旋轉，這樣同樣可以起到在線圈3正上方有一磁場的效果。

所述的基于電磁效應的倒立擺系統，線圈支架15的角度可調，既可以起到保護倒立擺裝置作用，又可起到調節倒立擺初始擺角作用，還可以在裝置不使用時起到固定倒立擺裝置的作用。

所述的基于電磁效應的倒立擺系統，基座把手16可以起到方便搬運整個裝置的作用。

倒立擺平衡主要基于電磁效應來實現，即通電線圈在磁場中受力這樣原理來實現倒立擺的平衡控制，通過控制線圈中電流的方向及大小就可以實現倒立擺裝置的平衡控制。