[實用新型]一種基于反力矩旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的倒立擺系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201120151631.5
• 申請日: 2011-05-12
• 公開（公告）號: CN202075906U
• 公開（公告）日: 2011-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 阮曉鋼;朱曉慶;左國玉;侯旭陽;王昱峰;戴麗珍;趙秉輝;李亞磊;高靜欣
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及科學研究或教學的實驗系統(tǒng)，尤其涉及一種基于反力矩旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的倒立擺系統(tǒng)，該系統(tǒng)在控制領(lǐng)域用來檢驗?zāi)撤N理論或方法的正確性與可行性。

背景技術(shù)

隨著控制理論的不斷發(fā)展，機器人學科也飛速發(fā)展，世界上誕生了各種各樣的機器人，對于其中占地體積小的兩輪機器人和獨立機器人尤為引人關(guān)注。兩輪機器人和獨輪機器人本質(zhì)上都涉及倒立擺平衡問題。由于科研人員對倒立擺系統(tǒng)的研究不斷深入，截至2011年5月10日，在國家知識產(chǎn)權(quán)局上進行專利檢索僅倒立擺的關(guān)鍵詞就檢索到實用新型專利10條，實用新型專利18條，其中多級倒立擺已有4級，但現(xiàn)有的倒立擺系統(tǒng)都是在一個方向控制平衡。控制平衡方法上，多數(shù)倒立擺系統(tǒng)通過小車往復(fù)運動控制平衡。這些倒立擺系統(tǒng)對兩輪機器人的研究是非常有幫助的，因為兩輪機器人只涉及一個方向的平衡問題。不過對于獨輪機器人要同時涉及兩個方向平衡問題，現(xiàn)有的倒立擺系統(tǒng)顯然不能滿足要求。申請?zhí)枮?01010151221.0的實用新型專利提出了一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，該倒立擺系統(tǒng)用一個慣性飛輪控制倒立擺側(cè)向平衡，是一種新的控制倒立擺平衡的方法，給控制側(cè)向平衡提供一種有效的方法。但由于利用慣性飛輪產(chǎn)生反轉(zhuǎn)扭矩反方向拉起倒立擺，為了產(chǎn)生較大的反轉(zhuǎn)扭矩就需要把飛輪的質(zhì)量做得較大，但這又增加了倒立擺系統(tǒng)的質(zhì)量，就需要更大的反轉(zhuǎn)扭矩，當參數(shù)設(shè)置不合理或控制方法不當時，要做到平衡難度較大；而且系統(tǒng)質(zhì)量的笨重不堪。

針對上述存在的問題，本實用新型提出一種基于反力矩旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的倒立擺系統(tǒng)，本倒立擺系統(tǒng)具有兩個方向平衡自由度，更重要的是在側(cè)向平衡技術(shù)上使用了阻尼技術(shù)，使得系統(tǒng)輕巧靈活。

實用新型內(nèi)容

本實用新型提供一種可同時進行兩個方向自由度平衡研究的倒立擺實驗系統(tǒng)，為獨輪機器人等研究提供實驗平臺，同時也擴展了已有的倒立擺實驗儀功能。

本實用新型采用如下技術(shù)方案，參照圖1，基于反力矩旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的倒立擺系統(tǒng)，包括基座1，導軌2，滑塊3直流伺服電機4，驅(qū)動輪5，從動輪6，皮帶7，擺桿支座8，連接桿9，擺桿10，球形關(guān)節(jié)11，飛輪12，飛輪驅(qū)動電機13，飛輪驅(qū)動電機角度編碼器14、傳感器盒15、控制單元16、飛輪轉(zhuǎn)動內(nèi)圈17、阻尼器18、飛輪固定外圈19，直流伺服電機角度編碼器20。基座1上固定有兩條平行的導軌2，滑塊3穿過兩導軌2并可在導軌上運動，直流伺服電機4與驅(qū)動輪5連接，且位于基座1一端，從動輪6位于基座另一端，皮帶7繞過主動輪5和從動輪6并穿過滑塊3并與可與皮帶同步運動的滑塊3固定連接；擺桿支座8固定在滑塊3上并與連接桿9相連，連接桿9與擺桿10通過球形關(guān)節(jié)11連接，擺桿10上端固定有飛輪驅(qū)動電機13和飛輪驅(qū)動電機角度編碼器14，飛輪驅(qū)動電機13與飛輪12連接，直流伺服電機4亦與直流伺服電機角度編碼器14相連，擺桿10上位置安放傳感器盒15，傳感器盒15內(nèi)安裝有前后方向傾角傳感器、前后方向傾斜角速度傳感器、左右方向傾角傳感器、左右方向傾斜角速度傳感器，檢測擺桿10各個方向的擺動位置；控制單元16安放在基座1的一端，分別與傳感器盒15內(nèi)四個傳感器、飛輪驅(qū)動電機角度編碼器14、直流伺服電機角度編碼器20和直流伺服電機4、飛輪驅(qū)動電機13連接，飛輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈17嵌在飛輪固定外圈19內(nèi)側(cè)，阻尼器18在飛輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈17和飛輪固定外圈19中間。

所述的控制單元16為單片機芯片，DSP芯片或ARM芯片，或為微機。

用于擺桿10與連接桿9連接的球形關(guān)節(jié)具有前后方向和側(cè)向兩個方向自由度。

所述的阻尼器18有兩種結(jié)構(gòu)，一種是在飛輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈17和飛輪固定外圈19之間填充粘滯度大的粘滯液體，所述的粘滯液體包括如甘油；另一種結(jié)構(gòu)是若干根彈簧對稱地連接飛輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈17和飛輪固定外圈19，彈簧一端和飛輪旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈17相連，另一端和飛輪固定外圈19相連。

所述的球形關(guān)節(jié)11前后和兩側(cè)四個方向挖有四個槽，槽的寬度略大與擺桿直徑。

所述的阻尼器18是一種可以產(chǎn)生阻尼作用的裝置，可產(chǎn)生阻尼力阻礙物體的運動，且該阻尼力產(chǎn)生的反力矩可以使物體反方向運動，包括粘滯阻尼器，液壓阻尼器，電磁阻尼器，彈簧阻尼器。

側(cè)向平衡主要使用基于阻尼器技術(shù)的產(chǎn)生反力矩輔助以一個慣性飛輪實現(xiàn)；前后方向平衡用滑塊沿導軌前后運動實現(xiàn)。利用飛輪轉(zhuǎn)動或倒立擺傾斜使液體、彈簧產(chǎn)生形變或磁通量改變產(chǎn)生阻尼力，從而產(chǎn)生阻力力矩。