[發明專利]小型自平衡機器人姿態模擬器

有效

• 申請號: 201410005737.2
• 申請日: 2014-01-07
• 公開（公告）號: CN103744297B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發明（設計）人: 阮曉鋼;于淼淼;于乃功;馬圣策;孫榮毅;張曉平;魏若巖;李望博
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;G05D1/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

1.一種小型自平衡機器人姿態模擬器，其特征在于：該模擬器包括底座（1）、下層電機驅動器（2）、聯軸器（3）、固定平臺（4）、L型外框（5）、姿態傳感器（6）、支撐桿（7）、導軌滑臺（8）、絲桿（9）、導軌底座（10）、開關電源（11）、電源分配器（12）、DSP控制器（13）、上層電機（14）、光電編碼器a（15）、中層電機（16）、下層電機（17）、中層安裝架（18）、上層安裝架（19）、中層電機驅動器（20）、上層電機驅動器（21）、光電編碼器b（22）、滾動軸承（23）、滑輪（24）；

其中，導軌底座（10）、下層電機驅動器（2）、中層電機驅動器（20）、上層電機驅動器（21）、DSP控制器（13）、開關電源（11）、電源分配器（12）均直接固定在底座（1）上；

導軌底座（10）上安裝有絲桿（9）、下層電機（17）、滾動軸承（23），導軌底座（10）兩端通過螺栓連接固定在底座（1）上，絲桿（9）與導軌底座（10）通過滾珠軸承（23）固定在導軌底座（10）上，下層電機（17）一端與光電編碼器b（22）相連，另一端通過聯軸器（3）與絲桿（9）相連；絲桿（9）與導軌滑臺（8）內的螺紋孔通過螺紋配合連接在一起；導軌滑臺（8）下端安裝有滑輪（24），其與導軌底座（10）軌道吻合，起支撐導軌滑臺（8）的作用；

支撐桿（7）下端連接導軌滑臺（8），支撐桿（7）上端與固定平臺（4）連接，保證固定平臺（4）與導軌滑臺（8）平行；

固定平臺（4）下端通過四個預留的螺紋孔與中層電機（16）通過螺栓連接固定，固定平臺（4）中心留有中心孔；中層電機（16）與導軌滑臺（8）垂直；中層安裝架（18）置于固定平臺（4）上，中層安裝架（18）的軸穿過固定平臺（4）的中心孔與中層電機（16）相連；中層電機（16）直接驅動中層安裝架（18）轉動；同時為了布線方便，在固定平臺（4）上預留有布線孔；

L型外框（5）固定在中層安裝架（18）上，L型外框（5）底部設有對稱的長形孔，螺釘穿過長孔與中層安裝架（18）上預留的螺紋孔固定；同時長形孔的設計可以使L型外框（5）可以沿長形孔方向，調節其在中層安裝架（18）上的位置；L型外框（5）的側板預留有軸孔，軸孔周圍是四個螺紋孔，并與上層電機（14）的安裝孔對應，通過螺釘將上層電機（14）固定在L型外框（5）的內側，上層電機（14）的電機軸穿過L型外框（5）的軸孔固定上層安裝架（19）；上層安裝架（19）用來安裝姿態傳感器（6）；

電氣系統分為控制模塊、姿態檢測模塊、執行模塊、電源模塊；其中電源模塊為其它部分提供穩定的直流電源，控制模塊發出指令控制執行模塊中的步進電機按照程序編寫的方式運行，并由編碼器組成反饋回路；系統運動時各方向姿態角的變化，均由姿態檢測模塊測量，并上傳上位機進行分析；同時數據反饋到DSP控制器，組成控制回路。

2.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態模擬器，其特征在于：上層電機（14）直接驅動上層安裝架（19），使上層安裝架（19）能夠圍繞水平線做旋轉運動，模擬自平衡機器人的俯仰姿態；中層電機（16）驅動中層安裝架（18），帶動L型外框（5）及上層電機（14）轉動，模擬自平衡機器人航向姿態；下層電機（17）通過絲桿驅動導軌滑臺（8）做水平位移模擬自平衡機器人的空間水平移動。

3.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態模擬器，其特征在于：上層電機（14）、中層電機（16）、下層電機（17）均采用步進電機。

4.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態模擬器，其特征在于：光電編碼器a（15）、光電編碼器b（22）分別與上層電機（14）、下層電機（17）相連，用以測量上層電機（14）、下層電機（17）轉動的速度，作為閉環反饋。

5.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態模擬器，其特征在于：DSP控制器（13）輸出非線性PD雙回路控制的占空比可調的PWM波，控制步進下層電機驅動器（2）、中層電機驅動器（20）、上層電機驅動器（21），使上層電機（14）、中層電機（16）、下層電機（17）按照程序編定的步驟轉動。

6.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態模擬器，其特征在于：光電編碼器a（15）、光電編碼器b（22），監測上、下層電機的旋轉角度；同時將編碼器所測量得到的電機速度反饋給DSP控制器（13）。