[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

技術領域

本發明涉及一種小型自平衡機器人姿態模擬器，屬于機器人姿態運動模擬仿真、慣導設備檢測領域。

背景技術

自平衡機器人是一種質心高于支點,在重力作用下機身姿態本征不穩定的移動機器人，在運動中需要自身控制姿態維持平衡。提高自平衡機器人的運動姿態控制性能，首要提供的是姿態模擬平臺，模擬自平衡機器人的運功姿態，驗證姿態檢測算法和傳感器的性能。

姿態模擬器主要用于慣導設備測試和半實物仿真測試，應用于半實物仿真測試的姿態模擬器被稱作仿真轉臺。轉臺是仿真技術的關鍵設備,由早期的單軸轉臺到目前的三軸轉臺,已經可以真實地模擬導彈或飛行器的動力學特性,在實驗室條件下復現其在空中的各種飛行姿態,對導彈或飛行器的傳感器件、制導系統和控制系統及各執行機構的性能加以測試，為成功的實際飛行提供充分的技術指標和實驗數據。因此為了能夠在自平衡機器人領域，實現通過實驗仿真機器人的各種復雜的運動姿態，驗證姿態控制算法和機身上的姿態傳感器性能的目的，本發明提出了一種小型自平衡姿態模擬器。

發明內容

本發明的目的在于提供一種小型自平衡機器人姿態模擬器，該模擬器不但可以仿真小型自平衡機器人的俯仰角、航向角的變化，還可以通過導軌滑臺水平移動和兩軸轉臺部分兩軸系運動的疊加仿真兩輪自平衡機器人在水平面上復雜的運動姿態，包括自旋、勻速轉向、機器人走“8”字等，并可作為類似相關運動仿真的試驗平臺。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種小型自平衡機器人姿態模擬器，該模擬器包括一個水平移動平臺和一個兩軸轉臺；其中，兩軸轉臺部分，上軸系模擬自平衡機器人的俯仰姿態，下軸系模擬自平衡機器人的航向角，安裝于水平移動平臺的導軌滑臺上；水平移動平臺驅動導軌滑臺，實現兩軸轉臺進行水平位移，模擬機器人在空間的水平移動；通過步進電機細分驅動器提高步進電機的步距精度，上軸系采用由步進電機直接驅動支撐架，并由光電編碼器組成閉環系統，避免產生失步，提高俯仰姿態的仿真精度；中層電機采用力矩較大的減速步進電機驅動L型框架，不加傳動裝置，減少定位誤差，提高航向角的仿真精度；下層電機由步進電機驅動絲桿，絲桿將回轉運動轉化為導軌滑臺的直線運動，并由光電編碼器組成閉環系統，提高位移精度。

與現有技術先比，本發明具有如下有益效果。

小型自平衡機器人姿態模擬器可以模擬小型自平衡機器人的俯仰角、航向角的變化；同時水平移動滑臺和兩軸轉臺運動的疊加亦可以模擬兩輪自平衡機器人在水平面上復雜的運動姿態，包括自旋、勻速轉向、機器人走“8”字；采用非線性PD雙回路控制器使姿態模擬器系統穩定性增強，同時提高了控制精度；L型外框的使用，減少了系統的重力不平衡力矩、提高系統精度。

附圖說明

圖1為小型自平衡機器人姿態模擬器的機械結構立體示意圖。

圖2為導軌滑臺機械結構示意圖。

圖3為L型外框與中軸安裝架結構圖。

圖4為固定平臺的結構示意框圖。

圖5為電氣系統結構示意圖。

圖中：1、底座，2、下層電機驅動器，3、聯軸器，4、固定平臺，5、L型外框，6、姿態傳感器，7、支撐桿，8、導軌滑臺，9、絲桿，10、導軌底座，11、開關電源，12、電源分配器，13、DSP控制器，14、上層電機，15、光電編碼器a，16、中層電機，17、下層電機，18、中層安裝架，19、上層安裝架，20、中層電機驅動器，21、上層電機驅動器，22、光電編碼器b，23、滾動軸承，24、滑輪。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種小型自平衡機器人姿態模擬器，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a15、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b22、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。