[發明專利]多級全向空間倒立擺機構及平衡方法

有效

• 申請號: 201711052462.8
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107643761B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 黃用華;黃浩;莊未;鐘艷如;黃美發;匡兵;孫永厚;劉夫云;鐘永全
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G09B25/00
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 黃瑋

本發明公開了一種多級全向空間倒立擺機構及平衡方法，包括由多個擺動單元構成的多級擺動機構，各擺動單元擺球的下半球體置于球架內，擺球上半球體的頂部中央設有豎直插銷，球架內圓周均布設有三個與下半球體摩擦接觸的單排全向輪，各單排全向輪通過對應輪架安裝且各輪架上設有檢測對應單排全向輪轉動角度的絕對式編碼器，球架頂部設有作用在上半球體上的限位件，球架底部設有與插銷同軸的插孔；多個擺動單元自下而上依次插裝連接，最下級擺動單元設于水平轉臺上，水平轉臺設于左右移動臺上，左右移動臺設于前后移動臺上。本發明能夠全面模擬物體在三維空間傾倒的動態行為，為檢驗某種多輸入多輸出系統控制理論或方法提供了實驗平臺。

技術領域

本發明涉及平衡控制技術，具體為一種多級全向空間倒立擺機構及平衡方法。

背景技術

倒立擺控制系統是一個復雜的、不穩定的非線性系統，廣泛應用于教學和科學研究，是控制領域中用來檢驗某種控制理論或方法的理想平臺。

倒立擺系統的控制問題就是使擺動機構達到一個平衡位置，并且當擺動機構到達期望的位置后，系統能克服隨機擾動而保持穩定。由于隨著擺桿級數的增多，控制難度將急劇提高，所以對多級倒立擺的實物系統控制實現也成了公認的難題。

傳統的倒立擺機構分為一維擺、二維擺、旋轉擺等機構，這些倒立擺機構各有各的結構特點和維度優勢。然而，現有的倒立擺機構很少能夠將它們的特點融為一體。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提出了一種全面模擬物體在三維空間傾倒行為動態的多級全向空間倒立擺機構及平衡方法。

能夠解決上述技術問題的多級全向空間倒立擺機構，其技術方案包括多級擺動機構，所不同的是所述多級擺動機構包括多個擺動單元，各擺動單元包括擺球，所述擺球的下半球體置于球架內，擺球上半球體的頂部中央設有豎直插銷，所述球架內圓周均布設有三個與下半球體摩擦接觸的單排全向輪，各單排全向輪通過對應輪架安裝且各輪架上設有檢測對應單排全向輪轉動角度的絕對式編碼器，三個單排全向輪的回轉中心向下交匯于一點，該交點處于擺球球心的正下方，所述球架頂部設有作用在上半球體上的限位件，球架底部設有與插銷同軸的插孔；多個擺動單元自下而上依次插裝連接，最下級擺動單元設于水平轉臺上，所述水平轉臺設于左右移動臺上，所述左右移動臺設于前后移動臺上。

所述前后移動臺的常規結構包括前后底座和滑動安裝于前后底座上的前后移動臺面；所述左右移動臺的常規結構包括左右底座和滑動安裝于左右底座上的左右移動臺面，左右底座安裝于前后移動臺面上；所述水平轉臺包括轉盤，所述轉盤通過推力軸承安裝于軸承支座上，所述軸承支座安裝于左右移動臺面上。

所述前后移動臺面的驅動為前后直流電機帶動的前后絲桿螺母傳動副；所述左右移動臺面的驅動為左右直流電機帶動的左右絲桿螺母傳動副；所述轉盤的驅動為設于軸承支座內的旋轉直流電機。

所述限位件的一種結構包括與擺球上半球體同軸的環形保持架，所述環形保持架通過環形支架安裝于球架頂部，環形保持架上圓周均布的滾珠與上半球體滾動連接。

采用上述多級全向空間倒立擺機構的平衡控制方案為：

1、當任何一個擺球由于外界擾動發生振蕩時，與對應擺球接觸的三個單排全向輪會轉動一個角度，通過各絕對式編碼器可測量出對應單排全向輪的轉動角度，進而通過旋轉變換矩陣求出該擺球的姿態。

2、將各擺球的自身姿態經一系列旋轉變換矩陣求出末端擺動單元擺球的姿態。

3、將末端擺動單元的擺球姿態反饋到控制器，所述控制器啟動前后直流電機、左右直流電機和旋轉直流電機使得前后移動臺面、左右移動臺面和轉盤聯動而使多個擺動單元恢復到平衡穩定狀態。

本發明的有益效果：