旋轉式倒立擺的製作方法
2023-07-14 13:10:36
專利名稱：旋轉式倒立擺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於科研或教學的實驗裝置。
常見的倒立擺為直線式倒立擺(如
圖1所示)，它是將擺杆通過一個活動「關節」豎直安裝在與傳動帶(如皮帶及導輪、鏈條及齒輪等形式)相連的小車上、小車置於導軌上，由電機驅動傳動帶、從而帶動小車做水平直線運動來控制擺杆的倒立。由於傳動機構複雜、環節多，實踐中常由於傳動機構的故障或誤差而不是控制方法本身的問題而導致失敗，因而可靠性較低；並且佔地面積較大。
本發明的技術解決方案如下整個倒立擺包括擺杆、電機、傳動部件、支架及其控制系統，電機置於支架上，擺杆至少為一級，其第一級通過傳動部件與電機軸相連；其中傳動部件為一剛性旋臂，其一端與電機軸固接、另一端與擺杆鉸接，電機軸為水平方向，旋臂和擺杆的迴轉面均為豎直方向。
也就是說，本發明提出了一種結構新穎的倒立擺，它省去了一些複雜的傳動機構，使得電機軸的運動直接傳遞給擺杆。
本發明的具體結構如圖2、3所示(但並不限於該圖)。擺杆與電機之間的傳動部件為一剛性旋臂，其一端與電機軸相連、另一端與擺杆相連，旋臂與電機軸之間為固接(如通過緊固件或定位銷等形式卡住)，旋臂與擺杆之間為鉸接(如通過各種軸、套形式鉸接)、形成單自由度的活動「關節」，使旋臂可跟隨電機軸一起迴轉，而擺杆可繞與旋臂之間的鉸接點迴轉；電機軸為水平方向，旋臂和擺杆的迴轉面則均為豎直方向；電機置於高度合適的支架上，以保證電機軸離開地面或其它部件的距離大於旋臂及擺杆的長度總和，即保證旋臂及擺杆的運動沒有任何障礙；電機應採用直流力矩電機，以保證電機軸的轉動方向及角加速度能夠隨控制信號的變化而變化。倒立擺的控制信號由其控制系統產生，控制系統的硬體構成可與已有技術的相同，也可自行設計，應包括反映倒立擺工作狀態的信號測量部件(例如角度檢測裝置)、進行信號處理的部件(例如信號轉換裝置和運算裝置)、以及電機的驅動部件(例如功率放大器)等。
本發明的工作過程如下當旋臂帶動擺杆運動時，旋臂與基準位置(可選取鉛垂線或其它線)之間、以及擺杆與旋臂之間形成兩個夾角θ1和θ2(見圖4所示，其中θ1以鉛垂線為基準)，由角度檢測裝置(例如電位器)測量得到這兩個角位移信號，作為系統的兩個輸出量被送入信號轉換裝置和運算裝置(例如單片機或DSP，甚至可以是外接的PC機)中，根據選定的控制律計算出控制量，並提供給功率放大器轉換為電機驅動信號，由此驅動電機帶動旋臂轉動、從而控制擺杆的運動(其工作流程如圖5所示)，其目標是使擺杆維持倒立狀態。整個過程是一個動態平衡。
與直線式倒立擺相似，旋轉式倒立擺也可以做成多級的形式以上述單級倒立擺為基礎，在其擺杆的自由端上，再通過活動「關節」鉸接上第二級擺杆，活動」關節」處亦設置角度檢測裝置；如果需要，第二級擺杆的自由端上還可以同樣接上第三級擺杆……；從而形成多級倒立擺。
綜上所述，本發明所提供的旋轉式倒立擺是一種新型的倒立擺裝置，它省去了小車、傳動帶、導軌等複雜的傳動機構，使得整體結構簡潔緊湊、佔地面積小，而且使得與控制方法無關的因素(例如傳動機構的故障、誤差、非線性等)大大減少，從而增加了控制的精確度、控制效果穩定，使可靠性提高。
附圖2為本發明的旋轉式倒立擺的結構示意圖(正面，工作狀態)。
附圖3為本發明的旋轉式倒立擺的結構示意圖(側面，靜止狀態)。
附圖4為本發明的旋臂及擺杆的擺動角度示意圖。
附圖5為本發明的工作流程示意圖。
旋臂1的一端設置與電機軸相配合的孔，將其套在電機軸的前端、再通過緊固件卡住定位；旋臂的另一端通過連接板安裝一個測量電位器(R2)，擺杆2的一端亦設置合適的孔，與測量電位器上的中心凸軸相配合，使擺杆及測量電位器的轉動部分一起可繞該凸軸進行任意轉動，即測量電位器成為旋臂與擺杆之間的活動「關節」，並能感受旋臂與擺杆之間形成的夾角θ2的變化；另一個測量電位器(R1)則安裝於電機軸的後端，使電位器上的中心凸軸通過合適的軸套與電機軸對接，可感受旋臂與基準位置之間形成的夾角θ1的變化；電機座固定在支架5上，支架再置於控制機箱6上、使結構緊湊；控制系統中的DSP控制器7、功率放大器8、相應的電源及變壓器9等置於控制機箱6內。機箱外殼上有電源開關、電源插口以及使DSP控制器與外接計算機10(或其它外部設備)相連的通訊接口。DSP控制器7與測量電位器3之間、功率放大器8與電機4之間的連線可從支架內穿過，以避免暴露在外部。DSP的信號輸入端與電位器的輸出端相連，DSP的信號輸出端與功率放大器的輸入端相連，功率放大器的輸出端與電機軸相連。
本發明的倒立擺系統可以有兩種運行模式，可根據需要進行切換①自主運行根據已固化在DSP控制器中的控制律計算控制量(此時，如果需要，也可以利用計算機對倒立擺的運行狀態進行監視)；②聯機運行通過機箱外殼上的通訊接口將兩個角位移信號θ1和θ2(其A/D轉換可利用DSP中的A/D口實現)送入計算機，在計算機中可根據實驗研究的需要自由設計控制律(取代自主運行模式中的控制律)並計算控制量。
本發明還可以改裝成為隨動系統，即把倒立擺的擺杆與旋臂固定在一起，並在與之相對應的另一端增加平衡杆，使倒立擺成為一個由直流力矩電機拖動慣性負載，形成隨動系統。
權利要求
1.一種旋轉式倒立擺，包括擺杆(2)、電機(4)、傳動部件、支架(5)及其控制系統，電機置於支架上，擺杆至少為一級，其第一級通過傳動部件與電機軸相連；其特徵在於傳動部件為一剛性旋臂(1)，其一端與電機軸固接、另一端與擺杆鉸接，電機軸為水平方向，旋臂和擺杆的迴轉面均為豎直方向。
全文摘要
本發明是一種旋轉式倒立擺，屬於科研或教學的實驗裝置。包括擺杆(2)、電機(4)、傳動部件、支架(5)及其控制系統，擺杆通過傳動部件與電機軸相連；傳動部件為一剛性旋臂(1)，其一端與電機軸固接、另一端與擺杆鉸接，電機軸為水平方向，旋臂和擺杆的迴轉面均為豎直方向。本發明結構新穎，它省去了現有直線式倒立擺中複雜的傳動機構，使得整體結構簡潔緊湊、佔地面積小，而且使得與控制方法無關的因素(例如傳動機構的故障、誤差、非線性等)大大減少，從而增加了控制的精確度、控制效果穩定，使可靠性提高。
文檔編號G09B25/02GK1477606SQ021381
公開日2004年2月25日 申請日期2002年8月23日 優先權日2002年8月23日
發明者孫德敏, 王永, 卿致遠, 張培仁, 吳剛 申請人:中國科學技術大學, 科大創新股份有限公司