專利名稱：一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于智能機(jī)器人范疇，尤其是一種能夠自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)平衡控制的靜態(tài)不平 衡機(jī)器人。
背景技術(shù)：
倒立擺系統(tǒng)的控制是控制理論應(yīng)用的一個(gè)典型范例。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，便于 用模擬或數(shù)字的方法進(jìn)行控制。雖然其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但無(wú)論何種結(jié)構(gòu)，就其本身而 言，都是一個(gè)非最小相位、多變量、絕對(duì)不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)。由于倒立擺系統(tǒng)的絕對(duì)不穩(wěn) 定，必須采取有效的措施控制它。其控制方法在軍工、航天、機(jī)器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過(guò)程中 都有著廣泛的用途，如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛 行中的姿態(tài)控制等涉及到的倒置問(wèn)題。同時(shí)，由于摩擦力的存在，該系統(tǒng)具有一定的不確定 性。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的研究，從理論上將涉及系統(tǒng)控制中的許多關(guān)鍵問(wèn)題如非線性 問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、隨動(dòng)問(wèn)題及跟蹤問(wèn)題等可以以它為例進(jìn)行研究。隨著倒立擺系統(tǒng)的控制研究的不斷深入，倒立擺系統(tǒng)的種類也由簡(jiǎn)單的單級(jí)倒立 擺發(fā)展為多種形式的倒立擺。常見(jiàn)的倒立擺系統(tǒng)一般由小車和擺桿兩部分構(gòu)成(另有旋轉(zhuǎn) 式倒立擺等形式，但較少)，其中擺桿可能是一級(jí)、兩級(jí)甚至多級(jí)，其長(zhǎng)度也可能是變化的。 控制的目標(biāo)基本上都是通過(guò)給小車施加一個(gè)水平方向的力，使小車在期望的位置上穩(wěn)定， 而擺桿也達(dá)到豎直向上的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。相比于一般的倒立擺系統(tǒng)，基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)具有以下顯著特點(diǎn) 1)平衡原理不同一般的倒立擺都是通過(guò)控制小車的速度來(lái)達(dá)到豎直擺桿的平衡，而基于 飛輪的倒立擺系統(tǒng)的底部卻是固定的，它是通過(guò)頂部飛輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生必要的扭矩來(lái)控制擺 桿的平衡；2)控制難度不同對(duì)于一般的倒立擺系統(tǒng)，四級(jí)倒立擺的控制目前也已經(jīng)不是 問(wèn)題了，而對(duì)于基于飛輪的倒立擺系統(tǒng)而言，二級(jí)倒立擺的控制至今還沒(méi)有人去研究。3)應(yīng) 用層次不同一般的倒立擺系統(tǒng)主要用來(lái)研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、鎮(zhèn)定問(wèn)題等等。隨著 科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越追求自己生活的質(zhì)量和舒適程度，于是，一 些智能機(jī)器人應(yīng)用而生，由于他們的體積小、重量輕、功能多，逐漸被現(xiàn)代人追捧，其中，極 具有代表性的是獨(dú)輪機(jī)器人，它只有一個(gè)輪子，占有更小的空間，能夠以一種特有的動(dòng)態(tài)平 衡的方式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的任務(wù)，如在極窄的路徑上騎行，騎過(guò)很窄的平衡木、原地轉(zhuǎn)身，甚至可 以完成走鋼絲的高難度動(dòng)作。對(duì)于它上身的控制，目前許多研究者都是基于飛輪旋轉(zhuǎn)的平 衡控制，但是目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一個(gè)能夠獨(dú)立行走的獨(dú)輪車。現(xiàn)在的倒立擺多為簡(jiǎn)單的桿式倒立擺，為了增強(qiáng)其控制難度，只是擺桿的簡(jiǎn)單疊 加，現(xiàn)實(shí)意義不是很大。它的電氣控制系統(tǒng)一般在擺桿的下端，小車的快速滑動(dòng)是通過(guò)電機(jī) 帶動(dòng)的皮帶來(lái)傳動(dòng)，從而使輕質(zhì)擺桿起擺，最終使豎直擺桿穩(wěn)定在垂直向上的位置。由于此 裝置一般體積大、質(zhì)量重，從而造價(jià)也比較高。國(guó)外也有許多研究者致力于基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)的研究，具有代表性 的是Model IP/NC Inverted Pendulum，此系統(tǒng)采用的是110或220伏的交流供電方式；傳感器使用的是紅外傳感器，它是一種模擬傳感器，測(cè)量精度不高，影響系統(tǒng)的控制；它的保 護(hù)支架是固定的，不能調(diào)節(jié)擺桿與豎直方向的最大偏角，缺少一定的靈活性；其電氣系統(tǒng)并 沒(méi)有放在底座上，底座上也沒(méi)有可以移動(dòng)的腳輪，可移動(dòng)性較差。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng) 利用模塊化的平衡組件中的直流伺服電機(jī)控制飛輪沿著豎直方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)左右方向 的平衡。檢測(cè)方面，為了實(shí)現(xiàn)倒立擺對(duì)擺桿姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，本發(fā)明采用了基于微機(jī)械電子 技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和單軸的傾角儀獲得擺桿系統(tǒng)在二維環(huán)境中的精確姿態(tài)。為了使倒立 擺具有移動(dòng)的方便性，在本發(fā)明中倒立擺系統(tǒng)的底盤(pán)下安裝了四個(gè)腳輪，當(dāng)需要移動(dòng)倒立 擺系統(tǒng)時(shí)，可以很方便、省力的由一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，從而在一定程度上 解決獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)向平衡控制問(wèn)題。本發(fā)明的具體方案為一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，包括擺桿和底座，其 特征在于在擺桿的頂端固定一個(gè)包含有減速器的直流無(wú)刷伺服電機(jī)，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的前端 裝有一個(gè)可隨之一起旋轉(zhuǎn)的飛輪，電機(jī)的另一端與增量式編碼器連接；擺桿的兩側(cè)安裝有 傾角傳感器和傾角速度傳感器；擺桿的底部通過(guò)擺桿旋轉(zhuǎn)軸與底座上的擺桿支撐座連接； 底座上布置有電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、電源轉(zhuǎn)接板、運(yùn)動(dòng)控制器，其中傾角傳感器、傾角速度傳感 器和增量式編碼器的輸出端分別于運(yùn)動(dòng)控制器連接，運(yùn)動(dòng)控制器的輸出端與伺服驅(qū)動(dòng)器連 接，伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出端與增量式編碼器連接，傾角速度傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)分別由 電源直接供電，傾角速度傳感器和運(yùn)動(dòng)控制器由電源轉(zhuǎn)接板將電源的電壓轉(zhuǎn)換后供電。為了防止擺桿由于控制失敗發(fā)生傾倒，碰壞底座上的其他器件，可以在擺桿的兩 側(cè)對(duì)稱安裝有兩個(gè)側(cè)支架，或者在底座的兩側(cè)放置豎直保護(hù)架。其中的飛輪可以被設(shè)計(jì)成重量主要集中于圓周的形狀，以提高其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，可以在底座四角的下部分別安裝有具有各自的剎車 系統(tǒng)的腳輪，這樣整個(gè)系統(tǒng)可以比較方便、省力的移動(dòng)位置，也可以在需要的時(shí)候固定在某 個(gè)位置。作為對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，還可以在飛輪中心套管的外部安裝一個(gè)軸承，以為 了減小飛輪重力對(duì)電機(jī)軸的壓力。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，本發(fā)明的所有組件均采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，每個(gè)組件都可以拆卸更換，如 平衡組件中控制用的慣性飛輪，當(dāng)一種慣性飛輪不滿足控制要求或者需要更換其它飛輪進(jìn) 行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將其拆卸，然后安裝上需要的飛輪，在這個(gè)過(guò)程中不需要將平衡組件中的 其它器件拆下。這為系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)提供了極大的方便。第二，本發(fā)明的可調(diào)式擺桿側(cè)支架不僅可以根據(jù)倒立擺調(diào)試的需要改變擺桿側(cè)支 架的支撐高度，而且作為擺桿組件的保護(hù)裝置，避免倒立擺在調(diào)試過(guò)程中的意外傾倒，還可 以作為擺桿的配重，使得系統(tǒng)的重心盡量向下移動(dòng)，有利于減少系統(tǒng)控制的難度。第三，本發(fā)明的底座上放有系統(tǒng)控制需要的所有電子元器件，且底座下部還有便 于移動(dòng)的腳輪，腳輪上有防止滑動(dòng)的剎車系統(tǒng)，這樣的設(shè)計(jì)，極大的增加了系統(tǒng)的可移動(dòng)性，同時(shí)也是模塊化思想的一種體現(xiàn)。以下結(jié)合
和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
圖1基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)等角軸側(cè)圖；圖2基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)前視圖；圖3基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)飛輪部分局部視圖；圖4基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖5基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上視圖1 ；圖6基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)后視圖；圖7基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上視圖2 ；圖8基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)電氣系統(tǒng)接線圖；圖中1-飛輪，2-軸承，3-電機(jī)支架，4-電機(jī)，5-擺桿，6-擺桿側(cè)支架，7-腳輪， 8-底座，9-擺桿旋轉(zhuǎn)軸，10-擺桿支撐座，11-軸承端蓋，12-電機(jī)套管，13-增量式編碼器， 14-傾角速度傳感器，15-傾角傳感器，16-伺服驅(qū)動(dòng)器；17-運(yùn)動(dòng)控制器，18-電源轉(zhuǎn)接板， 19-電源，20-豎直保護(hù)架，21-底座小孔，22-小孔矩陣。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一1機(jī)械結(jié)構(gòu)本實(shí)施例總重量7kg，高度700mm，長(zhǎng)度400mm，寬度320mm，角輪(7)直徑38mm。倒 立擺系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器元件布局如下(圖1):如圖2，3，4所示，整個(gè)倒立擺為鋁合金框架，主要包括飛輪1、電機(jī)套管12、擺桿5、 擺桿側(cè)支架6、底座8，腳輪7。飛輪1和電機(jī)套管12之間采用軸承2連接。電機(jī)套管12與 擺桿5之間采用電機(jī)支架3相連接。倒立擺系統(tǒng)的飛輪1為中空的十字支撐架且外圍為較 厚的鋁合金板，使得其質(zhì)量大部分集中于飛輪的邊緣，增加飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為了減少飛輪 旋轉(zhuǎn)起來(lái)的摩擦力，本設(shè)計(jì)把中空的十字支撐架磨成一定程度的圓角，在十字支撐架的中 心突出一個(gè)空芯的套管，把電機(jī)軸插入套管，為了減小飛輪重力對(duì)電機(jī)軸的壓力，在電機(jī)套 管12的末端、飛輪中心套管的外部安裝了一個(gè)軸承，且電機(jī)套管12的末端還安裝了一個(gè)軸 承端蓋11，用以保護(hù)和固定軸承。通過(guò)飛輪中心套管上的兩個(gè)加緊螺絲加緊電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸， 使飛輪在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不至于被拋出去。擺桿5的兩側(cè)設(shè)置有防倒保護(hù)的擺桿側(cè)支架6， 當(dāng)?shù)沽[由于某種原因沒(méi)有控制好時(shí)，擺桿5就會(huì)倒下去，如果沒(méi)有擺桿側(cè)支架6來(lái)支撐的 話，倒立擺上的一些器件就可能由于碰撞而摔壞，同時(shí)，為了使用上的方便與靈活，在擺桿5 下半部分的前后兩側(cè)各設(shè)計(jì)有10X2的小孔矩陣22(安裝方式可達(dá)9 ！種)，用以固定擺桿 側(cè)支架6，且擺桿側(cè)支架6設(shè)計(jì)成一端有一小孔，小孔的下面有一段中空的擺桿側(cè)支架6，當(dāng) 擺桿側(cè)支架6的小孔固定在右列時(shí)，中空的擺桿側(cè)支架6最多有9種與小孔矩陣22左列固 定的方式。因此，擺桿側(cè)支架6可以變換多種位置安裝。擺桿5和底座8是通過(guò)一根擺桿 旋轉(zhuǎn)軸9和擺桿支撐座10連接，且旋轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有兩個(gè)同種型號(hào)的軸承。底座10上 利用亞克力板固定運(yùn)動(dòng)控制器17、驅(qū)動(dòng)器16和電源轉(zhuǎn)接板18，底座上的電源19為可插拔的塊狀電池，在實(shí)際使用過(guò)程中相當(dāng)方便，當(dāng)?shù)鬃系碾姵貨](méi)電時(shí)，只要按一下電池塊下部 的開(kāi)關(guān)，電池就可以順利取下來(lái)，不用擰取任何一個(gè)螺絲，更換新電池時(shí)，順著插槽，只需輕 輕一推就可以了。在倒立擺系統(tǒng)底座的下部四個(gè)拐角處各裝有一個(gè)腳輪7，是整個(gè)系統(tǒng)的移 動(dòng)裝置，當(dāng)移動(dòng)到一個(gè)固定的位置時(shí)，可以利用角輪上固有的剎車裝置來(lái)固定倒立擺系統(tǒng) 的位置，以免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中影響系統(tǒng)的控制。2.電氣系統(tǒng)選型運(yùn)動(dòng)控制器17選用颶風(fēng)數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司MTK2812系統(tǒng)板。該系統(tǒng)的 處理器采用TI公司TMS320F2812 DSP，系統(tǒng)為5V直流供電。MTK2812的仿真器選用颶風(fēng)數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司的XDS510USB，USB2. 0接 口。伺服驅(qū)動(dòng)器16選用Copley Motion公司的ACJ-55-18。傾角傳感器15選用Crossbow 公司的CXTA-01雙軸傾角儀。傾角速度傳感器14選用的是微機(jī)械陀螺儀CRS03-02 (由于 在安裝位置處預(yù)留了其它的安裝方式，故也可以使用ADIS16355陀螺儀)。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)4選用Maxon公司的直流無(wú)刷電機(jī)套件RE35，24V供電，90W功 率，3. 7 1的行星齒輪減速器GP32C，電機(jī)配有增量式光電編碼器，精度為500線。鋰電池選用LBS-100C標(biāo)準(zhǔn)鋰電池19，標(biāo)稱電壓29. 6V，工作范圍33. 6V-24V，標(biāo) 稱容量150Wh，保護(hù)電路內(nèi)置過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及短路保護(hù)，集成電量監(jiān)控。電源轉(zhuǎn)接板華北工控PW-4512電源模塊18，給控制器及其他電子器件供電，輸入 電壓16-40V DC，輸出電壓ATX +3. 3Vi5A, +5V/+5VSBi5A, +12Vi5A, -12ViO. 8A。3.電氣系統(tǒng)連接如圖8所示，電氣系統(tǒng)各部分的連接方法如下MTK2812由電源轉(zhuǎn)接板18的+5V輸出供電，它的J7接口的38腳，即A/D轉(zhuǎn)換輸入 通道，J5的22腳，即SPI引腳，分別與傾角儀CXTA01和陀螺儀CRS03-02的SPI信號(hào)輸出 端連接；陀螺儀14由MTK2812的J5接口提供+5V輸出供電；傾角儀15則由電源轉(zhuǎn)接板18 的24V輸出供電。MTK2812與ACJ-55-18間的連接包括控制信號(hào)線和編碼器反饋信號(hào)線?？刂菩盘?hào) 包括電機(jī)使能信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)和PWM轉(zhuǎn)速控制量信號(hào)。其中，MTK2812的J7接口 的22腳與控制電機(jī)的ACJ-55-18的J5接口的3腳連接，作為ACJ-55-18的使能信號(hào)線； MTK2812的J7接口的20腳與控制電機(jī)的ACJ-55-18的J5接口的6腳連接，作為電機(jī)4轉(zhuǎn) 動(dòng)方向選擇信號(hào)線；MTK2812的J7接口 19腳為PWM輸出，與控制電機(jī)4的ACJ-55-18的J5 接口的20腳連接，作為轉(zhuǎn)速控制量信號(hào)線。電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)經(jīng)ACJ-55-18緩存后連 接至MTK2812，具體接線為ACJ-55-18的J5接口的10、11腳，分別接MTK2812的J6接口的 13,14 腳。ACJ-55-18的J3接口的3、4腳為電源輸入端，分別接電源輸出的GND和+24V ;J2 接口的3、4腳為控制電壓的輸出端，分別與電機(jī)的+/-輸入端連接，其中3腳與電機(jī)+輸入 端之間串接一個(gè)電機(jī)開(kāi)關(guān)；J4接口的4、6分別為+5V和GND，分別與編碼器排線的2、3線連 接，J4接口的1、8、2、9、3、10腳為編碼器A通道、B通道和零位信號(hào)的共模輸入端，分別接編 碼器排線的5、6、7、8、9、10線。鋰電池19經(jīng)一個(gè)雙刀雙擲的船型開(kāi)關(guān)與電源轉(zhuǎn)接板18連接。電源轉(zhuǎn)接板18的 +/_輸入端連接鋰電池19的+/_端，提供士 12V，士5V，士3. 3V直流輸出，分別連接各對(duì)應(yīng)設(shè)備的供電端。4.電氣系統(tǒng)的工作原理本實(shí)施例倒立擺系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)飛輪的快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的扭矩，利用飛 輪產(chǎn)生的扭矩抵消擺桿系統(tǒng)(包括電機(jī))和飛輪的重力矩及摩擦力矩，使得擺桿最終穩(wěn)定 在豎直向上的位置。由此，倒立擺電氣系統(tǒng)的工作原理如圖8所示倒立擺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制 器17由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊得到傾角儀15、陀螺儀14的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器16讀取編碼 器的反饋信號(hào)，然后，綜合接收到的檢測(cè)信號(hào)和反饋信號(hào)，按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)平衡控制算法計(jì)算 出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制量，發(fā)送對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器16執(zhí)行；伺服驅(qū)動(dòng)器16控制電機(jī) 4運(yùn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)飛輪1旋轉(zhuǎn)使倒立擺擺桿最終穩(wěn)定在豎直向上的位置。實(shí)施例二倒立擺系統(tǒng)的飛輪1為中空的十字支撐架且外圍有較厚的鋁合金板，使得其質(zhì)量 大部分集中于飛輪的邊緣，增加飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為了減少飛輪旋轉(zhuǎn)起來(lái)的摩擦力，可以把 中空的十字支撐架磨成一定程度的圓角，減少阻力，在十字支撐架的中心突出一個(gè)帶有螺 紋的軸，通過(guò)把此軸旋轉(zhuǎn)到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸里(電機(jī)軸內(nèi)預(yù)先留有軸孔)，而不是一般的垂直 加壓，為了保護(hù)電機(jī)軸，在電機(jī)軸的外面、電機(jī)套管12的末端安裝有一個(gè)軸承，且電機(jī)套管 12的末端部有電機(jī)端蓋11加以保護(hù)和固定軸承，避免由于飛輪的重量而把電機(jī)軸壓彎，這 樣，在電機(jī)地高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，飛輪就不至于被拋射出去。實(shí)施例三本發(fā)明在底座8上位于擺桿5兩側(cè)表面分別預(yù)留了十排小孔21，每排兩個(gè)，如圖7 所示。當(dāng)把側(cè)支架拆除時(shí)，在擺桿5兩側(cè)分別放置可調(diào)距離的豎直保護(hù)架20，可以防止擺桿 由于某種原因沒(méi)有控制好時(shí)，倒立擺上的一些器件可能由于碰撞而摔壞，另外，通過(guò)調(diào)節(jié)豎 直保護(hù)架與擺桿到距離，還可用來(lái)調(diào)節(jié)擺桿的最大偏角。實(shí)施例四由于本發(fā)明的系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，在調(diào)試過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)CRS03-02的傳感器的 精度不夠高，可以把擺桿組件中的CRS03-02換下，直接換上ADIS16355即可，因?yàn)樵跀[桿上 已經(jīng)預(yù)留了安裝ADIDS16355的位置，且它們的接口在MTK2812板上都可以使用。實(shí)施例五在倒立擺系統(tǒng)底座的下部四個(gè)拐角處各裝有一個(gè)腳輪7，是整個(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)裝置， 當(dāng)移動(dòng)到一個(gè)固定的位置時(shí)，可以利用腳輪7上固有的剎車裝置來(lái)固定倒立擺系統(tǒng)的位 置，以免在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中影響系統(tǒng)的控制。如果在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)倒立擺不是很容易控 制的話，也可以取掉四個(gè)腳輪7，降低倒立擺的高度，從而降低系統(tǒng)的重心。
權(quán)利要求
一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，包括擺桿和底座，其特征在于在擺桿(5)的頂端固定一個(gè)包含有減速器的直流無(wú)刷伺服電機(jī)(4)，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的前端裝有一個(gè)可隨之一起旋轉(zhuǎn)的飛輪(1)，電機(jī)的另一端與增量式編碼器(13)連接；擺桿(5)的兩側(cè)安裝有傾角傳感器(15)和傾角速度傳感器(14)；擺桿的底部通過(guò)擺桿旋轉(zhuǎn)軸(9)與底座(8)上的擺桿支撐座(10)連接；底座(8)上布置有電源(19)、伺服驅(qū)動(dòng)器(16)、電源轉(zhuǎn)接板(18)、運(yùn)動(dòng)控制器(17)，其中傾角傳感器(15)、傾角速度傳感器(14)的輸出端分別于運(yùn)動(dòng)控制器(17)連接，運(yùn)動(dòng)控制器(17)的輸出端與伺服驅(qū)動(dòng)器(16)連接，伺服驅(qū)動(dòng)器(16)的輸出端與增量式編碼器(13)連接，傾角速度傳感器(14)、伺服驅(qū)動(dòng)器(16)、電機(jī)(4)分別由電源(15)直接供電，傾角速度傳感器(14)和運(yùn)動(dòng)控制器(17)由電源轉(zhuǎn)接板(18)將電源(15)的電壓轉(zhuǎn)換后供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在擺桿 (5)的兩側(cè)還對(duì)稱安裝有兩個(gè)側(cè)支架(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在底座 (8)的兩側(cè)放置豎直保護(hù)架(20)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述的飛 輪(1)可以被設(shè)計(jì)成重量主要集中于圓周的形狀，以提高其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在底座 (8)四角的下部分別安裝有腳輪(7)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所述的腳 輪(7)具有各自的剎車系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，其特征在于在飛輪 (1)中心套管的外部安裝一個(gè)軸承(2)，以為了減小飛輪重力對(duì)電機(jī)軸的壓力。
全文摘要
本發(fā)明屬于智能機(jī)器人范疇，尤其是一種能夠自主進(jìn)行平衡控制的靜態(tài)不平衡機(jī)器人。本發(fā)明利用直流伺服電機(jī)控制飛輪沿著豎直方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)左右方向的平衡。檢測(cè)方面，為了實(shí)現(xiàn)擺桿在擺動(dòng)過(guò)程中對(duì)自身姿態(tài)的檢測(cè)，采用基于微機(jī)械電子技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和傾角儀獲得擺桿的運(yùn)動(dòng)信息。安全性方面，在擺桿的兩側(cè)安裝了可以方便調(diào)節(jié)擺桿最大傾角的擺桿側(cè)支架，在實(shí)驗(yàn)中既可以保護(hù)系統(tǒng)的元器件又能滿足不同的控制要求。為了減少控制難度，把一些電子器件如電源、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器及電源轉(zhuǎn)接板等放在底座上，減少了擺桿的控制難度，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？梢苿?dòng)性方面，底座的四個(gè)拐角處安裝了帶有剎車功能的腳輪，便于系統(tǒng)在不同的地方進(jìn)行調(diào)試。
文檔編號(hào)B25J13/00GK101850548SQ20101015122
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者于乃功, 宋科科, 王啟源, 王昱峰, 阮曉鋼 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)