平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置制造方法
【專利摘要】一種平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置，在第一支架上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)上安裝直線飼服電機(jī)，直線飼服電機(jī)上設(shè)置懸臂，懸臂一端設(shè)置第一編碼器，懸臂另一側(cè)設(shè)置第二支架，第二支架一側(cè)設(shè)置第二編碼器，再通過第二轉(zhuǎn)軸連接托盤，托盤的一側(cè)設(shè)置第三編碼器，托盤另一側(cè)設(shè)置配重塊，第三編碼器上設(shè)置第三轉(zhuǎn)軸，第三轉(zhuǎn)軸在水平方向與第二轉(zhuǎn)軸垂直，第三轉(zhuǎn)軸端部設(shè)置可拆卸第一擺桿，第一擺桿的垂直投影正好位于托盤的中心位置，第一編碼器上設(shè)置第四轉(zhuǎn)軸，第四轉(zhuǎn)軸與托臂方向平行，第四轉(zhuǎn)軸端部設(shè)置可拆卸第二擺桿。該裝置有兩套驅(qū)動系統(tǒng)提供動力，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)擺桿倒立控制、自起擺控制、懸臂位置控制等，為控制理論提供驗證平臺。
【專利說明】平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及檢驗控制算法、研究控制理論很有效的實驗設(shè)備，尤其是平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]倒立擺系統(tǒng)是檢驗控制算法、研究控制理論很有效的實驗設(shè)備，倒立擺系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)形式不同可以分為:1)直線倒立擺系統(tǒng)，即小車倒立擺系統(tǒng)；2)旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)，即環(huán)形倒立擺系統(tǒng)；3)平面倒立擺系統(tǒng)；4)柔性倒立擺系統(tǒng)；5)直線柔性連接倒立擺系統(tǒng)。倒立擺是典型的非線性、多變量、耦合與欠驅(qū)動的系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)式倒立擺與小車式倒立擺不同，由于將小車的平動控制改為懸臂控制，在硬件結(jié)構(gòu)上減少了中間傳動機(jī)構(gòu)，相對于小車式倒立擺具有更大的非線性、不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，對控制算法提出了更高的要求。目前，一維自由度的旋轉(zhuǎn)倒立擺已經(jīng)應(yīng)用于教學(xué)實驗中，然而從結(jié)構(gòu)、對象模型復(fù)雜度及控制難度上看都比較簡單容易，不利于先進(jìn)控制策略及算法的驗證。平面倒立擺是最為復(fù)雜的一類，具有兩個自由度，在XY平面內(nèi)自由運動，在兩個正交控制方向上存在耦合作用，平面倒立擺更加突出模型的非線性、耦合性及多變量等特點，使得控制的實現(xiàn)更具有挑戰(zhàn)性。平面倒立擺是通過X、Y兩個正交直線方向的加減速運動來實現(xiàn)倒立擺控制的，由于其結(jié)構(gòu)本身的空間限制，因此，在X與Y方向的運動必然受限，大大限制該驗證平臺的應(yīng)用范圍。
[0003]為了進(jìn)一步增強對象模型的非線性、xy方向的耦合性、不穩(wěn)定性及復(fù)雜性，打破傳統(tǒng)平面倒立擺Y方向的運動受限問題，將平面倒立擺與旋轉(zhuǎn)擺結(jié)合，構(gòu)建平面二維自由度的旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置，即適合于一維自由度又適合于二維自由度倒立擺控制，到目前為止還未見有相關(guān)的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型針對現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置只適用于一維自由度倒立擺的控制算法檢驗問題、傳統(tǒng)平面倒立擺在XY方向運動受限的問題，提供一種既適用于一維自由度又適用于二維自由度的平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置。
[0005]本實用新型的技術(shù)解決方案是:
[0006]一種平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置，有一個第一支架，第一支架上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，其特殊之處是:旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的第一轉(zhuǎn)軸上安裝直線飼服電機(jī)，直線飼服電機(jī)的動子上設(shè)置懸臂，懸臂一端設(shè)置第一編碼器，懸臂另一側(cè)設(shè)置第二支架，第二支架一側(cè)設(shè)置第二編碼器，再通過第二轉(zhuǎn)軸連接托盤，托盤的一側(cè)設(shè)置第三編碼器，托盤另一側(cè)設(shè)置配重塊，使得配重塊與另一側(cè)的第三編碼器平衡，第三編碼器上設(shè)置第三轉(zhuǎn)軸，第三轉(zhuǎn)軸在水平方向與第二轉(zhuǎn)軸垂直，第三轉(zhuǎn)軸端部設(shè)置可拆卸第一擺桿，第一擺桿的垂直投影正好位于托盤的中心位置，第一編碼器上設(shè)置第四轉(zhuǎn)軸，第四轉(zhuǎn)軸與托臂方向平行，第四轉(zhuǎn)軸端部設(shè)置可拆卸第二擺桿，第一編碼器用于檢測沿托臂的切線方向擺動的第二擺桿的偏轉(zhuǎn)角度，第二編碼器與第三編碼器分別檢測第一擺桿沿著切線方向和軸向的偏離角度。[0007]第一擺桿即可以沿托臂的切線方向擺動，也可以沿托臂的軸向方向擺動，第二編碼器與第三編碼器可分別檢測第一擺桿沿著兩個方向的偏離角度；第二擺桿只能沿著托臂的切線方向擺動，并由第一編碼器檢測其偏轉(zhuǎn)角度。第一擺桿與第二擺動均可拆卸，當(dāng)進(jìn)行一維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺實驗時，將第一擺桿拆卸掉；當(dāng)進(jìn)行二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺實驗時，將第二擺桿拆卸掉。
[0008]檢測與控制裝置由第一編碼器、第二編碼器、第三編碼器、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)角度傳感器、直線伺服電機(jī)位置傳感器、微型計算機(jī)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊、直線伺服電機(jī)驅(qū)動模塊及通信模塊構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行一維自由度的旋轉(zhuǎn)倒立擺實驗時，微型計算機(jī)系統(tǒng)通過第一編碼器與旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)角度傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)，通過相應(yīng)的控制算法計算控制律，并通過旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊控制旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)的加(減)角速度來實現(xiàn)擺桿的控制任務(wù)；系統(tǒng)進(jìn)行二維自由度旋轉(zhuǎn)平面倒立擺實驗時，微型計算機(jī)系統(tǒng)通過第二編碼器、第三編碼器、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)角度傳感器與直線伺服電機(jī)位置傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)，通過相應(yīng)的控制算法計算控制律，并通過旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊與直線伺服電機(jī)驅(qū)動模塊分別控制旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)的加(減)角速度、直線伺服電動機(jī)的軸線直線加(減)速度來實現(xiàn)擺桿的控制任務(wù)。
[0009]本實用新型的有益效果是:在已有的旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提供了一套既適用于一維自由度又適用于二維自由度的平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)倒立擺相比較，該裝置有兩套驅(qū)動系統(tǒng)提供動力，一套為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)給倒立擺的擺桿提供擺桿切向方向的動力，另一套給倒立擺擺桿提供軸向方向的動力。當(dāng)進(jìn)行一維自由度倒立擺控制實驗時，第一擺桿拆卸掉，直線驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)閉，只有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)提供動力；當(dāng)進(jìn)行二維自由度倒立擺控制實驗時，保留第一擺桿，將第二擺桿拆卸掉，兩套驅(qū)動系統(tǒng)全部起動，為擺桿提供切向與軸向兩個方向的動力，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)擺桿倒立控制、自起擺控制、懸臂位置控制等，為控制理論提供驗證平臺。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是該平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2是該平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置的控制系統(tǒng)框圖。
[0012]圖中:第一支架1，旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)2，直線飼服電機(jī)3，動子301，托盤4，第二編碼器5，第二轉(zhuǎn)軸6,第三編碼器7,第三轉(zhuǎn)軸8,第一擺桿9,第二支架10,配重塊11,懸臂12,第一編碼器13，第四轉(zhuǎn)軸14，第二擺桿15，第一轉(zhuǎn)軸16。
【具體實施方式】
[0013]如圖1所示，該平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置，有一個第一支架I，第一支架I上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)2，旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)2的第一轉(zhuǎn)軸16上安裝直線飼服電機(jī)3，直線飼服電機(jī)3的動子301上設(shè)置懸臂12，懸臂12 —端設(shè)置第一編碼器13，懸臂12另一側(cè)設(shè)置第二支架10，第二支架10 —側(cè)設(shè)置第二編碼器5，再通過第二轉(zhuǎn)軸6連接托盤4，托盤4的一側(cè)設(shè)置第三編碼器7，托盤4另一側(cè)設(shè)置配重塊11，使得配重塊11與另一側(cè)的第三編碼器7平衡，第三編碼器7上設(shè)置第三轉(zhuǎn)軸8，第三轉(zhuǎn)軸8在水平方向與第二轉(zhuǎn)軸6垂直，第三轉(zhuǎn)軸8端部設(shè)置可拆卸第一擺桿9，第一擺桿9的垂直投影正好處于托盤4的中心位置，第一編碼器13上設(shè)置第四轉(zhuǎn)軸14，第四轉(zhuǎn)軸14與托臂12方向平行，第四轉(zhuǎn)軸14端部設(shè)置可拆卸第二擺桿15。第一擺桿9既可以沿懸臂12的切線方向擺動，也可以沿托臂12的軸向方向擺動，第二編碼器5與第三編碼器7分別檢測第一擺桿9沿著兩個方向的偏離角度；第二擺桿15只能沿著托臂12的切線方向擺動，并由第一編碼器13檢測其偏轉(zhuǎn)角度。當(dāng)進(jìn)行一維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺實驗時，將第一擺桿9拆卸掉；當(dāng)進(jìn)行二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺實驗時，將第二擺桿15拆卸掉。
[0014]如圖2所示，該平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置的控制系統(tǒng)由第一編碼器、第二編碼器、第三編碼器、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度傳感器、直線伺服電機(jī)動子位置傳感器、微型計算機(jī)、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊、直線伺服電機(jī)驅(qū)動模塊及和上位機(jī)通信模塊構(gòu)成。其核心為微型計算機(jī)，其輸入部分包括第一編碼器、第二編碼器、第三編碼器、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度傳感器及直線伺服電機(jī)動子位置傳感器，其輸出分別作用在旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊與直線伺服電機(jī)驅(qū)動模塊，該微型計算機(jī)通過上位機(jī)通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行一維自由度的旋轉(zhuǎn)倒立擺實驗時，微型計算機(jī)通過第一編碼器與旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)，通過相應(yīng)的控制算法計算控制律，并通過旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊控制旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)的加(減)角速度來實現(xiàn)擺桿的控制任務(wù)；系統(tǒng)進(jìn)行二維自由度旋轉(zhuǎn)平面倒立擺實驗時，微型計算機(jī)通過第二編碼器、第三編碼器、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度傳感器與直線伺服電機(jī)動子位置傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)，通過相應(yīng)的控制算法計算控制律，并通過旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊與直線伺服電機(jī)驅(qū)動模塊分別控制旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)的加(減)角速度、直線伺服電動機(jī)的軸線直線加(減)速度來實現(xiàn)擺桿的控制任務(wù)。
[0015]該裝置的控制過程可以有兩種實現(xiàn)方式:1)由微型計算機(jī)(下位機(jī))進(jìn)行實時控制，上位機(jī)進(jìn)行集中管理。上位機(jī)通過通信模塊下達(dá)控制指令給微型計算機(jī)，位微型計算機(jī)調(diào)用相應(yīng)的控制模塊，實時檢測懸臂與擺桿的角度，并根據(jù)控制算法程序來驅(qū)動相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)與直線伺服電動機(jī)，實現(xiàn)對擺桿的控制，倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)(如懸臂位置、懸臂轉(zhuǎn)速、擺桿位置、擺桿偏轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)伺服電動機(jī)的驅(qū)動信號與直線伺服電機(jī)的驅(qū)動信號)再通過通信模塊傳送上位機(jī)，上位機(jī)可進(jìn)行實時顯示、數(shù)據(jù)保存等處理；2)控制與管理均由上位機(jī)來完成，構(gòu)成直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)。下位機(jī)采集倒立擺的狀態(tài)(如懸臂位置、懸臂轉(zhuǎn)速、擺桿位置、擺桿偏轉(zhuǎn)速度)通過通信模塊傳遞給上位機(jī)，并由上位機(jī)調(diào)研相應(yīng)的控制模塊，根據(jù)控制算法程序產(chǎn)生驅(qū)動信號，由通信模塊傳遞給下位機(jī)，通過旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動模塊與直線伺服電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)，實現(xiàn)倒立擺桿的實時控制。
【權(quán)利要求】
1.一種平面二維自由度旋轉(zhuǎn)倒立擺裝置，有一個第一支架，第一支架上設(shè)置有旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，其特征是:旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝直線飼服電機(jī)，直線飼服電機(jī)的動子上設(shè)置懸臂，懸臂一端設(shè)置第一編碼器，懸臂另一側(cè)設(shè)置第二支架，第二支架一側(cè)設(shè)置第二編碼器，再通過第二轉(zhuǎn)軸連接托盤，托盤的一側(cè)設(shè)置第三編碼器，托盤另一側(cè)設(shè)置配重塊，使得配重塊與另一側(cè)的第三編碼器平衡，第三編碼器上設(shè)置第三轉(zhuǎn)軸，第三轉(zhuǎn)軸在水平方向與第二轉(zhuǎn)軸垂直，第三轉(zhuǎn)軸端部設(shè)置可拆卸第一擺桿，第一擺桿的垂直投影正好位于于托盤的中心位置，第一編碼器上設(shè)置第四轉(zhuǎn)軸，第四轉(zhuǎn)軸與托臂方向平行，第四轉(zhuǎn)軸端部設(shè)置可拆卸第二擺桿，第一編碼器用于檢測沿托臂的切線方向擺動的第二擺桿的偏轉(zhuǎn)角度，第二編碼器與第三編碼器分別檢測第一擺桿沿著切線方向和軸向的偏離角度。
【文檔編號】G05B19/418GK203644296SQ201420028058
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】丁碩, 巫慶輝, 楊禎山, 楊友林, 張博, 韓建群, 劉闖 申請人:渤海大學(xué)