專利名稱：一種基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及科學(xué)研究或教學(xué)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，該系統(tǒng)在控制領(lǐng)域用來檢驗(yàn)?zāi)撤N理論或方法的正確性與可行性，更重要的是該系統(tǒng)可以為獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)向平衡提供解決方案。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)檢索及專利檢索顯示，現(xiàn)有的倒立擺系統(tǒng)控制其平衡的力或力矩絕大多數(shù)是在倒立擺的下端，如很常見的小車倒立擺就是通過控制連接擺桿的小車運(yùn)動(dòng)達(dá)到控制倒立擺平衡的目的，但是隨著獨(dú)輪機(jī)器人研究的進(jìn)行，獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向平衡問題一直困擾著研究人員，因?yàn)楠?dú)輪機(jī)器人的一個(gè)輪子只有前后方向的自由度，沒有側(cè)向的自由度，因而在不改變輪子結(jié)構(gòu)前提下，不能通過只控制一個(gè)獨(dú)輪就保持獨(dú)輪機(jī)器人的平衡，必須通過在獨(dú) 輪機(jī)器人上方施加力方可保持獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)向平衡，為此申請(qǐng)?zhí)枮?00810106348. 3的實(shí)用新型專利首先給出了一種控制獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向平衡的方案，其通過改變側(cè)向配重的重心位置來達(dá)到控制獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向平衡的目的；然后申請(qǐng)?zhí)枮?01010151221.0的實(shí)用新型專利給出了基于慣性飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反扭矩控制倒立擺平衡，間接解決了機(jī)器人側(cè)向平衡問題。但是以上兩類解決方案都存在系統(tǒng)笨重問題，即需要質(zhì)量較大的裝置才能保持平衡，而且慣性飛輪的方法產(chǎn)生的力與加速度有關(guān)系，受電機(jī)性能限制很難控制。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決現(xiàn)有從倒立擺上部產(chǎn)生作用力的倒立擺平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)笨重，質(zhì)量較大的問題，本實(shí)用新型提出了一種基于電磁效應(yīng)產(chǎn)生力或力矩作用于倒立擺上部來得到控制倒立擺平衡，間接為控制獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向平衡提供解決方案。因?yàn)槠淇刂魄擅钜嗫勺鳛楦叩仍盒５膶?shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，為獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)向平衡研究及高等院校教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。更值得一提的是因?yàn)椴捎秒姶判?yīng)產(chǎn)生作用力所以系統(tǒng)的體積小，質(zhì)量輕，更加適合獨(dú)輪機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性能要求。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案，參照?qǐng)D1，基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，包括基座
I、連接軸2、線圈3、線圈平臺(tái)4、舵機(jī)5、舵機(jī)連接桿6、永磁體支架7、永磁體8、隔板9、陀螺儀10、加速度計(jì)11、控制模塊12、電源模塊13、線圈繞組14、線圈支架15，基座把手16，電磁屏蔽材料17?；鵌與連接桿2活動(dòng)相連，線圈3下端與連接軸2固定連接，平臺(tái)4與線圈3是一個(gè)整體，位于線圈3側(cè)面的下端，舵機(jī)5固定在線圈3 —側(cè)的平臺(tái)4上，舵機(jī)連接桿6下端與舵機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)盤同心連接,永磁體支架7與舵機(jī)連接桿6的另一端固定連接,永磁體8固定在永磁體支架7上，三塊隔板9鑲嵌入線圈的內(nèi)側(cè)，陀螺儀10和加速度計(jì)11安放在第二塊隔板9上，控制模塊12安放在最下邊的隔板9上，陀螺儀10和加速度計(jì)11由電源模塊13供電，并且與控制模塊12相連將測(cè)量的信息傳輸給控制模塊12，電源模塊13安放在線圈3下部的內(nèi)側(cè)面上，線圈繞組14繞于線圈3外側(cè)面，電源模塊13給控制模塊12和線圈繞組14供電，控制模塊12輸出控制量控制舵機(jī)4和線圈繞組14中的電流。線圈支架15固定在基座I上對(duì)稱置于轉(zhuǎn)動(dòng)連接軸2兩側(cè)。[0006]線圈繞組14的有效部分為線圈繞組13的上側(cè)面，該側(cè)面與永磁體8產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向保持垂直，且該側(cè)面中繞圈繞組中的電流方向與磁場(chǎng)方向垂直?；鵌通過兩個(gè)軸承與連接軸2相連。所述的控制模塊12為單片機(jī)芯片，DSP芯片、ARM芯片或FPGA。所述的舵機(jī)5亦可替代為步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)。所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，線圈繞組14位于線圈3頂部桿處加有鐵芯，以增強(qiáng)電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的力或力矩，但線圈繞組14位于線圈3底部外側(cè)安放有電磁屏蔽材料，以避免電磁效應(yīng)對(duì)底部的線圈繞組產(chǎn)生力的作用。所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，所述的線圈3與舵機(jī)5連接有兩種結(jié)構(gòu)，一種是舵機(jī)5固定在線圈3 —側(cè)的平臺(tái)上，這時(shí)永磁體在舵機(jī)5作用下將一直在線圈正上方產(chǎn)生磁場(chǎng)；另一種結(jié)構(gòu)是在線圈3兩側(cè)對(duì)稱伸出兩個(gè)平臺(tái)，也就是將第一種結(jié)構(gòu)的平臺(tái)4向上移動(dòng)到側(cè)面中心位置，并在對(duì)面對(duì)稱這么設(shè)置，然后在平臺(tái)4上固定連接兩個(gè)舵機(jī)5，這時(shí)舵機(jī)5將帶動(dòng)永磁體8在線圈3周邊旋轉(zhuǎn)，這樣同樣可以起到在線圈3正上方有一磁場(chǎng)的效果。所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，線圈支架15的角度可調(diào)，既可以起到保護(hù)倒立擺裝置作用，又可起到調(diào)節(jié)倒立擺初始擺角作用，還可以在裝置不使用時(shí)起到固定倒立擺裝置的作用。所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，基座把手16可以起到方便搬運(yùn)整個(gè)裝置的作用。倒立擺平衡主要基于電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，即通電線圈在磁場(chǎng)中受力這樣原理來實(shí)現(xiàn)倒立擺的平衡控制，通過控制線圈中電流的方向及大小就可以實(shí)現(xiàn)倒立擺裝置的平衡控制。本實(shí)用新型可以取得如下有益效果永磁體可在舵機(jī)或電機(jī)帶動(dòng)下在線圈正上方或一周產(chǎn)生磁場(chǎng)，通電線圈在磁場(chǎng)中受力或帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)保持平衡狀態(tài)。由于不是采用慣性飛輪等產(chǎn)生力矩的方式，故質(zhì)量和體積都可以做得很小，這樣使得倒立擺系統(tǒng)更加輕巧靈活。

圖I 一種基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 —種基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)的控制系統(tǒng)連接示意圖；圖3 —種基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)的受力分析示意圖；圖4 一種基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖圖中I基座，2連接軸，3線圈，4平臺(tái)，5舵機(jī)，6舵機(jī)連接桿，7永磁體支架，8永磁體，9隔板，10陀螺儀，11加速度計(jì)，12控制模塊，13電源模塊，14線圈繞組，15線圈支架，16基座把手，17電磁屏蔽材料。
具體實(shí)施方式
[0021]
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)于本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。為了避免電磁對(duì)裝置的影響，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料為ABS型塑料，主要部件型號(hào)如下舵機(jī)5型號(hào)為FutabaS3003，陀螺儀10型號(hào)為L(zhǎng)3G4200D，加速度計(jì)11型號(hào)為ADXL345 ;控制模塊12選用颶風(fēng)數(shù)字系統(tǒng)(北京)有限公司MTK28335系統(tǒng)板，該系統(tǒng)的處理器采用TI公司TMS320F28335DSP，系統(tǒng)為5V直流供電；電源模塊由可充電鋰電池和電源轉(zhuǎn)換板構(gòu)成，鋰電池選用LBS-100C標(biāo)準(zhǔn)鋰電池，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)置過充、過放、過流及短路保護(hù)，集成電量監(jiān)控，電源轉(zhuǎn)接板華北工控PW-4512電源模塊13，給控制模塊12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, +12V05A，-12ViO. 8A ;實(shí)施例2中舵機(jī)5被電機(jī)5替代后，電機(jī)的參考型號(hào)選用Maxon公司的直流無刷電機(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。實(shí)施例I :如圖I所示，本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)如前所述。參照?qǐng)D2，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，調(diào)整線圈支架15保持線圈部分和永磁體部分的擺角都為零度，給系統(tǒng)上電后控制模塊12對(duì)陀螺儀10和加速度計(jì)11等慣導(dǎo)元件進(jìn)行初始化，然后調(diào)整線圈支架15使得線圈部分和永磁體部分有一定擺角Θ，參照?qǐng)D3，以線圈部分和永磁體部分偏向左側(cè)為例，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向入圖3中箭頭所示，這時(shí)線圈上部的線圈繞組的電流方向被控制模塊12置成垂直于紙面向外方向，參考洛倫茲力公式F=BIL,則線圈3上部將會(huì)受到一個(gè)順時(shí)針方向的力矩，在該力矩的作用下，擺角Θ將減小，如果系統(tǒng)為一過阻尼系統(tǒng)則使用一定的控制算法就可以使擺角Θ收斂為零，如果系統(tǒng)為一欠阻尼系統(tǒng)則擺角Θ會(huì)產(chǎn)生超調(diào)量，即擺角Θ會(huì)變成負(fù)的規(guī)定逆時(shí)針方向角度為正時(shí)，這時(shí)需要控制模塊將線圈繞組14中的電流方向反向就可以使線圈整體受到一個(gè)逆時(shí)針方向的力矩，在控制擺角Θ過程中，線圈繞組14中的電流大小是可調(diào)的，這一點(diǎn)通過控制模塊中的D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，這樣將線圈繞組14中的電流作為控制量就可以快速地將整個(gè)系統(tǒng)控制在豎直的方向上了。實(shí)施例2實(shí)施例2如圖4所示，其與圖I中所示的實(shí)施例I的不同在于，在線圈3兩側(cè)對(duì)稱伸出兩個(gè)平臺(tái)，也就是將實(shí)施例I的平臺(tái)向上移動(dòng)一定位置，并在對(duì)面對(duì)稱設(shè)置，然后在線圈3平臺(tái)上固定連接兩個(gè)直流電機(jī)5，這時(shí)直流電機(jī)5將帶動(dòng)永磁體8在線圈周邊旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比線圈擺角變化要快得多時(shí)，可以等效視為在線圈繞組的周邊圓上有一固定磁場(chǎng)，以下的具體實(shí)施方式
與實(shí)施例I相同，不再贅述。最后要說明的是以上實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型而并非限制本實(shí)用新型所描述的技術(shù)方案；因此盡管本說明書參照上述實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離實(shí)用新型精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，包括基座(I)、連接軸(2)、線圈(3)、平臺(tái)(4)、舵機(jī)(5)、舵機(jī)連接桿(6)、永磁體支架(7)、永磁體(8)、隔板(9)、陀螺儀(10)、加速度計(jì)(11)、控制模塊(12)、電源模塊(13)、線圈繞組(14)、線圈支架(15)、基座把手(16);其特征在于 基座(I)與連接桿(2)活動(dòng)相連，線圈(3)下端與連接軸(2)固定連接，平臺(tái)(4)與線圈(3)是一個(gè)整體，位于線圈(3)側(cè)面的下端，舵機(jī)(5)固定在線圈(3)—側(cè)的平臺(tái)(4)上，舵機(jī)連接桿(6)下端與舵機(jī)(5)轉(zhuǎn)動(dòng)盤同心連接，永磁體支架(7)與舵機(jī)連接桿(6)的另一端固定連接，永磁體(8)固定在永磁體支架(7)上,三塊隔板(9)鑲嵌入線圈的內(nèi)側(cè)，陀螺儀(10 )和加速度計(jì)(11)安放在第二塊隔板(9 )上，控制模塊(12 )安放在最下邊的隔板(9 )上，陀螺儀(10)和加速度計(jì)(11)由電源模塊(13)供電，并且與控制模塊(12)相連將測(cè)量的信息傳輸給控制模塊(12)，電源模塊(13)安放在線圈(3)下部的內(nèi)側(cè)面上，線圈繞組(14)繞于線圈(3)外側(cè)面，電源模塊(13)給控制模塊(12)和線圈繞組(14)供電，控制模塊(12)輸出控制量控制舵機(jī)(5)和線圈繞組(14)中的電流；線圈支架(15)固定在基座(I)上對(duì)稱置于轉(zhuǎn)動(dòng)連接軸(2)兩側(cè)；線圈繞組(14)的有效部分為線圈繞組(14)的上側(cè)面，該側(cè)面與永磁體(8 )產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向保持垂直，且該側(cè)面中繞圈繞組中的電流方向與磁場(chǎng)方向垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于所述的基座(I)通過兩個(gè)軸承與連接軸(2)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于所述的控制模塊(12)為單片機(jī)芯片，DSP芯片、ARM芯片或FPGA。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于所述的舵機(jī)(5)亦可替代為步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于線圈繞組(14)位于線圈(3)頂部桿處加有鐵芯，以增強(qiáng)電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的力或力矩，但線圈繞組(14)位于線圈(3)底部外側(cè)安放有電磁屏蔽材料(17)，以避免電磁效應(yīng)對(duì)底部的線圈繞組產(chǎn)生力的作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于所述的線圈(3)與舵機(jī)(5)連接有兩種結(jié)構(gòu)，所述的舵機(jī)(5)固定在線圈(3)—側(cè)的平臺(tái)(4)上的結(jié)構(gòu)也可替換為在線圈(3)兩側(cè)對(duì)稱伸出兩個(gè)平臺(tái)，然后在平臺(tái)(4)上固定連接兩個(gè)舵機(jī)(5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于所述的線圈支架(15)為配合線圈(3)傾斜角度可調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于線圈支架(15)長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，其特征在于基座把手(16)對(duì)稱固定基座(I)上，且位于基座(I)兩個(gè)側(cè)面。
專利摘要一種基于電磁效應(yīng)的倒立擺系統(tǒng)，包括基座、轉(zhuǎn)動(dòng)連接軸、線圈、舵機(jī)、舵機(jī)連接桿、永磁體支架、永磁體、隔板、陀螺儀、加速度計(jì)、控制模塊、電源模塊、線圈繞組，線圈支架，基座把手。本倒立擺系統(tǒng)中控制本電磁倒立擺系統(tǒng)平衡的力是施加在倒立擺的上端的，且將電磁效應(yīng)應(yīng)用到倒立擺系統(tǒng)中，發(fā)明了一套應(yīng)用電磁效應(yīng)產(chǎn)生力來控制倒立擺系統(tǒng)的平衡的裝置。本實(shí)用新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，結(jié)構(gòu)清晰明了，為獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向平衡等研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)可在控制領(lǐng)域用來檢驗(yàn)?zāi)撤N理論或方法的正確性與可行性，更重要的是該系統(tǒng)可以為獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)向平衡提供解決方案。
文檔編號(hào)G09B25/02GK202383921SQ20112050956
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者侯旭陽, 左國(guó)玉, 張玉, 張蓉, 彭奎, 朱曉慶, 李亞磊, 王愷, 趙秉輝, 阮曉鋼, 高靜欣, 魏若巖, 龔道雄 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)