小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，屬于機器人姿態(tài)運動仿真、慣導設備檢測領域；小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器可以模擬自平衡機器人的俯仰角、航向角的變化；同時水平移動滑臺和兩軸轉臺運動的疊加亦可以模擬兩輪自平衡機器人在水平面上復雜的運動姿態(tài)，包括自旋、勻速轉向、機器人走“8”字；采用非線性PD雙回路控制器使姿態(tài)模擬器系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，同時提高了控制精度；L型外框的使用，減少了系統(tǒng)的重力不平衡力矩、提高系統(tǒng)精度。
【專利說明】小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，屬于機器人姿態(tài)運動模擬仿真、慣導設備檢測領域。
【背景技術】
[0002]自平衡機器人是一種質心高于支點，在重力作用下機身姿態(tài)本征不穩(wěn)定的移動機器人，在運動中需要自身控制姿態(tài)維持平衡。提高自平衡機器人的運動姿態(tài)控制性能，首要提供的是姿態(tài)模擬平臺，模擬自平衡機器人的運功姿態(tài)，驗證姿態(tài)檢測算法和傳感器的性能。
[0003]姿態(tài)模擬器主要用于慣導設備測試和半實物仿真測試，應用于半實物仿真測試的姿態(tài)模擬器被稱作仿真轉臺。轉臺是仿真技術的關鍵設備，由早期的單軸轉臺到目前的三軸轉臺，已經可以真實地模擬導彈或飛行器的動力學特性，在實驗室條件下復現其在空中的各種飛行姿態(tài)，對導彈或飛行器的傳感器件、制導系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及各執(zhí)行機構的性能加以測試，為成功的實際飛行提供充分的技術指標和實驗數據。因此為了能夠在自平衡機器人領域，實現通過實驗仿真機器人的各種復雜的運動姿態(tài)，驗證姿態(tài)控制算法和機身上的姿態(tài)傳感器性能的目的，本發(fā)明提出了一種小型自平衡姿態(tài)模擬器。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，該模擬器不但可以仿真小型自平衡機器人的俯仰角、航向角的變化，還可以通過導軌滑臺水平移動和兩軸轉臺部分兩軸系運動的疊加仿真兩輪自平衡機器人在水平面上復雜的運動姿態(tài)，包括自旋、勻速轉向、機器人走“8”字等，并可作為類似相關運動仿真的試驗平臺。
[0005]為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，該模擬器包括一個水平移動平臺和一個兩軸轉臺；其中，兩軸轉臺部分，上軸系模擬自平衡機器人的俯仰姿態(tài)，下軸系模擬自平衡機器人的航向角，安裝于水平移動平臺的導軌滑臺上；水平移動平臺驅動導軌滑臺，實現兩軸轉臺進行水平位移，模擬機器人在空間的水平移動；通過步進電機細分驅動器提高步進電機的步距精度，上軸系采用由步進電機直接驅動支撐架，并由光電編碼器組成閉環(huán)系統(tǒng)，避免產生失步，提高俯仰姿態(tài)的仿真精度；中層電機采用力矩較大的減速步進電機驅動L型框架，不加傳動裝置，減少定位誤差，提高航向角的仿真精度；下層電機由步進電機驅動絲桿，絲桿將回轉運動轉化為導軌滑臺的直線運動，并由光電編碼器組成閉環(huán)系統(tǒng)，提高位移精度。
[0006]與現有技術先比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0007]小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器可以模擬小型自平衡機器人的俯仰角、航向角的變化；同時水平移動滑臺和兩軸轉臺運動的疊加亦可以模擬兩輪自平衡機器人在水平面上復雜的運動姿態(tài)，包括自旋、勻速轉向、機器人走“8”字；采用非線性ro雙回路控制器使姿態(tài)模擬器系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，同時提高了控制精度；L型外框的使用，減少了系統(tǒng)的重力不平衡力矩、提聞系統(tǒng)精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器的機械結構立體示意圖。
[0009]圖2為導軌滑臺機械結構示意圖。
[0010]圖3為L型外框與中軸安裝架結構圖。
[0011]圖4為固定平臺的結構示意框圖。
[0012]圖5為電氣系統(tǒng)結構示意圖。
[0013]圖中:1、底座,2、下層電機驅動器,3、聯軸器,4、固定平臺，5、L型外框,6、姿態(tài)傳感器，7、支撐桿，8、導軌滑臺，9、絲桿，10、導軌底座，11、開關電源，12、電源分配器，13、DSP控制器，14、上層電機,15、光電編碼器a, 16、中層電機,17、下層電機,18、中層安裝架，19、上層安裝架，20、中層電機驅動器,21、上層電機驅動器,22、光電編碼器b, 23、滾動軸承,24、滑輪。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0015]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，該模擬器包括底座1、下層電機驅動器2、聯軸器3、固定平臺4、L型外框5、姿態(tài)傳感器6、支撐桿7、導軌滑臺8、絲桿9、導軌底座10、開關電源11、電源分配器12、DSP控制器13、上層電機14、光電編碼器al5、中層電機16、下層電機17、中層安裝架18、上層安裝架19、中層電機驅動器20、上層電機驅動器21、光電編碼器b22、滾動軸承23、滑輪24。
[0016]其中，導軌底座10、下層電機驅動器2、中層電機驅動器20、上層電機驅動器21、DSP控制器13、開關電源11、電源分配器12均直接固定在底座I上。
[0017]導軌底座10上安裝有絲桿9、下層電機17、滾動軸承23，導軌底座10兩端通過螺栓連接固定在底座I上，絲桿9與導軌底座10通過滾珠軸承23固定在導軌底座10上，下層電機17 —端與光電編碼器b22相連，另一端通過聯軸器3與絲桿9相連；絲桿9與導軌滑臺8內的螺紋孔通過螺紋配合連接在一起；導軌滑臺8下端安裝有滑輪24，其與導軌底座10軌道吻合，起支撐導軌滑臺8的作用。
[0018]支撐桿7下端連接導軌滑臺8，支撐桿7上端與固定平臺4連接，保證固定平臺4與導軌滑臺8平行。
[0019]固定平臺4下端通過四個預留的螺紋孔與中層電機16通過螺栓連接固定，固定平臺4中心留有中心孔沖層電機16與導軌滑臺8垂直；中層安裝架18置于固定平臺4上，中層安裝架18的軸穿過固定平臺4的中心孔與中層電機16相連；中層電機16直接驅動中層安裝架18轉動；同時為了布線方便，在固定平臺4上預留有布線孔。
[0020]L型外框5固定在中層安裝架18上，L型外框5底部設有對稱的長形孔，螺釘穿過長孔與中層安裝架18上預留的螺紋孔固定；同時長形孔的設計可以使L型外框5可以沿長形孔方向，調節(jié)其在中層安裝架18上的位置；L型外框5的側板預留有軸孔，軸孔周圍是四個螺紋孔，并與上層電機14的安裝孔對應，通過螺釘將上層電機14固定在L型外框5的內偵牝上層電機14的電機軸穿過L型外框5的軸孔固定上層安裝架19 ;上層安裝架19用來安裝姿態(tài)傳感器6。
[0021]上層電機14、中層電機16、下層電機17均采用步進電機。
[0022]光電編碼器al5、光電編碼器b22分別與上層電機14、下層電機17相連，用以測量上層電機14、下層電機17轉過的角度，作為閉環(huán)反饋，防止步進電機失步。
[0023]上層電機14直接驅動上層安裝架19，使上層安裝架19能夠圍繞水平線做旋轉運動，模擬自平衡機器人的俯仰姿態(tài)；中層電機16驅動中層安裝架18，帶動L型外框5及上層電機14轉動，模擬自平衡機器人航向姿態(tài)；下層電機17通過絲桿驅動導軌滑臺8做水平位移模擬自平衡機器人的空間水平移動。 [0024]DSP控制器13輸出非線性H)雙回路控制的占空比可調的PWM波，控制步進下層電機驅動器2、中層電機驅動器20、上層電機驅動器21，使上層電機14、中層電機16、下層電機17按照程序編定的步驟轉動。
[0025]光電編碼器al5、光電編碼器b22,監(jiān)測上、下層電機的旋轉角度,如有失步需及時補足；同時將編碼器所測量得到的電機速度反饋給DSP控制器13，作為控制模擬器電機速度的線性H)控制器的參考量。
[0026]姿態(tài)傳感器6是模擬自平衡機器人運動姿態(tài)的關鍵器件，系統(tǒng)運動狀態(tài)可以由姿態(tài)傳感器6中各軸向陀螺儀測量的角速度、加速度計測量的加速度的值來直觀的顯示；同時姿態(tài)傳感器6將測量得到的數值反饋到DSP控制器13，作為控制模擬器各軸向轉動角度的非線性H)控制器部分的參考量。
[0027]電源分配器12含有高頻電源模塊，電源分配器12可以輸出穩(wěn)定的直流電為基礎電路供電。
[0028]絲桿9將回轉運動轉化為導軌滑臺8的直線運動,滾動軸承23將絲桿9的滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，減小的摩擦阻力。
[0029]L型外框5可以減少姿態(tài)模擬器的慣性載荷，重力不平衡載荷；一般設計中所采用的U型外框是通過配重的方式減小重力不平衡載荷；而本設計中的L型外框可以減少質心與轉動中心的偏離程度，減少系統(tǒng)產生的傾覆力矩。
[0030]如圖5所示為電氣系統(tǒng)的控制圖，電氣系統(tǒng)分為:控制模塊、姿態(tài)檢測模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊；其中電源模塊為其它部分提供穩(wěn)定的直流電源，控制模塊發(fā)出指令控制執(zhí)行模塊中的步進電機按照程序編寫的方式運行，并由編碼器組成反饋回路。系統(tǒng)運動時各方向姿態(tài)角的變化，均由姿態(tài)檢測模塊測量，并上傳上位機進行分析。同時數據反饋到DSP控制器，組成控制回路。
[0031]實施例
[0032]假設L型外框內被測件存在偏心質量miS=0.1kg，質心到轉軸的距離Iis=0.05m,
[0033]重力不平衡力矩的計算式為:
[0034]M 重=H^glillCosa
[0035]公式中:M重-重力不平衡力矩，Nm ；
[0036]-偏心質量，kg ；
[0037]I偏——質心到轉軸的距離，m ；
[0038]a——L型外框平面與水平面夾角，rad ；
[0039]考慮到本姿態(tài)模擬器的實際計算公式=Mi=HiisgIis=0.05N.m。[0040]常用旋轉體的轉動慣量的近似計算式為:
[0041]J=K.M.De2/4
[0042]公式中J—旋轉體的轉動慣量，kg* m2;
[0043]K——系數；
[0044]M-旋轉體質量，kg ；
[0045]De-旋轉體的飛輪計算直徑，m ；
[0046]L型外框及附件、被測件(包括L框體、電機軸、電機、安裝架、MEMS姿態(tài)傳感器等)總轉動慣量為:
[0047]J=K.M.De2/4=0.324kg.m2 ；
[0048]慣性力矩:M慣=J.ε
[0049]ε -物體的角加速度，rad/s2 ；
[0050]L型外框的轉動慣量-Mm =J.ε =0.272Ν.m ；
[0051]M=M慣+M 重=0.322N.m
[0052]各電機均為42步進電機，電機力矩0.4N.m，滿足系統(tǒng)需求。
[0053]為了提高姿態(tài)模擬器的仿真精度，采用非線性H)控制器實現PWM波的控制?？刂破鞣譃閮刹糠?，第一部分是控制姿態(tài)模擬器各軸系姿態(tài)的非線性ro控制器，控制器輸入為
模擬器軸系的轉動角度θ和角速度力，后一部分是控制模擬器電機速度的線性ro控制器，輸入為步進電機的速度V和加速度P。第一部分采用的姿態(tài)傳感器實現轉動角度θ和角速
度?測量，后一部分利用光電編碼器測量電機速度。
[0054]基于非線性ro雙回路控制器計算公式
[0055]τ nl=NPD ( θ，V ) = τ ΝΒ+ τ ν
[0056]
【權利要求】
1.一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:該模擬器包括底座(1)、下層電機驅動器(2)、聯軸器(3)、固定平臺(4)、L型外框(5)、姿態(tài)傳感器(6)、支撐桿(7)、導軌滑臺(8)、絲桿(9)、導軌底座(10)、開關電源(11)、電源分配器(12)、DSP控制器(13)、上層電機(14)、光電編碼器a (15)、中層電機(16)、下層電機(17)、中層安裝架(18)、上層安裝架(19)、中層電機驅動器(20)、上層電機驅動器(21)、光電編碼器b(22)、滾動軸承(23)、滑輪(24)； 其中，導軌底座(10)、下層電機驅動器(2)、中層電機驅動器(20)、上層電機驅動器(21)、DSP控制器(13)、開關電源(11)、電源分配器(12)均直接固定在底座(1)上； 導軌底座(10)上安裝有絲桿(9)、下層電機(17)、滾動軸承(23)，導軌底座(10)兩端通過螺栓連接固定在底座(1)上，絲桿(9 )與導軌底座(10 )通過滾珠軸承(23 )固定在導軌底座(10)上，下層電機(17)—端與光電編碼器b (22)相連，另一端通過聯軸器(3)與絲桿(9)相連；絲桿(9)與導軌滑臺(8)內的螺紋孔通過螺紋配合連接在一起；導軌滑臺(8)下端安裝有滑輪(24)，其與導軌底座(10)軌道吻合，起支撐導軌滑臺(8)的作用； 支撐桿(7)下端連接導軌滑臺(8)，支撐桿(7)上端與固定平臺(4)連接，保證固定平臺(4)與導軌滑臺(8)平行； 固定平臺(4)下端通過四個預留的螺紋孔與中層電機(16)通過螺栓連接固定，固定平臺(4)中心留有中心孔；中層電機(16)與導軌滑臺(8)垂直；中層安裝架(18)置于固定平臺(4)上，中層安裝架(18)的軸穿過固定平臺(4)的中心孔與中層電機(16)相連；中層電機(16)直接驅動中層安裝架(18)轉動；同時為了布線方便，在固定平臺(4)上預留有布線孔； L型外框(5)固定在中層安裝架(18)上，L型外框(5)底部設有對稱的長形孔，螺釘穿過長孔與中層安裝架(18)上預留的螺紋孔固定；同時長形孔的設計可以使L型外框(5)可以沿長形孔方向，調節(jié)其在中層安裝架(18)上的位置；L型外框(5)的側板預留有軸孔，軸孔周圍是四個螺紋孔，并與上層電機(14)的安裝孔對應，通過螺釘將上層電機(14)固定在L型外框(5)的內側，上層電機(14)的電機軸穿過L型外框(5)的軸孔固定上層安裝架(19);上層安裝架(19)用來安裝姿態(tài)傳感器(6); 電氣系統(tǒng)分為控制模塊、姿態(tài)檢測模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊；其中電源模塊為其它部分提供穩(wěn)定的直流電源，控制模塊發(fā)出指令控制執(zhí)行模塊中的步進電機按照程序編寫的方式運行，并由編碼器組成反饋回路；系統(tǒng)運動時各方向姿態(tài)角的變化，均由姿態(tài)檢測模塊測量，并上傳上位機進行分析；同時數據反饋到DSP控制器，組成控制回路。
2.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:上層電機(14)直接驅動上層安裝架(19)，使上層安裝架(19)能夠圍繞水平線做旋轉運動，模擬自平衡機器人的俯仰姿態(tài)；中層電機(16)驅動中層安裝架(18)，帶動L型外框(5)及上層電機(14)轉動，模擬自平衡機器人航向姿態(tài)；下層電機(17)通過絲桿驅動導軌滑臺(8)做水平位移模擬自平衡機器人的空間水平移動。
3.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:上層電機(14)、中層電機(16)、下層電機(17)均采用步進電機。
4.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:光電編碼器a (15)、光電編碼器b (22)分別與上層電機(14)、下層電機(17)相連，用以測量上層電機(14)、下層電機(17)轉動的速度，作為閉環(huán)反饋。
5.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:DSP控制器(13)輸出非線性ro雙回路控制的占空比可調的PWM波，控制步進下層電機驅動器(2)、中層電機驅動器(20)、上層電機驅動器(21)，使上層電機(14)、中層電機(16)、下層電機(17)按照程序編定的步驟轉動。
6.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:光電編碼器a (15)、光電編碼器b (22)，監(jiān)測上、下層電機的旋轉角度；同時將編碼器所測量得到的電機速度反饋給DSP控制器(13 )。
7.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:姿態(tài)傳感器(6)是模擬自平衡機器人運動姿態(tài)的關鍵器件，系統(tǒng)運動狀態(tài)可以由姿態(tài)傳感器(6)中各軸向陀螺儀、加速度計測量的數值上傳上位機來直觀的顯示；同時姿態(tài)傳感器(6)將測量得到的數值反饋到DSP控制器(13)。
8.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:電源分配器(12)含有高頻電源模塊，電源分配器(12)可以輸出穩(wěn)定的直流電為基礎電路供電。
9.根據權利要求1所述的一種小型自平衡機器人姿態(tài)模擬器，其特征在于:絲桿(9)將回轉運動轉化為 導軌滑臺(8)的直線運動，滾動軸承(23)將絲桿(9)的滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ痢?br> 【文檔編號】G05D1/02GK103744297SQ201410005737
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權日:2014年1月7日
【發(fā)明者】阮曉鋼, 于淼淼, 于乃功, 馬圣策, 孫榮毅, 張曉平, 魏若巖, 李望博 申請人:北京工業(yè)大學