CN107643761B - 多级全向空间倒立摆机构及平衡方法 - Google Patents

多级全向空间倒立摆机构及平衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级全向空间倒立摆机构及平衡方法，包括由多个摆动单元构成的多级摆动机构，各摆动单元摆球的下半球体置于球架内，摆球上半球体的顶部中央设有竖直插销，球架内圆周均布设有三个与下半球体摩擦接触的单排全向轮，各单排全向轮通过对应轮架安装且各轮架上设有检测对应单排全向轮转动角度的绝对式编码器，球架顶部设有作用在上半球体上的限位件，球架底部设有与插销同轴的插孔；多个摆动单元自下而上依次插装连接，最下级摆动单元设于水平转台上，水平转台设于左右移动台上，左右移动台设于前后移动台上。本发明能够全面模拟物体在三维空间倾倒的动态行为，为检验某种多输入多输出***控制理论或方法提供了实验平台。

Description

多级全向空间倒立摆机构及平衡方法
技术领域
本发明涉及平衡控制技术，具体为一种多级全向空间倒立摆机构及平衡方法。
背景技术
倒立摆控制***是一个复杂的、不稳定的非线性***，广泛应用于教学和科学研究，是控制领域中用来检验某种控制理论或方法的理想平台。
倒立摆***的控制问题就是使摆动机构达到一个平衡位置，并且当摆动机构到达期望的位置后，***能克服随机扰动而保持稳定。由于随着摆杆级数的增多，控制难度将急剧提高，所以对多级倒立摆的实物***控制实现也成了公认的难题。
传统的倒立摆机构分为一维摆、二维摆、旋转摆等机构，这些倒立摆机构各有各的结构特点和维度优势。然而，现有的倒立摆机构很少能够将它们的特点融为一体。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出了一种全面模拟物体在三维空间倾倒行为动态的多级全向空间倒立摆机构及平衡方法。
能够解决上述技术问题的多级全向空间倒立摆机构，其技术方案包括多级摆动机构，所不同的是所述多级摆动机构包括多个摆动单元，各摆动单元包括摆球，所述摆球的下半球体置于球架内，摆球上半球体的顶部中央设有竖直插销，所述球架内圆周均布设有三个与下半球体摩擦接触的单排全向轮，各单排全向轮通过对应轮架安装且各轮架上设有检测对应单排全向轮转动角度的绝对式编码器，三个单排全向轮的回转中心向下交汇于一点，该交点处于摆球球心的正下方，所述球架顶部设有作用在上半球体上的限位件，球架底部设有与插销同轴的插孔；多个摆动单元自下而上依次插装连接，最下级摆动单元设于水平转台上，所述水平转台设于左右移动台上，所述左右移动台设于前后移动台上。
所述前后移动台的常规结构包括前后底座和滑动安装于前后底座上的前后移动台面；所述左右移动台的常规结构包括左右底座和滑动安装于左右底座上的左右移动台面，左右底座安装于前后移动台面上；所述水平转台包括转盘，所述转盘通过推力轴承安装于轴承支座上，所述轴承支座安装于左右移动台面上。
所述前后移动台面的驱动为前后直流电机带动的前后丝杆螺母传动副；所述左右移动台面的驱动为左右直流电机带动的左右丝杆螺母传动副；所述转盘的驱动为设于轴承支座内的旋转直流电机。
所述限位件的一种结构包括与摆球上半球体同轴的环形保持架，所述环形保持架通过环形支架安装于球架顶部，环形保持架上圆周均布的滚珠与上半球体滚动连接。
采用上述多级全向空间倒立摆机构的平衡控制方案为：
1、当任何一个摆球由于外界扰动发生振荡时，与对应摆球接触的三个单排全向轮会转动一个角度，通过各绝对式编码器可测量出对应单排全向轮的转动角度，进而通过旋转变换矩阵求出该摆球的姿态。
2、将各摆球的自身姿态经一系列旋转变换矩阵求出末端摆动单元摆球的姿态。
3、将末端摆动单元的摆球姿态反馈到控制器，所述控制器启动前后直流电机、左右直流电机和旋转直流电机使得前后移动台面、左右移动台面和转盘联动而使多个摆动单元恢复到平衡稳定状态。
本发明的有益效果：
1、本发明多级全向空间倒立摆机构结构中，多级摆动机构可以实现空间上的全向转动，由此可以作为检验某种多输入多输出(MOMI)***控制理论或方法的一般化理想实验平台。
2、本发明结构中，摆动单元中的单排全向轮采用均布圆周分布，这种圆周分布能够减少附加不平衡力矩的产生。
3、本发明结构中，当需要更高级数的摆动机构时，只需将摆动单元层层向上插装即可。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图。
图2为图1实施方式中水平转台、左右移动台、前后移动台的组装轴测图。
图3为图2组装结构的剖视图。
图4(a)为图1实施方式中摆动单元的结构示意图。
图4(b)为图4(a)中的A-A剖视图。
图号标识：1、摆动单元；2、摆球；3、球架；4、插销；5、单排全向轮；6、轮架；7、绝对式编码器；8、水平转台；9、左右移动台；10、前后移动台；11、前后底座；12、滚珠；13、前后移动台面；14、左右底座；15、环形支架；16、左右移动台面；17、转盘；18、推力轴承；19、轴承支座；20、环形保持架；21、前后丝杆螺母传动副；22、旋转直流电机；23、左右丝杆螺母传动副。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明多级全向空间倒立摆机构包括多级摆动机构、水平转台8、左右移动台9和前后移动台10。
所述前后移动台10包括前后底座11和滑动安装于前后底座11上的前后移动台面13；所述左右移动台9包括左右底座14和滑动安装于左右底座14上的左右移动台面16，左右底座14安装于前后移动台面13上；所述水平转台8包括转盘17，所述转盘17通过推力轴承18安装于轴承支座19上，所述轴承支座19安装于左右移动台面16上，如图1、图2、图3所示。
所述多级摆动机构包括上、中、下三个摆动单元1，各摆动单元1的主体为摆球2，所述摆球2的下半球体置于球架3内，摆球2上半球体的顶部中央设有竖直插销4(轴线过摆球2的球心)，所述球架3内下半球体下方圆周均布设有三个与下半球体摩擦接触的单排全向轮5，各单排全向轮5通过对应轮架6安装且各轮架6上，各轮架6上设有检测对应单排全向轮5转动角度的绝对式编码器7，三个单排全向轮5的回转中心向下交汇于一点，该交点处于摆球2球心的正下方，所述球架3顶部设有作用在上半球体上将摆球2向下与单排全向轮5紧密接触的限位件，球架3底部设有与插销4同轴的插孔；三个摆动单元1自下而上依次插装连接，最下级摆动单元1设于转盘17上，三个摆动单元1的垂直轴线处于转盘17的回转中心上，如图1、图2、图3、图4(a)、图4(b)所示。
所述限位件包括与摆球2上半球体同轴的环形保持架20，所述环形保持架20通过环形支架15安装于球架3顶部，环形保持架20上圆周均布的滚珠12与上半球体滚动连接，如图4(a)、图4(b)所示。
本发明多级全向空间倒立摆平衡方法的平衡控制方案为：
1、当任何一个摆球2由于外界扰动发生振荡时，与对应摆球2接触的三个单排全向轮5会转动一个角度，通过各绝对式编码器7可测量出对应单排全向轮5的转动角度，进而通过旋转变换矩阵求出该摆球2的姿态。
2、将各摆球2的自身姿态经一系列旋转变换矩阵求出上摆动单元1摆球2的姿态。
3、将上摆动单元1的摆球2姿态反馈到控制器，所述控制器启动前后直流电机、左右直流电机和旋转直流电机22使得前后移动台面13、左右移动台面16和转盘17分别产生三个速度矢量，三个速度矢量合成一个能使三个摆动单元1平衡的速度矢量，最终使***恢复到平衡稳定状态。

Claims (5)

1.多级全向空间倒立摆机构，包括多级摆动机构，其特征在于：所述多级摆动机构包括多个摆动单元(1)，各摆动单元(1)包括摆球(2)，所述摆球(2)的下半球体置于球架(3)内，摆球(2)上半球体的顶部中央设有竖直插销(4)，所述球架(3)内圆周均布设有三个与下半球体摩擦接触的单排全向轮(5)，各单排全向轮(5)通过对应轮架(6)安装且各轮架(6)上设有检测对应单排全向轮(5)转动角度的绝对式编码器(7)，三个单排全向轮(5)的回转中心向下交汇于一点，该点处于摆球(2)球心的正下方，所述球架(3)顶部设有作用在上半球体上的限位件，球架(3)底部设有与插销(4)同轴的插孔；多个摆动单元(1)自下而上依次插装连接，最下级摆动单元(1)设于水平转台(8)上，所述水平转台(8)设于左右移动台(9)上，所述左右移动台(9)设于前后移动台(10)上。
2.根据权利要求1所述的多级全向空间倒立摆机构，其特征在于：所述前后移动台(10)包括前后底座(11)和滑动安装于前后底座(11)上的前后移动台面(13)；所述左右移动台(9)包括左右底座(14)和滑动安装于左右底座(14)上的左右移动台面(16)，左右底座(14)安装于前后移动台面(13)上；所述水平转台(8)包括转盘(17)，所述转盘(17)通过推力轴承(18)安装于轴承支座(19)上，所述轴承支座(19)安装于左右移动台面(16)上。
3.根据权利要求2所述的多级全向空间倒立摆机构，其特征在于：所述前后移动台面(13)的驱动为前后直流电机带动的前后丝杆螺母传动副(21)；所述左右移动台面(16)的驱动为左右直流电机带动的左右丝杆螺母传动副(23)；所述转盘(17)的驱动为设于轴承支座(19)内的旋转直流电机(22)。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的多级全向空间倒立摆机构，其特征在于：所述限位件包括与摆球(2)上半球体同轴的环形保持架(20)，所述环形保持架(20)通过环形支架(15)安装于球架(3)顶部，环形保持架(20)上圆周均布的滚珠(12)与上半球体滚动连接。
5.多级全向空间倒立摆平衡方法，其特征在于采用了如1～3中任意一项所述的多级全向空间倒立摆机构，其平衡控制方案为：
①、当任何一个摆球(2)由于外界扰动发生振荡时，与对应摆球(2)接触的三个单排全向轮(5)会转动一个角度，通过各绝对式编码器(7)可测量出对应单排全向轮(5)的转动角度，进而通过旋转变换矩阵求出该摆球(2)的姿态；
②、将各摆球(2)的自身姿态经一系列旋转变换矩阵求出最上级摆动单元(1)摆球(2)的姿态；
③、将最上级摆动单元(1)的摆球(2)姿态反馈到控制器，所述控制器启动前后直流电机、左右直流电机和旋转直流电机(22)使得前后移动台面(13)、左右移动台面(16)和转盘(17)联动而使多个摆动单元(1)恢复到平衡稳定状态。
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