专利名称：旋转式倒立摆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于科研或教学的实验装置。
常见的倒立摆为直线式倒立摆(如
图1所示)，它是将摆杆通过一个活动“关节”竖直安装在与传动带(如皮带及导轮、链条及齿轮等形式)相连的小车上、小车置于导轨上，由电机驱动传动带、从而带动小车做水平直线运动来控制摆杆的倒立。由于传动机构复杂、环节多，实践中常由于传动机构的故障或误差而不是控制方法本身的问题而导致失败，因而可靠性较低；并且占地面积较大。
本实用新型的技术解决方案如下整个倒立摆包括摆杆、电机、传动部件、支架及其控制系统，电机置于支架上，摆杆至少为一级，其第一级通过传动部件与电机轴相连；其中传动部件为一刚性旋臂，其一端与电机轴固接、另一端与摆杆铰接，电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面均为竖直方向。
也就是说，本实用新型提出了一种结构新颖的倒立摆，它省去了一些复杂的传动机构，使得电机轴的运动直接传递给摆杆。
本实用新型的具体结构如图2、3所示(但并不限于该图)。摆杆与电机之间的传动部件为一刚性旋臂，其一端与电机轴相连、另一端与摆杆相连，旋臂与电机轴之间为固接(如通过紧固件或定位销等形式卡住)，旋臂与摆杆之间为铰接(如通过各种轴、套形式铰接)、形成单自由度的活动“关节”，使旋臂可跟随电机轴一起回转，而摆杆可绕与旋臂之间的铰接点回转；电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面则均为竖直方向；电机置于高度合适的支架上，以保证电机轴离开地面或其它部件的距离大于旋臂及摆杆的长度总和，即保证旋臂及摆杆的运动没有任何障碍；电机应采用直流力矩电机，以保证电机轴的转动方向及角加速度能够随控制信号的变化而变化。倒立摆的控制信号由其控制系统产生，控制系统的硬件构成可与已有技术的相同，也可自行设计，应包括反映倒立摆工作状态的信号测量部件(例如角度检测装置)、进行信号处理的部件(例如信号转换装置和运算装置)、以及电机的驱动部件(例如功率放大器)等。
本实用新型的工作过程如下当旋臂带动摆杆运动时，旋臂与基准位置(可选取铅垂线或其它线)之间、以及摆杆与旋臂之间形成两个夹角θ1和θ2(见图4所示，其中θ1以铅垂线为基准)，由角度检测装置(例如电位器)测量得到这两个角位移信号，作为系统的两个输出量被送入信号转换装置和运算装置(例如单片机或DSP，甚至可以是外接的PC机)中，根据选定的控制律计算出控制量，并提供给功率放大器转换为电机驱动信号，由此驱动电机带动旋臂转动、从而控制摆杆的运动(其工作流程如图5所示)，其目标是使摆杆维持倒立状态。整个过程是一个动态平衡。
与直线式倒立摆相似，旋转式倒立摆也可以做成多级的形式以上述单级倒立摆为基础，在其摆杆的自由端上，再通过活动“关节”铰接上第二级摆杆，活动“关节”处亦设置角度检测装置；如果需要，第二级摆杆的自由端上还可以同样接上第三级摆杆……；从而形成多级倒立摆。
综上所述，本实用新型所提供的旋转式倒立摆是一种新型的倒立摆装置，它省去了小车、传动带、导轨等复杂的传动机构，使得整体结构简洁紧凑、占地面积小，而且使得与控制方法无关的因素(例如传动机构的故障、误差、非线性等)大大减少，从而增加了控制的精确度、控制效果稳定，使可靠性提高。
附图2为本实用新型的旋转式倒立摆的结构示意图(正面，工作状态)。
附图3为本实用新型的旋转式倒立摆的结构示意图(侧面，静止状态)。
附图4为本实用新型的旋臂及摆杆的摆动角度示意图。
附图5为本实用新型的工作流程示意图。
旋臂1的一端设置与电机轴相配合的孔，将其套在电机轴的前端、再通过紧固件卡住定位；旋臂的另一端通过连接板安装一个测量电位器(R2)，摆杆2的一端亦设置合适的孔，与测量电位器上的中心凸轴相配合，使摆杆及测量电位器的转动部分一起可绕该凸轴进行任意转动，即测量电位器成为旋臂与摆杆之间的活动“关节”，并能感受旋臂与摆杆之间形成的夹角θ2的变化；另一个测量电位器(R1)则安装于电机轴的后端，使电位器上的中心凸轴通过合适的轴套与电机轴对接，可感受旋臂与基准位置之间形成的夹角θ1的变化；电机座固定在支架5上，支架再置于控制机箱6上、使结构紧凑；控制系统中的DSP控制器7、功率放大器8、相应的电源及变压器9等置于控制机箱6内。机箱外壳上有电源开关、电源插口以及使DSP控制器与外接计算机10(或其它外部设备)相连的通讯接口。DSP控制器7与测量电位器3之间、功率放大器8与电机4之间的连线可从支架内穿过，以避免暴露在外部。DSP的信号输入端与电位器的输出端相连，DSP的信号输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与电机轴相连。
本实用新型的倒立摆系统可以有两种运行模式，可根据需要进行切换①自主运行根据已固化在DSP控制器中的控制律计算控制量(此时，如果需要，也可以利用计算机对倒立摆的运行状态进行监视)；②联机运行通过机箱外壳上的通讯接口将两个角位移信号θ1和θ2(其A/D转换可利用DSP中的A/D口实现)送入计算机，在计算机中可根据实验研究的需要自由设计控制律(取代自主运行模式中的控制律)并计算控制量。
本实用新型还可以改装成为随动系统，即把倒立摆的摆杆与旋臂固定在一起，并在与之相对应的另一端增加平衡杆，使倒立摆成为一个由直流力矩电机拖动惯性负载，形成随动系统。
权利要求1.一种旋转式倒立摆，包括摆杆(2)、电机(4)、传动部件、支架(5)及其控制系统，电机置于支架上，摆杆至少为一级，其第一级通过传动部件与电机轴相连；其特征在于传动部件为一刚性旋臂(1)，其一端与电机轴固接、另一端与摆杆铰接，电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面均为竖直方向。
专利摘要本实用新型是一种旋转式倒立摆，属于科研或教学的实验装置。包括摆杆(2)、电机(4)、传动部件、支架(5)及其控制系统，摆杆通过传动部件与电机轴相连；传动部件为一刚性旋臂(1)，其一端与电机轴固接、另一端与摆杆铰接，电机轴为水平方向，旋臂和摆杆的回转面均为竖直方向。本实用新型结构新颖，它省去了现有直线式倒立摆中复杂的传动机构，使得整体结构简洁紧凑、占地面积小，而且使得与控制方法无关的因素(例如传动机构的故障、误差、非线性等)大大减少，从而增加了控制的精确度、控制效果稳定，使可靠性提高。
文档编号G09B25/02GK2562279SQ0226392
公开日2003年7月23日 申请日期2002年8月23日 优先权日2002年8月23日
发明者孙德敏, 王永, 卿致远, 张培仁, 吴刚 申请人:中国科学技术大学, 科大创新股份有限公司