专利名称：行星轮系式倒单摆改良结构的制作方法
技术领域：
本实用新型关于一种行星轮系式倒单摆改良结构，特别是指一种除可提供单摆进行最大幅度的摆荡外，更可透过门栓或行星轮固定件的搭配，使其可应用于不同实验的行星轮系式倒单摆改良结构。
背景技术：
倒单摆(inverted pendulum)的控制是一种开路非线性且不稳定的系统，其可模拟如机器人站立与步行的控制、飞弹发射时的姿势控制等，因为其控制的难度，故常被用来验证各种控制理论，如强建控制(robust control)、模糊控制(fuzzy control)等，它也可作为自动控制的教学器材，藉以提高学习者的实验兴趣，故己普遍使用在各大专院校的控制实验室中。
公知倒单摆实验台如图1所示，其包括有一单摆11，该单摆11尾端枢接在一由马达驱动的台车12上，使该单摆11可相对于台车12的移动而摆动；该台车12设有一编码器(rotary encoder)13用以量测单摆11摆动角度，产生信号供回授控制，且该台车12是由伺服马达驱动在一轨道14上移动；该单摆11旁侧设置有一与轨道14平行的固定杆15，该固定杆15于两端适当处设有两定位销16、17，使单摆11的摆动范围限制在该两定位销16、17之内。
前述的单摆11实验开始前可抵靠在任一定位销16、17上，实验开始后，实验者的目的，即藉由控制该台车12的来回移动，来保持单摆11垂直，以验证实验者的控制理论或数据。其方法是控制台车12的加速度来保持单摆11的平衡，当该单摆11有偏移现象时，其偏移量即藉由该编码器13传回，以作为控制器校正该台车12运动的数据。
然而，前述的公知倒单摆实验台，因考虑到实验场地的限制，使台车12的移动距离受限，间接限制了台车马达的加速度，而无法控制大幅度的单摆11运动，故单摆11可实验的角度亦连带受到影响，一般约在±30度之间(两定位销16、17之内)，造成实验及学习上的不便，也降低实验者的学习兴趣，减少了验证控制理论的功能。
请参阅图2A为另一种公知的倒单摆实验台，其亦包括有一单摆21与一编码器22。而其最大特征，是包括有一可旋转的实验桌23，该实验桌23的轴心以一伺服马达24控制旋转，该单摆21则枢设在该实验桌23的周围，并使该单摆21的摆动位置朝向或离开实验桌23的半径方向。
前述单摆21在实验开始时，先用手予以扶至与水平面约成45°的位置，当实验者进行实验时，即控制该伺服马达24带动实验桌23旋转，藉由离心力甩动单摆21，使该单摆21继续保持稳定于某一欲控制角度，并利用该编码器22侦测信号供回授控制。
而前述单摆21因装置在旋转式实验桌23上，虽较不致受到实验室空间的限制，马达可连续旋转，但单摆的摆动幅度仍限制在±90度或更小的范围内。
请参阅图2B为第三种公知的倒单摆实验台，其与图2A实施例的最大差别，是其旋转式实验桌23必须具有足够的高度，而将一单摆21枢设在该实验桌23的边缘，并自然下垂而可自然摆动。当该实验桌23旋转时，该单摆21的摆动方向是朝实验桌23的切线方向。因不受到实验桌23的限制，故可进行任意角度如±180度的摆动控制实验。
然而前述图2A与图2B的两种实施例，虽单摆21的摆动角度有增加，且实验桌23在理论上可朝同一方向进行无限制的旋转，然因该编码器22难免设有导线25，当该实验桌23持续朝同一方向进行旋转时，必然造成导线25缠绕的问题，故该实验桌23的旋转仍有限制，一般约在±180度内，这使上述两种单摆机构无法顺利实施较复杂的控制实验，且上述的单摆机构仅只能应用于单摆实验上，无法有效应用于其它相关的实验中，甚为可惜，若需进行其它相关实验，则需购买其它实验器材，则造成购买成本上的负担。
由此可见，上述公知物品仍有诸多缺失，实非一良善的设计，而有待加以改良。
本实用新型创作人鉴于上述公知倒单摆结构所衍生的各项缺点，亟思加以改良创新，并经多年潜心研究后，终于成功研发完成本件行星轮系式倒单摆改良结构。
实用新型内容本实用新型的目的即在于提供一种具有完全无伺服马达与单摆摆角旋转限制，使其不受实验室空间的限制，可连续进行非线性不稳定控制实验的行星轮系式倒单摆改良结构。
本实用新型的次一目的在于提供一种透过门拴固定单摆，使其可进行一般马达转速与转角控制实验的行星轮系式倒单摆改良结构。
本实用新型的另一目的在于提供一种透过行星轮固定件固定行星轮，使其可由马达直接驱动单摆，进行马达扭力控制的行星轮系式倒单摆改良结构。
本实用新型的又一目的在于提供一种可于单摆尾端加置一干扰器，以增加上述实验趣味的行星轮系式倒单摆改良结构。
可达成上述实用新型目的的行星轮系式倒单摆改良结构，包括有一单摆、一恒星齿轮、一行星齿轮、一伺服马达、一基座及第一、第二编码器所组成；其中该伺服马达的输出轴透过一联轴器使其贯穿恒星齿轮直至环形座中，伺服马达尾端则透过一联轴器与第一编码器连接，用来量测伺服马达旋转角；环形座上则套设一单摆，该单摆上则设有数孔洞，以供实验的用途，环形座的另一端则透过一联轴器与第二编码器连接；行星齿轮的轴孔上则套设一轴承，该轴承孔则穿置一锁固于单摆上的行星轴，使得行星齿轮与恒星齿轮相契合。当实验进行时，藉由该伺服马达带动恒星齿轮旋转，使该恒星齿轮带动行星齿轮旋转，并利用行星齿轮的轴分力甩动单摆，虽该单摆因其重量会自然下垂，并带动行星齿轮反方向运动，此时单摆产生的角度变化经由延伸杆传递至第二编码器，经由回馈及控制器计算后来调整伺服马达出力，使该单摆保持垂直朝上；另该基座的前端则设有一门栓，当单摆以门栓锁固时，则该机台可进行一般伺服马达转速或转角的控制实验；除此之外，亦可透过一行星轮固定件将行星齿轮与单摆连结，使马达可直接驱动单摆，做有外力(重力)负载下的伺服马达转角控制实验；另该行星轮固定件亦可将其固结于单摆的孔洞上，以改变单摆的重量，使得倒单摆实验更具挑战性。亦或者于实验时，可控制单摆垂直向下，使其进行低阻尼系统的控制实验及研究；另，可于单摆的孔洞上连接一弹簧，并于弹簧上悬挂一重物，当成干扰器，当进行倒单摆实验时，重物会因单摆旋转而晃动，可大幅增加控制难度与趣味；透过上述的设计使其可有效转换成不同实验目的的机台，可有效降低采购成本。
请参阅以下有关本实用新型一较佳实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本实用新型的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为图1为公知倒单摆实验的立体图；图2A为另一种公知倒单摆实验的立体图；图2B为图2A的变化例立体图；图3为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构的立体结构示意图；图4为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构的行星轮固定结合于单摆的立体示意图；图5本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构的门栓扣合实施示意图；图6为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构的直接驱动实施示意图；图7为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构的另一实施示意图；图8为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构装设干扰器的又一实施示意图；以及图9为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构以摩擦轮取代齿轮的再一实施示意图。
图号说明10壳体 32 孔洞101 恒心摩擦轮33 行星轮固定件102 行星摩擦轮331 孔洞11单摆 332 固定端111 固定座333 卡合端12台车 34 弹簧13编码器35 重物14轨道 4恒心齿轮15固定杆5行星齿轮16定位销51 行星轴17定位销52 行星齿轮孔洞21单摆 6伺服马达22编码器61 联轴器23实验桌7基座24伺服马达 71 开口25导线 72 门栓3 单摆 8第一编码器31环形座9第二编码器具体实施方式
请参阅图3及图4所示，为本实用新型所提供的行星轮系式倒单摆改良结构的立体结构及行星轮固定件结合于单摆立体示意图，其主要包括有一单摆3、一恒星齿轮4、一行星齿轮5、一伺服马达6、一基座7、第一编码器8、第二编码器9及壳体10所组成；其中该伺服马达6的输出轴透过一联轴器61使其贯穿恒星齿轮4直至环形座31中，伺服马达6尾端则透过一联轴器61与第一编码器8连接，使其得以用来量测伺服马达6旋转角；环形座31上则套设一单摆3，该单摆3上则设有数孔洞32，环形座31的一端则透过一联轴器61与第二编码器9连接；行星齿轮5的轴孔上则套设一轴承，该轴承孔则穿置一锁固于单摆3上的行星轴51，使得行星齿轮5与恒星齿轮4相契合；上述的伺服马达6、第一编码器8、第二编码器9等组件皆以固定座111固定于基座7上，并保持轴心呈一直线，以利实验的进行，该基座7上设有一开口71，使得单摆3于实验时可于开口71内摆动，而不会产生摆动角度的限制，基座7的前端则设有一门栓72，使其得以扣合单摆3，该基座7是与机壳10相连接，机壳10内是可依据不同环境及使用状态容置不同型式的控制面板；当实验进行时，藉由该伺服马达6带动恒星齿轮4旋转，使该恒星齿轮4带动行星齿轮5旋转，并利用行星齿轮5的轴分力甩动单摆3，虽该单摆3因其重量会自然下垂，并带动行星齿轮5反方向运动，此时单摆3产生的角度变化经由延伸杆传递至第二编码器9，经由回馈及控制器计算后来调整伺服马达6出力，使该单摆3保持竖立或稳定于所控制角度，故可进行倒单摆实验；另外，其是可透过一行星轮固定件33锁固于单摆3上，可增加及调变单摆3的摆荡重量，使其于实验时更具挑战性；其中该行星轮固定件33上是设有一孔洞331方便与单摆3结合，并于孔洞331的外缘分别延伸设有一固定端332，孔洞331的底端则向下延伸设有一卡合端333。
请参阅图5所示，为本实用新型所提供的行星轮系式倒单摆改良结构的门栓扣合实施示意图；本实用新型除可提供倒单摆的实验外，更可透过单摆3上的孔洞32与基座7上的门栓72相互扣合，使得单摆3不会因伺服马达6的旋转而摆动，使其得以进行一般的伺服马达6转速及转角控制实验；另外，因单摆3与门拴72间以相互扣合，可避免单摆3于搬运过程中晃动，造成搬运上的阻碍及搬运人员的伤害。
请参阅图6所示，为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构的直接驱动实施示意图；本实用新型可透过行星轮固定件33的卡合端333插设于行星齿轮5的孔洞52上，并透过一锁固件使得行星轮固定件33锁固于单摆3上，此时，单摆3是与伺服马达6呈直接驱动的关系，使其可透过伺服马达6直接控制单摆3的摆动角度并进行实验。
请参阅图7所示，为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构的另一实施示意图；本实用新型是可于实验时控制单摆3朝下，以抑制单摆因起使条件或外力所造成的摆动，使其得以进行低阻尼系统的实验及研究(如仿真天车的实验)，使得本实用新型另增加一实验功能。
请参阅图8所示，为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构装设干扰器的又一实施示意图；其是可于单摆3的孔洞32上连接一弹簧34，并于弹簧34上悬挂一重物35，当进行倒单摆实验时，重物35会因单摆3摆荡而晃动，使其呈现难予预期的干扰现象，可大幅增加控制难度及趣味。
请参阅图9所示，为本实用新型行星轮系式倒单摆改良结构以摩擦轮取代齿轮的再一实施示意图；本实用新型所提供的行星齿轮5及中心齿4轮是可将传统的齿轮带动方式，改成由恒心摩擦轮101与行星摩擦轮102接触的方式，藉由恒心摩擦轮101与行星摩擦轮102之间的摩擦接触，以带动相同的机构动作，使其可进行倒单摆实验。
综上所述，本实用新型是可转换成多种不同实验目的的机台，除可有效降低采购成本外，更可大幅减少机台收纳的空间。
上列详细说明是针对本实用新型的一可行实施例的具体说明，然而该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本实用新型专利范围中。
综上所述，本实用新型不但在空间型态上确属创新，并能较公知物品增进上述多项功效，应已充分符合新颖性及进步性的法定实用新型专利要件，于是依法提出申请，恳请贵局核准本件实用新型专利申请案，以励实用新型，至感德便。
权利要求1.一种行星轮系式倒单摆改良结构，其特征在于，该结构包括单摆，该单摆上设有数孔洞；伺服马达，该伺服马达的输出轴是透过一联轴器，使其贯穿恒星齿轮直至环形座中；恒星齿轮，该恒星齿轮固定于该伺服马达输出轴上；行星齿轮，该行星齿轮是与该恒星齿轮啮合转动，并透过一行星轴使其固定于单摆上，其上则设有一孔洞；第一编码器，该第一编码器延伸设置于该伺服马达的后端；第二编码器，该第二编码器设置于环形座的一端；基座，其提供伺服马达、第一及第二编码器及环形座透过固定座固定于其上，并于基座上设有一以供单摆摆动所需的空间的开口；机壳，该机壳容置以供使用者操作使用的控制面板；行星轮固定件，该行星轮固定件锁固于该单摆的孔洞上。
2.如权利要求1所述的行星轮系式倒单摆改良结构，其特征在于该马达输出轴与环形座间设置有一以加强单摆的摆动稳定性的轴承。
3.如权利要求1所述的行星轮系式倒单摆改良结构，其特征在于该行星轮固定件本体上设有一孔洞，并于孔洞的外缘分别延伸设有一固定端，孔洞的底端则向下延伸设有一卡合端，透过孔洞与锁固件的配合，使其得以锁固于单摆上。
4.如权利要求1所述的行星轮系式倒单摆改良结构，其特征在于该基座开口的一侧设有一门栓。
5.如权利要求1所述的行星轮系式倒单摆改良结构，其特征在于该行星齿轮上插设行星轮固定件。
6.如权利要求1所述的行星轮系式倒单摆改良结构，其特征在于该单摆的尾端孔洞上透过弹簧悬挂一重物。
7.如权利要求1所述的行星轮系式倒单摆改良结构，其特征在于该恒星齿轮、行星齿轮传动方式是通过无齿的摩擦轮带动同一机构的方式。
专利摘要一种行星轮系式倒单摆改良结构，其主要包含有单摆、恒星齿轮、行星齿轮、伺服马达、基座及第一、第二编码器所组成；当实验进行时，藉由该伺服马达带动恒星齿轮旋转，使该恒星齿轮带动行星齿轮旋转，并利用行星齿轮的轴分力甩动单摆，虽该单摆会因其重量自然下垂，但单摆产生的角度变化，可由第二编码器检出，经由回馈控制可来调整伺服马达出力，使该单摆保持竖立；另该基座的前端则设有门栓，当单摆以门栓锁固时，则该机台可进行一般的伺服马达控制实验；再者，单摆尾端可加置干扰器，以增加实验的趣味。
文档编号G09B23/10GK2715273SQ20042000561
公开日2005年8月3日 申请日期2004年3月1日 优先权日2004年3月1日
发明者陈双源 申请人:陈双源