专利名称：重心可变的直线柔性二级倒立摆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种在控制理论方面进行科研或教学用的实验装置，尤其涉及一
种柔性连接的摆杆重心可变的倒立摆实验装置。
背景技术：
倒立摆既是一种优秀的教学平台，又是进行控制理论研究的理想实验平台，由于 倒立摆系统本身所具有的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多控制理论的 研究人员一直将它视为典型的研究对象，不断从中发掘出新的控制策略和控制方法，相关 的科研成果在航天科技和机器人学方面获得了广阔的应用。 目前，一般利用人为干扰测试柔性倒立摆系统的鲁棒性，实验对象系统的参数大 部分都是确定的，比如摆杆的长度、质量等参数，其中系统的不确定性只考虑了系统本身 的非线性以及建模误差，并没有涉及到由于自身参数的实时变化对控制系统的鲁棒性的考 察，同时，在进行实物实验时对于系统鲁棒性的考察也只是进行人为的干扰，缺少了验证在 系统自身参数变化时控制算法的稳定性。 专利号为200410052632. 9、名称为"一种摆杆重心可变倒立摆"公开了一种重心 可变的刚性倒立摆装置，由控制系统送出信号到摆杆上的伺服电机，驱动履带，带动丝杆转 动，从而带动滑块的上下运动，使摆杆的重心改变。该装置的重心在工作中可任意改变，使 整个系统的参数得到改变，从而为鲁棒控制理论的教学和研究提供实验的平台。但这种装 置的缺陷是由于该装置只涉及到刚性摆，与柔性摆比较结构相对简单，在进行控制算法的 检测时应用范围受到限制，对于复杂的带有柔性环节的不确定系统不能提供有效的实验平 台°
发明内容本实用新型的目的是设计一种摆杆重心可变的柔性连接倒立摆装置，以满足对不 确定性系统实现有效控制研究的需要。 本实用新型采用的技术方案是两根运动滑轨平行固定在系统基座上，从动小车 安装在两根运动滑轨中，从动轮与驱动轮分别固定在系统基座的两端，履带绕过从动轮和 驱动轮且两端分别固定在从动小车的两侧面，伺服电机与驱动轮相连，在从动小车上面装 有摆杆支架，摆杆支架上装有一端与摆杆A角度编码器连接、另一端与摆杆A连接的转轴， 摆杆A的另一端设置有U型支架，U型支架上装有一端与摆杆B角度编码器连接、另一端与 摆杆B连接的转轴，在从动轮和从动小车之间安装主动小车，主动小车安装在两根运动滑 轨中，履带绕过从动轮和驱动轮且两端分别固定在主动小车的两侧面，在运动滑轨上，主动 小车通过弹簧与从动小车连接。 本实用新型的有益效果是 1、在已有刚性摆的基础上增加了一个柔性环节，即在主动小车与从动小车之间增 加一个弹簧，由伺服电机驱动履带，履带拉动主动小车运动，然后主动小车通过弹簧带动从动小车，进而实现摆的运动，以满足不同的控制方法对于不确定性存在的研究需要。 2、通过重量滑块的滑动调节或改变重量滑块的质量，改变其自身的参数，可以进 行相关控制算法的检验，获得有效的控制算法，进而将算法移植到多变量不稳定系统，检验 得到的控制效果为进行系统鲁棒性的测试并获得有效的控制算法提供了良好的实验平台。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。
图1是本实用新型的立体结构图。 图2是本实用新型的主视图。 图中1、从动轮；2、运动滑轨；3、主动小车；4、从动小车；5、摆杆支架；6、滑轨支 架；7、电机固定架；8、伺服电机；9、履带；10、转轴；11、摆杆B ;12、直流电机；13、螺丝滑杆； 14、重量滑块；15、摆杆B角度编码器；16、U型支架；17、摆杆A ;18、摆杆A角度编码器；19、 弹簧；20、从动轮固定台；21、系统基座；22、驱动轮。
具体实施方式如
图1和图2所示，本实用新型是在专利号为200410052632. 9、名称为"一种摆杆 重心可变倒立摆"的结构基础上对刚性摆进行改进的。有两根运动滑轨2用滑轨支架6平 行固定在系统基座21上，从动小车4安装在两根运动滑轨2中，与运动滑轨2构成滑动配 合。从动轮1与驱动轮22分别固定在系统基座21的两端，从动轮1安装从动轮固定台20 上，从动轮固定台20固定在系统基座21上，在从动轮1和从动小车4之间安装主动小车3， 主动小车3安装在两根运动滑轨2中。履带9绕过从动轮1和驱动轮22，履带9的两端分 别固定在主动小车3和从动小车4的两侧面，伺服电机8通过电机固定架7固定在系统基 座21的一端并与驱动轮22相连。在从动小车4上面装有摆杆支架5，摆杆支架5上装有 一端与摆杆A角度编码器18连接、另一端与摆杆A 17转动连接的转轴，摆杆A17的另一端 设置有U型支架16，U型支架16上装有一端与摆杆B角度编码器15连接、另一端与摆杆B 11连接的转轴10。在运动滑轨2上，主动小车3通过弹簧19与从动小车4连接，主动小车 3与履带9连接，主动小车3通过弹簧19带动载有双摆的从动小车4运动，进而实现摆杆的 自摆起或稳定。在摆杆B 11上装有直流电机12，直流电机12的电机轴与螺丝滑杆13的一端连
接，另一端被固定在摆杆B 11的另一端上，在螺丝滑杆13上装有重量滑块14。 本实用新型的工作过程为经由运动控制板驱动伺服电机8，伺服电机8通过驱动
履带9带动从动轮1转动，履带9带动主动小车3在运动滑轨2上运动，主动小车3与从动
小车4之间通过弹簧19连接。主动小车3的运动拉动弹簧19，通过弹簧19的力传递拉动
从动小车4在运动滑轨2上做来回运动。倒立摆杆在不平衡状态下，摆杆A17及摆杆Bll
分别与竖直方向上有夹角，通过小车的来回运动，保证摆杆平衡倒立在竖直方向。 为测试系统的鲁棒性及控制算法的有效性，通过发送指令到直流电机12，驱动螺
旋丝杆13的顺时针或逆时针运动，进而带动重量滑块14沿丝杆的上下运动，达到改变摆杆
重心的效果，实现系统自身参数的改变，通过观察实验效果达到测试系统鲁棒性及控制算
法有效性的效果，为测试并获得针对带有参数不确定性系统的相关有效控制方法提供了较
4好的实验平台，同时，在移动重量滑块14的同时，也可通过更换重量滑块14的质量，达到改 变系统摆杆重心的效果。
权利要求一种重心可变的直线柔性二级倒立摆，两根运动滑轨(2)平行固定在系统基座(21)上，从动小车(4)安装在两根运动滑轨(2)中，从动轮(1)与驱动轮(22)分别固定在系统基座(21)的两端，履带(9)绕过从动轮(1)和驱动轮(22)且两端分别固定在从动小车(4)的两侧面，伺服电机(8)与驱动轮(22)相连，在从动小车(4)上面装有摆杆支架(5)，摆杆支架(5)上装有一端与摆杆A角度编码器(18)连接、另一端与摆杆A(17)连接的转轴，摆杆A(17)的另一端设置有U型支架(16)，U型支架(16)上装有一端与摆杆B角度编码器(15)连接、另一端与摆杆B(11)连接的转轴(10)，其特征是在从动轮(1)和从动小车(4)之间安装主动小车(3)，主动小车(3)安装在两根运动滑轨(2)中，履带(9)绕过从动轮(1)和驱动轮(22)且两端分别固定在主动小车(3)的两侧面，在运动滑轨(2)上，主动小车(3)通过弹簧(19)与从动小车(4)连接。
2. 根据权利要求1所述的重心可变的直线柔性二级倒立摆，其特征是在摆杆B(ll) 上装有直流电机(12)，直流电机(12)的电机轴与螺丝滑杆(13)的一端连接，另一端被固定 在摆杆B(ll)上，螺丝滑杆(13)上装有重量滑块(14)。
专利摘要本实用新型公开了一种在控制理论方面进行科研或教学用的重心可变的直线柔性二级倒立摆实验装置，两根运动滑轨平行固定在系统基座上，从动小车安装在两根运动滑轨中，从动轮与驱动轮分别固定在系统基座的两端，履带绕过从动轮和驱动轮且两端分别固定在从动小车的两侧面，在从动轮和从动小车之间安装主动小车，履带绕过从动轮和驱动轮且两端分别固定在主动小车的两侧面，主动小车通过弹簧与从动小车连接。本实用新型在已有刚性摆的基础上增加了一个柔性环节，以满足不同的控制方法对于不确定性存在的研究需要。
文档编号G09B25/02GK201449692SQ20092004401
公开日2010年5月5日 申请日期2009年6月15日 优先权日2009年6月15日
发明者乔玉兰, 姜峰, 段锁林 申请人:江苏工业学院