专利名称：重心可调节的小车式倒立摆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及自动控制领域科研和教学实验装置，特别涉及一种重心 可调节的小车式倒立摆装置。 技术背景倒立摆是一种典型的、非线性的、不稳定的系统，我们所看到的几乎所 有的重心在上、支点在下的装置的稳定问题都能归结于倒立摆的控制，因此 倒立摆成为控制领域经久不衰的研究课题。倒立摆装置成为自动控制领域里 控制理论及其应用的典型科研或教学装置。自动控制理论在近二十年来的发展其最重要的一个成果就是鲁棒控制理 论，鲁棒控制理论对于对象不确定性因素包括外部扰动、对象模型参数变化 等的处理具有优越性。现有的最常用的倒立摆有《西南工学院学报》(2001， Vol. 16， No. 3， P. 12 一16)所介绍的在有限长度的轨道上作直线运动的倒立摆(以下简称常规倒 立摆)。常规倒立摆电机固定在导轨的一端，电机带动皮带轮以及皮带驱动小 车在轨道上作直线运动。这种常规倒立摆存在的主要问题是导轨上小车的运 动范围是有限的，不能超出轨道的长度。中国科技大学所公开的两轮遥控小 车倒立摆有效地解决了倒立摆水平方向上运动受限的问题，但是其摆杆的重 心不可调节，限制了鲁棒控制理论在倒立摆装置上的研究和验证。 实用新型内容本实用新型提供了重心可调节的小车式倒立摆，能够通过改变车体的重 心来改变整个系统的参数，从而有效地验证和研究鲁棒控制理论。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。主要包括有车轮1 、 底盘2、调节箱箱体3、头部IO，其特征在于还包括带有外螺纹的螺纹杆9、 第一齿轮6、第二齿轮7、舵机5、舵机支撑箱4、支撑结构8，其中，舵机支
撑箱4和支撑结构8均固定在底盘2上，舵机5固定在支撑箱4上，舵机5 与第一齿轮6同轴连接，第一齿轮6与第二齿轮7咬合；在支撑结构8的上 表面、顶盘11的下表面和第二齿轮7的上下表面均设置有圆环形的凹槽12， 第二齿轮7通过设置在凹槽内的滚珠置于支撑结构8和顶盘11之间；第二齿 轮7的中心处设置有一通孔，通孔内设置有内螺纹，螺纹杆9的一端与通孔 内的螺纹配合连接，并且该端能够延伸至支撑结构8的中空部分，另一端与 头部IO连接。本实用新型能够通过调节箱中的机械结构完成摆杆的重心调节，通过调 节摆杆的重心改变整个系统的参数，为鲁棒控制理论的研究和验证提供了很 好的条件和平台。
图1为本实用新型的正面结构示意图图2为本实用新型调节箱装置的结构示意图图3为本实用新型调节箱中第二齿轮的结构示意图图4图3的B-B剖视图其中1、车轮，2、底盘，3、调节箱箱体，4、舵机支撑箱，5、舵机， 6、第一齿轮，7、第二齿轮，8、支撑结构，9、螺纹杆，10、头部，11、顶 盘，12、凹槽，13、滚珠。
具体实施方式
下面结合图1 4详细说明本实施例。 如图l、图2所示，两个直流电机对称固定在车体底盘2的两侧，每个 直流电机的轴分别与一个轮子的轴相互固接，轴的另一端与一个编码器同轴 相连。两个轮子的轴线落在车底盘的中心线上。调节箱箱体3的内部包括有: 舵机5、舵机支撑箱4、第一齿轮6、第二齿轮7、支撑结构8、顶盘ll。舵机支撑箱4和支撑结构8均固定在底盘2上，舵机5固定在支撑箱4上，舵 机5与第一齿轮6同轴连接。第二齿轮7是一种特制的内有螺纹的齿轮，上
下表面均设置有用于放置滚珠的凹槽12，如图4所示，在支撑结构8的上表面、 顶盘11的下表面也设置有圆环形的凹槽，第二齿轮7的下表面凹槽与支撑结 构8的凹槽位置对应，第二齿轮7的上表面的凹槽与顶盘11的下表面的凹槽 位置相对应，凹槽内设置有滚珠，第二齿轮7通过滚珠卡在支撑结构8和顶 盘11之间，并且与齿轮6咬合，能够在齿轮6的带动下转动。顶盘11的上 表面与箱体固定。支撑结构8固定在底盘2上，其上表面的凹槽放置滚珠， 第二齿轮7可以通过连接。第二齿轮7的内螺纹部分与螺纹杆9配合使用， 第二齿轮7正反转的时候使得螺纹杆9上下移动。舵机5与齿轮6固定在一 起，当舵机5转动的时候带动齿轮6转动。车体部分由螺纹杆9和头部10组 成，螺纹杆9的一端与头部10固定连接，另一端与第二齿轮7的内螺纹配合。 头部10为圆柱型壳体，用来放置各种传感器。由图1和图2中的结构可以看到，舵机5可以带动齿轮6转动，在齿轮6 的咬合作用下第二齿轮7转动，第二齿轮7卡在顶盘11和支撑结构8中间， 由于滚珠的作用，第二齿轮7可以完成水平方向上的转动运动，这时第二齿 轮7将转动，螺纹杆9和第二齿轮7的配合使得螺纹杆9下降从而使车体的 重心下降。当给舵机5相反方向的转动信号时，第二齿轮7反向运动带动螺 纹杆9上升，从而完成使车体重心上升的动作。通过控制器控制舵机正反转完成车体重心的上下移动的装置，结构简单， 可靠实用，对于提高移动式倒立摆装置的性能，丰富移动式倒立摆装置的科 研和实验内容有很大的帮助。它不仅能够验证和调试各种常规控制算法，还 能够通过改变车体的重心来改变整个系统的参数，对鲁棒控制理论进行有效 的验证和研究。
权利要求1、重心可调节的小车式倒立摆，主要包括有车轮(1)、底盘(2)、调节箱箱体(3)、头部(10)，其特征在于还包括带有外螺纹的螺纹杆(9)、第一齿轮(6)、第二齿轮(7)、舵机(5)、舵机支撑箱(4)、支撑结构(8)，其中，舵机支撑箱(4)和支撑结构(8)均固定在底盘(2)上，舵机(5)固定在支撑箱(4)上，舵机(5)与第一齿轮(6)同轴连接，第一齿轮(6)与第二齿轮(7)咬合；在支撑结构(8)的上表面、顶盘(11)的下表面和第二齿轮(7)的上下表面均设置有圆环形的凹槽，第二齿轮(7)通过设置在凹槽内的滚珠置于支撑结构(8)和顶盘(11)之间，顶盘(11)的上表面与调节箱箱体(3)固定连接；第二齿轮(7)的中心处设置有一通孔，通孔内设置有内螺纹，螺纹杆(9)的一端与通孔内的螺纹配合连接，并且该端能够延伸至支撑结构(8)的中空部分，另一端与头部(10)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种教学实验装置，具体为重心可调节的小车式倒立摆。在本实用新型中舵机支撑箱(4)和支撑结构(8)均固定在底盘(2)上，舵机(5)固定在支撑箱(4)上，舵机(5)与第一齿轮(6)同轴连接，第一齿轮(6)与第二齿轮(7)咬合；第二齿轮(7)设置在支撑结构(8)和顶盘(11)之间，顶盘(11)的上表面与调节箱箱体(3)固定连接。第二齿轮(7)的中心处设置有一通孔，通孔内设置有内螺纹，螺纹杆(9)的一端与通孔内的螺纹配合连接。本实用新型能够通过调节箱中的机械结构完成摆杆的重心调节，通过调节摆杆的重心改变整个系统的参数为研究和验证控制方法的鲁棒性以及鲁棒控制理论提供了简单方便的平台。
文档编号G09B25/00GK201035817SQ20072014894
公开日2008年3月12日 申请日期2007年4月27日 优先权日2007年4月27日
发明者于建均, 江 刘, 亮 孙, 李明爱, 李欣源, 狄海江, 赵岗金, 阮晓钢 申请人:北京工业大学