[发明专利]多级全向空间倒立摆机构及平衡方法

说明书

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系统控制理论或方法提供了实验平台。

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

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的非线性系统，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。

倒立摆系统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，系统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系统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：