[发明专利]小型自平衡机器人姿态模拟器

摘要

本发明涉及一种小型自平衡机器人姿态模拟器，属于机器人姿态运动仿真、惯导设备检测领域；小型自平衡机器人姿态模拟器可以模拟自平衡机器人的俯仰角、航向角的变化；同时水平移动滑台和两轴转台运动的叠加亦可以模拟两轮自平衡机器人在水平面上复杂的运动姿态，包括自旋、匀速转向、机器人走“8”字；采用非线性PD双回路控制器使姿态模拟器系统稳定性增强，同时提高了控制精度；L型外框的使用，减少了系统的重力不平衡力矩、提高系统精度。

主权项

一种小型自平衡机器人姿态模拟器，其特征在于：该模拟器包括底座(1)、下层电机驱动器(2)、联轴器(3)、固定平台(4)、L型外框(5)、姿态传感器(6)、支撑杆(7)、导轨滑台(8)、丝杆(9)、导轨底座(10)、开关电源(11)、电源分配器(12)、DSP控制器(13)、上层电机(14)、光电编码器a(15)、中层电机(16)、下层电机(17)、中层安装架(18)、上层安装架(19)、中层电机驱动器(20)、上层电机驱动器(21)、光电编码器b(22)、滚动轴承(23)、滑轮(24)；其中，导轨底座(10)、下层电机驱动器(2)、中层电机驱动器(20)、上层电机驱动器(21)、DSP控制器(13)、开关电源(11)、电源分配器(12)均直接固定在底座(1)上；导轨底座(10)上安装有丝杆(9)、下层电机(17)、滚动轴承(23)，导轨底座(10)两端通过螺栓连接固定在底座(1)上，丝杆(9)与导轨底座(10)通过滚珠轴承(23)固定在导轨底座(10)上，下层电机(17)一端与光电编码器b(22)相连，另一端通过联轴器(3)与丝杆(9)相连；丝杆(9)与导轨滑台(8)内的螺纹孔通过螺纹配合连接在一起；导轨滑台(8)下端安装有滑轮(24)，其与导轨底座(10)轨道吻合，起支撑导轨滑台(8)的作用；支撑杆(7)下端连接导轨滑台(8)，支撑杆(7)上端与固定平台(4)连接，保证固定平台(4)与导轨滑台(8)平行；固定平台(4)下端通过四个预留的螺纹孔与中层电机(16)通过螺栓连接固定，固定平台(4)中心留有中心孔；中层电机(16)与导轨滑台(8)垂直；中层安装架(18)置于固定平台(4)上，中层安装架(18)的轴穿过固定平台(4)的中心孔与中层电机(16)相连；中层电机(16)直接驱动中层安装架(18)转动；同时为了布线方便，在固定平台(4)上预留有布线孔；L型外框(5)固定在中层安装架(18)上，L型外框(5)底部设有对称的长形孔，螺钉穿过长孔与中层安装架(18)上预留的螺纹孔固定；同时长形孔的设计可以使L型外框(5)可以沿长形孔方向，调节其在中层安装架(18)上的位置；L型外框(5)的侧板预留有轴孔，轴孔周围是四个螺纹孔，并与上层电机(14)的安装孔对应，通过螺钉将上层电机(14)固定在L型外框(5)的内侧，上层电机(14)的电机轴穿过L型外框(5)的轴孔固定上层安装架(19)；上层安装架(19)用来安装姿态传感器(6)；电气系统分为控制模块、姿态检测模块、执行模块、电源模块；其中电源模块为其它部分提供稳定的直流电源，控制模块发出指令控制执行模块中的步进电机按照程序编写的方式运行，并由编码器组成反馈回路；系统运动时各方向姿态角的变化，均由姿态检测模块测量，并上传上位机进行分析；同时数据反馈到DSP控制器，组成控制回路；上层电机(14)直接驱动上层安装架(19)，使上层安装架(19)能够围绕水平线做旋转运动，模拟自平衡机器人的俯仰姿态；中层电机(16)驱动中层安装架(18)，带动L型外框(5)及上层电机(14)转动，模拟自平衡机器人航向姿态；下层电机(17)通过丝杆驱动导轨滑台(8)做水平位移模拟自平衡机器人的空间水平移动；DSP控制器(13)输出非线性PD双回路控制的占空比可调的PWM波，控制步进下层电机驱动器(2)、中层电机驱动器(20)、上层电机驱动器(21)，使上层电机(14)、中层电机(16)、下层电机(17)按照程序编定的步骤转动；丝杆(9)将回转运动转化为导轨滑台(8)的直线运动，滚动轴承(23)将丝杆(9)的滚动摩擦变为滑动摩擦。