CN109389895B

CN109389895B - 一种球体平衡装置及球体平衡方法

Info

Publication number: CN109389895B
Application number: CN201811284713.XA
Authority: CN
Inventors: 舒玉恒; 秦伟; 胡勇启; 陈友明
Original assignee: Hefei Panshi Automation Technology Co ltd
Current assignee: Hefei Panshi Intelligent Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: CN109389895A

Abstract

本发明公开了一种演示球体平衡装置，所述演示平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘、球体、传感器及控制器、转轴；所述两个轮盘同轴安装在转轴上，在转轴的驱动下轮盘一起旋转；在两个轮盘上设置有自由移动的球体，在球体两侧对称或不对称设置有限定球体移动位置的防护辊；所述传感器检测球体的位置，让球体沿轮盘外边缘运动，并运动至最高点位置稳定下来；所述防护辊和轮盘限定球体的运动轨迹。所述工作方法，包括：启动过程、检测位置及位置修正、顶点位置维持、重新演示。本结构简单，控制方便，将球体平衡效果强烈表现出来，更能引起好奇心，从而产生神奇的效果。

Description

一种球体平衡装置及球体平衡方法

技术领域

本发明涉及一种球体平衡装置，以及球体平衡方法，属于科普教育技术领域。

背景技术

目前在科普、教育与自动化控制领域内，用于演示自动控制算法与手段，表现自动控制的区别与优劣，通常是用倒立摆的形式进行，一根长条直棒从自然下垂，在驱动机构与自动控制器的配合下，运行到长条棒倒立竖起来，且保持倒立。现有这种机构中，每个旋转轴上都会对应一个传感器，通过传感器与轴的连接，可以直接读取长条棒的状态及相关运动参数，在相关算法的控制下，达到长条棒倒立的效果。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提出一种球体平衡装置及球体平衡方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种球体平衡装置，所述球体平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘、球体、传感器及控制器、转轴；所述两个轮盘同轴安装在转轴上，在转轴的驱动下轮盘一起旋转；球体在两个轮盘上上自由滚动，在球体两侧设置有限定球体移动位置的防护辊；所述传感器检测球体的位置，让球体沿轮盘外边缘运动，并运动至最高点位置稳定下来；所述防护辊和轮盘限定球体的运动轨迹。

作为上述技术方案的改进，所述轮盘的外边缘上设置有弹性的摩擦圈，球体直接与摩擦圈接触。

作为上述技术方案的改进，所述防护辊中心位置安装有轴承。

作为上述技术方案的改进，所述两个轮盘之间的间距D与球体半径R之间的几何关系为：R＜D＜2R。

作为上述技术方案的改进，所述球体平衡装置包括电机和主体支架，所述电机安装固定在主体支架上。

作为上述技术方案的改进，所述主体支架上设置有防护架，所述传感器安装固定在防护架上；所述控制器安装固定在主体支架上。

作为上述技术方案的改进，所述球体平衡装置包括联轴器，所述联轴器设置在电机输出端以及轮盘的转轴之间。

作为上述技术方案的改进，所述防护辊本体中心位置设置有安装轴承的中心孔，在防护辊本体中部设置有弧形的限位部，所述限位部限制了球体的运动。

作为上述技术方案的改进，所述限位部中部设置有多个防护槽，防护槽内安装有弹性圈，所述弹性圈与运动中的球体直接接触。

一种球体平衡装置工作方法，所述工作方法如下：

步骤一：启动过程；

将球体置于两个防护辊中任一个上，球体在防护辊及两个轮盘限位下静止不动，接通电源，让电机启动运行秒后，断开电源，电机停止转动，球体因惯性作用一直沿两个轮盘边沿向上滚动；

步骤二：检测位置及位置修正；

球体一直沿两个轮盘边沿向上滚动，运行一段距离后，传感器检测到球体的位置，传感器把数据传给控制器，控制器根据球体的位置调节轮盘的转速和转向，使球体到达轮盘的顶点位置，并稳定下来；

步骤三：顶点位置维持；

当球体从顶点位置在重力作用下下滑时，传感器把球体是否偏离顶点位置传给控制器，控制器根据传感器数据，调整轮盘的转向及转速，重复步骤二，直至球体保持在轮盘的顶点位置；

步骤四：重新演示；

当观众需要重新观看球体从防护辊上运行到轮盘顶点的现象，重复步骤一至步骤三。

作为上述技术方案的改进，所述控制器的工作过程如下：

当传感器接通电源后，一直采集数据并将数据适时发送给控制器，控制器根据所接收的数据，转换成球体与传感器之间的距离，根据几何与物理知识所知，可算出球体与轮盘顶部的高度，而球体从低处往高处运动，需要的能量E是由轮盘提供的，再根据摩擦系数μ的大小，算出轮盘的转速，通过多次调试上球的转速，找到中间值；运行时，球体运动到轮盘的中点后，球体的惯量减至最小，此时有两种情况，一种是球体未到中点，控制器会根据球体离中点的距离，给一个与距离相关的正向转速v1给轮盘；另一种是球体超过中点，则控制器会给一个反向转速v2给轮盘，这样如此反复，最终实现球体在轮盘上动态平衡，即最终稳定下来。

作为上述技术方案的改进，所述控制器驱动轮盘的能量E满足公式：E=mV²+K=mgh=μF，其中E是驱动需要的总能量，m是球体的质量，V是轮盘的速度，K是传动损耗，g是重力加速度，h是小球离顶点的高度，μ是摩擦系数，F是球体的压力。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明采用轮盘、球体、传感器及控制器结构，实现球体在轮盘上动态平衡，在控制器作用下，驱动轮盘的转向及转速，能够实现快速平衡，此外，该结构简单，控制方便，将球体平衡效果强烈表现出来，更能引起好奇心，从而产生神奇的效果。

附图说明

图1为本发明所述球体平衡装置结构示意图；

图2为本发明所述防护辊主视图；

图3为图2的俯视图；

其中： 1—防护辊 2—轴承 3—球体 4—传感器 5—防护架 6—联轴器7—电机架 8—电机 9—主体支架 10—摩擦圈 11—轮盘 12—控制器 13—转轴101—防护辊本体 102—中心孔 103—限位部 104—防护槽。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1所示，为本发明所述球体平衡装置结构示意图，本发明所述演示平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘11及转轴13，所述两个轮盘11同轴安装在转轴13上，在转轴13的驱动下轮盘11一起旋转。在轮盘11的外边缘上设置有弹性的摩擦圈10，摩擦圈10将轮盘11的外边缘包覆在内，起到保护轮盘11的作用。

本发明所述球体平衡装置，在两个轮盘11上设置有自由移动的球体3，球体3直接与摩擦圈10接触，在球体3两侧对称或不对称设置有限定球体3移动位置的防护辊1，所述防护辊1中心位置安装有轴承2，在轴承2的作用下，防护辊1可以在摩擦圈10和轮盘11上自由转动。在重力作用下，防护辊1和轮盘11限定了球体3的运动轨迹。

所述两个轮盘11之间的间距D与球体3半径R之间的几何关系为：R＜D＜2R，这样确保球体3一直滞留在两个轮盘11之间，不至于滑落或掉入两者间隙中。

本发明所述球体平衡装置，还包括传感器4及控制器12，传感器4与控制器12通过导线联通，所述传感器4检测球体3的位置，让球体3沿轮盘11外边缘运动，并运动至最高点位置时稳定下来。

本发明所述球体平衡装置，还包括电机8和主体支架9，所述电机8安装固定在主体支架9上，电机8驱动转轴转动，进而驱动轮盘11一起运动。

本发明所述球体平衡装置，在主体支架9上设置有防护架5，所述传感器4安装固定在防护架5上。所述控制器12安装固定在主体支架9上。

本发明所述球体平衡装置，还包括联轴器6，所述联轴器6设置在电机8输出端以及轮盘11的转轴之间，通过联轴器6，电机8输出端将动力传至轮盘11的转轴上，并驱使其转动。

如图2和图3所示，本发明所述防护辊1包括防护辊本体101，在防护辊本体101中心位置设置有安装轴承2的中心孔，在防护辊本体101中部设置有弧形的限位部103，所述限位部103限制了球体3的运动。在限位部103中部还设置有多个防护槽104，防护槽104内安装有弹性圈（图中未示出），所述弹性圈与运动中的球体3直接接触，这样不仅利用弹性圈的弹性起到缓冲的作用，同时减小对防护辊1的伤害，提高其使用寿命。

本发明所述球体平衡装置，其工作方法如下：

步骤一：启动过程；

将球体3置于两个防护辊1中任一个上，球体3在防护辊1及两个轮盘11限位下静止不动，接通电源，让电机8启动运行20-30秒后，断开电源，电机8停止转动，球体3因惯性作用一直沿两个轮盘11边沿向上滚动；

步骤二：检测位置及位置修正；

球体3一直沿两个轮盘11边沿向上滚动，运行一段距离后，传感器4检测到球体3的位置，传感器4把数据传给控制器12，控制器12根据球体3的位置调节轮盘11的转速和转向，使球体3到达轮盘11的顶点位置，并稳定下来；

步骤三：顶点位置维持；

当球体3从顶点位置在重力作用下下滑时，传感器4把球体3是否偏离顶点位置传给控制器12，控制器12根据传感器4数据，调整轮盘11的转向及转速，重复步骤二，直至球体3保持在轮盘11的顶点位置；

步骤四：重新演示；

当观众需要重新观看球体3从防护辊1上运行到轮盘11顶点的现象，重复步骤一至步骤三。

控制器12的工作过程如下：

当传感器4接通电源后，一直采集数据并将数据适时发送给控制器12，控制器12根据所接收的数据，转换成球体3与传感器4之间的距离，根据几何与物理知识所知，可算出球体3与轮盘11顶部的高度，而球体3从低处往高处运动，需要的能量E是由轮盘11提供的，再根据摩擦系数μ的大小，算出轮盘11的转速，通过多次调试上球的转速，找到中间值。运行时，球体3运动到轮盘11的中点后，球体3的惯量减至最小。此时有两种情况，一种是球体3未到中点，控制器12会根据球体3离中点的距离，给一个与距离相关的正向转速v1给轮盘11；另一种是球体3超过中点，则控制器12会给一个反向转速v2给轮盘11。这样如此反复，最终实现球体3在轮盘11上动态平衡，即最终稳定下来。

控制器12驱动轮盘11的能量E满足公式：E=mV²+K=mgh=μF，其中E是驱动需要的总能量，m是球体3的质量，V是轮盘11的速度，K是传动损耗，g是重力加速度，h是小球离顶点的高度，μ是摩擦系数，F是球体3的压力，当球体3距轮盘11中点较近时，压力F的大小可以忽略不计，通过上式，加上一个传动损耗K，可以使球体3运动到中点或最高点，并保持相对稳定。

传动损耗K为经验值，可以根据有限次的调试进行估算，不是一个确定的数值。为尽量消除传动损耗K带来的影响，所有工件在制作过程中，要求精细加工，确保运动部件的运行稳定，同时运行前需要把装置调至水平状态。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种球体平衡装置，其特征是，所述平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘（11）、球体（3）、传感器（4）及控制器（12）、转轴（13）；所述两个轮盘（11）同轴安装在转轴（13）上，在转轴（13）的驱动下轮盘（11）一起旋转；在两个轮盘（11）上设置有自由移动的球体（3），在球体（3）两侧对称或不对称设置有限定球体（3）移动位置的防护辊（1）；所述传感器（4）检测球体（3）的位置，让球体（3）沿轮盘（11）外边缘运动，并运动至最高点位置稳定下来；所述防护辊（1）和轮盘（11）限定球体（3）的运动轨迹。

2.如权利要求1所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述轮盘（11）的外边缘上设置有弹性的摩擦圈（10），球体（3）直接与摩擦圈（10）接触。

3.如权利要求1所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述防护辊（1）中心位置安装有轴承（2）。

4.如权利要求1所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述两个轮盘（11）之间的间距D与球体（3）半径R之间的几何关系为：R＜D＜2R。

5.如权利要求1所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述平衡装置包括电机（8）和主体支架（9），所述电机（8）安装固定在主体支架（9）上。

6.如权利要求5所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述主体支架（9）上设置有防护架（5），所述传感器（4）安装固定在防护架（5）上；所述控制器（12）安装固定在主体支架（9）上。

7.如权利要求1~6中任一所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述平衡装置包括联轴器（6），所述联轴器（6）设置在电机（8）输出端以及轮盘（11）的转轴之间。

8.如权利要求1~6中任一所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述防护辊（1）包括防护辊本体（101），防护辊本体（101）中心位置设置有安装轴承（2）的中心孔，在防护辊本体（101）中部设置有弧形的限位部（103），所述限位部（103）限制了球体（3）的运动。

9.如权利要求8所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述限位部（103）中部设置有多个防护槽（104），防护槽（104）内安装有弹性圈，所述弹性圈与运动中的球体（3）直接接触。

10.如权利要求1所述的一种球体平衡装置的平衡方法，其特征是，所述平衡方法如下：

步骤一：启动过程；

将球体（3）置于两个防护辊（1）中任一个上，球体（3）在防护辊（1）及两个轮盘（11）限位下静止不动，接通电源，让电机（8）启动运行20-30秒后，断开电源，电机（8）停止转动，球体（3）因惯性作用一直沿两个轮盘（11）边沿向上滚动；

步骤二：检测位置及位置修正；

球体（3）一直沿两个轮盘（11）边沿向上滚动，运行一段距离后，传感器（4）检测到球体（3）的位置，传感器（4）把数据传给控制器（12），控制器（12）根据球体（3）的位置调节轮盘（11）的转速和转向，使球体（3）到达轮盘（11）的顶点位置，并稳定下来；

步骤三：顶点位置维持；

当球体（3）从顶点位置在重力作用下下滑时，传感器（4）把球体（3）是否偏离顶点位置传给控制器（12），控制器（12）根据传感器（4）数据，调整轮盘（11）的转向及转速，重复步骤二，直至球体（3）保持在轮盘（11）的顶点位置；

步骤四：重新演示；

当观众需要重新观看球体（3）从防护辊（1）上运行到轮盘（11）顶点的现象，重复步骤一至步骤三。

11.如权利要求10所述的一种球体平衡方法，其特征是，所述控制器（12）的工作过程如下：

当传感器（4）接通电源后，一直采集数据并将数据适时发送给控制器（12），控制器（12）根据所接收的数据，转换成球体（3）与传感器（4）之间的距离，根据几何与物理知识所知，可算出球体（3）与轮盘（11）顶部的高度，而球体3从低处往高处运动，需要的能量E是由轮盘（11）提供的，再根据摩擦系数μ的大小，算出轮盘（11）的转速，通过多次调试上球的转速，找到中间值；运行时，球体（3）运动到轮盘（11）的中点后，球体（3）的惯量减至最小，此时有两种情况，一种是球体（3）未到中点，控制器（12）会根据球体（3）离中点的距离，给一个与距离相关的正向转速v1给轮盘（11）；另一种是球体（3）超过中点，则控制器（12）会给一个反向转速v2给轮盘（11），这样如此反复，最终实现球体（3）在轮盘（11）上动态平衡，即最终稳定下来。

12.如权利要求11所述的一种球体平衡方法，其特征是，所述控制器（12）驱动轮盘（11）的能量E满足公式：E=mV²+K=mgh=μF，其中E是驱动需要的总能量，m是球体（3）的质量，V是轮盘（11）的速度，K是传动损耗，g是重力加速度，h是小球离顶点的高度，μ是摩擦系数，F是球体（3）的压力。