CN110912338A - 一种摇摆驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摇摆驱动装置，设置于摇摆本体上，所述的摇摆驱动装置包括安装底板、电源装置、驱动控制器、换向机构、往复振动机构和运动状态传感器，换向机构设置于安装底板上，运动状态传感器和往复振动机构设置于换向机构上，驱动控制器分别与换向机构、往复振动机构和运动状态传感器连接，电源装置通过驱动控制器为换向机构、往复振动机构和运动状态传感器供电。本发明能够带动摇摆本体进行周期性的摇摆运动，具体结构简单，无外露的机械驱动机构，安全性好，可靠性高，摇摆运动模式灵活多变，摆幅大小可自由调整。

Description

一种摇摆驱动装置

技术领域

本发明涉及一种摇摆驱动装置。

背景技术

随着人民的生活水平日益提高，人们在物质条件极大地满足的同时，越来越注重健康保健和享受舒适生活。目前市场上各种摇椅、秋千、吊篮、吊床等日用摇摆运动产品中，少有能够自动摇摆的产品，大都需要使用者人为加力才能维持设施的持续运动。

现有技术的自动摇摆装置的驱动机构与摇摆装置本体之间一一对应，两者相互之间结构紧密不可分割，缺乏一种能够适用于不同的摇摆装置本体的、能灵活安装到不同的摇摆装置本体上的通用的摇摆驱动装置；而且现有技术的自动摇摆装置大都采用复杂的机械结构来驱动摇摆装置进行往复摇摆运动，这类装置都存在结构复杂、运动模式单调、摆幅固定不变、摇摆动作生硬、舒适度不佳等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种摇摆驱动装置，能够带动摇摆本体进行周期性的摇摆运动，具体结构简单，无外露的机械驱动机构，安全性好，可靠性高，摇摆运动模式灵活多变，摆幅大小可自由调整。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种摇摆驱动装置，设置于摇摆本体上，所述的摇摆驱动装置包括安装底板、电源装置、驱动控制器、换向机构、往复振动机构和运动状态传感器，换向机构设置于安装底板上，运动状态传感器和往复振动机构设置于换向机构上，驱动控制器分别与换向机构、往复振动机构和运动状态传感器连接，电源装置分别与驱动控制器、换向机构、往复振动机构和运动状态传感器连接；驱动控制器用于控制换向机构和往复振动机构运转，并通过运动状态传感器检测运动状态，电源装置通过驱动控制器为换向机构、往复振动机构和运动状态传感器供电。

按照上述技术方案，换向机构包括转盘和换向电机，转盘通过中心转轴安设于安装底板上，换向电机与转盘连接，换向电机设置于安装底板上，换向电机带动转盘转动；换向电机的输出轴上连接有换向编码器，换向编码器与驱动控制器连接，运动状态传感器固设于转盘上。

按照上述技术方案，换向电机的输出轴上连接有齿轮，转盘外圈布置有齿圈，齿轮通过齿圈与转盘啮合，换向电机与驱动控制器连接，驱动控制器控制换向电机通过齿轮带动转盘转动。

按照上述技术方案，往复振动机构包括驱动电机、摆锤和主轴编码器，驱动电机设置于换向机构上，驱动电机的输出主轴与摆锤连接，带动摆锤以驱动电机的输出主轴为中心进行周期性往复摆动，主轴编码器设置于驱动电机的输出主轴上，主轴编码器与驱动控制器连接。

按照上述技术方案，往复振动机构包括驱动电机、蜗杆、涡轮和摆锤，驱动电机设置于换向机构上，蜗杆与驱动电机的输出主轴连接，涡轮与蜗杆啮合，摆锤设置于涡轮上，驱动电机带动蜗杆转动，从而驱动涡轮转动使摆锤绕涡轮的中心进行周期性往复摆动，驱动电机的输出主轴上设有主轴编码器，主轴编码器与驱动控制器连接。

按照上述技术方案，涡轮的个数有两个，两个涡轮对称分布与蜗杆两侧，均与蜗杆啮合，每个涡轮上均设有摆锤，两个摆锤以蜗杆为中心对称布置。

按照上述技术方案，驱动控制器包括信号调理电路、摆幅控制子系统、相位控制子系统、算法及控制系统和电机驱动电路，运动状态传感器与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端分别与相位控制子系统和摆幅控制子系统的输入端连接，相位控制子系统和摆幅控制子系统的输出端分别与算法及控制系统的输入端连接，算法及控制系统的输出端通过电机驱动电路分别与换向机构的换向电机和往复振动机构的驱动电机连接。

按照上述技术方案，相位控制子系统包括脉冲形成电路和相位控制电路，脉冲形成电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，脉冲形成电路的输出端与相位控制电路的输入端连接，相位控制电路的输出端与算法及控制系统连接。

按照上述技术方案，摆幅控制子系统包括摆幅获取电路、摆幅控制电路、摆幅调节电路和防倾覆电路，摆幅获取电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，摆幅控制电路的输入端分别与摆幅获取电路、摆幅调节电路和防倾覆电路的输出端连接，摆幅控制电路的输出端与算法及控制系统连接。

按照上述技术方案，通过运动状态传感器所拾取的原始信号输入到信号调理电路进行去除杂波和干扰的处理，得到摇摆运动信号；摇摆运动信号的一路输入摆幅控制子系统，得到整个摇摆系统当前的摆幅信号电压，并与设定的摆幅电压进行比较运算，输出一个摆幅控制信号；摇摆运动信号的另一路输入相位控制子系统，产生一个与当前的摇摆运动方向转折时刻相对应的摇摆脉冲信号，同时根据两个相邻的摇摆脉冲计算出摇摆系统的摇摆运动周期T，并根据相位控制子系统内部设定的算法，输出一个相位控制信号；将上述的相位控制信号和摆幅控制信号输入到算法及控制系统，经算法及控制系统运算处理，输出一个驱动控制信号；驱动控制信号输入到电机驱动电路，输出一个电机驱动信号。

本发明具有以下有益效果：

所述的摇摆驱动装置可以安装到不同的摇摆本体上，使得该摇摆驱动装置和摇摆本体结合成一个力学系统。基于受迫振动原理，所述的摇摆驱动装置由内部的往复振动机构产生的周期性的振动运动，通过同一力学系统内的耦合传导作用，能够带动摇摆本体进行周期性的摇摆运动，具体结构简单，无外露的机械驱动机构，安全性好，可靠性高，适应于安装到不同的摇摆本体上，使得配备本发明的摇摆驱动装置的摇摆本体能够自动摇摆运行；另外，本发明的自动摇摆驱动装置的驱动控制方法科学高效，摇摆运动模式灵活多变，摆幅大小可自由调整，摇摆动作符合简谐振动规律，能让乘坐人主观感受自然舒适。本发明不仅可以安装到各种摇椅、秋千、吊篮、吊床等日用摇摆运动产品上，还可以拓展到各种工业摇摆产品等多种应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例中摇摆主体的结构示意图；

图2a是本发明实施例中第一组态下摇摆主体的结构示意图；

图2b是本发明实施例中第二组态下摇摆主体的结构示意图；

图2c是本发明实施例中第三组态下摇摆主体的结构示意图；

图2d是本发明实施例中第四组态下摇摆主体的结构示意图；

图3是本发明实施例一中摇摆驱动装置的结构示意图；

图4是本发明实施例二中摇摆驱动装置的结构示意图；

图5是本发明实施例中驱动控制器的电路方框图；

图6是本发明实施例中设置有摇摆驱动装置的摇摆主体的运动模型原理分析图；

图7是本发明实施例中相位控制子系统的工作原理框图；

图8是本发明实施例中相位控制子系统的相关波形图；

图9是本发明实施例中摆幅控制子系统的工作原理方框图；

图10是本发明实施例中摆幅控制子系统的相关波形图；

图中，1-摇摆本体，2-摇摆驱动装置，3-安装底板，4-电源装置，5-驱动控制器，6-换向机构，7-圆形转盘，8-换向电机，9-换向编码器，10-往复振动机构，11-运动状态传感器，12-驱动电机，13-摆锤，14-主轴编码器，15-线缆，16-齿轮，17-操控显示装置，18-扶手，19-蒙皮；

111-原始信号，112-摇摆运动信号，113-摇摆脉冲信号，114-相位控制信号，115-摆幅信号，116-摆幅控制信号，117-驱动控制信号，118-电机驱动信号；

501-信号调理电路，502-摆幅控制子系统，503-相位控制子系统，504-算法及控制系统，505-电机驱动电路，506-摆幅获取电路，507-摆幅控制电路，508-摆幅调节电路，509-防倾覆电路，510-脉冲形成电路，511-相位控制电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图10所示，本发明提供的一个实施例中的一种摇摆驱动装置，设置于摇摆本体上，所述的摇摆驱动装置包括安装底板3、电源装置4、驱动控制器5、换向机构6、往复振动机构10和运动状态传感器11，换向机构设置于安装底板上，运动状态传感器和往复振动机构设置于换向机构上，驱动控制器分别与换向机构、往复振动机构和运动状态传感器连接，电源装置分别与驱动控制器、换向机构6、往复振动机构和运动状态传感器连接；驱动控制器用于控制换向机构和往复振动机构运转，并通过运动状态传感器检测运动状态，电源装置通过驱动控制器为换向机构、往复振动机构和运动状态传感器提供电能，电源装置与驱动控制器连接。

进一步地，安装底板设置于摇摆本体上。

进一步地，换向机构包括转盘和换向电机，转盘通过中心转轴安设于安装底板上，换向电机与转盘连接，换向电机设置于安装底板上，换向电机带动转盘转动；换向电机的输出轴上连接有换向编码器，换向编码器与驱动控制器连接，运动状态传感器固设于转盘上。

进一步地，换向电机的输出轴上连接有齿轮，转盘外圈布置有齿圈，齿轮通过齿圈与转盘啮合，换向电机与驱动控制器连接，驱动控制器控制换向电机通过齿轮带动转盘转动。

进一步地，换向电机也可直接与中心转轴连接，通过驱动中心转轴带动转盘转动。

进一步地，转盘为圆形转盘。

在具体实施例一中，往复振动机构包括驱动电机、摆锤和主轴编码器，驱动电机设置于换向机构的转盘上，驱动电机的输出主轴与摆锤连接，带动摆锤以驱动电机的输出主轴为中心进行周期性往复振动摆动，主轴编码器设置于驱动电机的输出主轴上，主轴编码器与驱动控制器连接。

在具体实施例二中，往复振动机构包括驱动电机、蜗杆、涡轮和摆锤，驱动电机设置于换向机构的转盘上，蜗杆与驱动电机的输出主轴连接，涡轮与蜗杆啮合，摆锤设置于涡轮上，驱动电机带动蜗杆转动，从而驱动涡轮转动使摆锤绕涡轮的中心进行周期性往复振动摆动，驱动电机的输出主轴上设有主轴编码器，主轴编码器与驱动控制器连接；涡轮的个数有两个，两个涡轮对称分布与蜗杆两侧，均与蜗杆啮合，每个涡轮上均设有摆锤，两个摆锤以蜗杆为中心对称布置。

进一步地，驱动控制器包括信号调理电路501、摆幅控制子系统502、相位控制子系统503、算法及控制系统504和电机驱动电路505，运动状态传感器与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端分别与相位控制子系统和摆幅控制子系统的输入端连接，相位控制子系统和摆幅控制子系统的输出端分别与算法及控制系统的输入端连接，算法及控制系统的输出端通过电机驱动电路分别与换向机构6的换向电机和往复振动机构的驱动电机连接。

进一步地，相位控制子系统503包括脉冲形成电路510和相位控制电路511，脉冲形成电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，脉冲形成电路的输出端与相位控制电路的输入端连接，相位控制电路的输出端与算法及控制系统连接。

进一步地，摆幅控制子系统502包括摆幅获取电路506、摆幅控制电路507、摆幅调节电路508和防倾覆电路509，摆幅获取电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，摆幅控制电路的输入端分别与摆幅获取电路、摆幅调节电路和防倾覆电路的输出端连接，摆幅控制电路的输出端与算法及控制系统连接。

进一步地，通过运动状态传感器11所拾取的原始信号111输入到信号调理电路501进行去除杂波和干扰的处理，得到摇摆运动信号112；摇摆运动信号112的一路输入摆幅控制子系统502，得到整个摇摆系统当前的摆幅信号115电压，并与设定的摆幅电压进行比较运算，输出一个摆幅控制信号116；摇摆运动信号112的另一路输入相位控制子系统503，产生一个与当前的摇摆运动方向转折时刻相对应的摇摆脉冲信号113，同时根据两个相邻的摇摆脉冲计算出摇摆系统的摇摆运动周期T，并根据相位控制子系统503内部设定的算法，输出一个相位控制信号114；将上述的相位控制信号114和摆幅控制信号116输入到算法及控制系统504，经算法及控制系统运算处理，输出一个驱动控制信号117；驱动控制信号117输入到电机驱动电路505，输出一个电机驱动信号118；直接推动往复振动机构的驱动电机转动，并带动往复振动机构的摆锤进行往复摇摆运动。

进一步地，所述的脉冲形成电路510可以在摇摆运动信号112的电压信号Vi的上升转折跳变和下降转折跳变时刻触发内部的触发器电路，输出与Vi的上升转折跳变和下降转折跳变时刻对应的摇摆脉冲信号113；相位控制电路511以该摇摆脉冲信号113为相位控制基准，输出一个相位控制信号114，并通过后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505对驱动电机12的旋转进行精确的相位控制：在摇摆运动信号112Vi的信号电压从逐渐上升向逐渐下降转折跳变时，相位控制信号114输出为正电压，控制驱动电机12切换到正向旋转；在摇摆运动信号112Vi的信号电压从逐渐下降向逐渐上升转折跳变时，相位控制信号114输出为负电压，控制驱动电机12切换到反向旋转。

能够满足维持摇摆本体1的摇摆系统持续的自动摇摆运动的基本要求，允许在所述的摇摆脉冲信号113和相位控制信号114之间加入一个超前或延时的时间量Tx，Tx表达式为：

Tx＝tx+n·T [1]

[1]式中,tx为超前或延时的时间量；T为实测的摇摆周期；n为大于等于零的正整数。

所述的摆幅控制子系统502包括：摆幅获取电路506、摆幅控制电路507、摆幅调节电路508。摇摆运动信号112的电压信号Vi被输送到摆幅获取电路506进行处理，得到一个与Vi的振幅Vf＝|Va-Vb|成比例的直流输出信号即摆幅信号115的电压信号V115。

Vi的振幅Vf：Vf＝|Va-Vb| [2]

V115的振幅Vf：V115＝x·Vf＝x·|Va-Vb| [3]

[3]式中的x为摆幅获取电路(506)的增益系数,x的取值为大于零的自然数。

上述的摆幅信号115的电压信号V115，以及摆幅调节电路508调节设定后的摆幅设定信号Vx，两个电压信号一起传送到摆幅控制电路507进行运算处理，输出一个摆幅控制信号116到算法及控制系统504，并通过算法及控制系统504和电机驱动电路505，精确地控制驱动电机12的运行，从而精确地控制整个摇摆系统以设定的摇摆幅度进行往复摇摆运动。

所述的摆幅控制电路507是一个比较器电路，将摆幅信号V115和摆幅设定信号Vx分别传送到摆幅控制电路507的比较器A1的正负输入端，摆幅控制电路507的比较器电路对摆幅信号V115的实时电压值和摆幅设定信号Vx进行比较处理，摆幅控制电路507的比较器电路输出一个高低电平的摆幅控制信号116，通过后面的算法及控制系统504和控制电机驱动电路505，从而控制驱动电机12上的摆锤13的摇摆运动的运行或停止，从而维持整个系统的摇摆幅度基本恒定。

所述的摆幅控制电路507是一个比例/积分(P/I)电路，将摆幅信号V115和摆幅设定信号Vx分别传送到摆幅控制电路507的比例/积分(P/I)电路的输入端，摆幅控制电路507的比例/积分(P/I)电路对摆幅信号V115的实时电压值和摆幅设定信号Vx进行比例/积分(P/I)运算处理，摆幅控制电路507的输出摆幅控制信号116为一个线性的控制电压，通过后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505，精确地控制驱动电机12上的摆锤13的摇摆速度和摇摆幅度，使得整个摇摆本体1的系统摇摆幅度保持恒定。

在所述的摆幅控制子系统502中设置了一个防倾覆电路509，在摇摆本体1的两侧倾斜角度分别超过设定的警戒角度时，防倾覆电路509都会输出一个倾覆报警信号，并通过摆幅控制电路507及其后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505，终止对驱动电机12的驱动，使得整个摇摆本体1的系统摇摆幅度自然衰减直至摆幅恢复正常范围。

进一步地，驱动控制器连接有操控显示装置，操控显示装置设置于摇摆本体的扶手上。

进一步地，摇摆主体包括座椅、靠背和下翼，座椅分别通过第一转轴组件和第二转轴组件与靠背和下翼连接，可通过支撑架支撑或通过支撑物吊挂形成不同的组态，如图2a～图2d。

本发明的工作原理：

如附图1所示，本发明实施例所述的摇摆驱动装置2可以被安装到不同的摇摆本体1内部，使得该摇摆驱动装置2和摇摆本体1结合成一个整体的力学系统，摇摆本体1的表面被蒙皮19覆盖。基于受迫振动原理，摇摆驱动装置2内部的往复振动机构10产生的周期性的振动运动，通过整体力学系统内的耦合传导作用，能够带动所述摇摆本体1进行周期性的摇摆运动。所述的摇摆本体1可以是市售的各种摇摆器具，如各种摇椅、秋千、吊篮、吊床及儿童摇篮摇椅等等日用摇摆运动产品，也可以是各种工业摇摆器械等。

附图2列出了本发明实施例在几种不同产品组态上的应用图例，附图2a所示组态为摇椅，附图2b所示组态为秋千，附图2c所示组态为吊床，附图2d所示组态为吊篮，和附图1一样，本发明实施例所述的摇摆驱动装置2被安装到附图2所示的不同的摇摆本体1内部。但本发明的应用场景不局限于附图2所示的图例。

附图3为本发明实施例1的结构原理图。如附图3所示，在所述的摇摆驱动装置2内部，有一个安装底板3、一个电源装置4和一个驱动控制器5；所述安装底板3上安装有一套换向机构6，所述的换向机构6包括一个圆形转盘7，圆形转盘7通过中心转轴安装在安装底板3的中部，另外还有一个换向电机8固定安装在安装底板3上，换向电机8的输出轴与圆形转盘7的外沿相互啮合，通过换向电机8的旋转可以带动圆形转盘7绕中心转轴旋转；在换向电机8的输出轴上，安装有一个换向编码器9，通过换向编码器9能够实时检测换向电机8的位置信息，并间接检测到圆形转盘7的位置信息；在所述圆形转盘7上，还安装有一套往复振动机构10和运动状态传感器11。

在附图3中，所述的往复振动机构10包括一个安装在圆形转盘7上的驱动电机12，以及能够被驱动电机12拖动并进行周期性往复振动摆动的摆锤13；所述驱动电机12的主轴上还安装有主轴编码器14，所述主轴编码器14能实时检测驱动电机12的运行位置信息。

如附图3所示，所述的摆锤13被安装在驱动电机12的转轴上，驱动电机12带动摆锤13沿弧形轨迹进行来回往复摇摆运动。不局限于附图3所示，所述的驱动电机12还可以通过皮带或丝杆驱动方式，带动摆锤13沿直线形轨迹进行来回往复摇摆运动。

如附图3所示，所述的电源装置4、换向电机8、换向编码器9、驱动电机12、主轴编码器14和运动状态传感器11，通过线缆15与驱动控制器5相互电连接；因为运动状态传感器11安装在圆形转盘7上，且圆形转盘7固定在摇摆驱动装置2内部的安装底板3上，且摇摆驱动装置2安装在摇摆本体1内部，所以运动状态传感器11和摇摆本体1处于同一个力学系统中，因而运动状态传感器11能够间接地检测到摇摆本体1的实时速度、倾角、加速度等等运动信息；驱动控制器5对运动状态传感器11及主轴编码器14的相应信号进行运算处理，驱动控制器5的输出信号能够精确控制驱动电机12旋转速度和旋转方向，使得驱动电机12正反向往复转动，通过驱动电机12的主轴的机械传动，带动摆锤13进行精确的周期性的往复振动运行。

如附图3所示，根据运动模式的需要，所述的驱动控制器5可以控制换向机构6中的换向电机8的旋转，带动圆形转盘7绕中心转轴旋转，从而改变圆形转盘7上的往复振动机构10的摇摆振动方向，最终使得整个摇摆本体1能在所需的不同的维度进行摇摆运动。

附图2为本发明实施例在几种不同产品组态上的应用图例。附图2a所示组态为摇椅，附图2b所示组态为秋千，它们对应的摇摆主体1的摇摆运动为X-X方向摇摆运动；附图2c所示组态为吊床，与之对应的摇摆主体1的摇摆运动为Y-Y方向摇摆运动；附图2d所示组态为吊篮，与其运动模式对应的是，摇摆主体1不仅可以沿X-X和Y-Y方向进行摇摆运动,还可以在其他任意方向进行摇摆运动。

附图4为本发明实施例2的结构原理图。如附图4所示，在所述摇摆驱动装置2中，所述的往复振动机构10还可以使用对称摆动振动结构，具体地说，对称摆动振动结构包括：两个齿轮16，以及分别固定在两个齿轮16上的两个摆锤13在圆形转盘7上呈中心对称分布；两个齿轮16与驱动电机12的主轴相互啮合；当驱动电机12带动两个齿轮16上的两个摆锤13做来回往复运行时，两个齿轮16上的两个摆锤13相向地同步地绕半圆形轨迹往复摆动。这种对称摆动振动结构的好处在于：其一，两个摆锤13的半圆形相向的往复运动轨迹，让摇摆驱动装置在摇摆运动方向上的合成速度得以增强；其二，两个摆锤13的旋转动量在圆周方向的分量可以相互抵消，可避免圆周方向产生不必要的扭转；其三，两个摆锤13的相向的半圆形往复运动轨迹，在摇摆运动方向上的合成速度分量符合摇摆运动的简谐振动规律。以上三方面的因素使得本发明的摇摆驱动装置2启动更容易、运行更平稳、摇摆动作更自然舒适。

如附图1、附图3和附图4所示，在所述的摇摆主体1的扶手18上，安装有一个便于观察和控制摇摆驱动装置2的运行状态的操控显示装置17，操控显示装置17经线缆连接到摇摆驱动装置2内部的驱动控制器5上，通过所述的操控显示装置17不仅可以显示所述摇摆驱动装置2的运行状态，还可以随时控制调整所述摇摆驱动装置2的运动模式和摇摆幅度。

附图5为本发明实施例的摇摆运动控制系统的方框图，下面结合附图5对上述摇摆驱动装置2的驱动控制的详细工作过程进行描述：

如附图5所示，在所述摇摆驱动装置2内部的主要电路包括：安装在往复振动机构10上的驱动电机12和运动状态传感器11；驱动控制器5；电源装置4；操控显示装置17。所述的驱动控制器5内部电路包括：信号调理电路501、摆幅控制子系统502、相位控制子系统503、算法及控制系统504以及电机驱动电路505。

如附图5所示，运动状态传感器11拾取的原始信号111中，包含了摇摆本体1的实时速度、倾角、加速度等等运动信息；将该原始信号111输入到信号调理电路501，经过信号调理电路501的处理，以去除杂波和干扰，得到摇摆运动信号112；摇摆运动信号112的一路输入摆幅控制子系统502，摆幅控制子系统502的主要功能是，对摇摆运动信号112进行处理，得到整个摇摆系统当前的摆幅信号115，并与设定的摆幅进行比较或运算，输出一个摆幅控制信号116；摇摆运动信号112的另一路输入相位控制子系统503，相位控制子系统503的主要功能是，对摇摆运动信号112进行处理，拾取当前的摇摆运动方向转折点，产生一个摇摆脉冲信号113，同时检测两个相邻的摇摆脉冲点计算出摇摆系统的摇摆运动周期T，并根据内部设定的算法，输出一个相位控制信号114；将上述的相位控制信号114和摆幅控制信号116输入到算法及控制系统504，经系统运算处理，输出一个驱动控制信号117；驱动控制信号117输入到电机驱动电路505，输出一个电机驱动信号118，直接推动驱动电机12转动，并带动摆锤13进行往复摇摆运动。

附图6为本发明实施例的摇摆运动模型的原理分析图。在附图6的左上部，是实施例的摇摆驱动装置2构成的单摆运动模型，在本实施例中，运动状态传感器11选用重力加速度传感器(当然也可以用其他类型的传感器如倾角传感器、陀螺仪传感器等等)，运动状态传感器11水平安装，如附图6的所示。运动状态传感器11输出的原始信号111经过信号调理电路501的处理，去除杂波和干扰后得到摇摆运动信号112，摇摆运动信号112的电压Vi与它所处的位置和方向相对应：当箭头方向完全向上时，传感器输出为最小电压值，对应的Vi＝Vmin；当箭头方向完全向下时，传感器输出为最大电压值，对应的Vi＝Vmax。如附图6中，当摇摆驱动装置2在A、B两点之间摆动时，摇摆运动信号112的电压值Vi在Va和Vb之间来回摆动；当摇摆驱动装置2运动到中间平衡点O时，摇摆运动信号112的电压值为Vi＝Vo；通过计算摇摆运动信号112的输出电压值的摆幅⊿V＝|Va-Vb|，可以间接得到摇摆驱动装置2的摇摆幅度，Vf＝⊿V＝|Va-Vb|。

如附图6的所示，单摆运动模型的摇摆控制过程如下：当摇摆驱动装置2的t0时刻启动运行时，驱动控制器5控制驱动电机12正向旋转，带动摆锤13的下部从平衡点O向左侧运动，摆锤13的下部向左侧运动后，造成摇摆驱动装置2的重心发生偏移，必然导致摇摆驱动装置2连同整个摇摆主体1向右侧运动；在t1时刻，摇摆驱动装置2摆动到右侧最大处后，运动状态传感器11的输出电压值最大，此时摇摆驱动装置2会自然地短暂停止，然后开始从右向左运动，在这个短暂的“右—停—左”的转折瞬间，运动状态传感器11的输出电压值Vi开始由大变小，驱动控制器5可以捕捉到这个电压由大变小的跳变信号，输出一个反向的摇摆脉冲信号V1，驱动控制器5控制驱动电机12反向旋转，带动摆锤13的下部从左向右运动，摆锤13的下部向右侧运动后，造成摇摆驱动装置2的重心偏移，必然导致摇摆驱动装置2连同整个摇摆主体1加速向左侧运动；在t2时刻，摇摆驱动装置2摆动到左侧最大处，运动状态传感器11的输出电压最小，摇摆驱动装置2经过短暂停止后又开始从左向右运动，这个短暂的“左—停—右”的转折瞬间，运动状态传感器11的输出电压值Vi由小变大，驱动控制器5捕捉到这个电压跳变信号，输出一个正向的摇摆脉冲信号V2，驱动控制器5控制驱动电机12正向旋转，带动摆锤13从右向左运动，从而进一步加速了摇摆驱动装置2连同整个摇摆主体1从左向右运动……。如此往复，经过以上几个回合的反复助力，最终可以通过摆锤13的往复运动，带动摇摆驱动装置2连同整个摇摆主体1逐渐稳定地在A、B两点之间来回往复摆动。如附图6所示，从0时刻到t4时刻，是摇摆驱动装置2启动后，逐步加力的过程，这阶段摇摆主体1的摇摆运动幅度逐步增加；从t4时刻以后，摆驱动装置2进入稳定运行阶段，这阶段摇摆主体1的摇摆运动幅度趋于稳定。

如附图6的所示，所述摇摆驱动装置2内部的往复振动机构10的往复运动方向，是以摇摆驱动装置2从A点到B点之间的单摆运动状态的自然往复运动的转折瞬间的摇摆脉冲信号113为基础进行切换的，严格地与摇摆主体1的摇摆运动同步，所以摇摆驱动装置2可以自动锁定摇摆主体1(包括其中的乘坐人)和摇摆驱动装置2共同组成的受迫振动系统的谐振频率，最终使得摇摆主体1的摇摆运动符合该受迫振动系统的简谐振动规律。

如附图5所示，所述的相位控制子系统503包括：脉冲形成电路510、相位控制电路511。附图7为本发明实施例的相位控制子系统503的工作原理方框图。附图8为本发明实施例的相位控制子系统503的相关波形图。下面结合附图5、附图7和附图8详细描述相位控制子系统503的工作原理：

如附图5、附图7和附图8所示，运动状态传感器11输出的原始信号111经过信号调理电路501的处理，去除杂波和干扰后得到摇摆运动信号112，也就是附图8a中的电压信号Vi。上述摇摆运动信号112的电压信号Vi被输送到脉冲形成电路510进行处理，所述的脉冲形成电路510的作用目的在于：实现上述对附图6中摇摆运动模型的功能，通过对摆运动信号112的电压信号Vi进行处理，得到一个与摆运动信号112的电压信号Vi的上升转折跳变和下降转折跳变时刻对应的摇摆脉冲信号113。如附图7所示，本实施例的脉冲形成电路510采用了两个触发器电路，其中A4及其外围阻容元件组成了一个下降沿触发器电路，当摆运动信号112的电压信号Vi从最大值向低电压下降转折跳变时，该下降沿触发器被触发，其输出端输出一个高电平脉冲，如附图8b的V1所示，在t1至t2、t3至t4时刻，降沿触发器输出一个摇摆脉冲信号113信号V1；A5及其外围阻容元件组成了另一个上升沿触发器电路，当摆运动信号112的电压信号Vi从最小值向高电压上升转折跳变时，该上升沿触发器被触发，其输出端输出一个高电平脉冲，如附图8c的V2所示，在t2至t3、t4至t5时刻，上升沿触发器输出另一个摇摆脉冲信号113信号V2。

如附图7所示，摆运动信号112的电压信号Vi，经过脉冲形成电路510处理产生的摇摆脉冲信号113，传送到相位控制电路511，经过相位控制电路511的运算处理，形成一个相位控制信号114的波形V114，并通过后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505，去控制驱动电机12以准确的相位正转或反转[如附图8d的电压波形V114所示，波形V114中，输出脉冲为正时驱动电机12正转，输出脉冲为负时驱动电机12反转]，从而实现摇摆本体1的摇摆系统持续的自动摇摆运动。

通过上述对附图6中摇摆运动模型的功能描述和分析，整个控制系统需要在t1和t3时刻这个短暂的“右—停—左”的转折瞬间，对驱动电机12进行由正转到反转的转向切换；在t2和t4时刻这个短暂的“左—停—右”的转折瞬间，对驱动电机12进行由反转到正转的转向切换。在实际相位控制过程中，为了能够满足维持摇摆本体1的摇摆系统持续的自动摇摆运动的基本要求，允许在摇摆脉冲信号113和相位控制信号114之间加入一个超前或延时的时间量Tx,如附图8d的波形V114所示。允许超前或延时的时间量Tx表达式为：

Tx＝tx+n·T [1]

[1]式中,tx为一定的超前或延时的时间量，它可以为正数即延时量，也可以是负数即超前量；T为实测的摇摆周期；n为大于等于零的正整数。如n＝0表示在t1和t3时刻后的tx时刻对驱动电机12进行正转驱动，或者是t2和t4时刻后的tx时刻对驱动电机12进行反转驱动。当n＝1,2,3…时，表示在t1和t3时刻后n个周期加上tx的时刻对驱动电机12进行正转驱动，或者是在t2和t4时刻后的n个周期加上tx的时刻对驱动电机12进行反转驱动。

如附图5所示，所述的摆幅控制子系统502包括：摆幅获取电路506、摆幅控制电路507、摆幅调节电路508以及防倾覆电路509。附图9为本发明实施例的摆幅控制子系统502的工作原理方框图。附图10为本发明实施例的摆幅控制子系统502的相关波形图。下面结合附图5、附图9和附图10详细描述摆幅控制子系统502的工作原理：

如附图5和附图9所示，摇摆运动信号112的电压信号Vi被输送到摆幅获取电路506进行处理，所述的摆幅获取电路506的作用机理在于：对输入的摇摆运动信号112的电压信号Vi进行隔直流放大、整流、滤波等一系列处理，得到一个与Vi的振幅Vf＝|Va-Vb|成比例的直流输出信号即摆幅信号115，也就是附图10c中的电压信号V115。

Vi的振幅Vf：Vf＝|Va-Vb| [2]

V115的振幅Vf：V115＝x·Vf＝x·|Va-Vb| [3]

其中，[3]式中的x为摆幅获取电路506的增益系数,x的取值为大于零的自然数。实际应用中，附图5、附图9中的摆幅获取电路506可以用有源绝对值电路、有源半波/全波整流滤波电路等等通常的电子电路实现。

如附图5和附图9所示，摆幅信号115的电压信号V115，以及摆幅调节电路508调节设定后的摆幅设定信号(如附图10c中的Vx)，信号V115和Vx一起传送到摆幅控制电路507进行比较或运算处理，输出一个摆幅控制信号116到算法及控制系统504。

如附图9所示，所述的摆幅控制电路(507)可以是一个比较器电路，其工作原理是：将摆幅信号115的V115和摆幅设定信号Vx分别传送到摆幅控制电路507的比较器A1的正负输入端，摆幅控制电路507的比较器电路对摆幅信号115的V115的实时电压值和摆幅设定信号Vx进行比较处理，如附图10c的V115和Vx所示，当摆幅信号115的V115的实时电压值小于摆幅设定信号Vx的电压值时，比较器电路的输出摆幅控制信号116为低电平，这时后面的算法及控制系统504控制电机驱动电路505让驱动电机12维持往复运动，使整个摇摆本体1的系统处于摆幅逐渐增加的助力摇摆过程中；当摆幅信号115的V115的实时电压值大于或等于摆幅设定信号Vx的电压值时，比较器电路的输出摆幅控制信号116为高电平，这时后面的算法及控制系统504控制电机驱动电路505让驱动电机12停止运行，使得整个摇摆系统处于摆幅逐渐自然衰减的阻尼摇摆过程中；直至摆幅信号115的V115的实时电压值再一次小于摆幅设定信号Vx的电压值时，比较器电路的输出摆幅控制信号116为低电平，摇摆驱动装置2恢复驱动整个摇摆本体1处于摆幅逐渐增加的助力摇摆过程。如此反复，摇摆驱动装置2可以通过驱动控制器5控制驱动电机12运行或停止，使整个摇摆本体1的摇摆幅度维持在一个设定的范围内不停地进行摇摆运动。上述这种工作模式下，摆幅控制电路507是一个比较器电路，输出信号摆幅控制信号116为高低电平的脉冲，如附图10d的Vk所示，后面的驱动电机12的摇摆幅度和摇摆速度保持不变，驱动控制器5根据对整个系统的摇摆幅度的跟踪，控制驱动电机12的运行或停止状态，到达维持整个系统的摇摆幅度基本恒定，驱动控制器5的摆幅控制电路507处于开关工作状态。

如附图9所示，所述的摆幅控制电路507还可以是一个比例/积分(P/I)电路，其工作原理是：将摆幅信号115的V115和摆幅设定信号Vx分别传送到摆幅控制电路507的比例/积分(P/I)电路的两个输入端，摆幅控制电路507的比例/积分(P/I)电路对摆幅信号115的V115的实时电压值和摆幅设定信号Vx进行比例/积分(P/I)运算处理，当摆幅信号115的V115的实时电压值比较小，与摆幅设定信号Vx的电压值相差比较大时，比例/积分(P/I)电路的输出摆幅控制信号116电压值比较大，这时后面的算法及控制系统504控制电机驱动电路505让驱动电机12的往复摇摆运动在较大的摇摆幅度和摇摆速度状态下运行，使整个摇摆本体1处于摆幅逐渐增加的助力摇摆过程中；当摆幅信号115的V115的实时电压值比较大，与摆幅设定信号Vx的电压值相差比较小时，比例/积分(P/I)电路的输出摆幅控制信号116电压值比较小，这时后面的算法及控制系统504控制电机驱动电路505让驱动电机12的往复摇摆运动在较小的摇摆幅度和摇摆速度状态下运行，使整个摇摆本体1处于摆幅逐渐趋于设定要求的恒幅度摇摆运动。这种工作模式下，摆幅控制电路507是一个比例/积分(P/I)电路，输出信号摆幅控制信号116为一个线性的控制电压，如附图10e中的Vpi所示，通过后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505，控制着驱动电机12的往复摇摆运动并使得整个摇摆本体1的系统摇摆幅度保持恒定，驱动电机12的摇摆幅度和摇摆速度会根据摆幅信号115的V115和摆幅设定信号Vx的差别大小而变化，驱动控制器5的摆幅控制电路507处于线性伺服工作状态。

另外，如附图6所示，当摇摆本体1因为人为原因出现摇摆幅度或倾斜角度过大，单侧位置超过了A侧或B侧的某一角度时，摇摆本体1就有倾覆的可能，为了避免出现这种危险情况，在所述的摆幅控制子系统502中设置了一个防倾覆电路509。当摇摆本体1的单侧倾斜角度超过设定的警戒角度时，防倾覆电路509就会输出一个倾覆报警信号给摆幅控制电路507，并通过摆幅控制电路507及其后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505，终止对驱动电机12的驱动，使得整个摇摆本体1的系统摇摆幅度自然衰减直至摆幅恢复正常范围。如附图9所示，实施例的防倾覆电路509包含一个限制摇摆运动信号112Vi的最低电压的比较器A3，还有一个限制摇摆运动信号112Vi的最高电压的比较器A2，当摇摆运动信号112Vi的电压值低于电位器W3设置的最低电压(该点接近于与附图6中A侧的倾覆点)时，防倾覆电路509中的比较器A3输出高电平，对摆幅控制电路507及其后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505输出终止信号，终止对驱动电机12的驱动；同理，当摇摆运动信号112Vi的电压值大于电位器W2设置的最高电压(该点接近于与附图6中B侧的倾覆点)时，防倾覆电路509中的比较器A2输出高电平，对摆幅控制电路507及其后面的算法及控制系统504和电机驱动电路505输出终止信号，终止对驱动电机12的驱动。

如附图5所示，相位控制信号114和摆幅控制信号116输送到算法及控制系统504，经算法及控制系统504运算处理，输出一个驱动控制信号117到电机驱动电路505，从而控制和带动驱动电机12运行。实际应用时，根据使用场景和供电条件的不同，驱动电机12可以采用直流电机、伺服电机、步进电机等等不同类型的电机，与之对应的，电机驱动电路505也会是相应的配套电路，驱动控制信号117也会有相应的彼此不同的要求，所以算法及控制系统504、电机驱动电路505都会有相对应的不同的搭配模式，这些都属于通用技术，在此就不做一一阐述。

如附图5所示，所述的算法及控制系统504还与操控显示装置17相连接，通过该操控显示装置17，不仅可以显示整个摇摆本体1的摇摆系统的运行状态，还可以随时调整整个自动摇摆装置的运动模式和摆动幅度等等运动参数。

在附图5中，所述的摆幅控制子系统502、相位控制子系统503以及算法及控制系统504可以是一个个彼此独立的具体电路，相互协同来完成相应的电路功能；同时他们也可以是一个总系统的几个不同作用的功能模块分区(比如单片机或嵌入式系统芯片)，按所述逻辑功能和工程算法完成相应的摇摆运动控制的智能控制系统。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种摇摆驱动装置，设置于摇摆本体上，其特征在于，所述的摇摆驱动装置包括安装底板、电源装置、驱动控制器、换向机构、往复振动机构和运动状态传感器，换向机构设置于安装底板上，运动状态传感器和往复振动机构设置于换向机构上，驱动控制器分别与换向机构、往复振动机构和运动状态传感器连接，电源装置通过驱动控制器为换向机构、往复振动机构和运动状态传感器供电。

2.根据权利要求1所述的摇摆驱动装置，其特征在于，换向机构包括转盘和换向电机，转盘通过中心转轴安设于安装底板上，换向电机与转盘连接，换向电机设置于安装底板上，换向电机带动转盘转动；换向电机的输出轴上连接有换向编码器，换向编码器与驱动控制器连接，运动状态传感器固设于转盘上。

3.根据权利要求2所述的摇摆驱动装置，其特征在于，换向电机的输出轴上连接有齿轮，转盘外圈布置有齿圈，齿轮通过齿圈与转盘啮合，换向电机与驱动控制器连接，驱动控制器控制换向电机通过齿轮带动转盘转动。

4.根据权利要求1所述的摇摆驱动装置，其特征在于，往复振动机构包括驱动电机、摆锤和主轴编码器，驱动电机设置于换向机构上，驱动电机的输出主轴与摆锤连接，带动摆锤以驱动电机的输出主轴为中心进行周期性往复摆动，主轴编码器设置于驱动电机的输出主轴上，主轴编码器与驱动控制器连接。

5.根据权利要求1所述的摇摆驱动装置，其特征在于，往复振动机构包括驱动电机、蜗杆、涡轮和摆锤，驱动电机设置于换向机构上，蜗杆与驱动电机的输出主轴连接，涡轮与蜗杆啮合，摆锤设置于涡轮上，驱动电机带动蜗杆转动，从而驱动涡轮转动使摆锤绕涡轮的中心进行周期性往复摆动，驱动电机的输出主轴上设有主轴编码器，主轴编码器与驱动控制器连接。

6.根据权利要求5所述的摇摆驱动装置，其特征在于，涡轮的个数有两个，两个涡轮对称分布与蜗杆两侧，均与蜗杆啮合，每个涡轮上均设有摆锤，两个摆锤以蜗杆为中心对称布置。

7.根据权利要求1所述的摇摆驱动装置，其特征在于，驱动控制器包括信号调理电路、摆幅控制子系统、相位控制子系统、算法及控制系统和电机驱动电路，运动状态传感器与信号调理电路的输入端连接，信号调理电路的输出端分别与相位控制子系统和摆幅控制子系统的输入端连接，相位控制子系统和摆幅控制子系统的输出端分别与算法及控制系统的输入端连接，算法及控制系统的输出端通过电机驱动电路分别与换向机构和往复振动机构连接。

8.根据权利要求7所述的摇摆驱动装置，其特征在于，相位控制子系统包括脉冲形成电路和相位控制电路，脉冲形成电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，脉冲形成电路的输出端与相位控制电路的输入端连接，相位控制电路的输出端与算法及控制系统连接。

9.根据权利要求7所述的摇摆驱动装置，其特征在于，摆幅控制子系统包括摆幅获取电路、摆幅控制电路、摆幅调节电路和防倾覆电路，摆幅获取电路的输入端与信号调理电路的输出端连接，摆幅控制电路的输入端分别与摆幅获取电路、摆幅调节电路和防倾覆电路的输出端连接，摆幅控制电路的输出端与算法及控制系统连接。

10.根据权利要求7所述的摇摆驱动装置，其特征在于，通过运动状态传感器所拾取的原始信号输入到信号调理电路进行去除杂波和干扰的处理，得到摇摆运动信号；摇摆运动信号的一路输入摆幅控制子系统，得到整个摇摆系统当前的摆幅信号电压，并与设定的摆幅电压进行比较运算，输出一个摆幅控制信号；摇摆运动信号的另一路输入相位控制子系统，产生一个与当前的摇摆运动方向转折时刻相对应的摇摆脉冲信号，同时根据两个相邻的摇摆脉冲计算出摇摆系统的摇摆运动周期T，并根据相位控制子系统内部设定的算法，输出一个相位控制信号；将上述的相位控制信号和摆幅控制信号输入到算法及控制系统，经算法及控制系统运算处理，输出一个驱动控制信号；驱动控制信号输入到电机驱动电路，输出一个电机驱动信号。

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