CN205038520U - 一种应用仿生学原理的机械尾巴 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用仿生学原理的机械尾巴，属于自动控制技术领域。其是将仿生学原理运用到现代生活当中、从动物运动中尾巴对于自身平衡的重大意义抽象出机械尾巴并利用机械尾巴调控自动控制系统从而提升系统整体稳定性，以达到应用本装置的运动载具在极限条件下的调节与控制并能大大缩短系统恢复平衡状态所需要的响应时间。在运动载具上搭载本装置可以利用机械尾部结构通过上下左右运动保持载具平衡。可以大大改善载具在运动过程中的稳定性，减少机械震荡。本实用新型提供的仿生尾部结构的加入使得平衡载具整体系统鲁棒性以及可控性大大提高，同时易于安装、结构简单、控制方便。
Description
技术领域
本实用新型属于自动控制技术领域，具体涉及一种应用仿生学原理的机械尾巴。
背景技术
大多数移动载具有保持自身平衡的要求，这样的载具能够现在地形与平台稳定的去耦合化，能够使其上安装的各种器械有一个稳定的运行环境。大多提高平衡载具地形去耦合能力的尝试在于采取特殊设计的轮结构或者足腿结构，这样的结构在机械上过于复杂、容易发生故障同时其具有较多冗余自由度而使得控制这样的结构异常复杂。
对于仿生尾部，现在已经出现了许多利用类似尾结构的机器人或载具系统，这些工作都展示出类似尾结构对整机平衡性有很大贡献，往往能大幅提高系统的稳定能力，比如加州大学伯克利分校ThomasLibby曾研究了四轮车在空中运动时尾巴的运动情况对车体平衡及落地状态的影响(Nature481,181–184(12January2012))，然而目前却没有出现过类似本实用新型中叙述的带有仿生尾部的二轮平衡车。而本实用新型中所述的仿生尾部结构被应用于二轮平衡车上之后展示出良好的平衡性能、大幅提高了整机系统的稳定性，因此具有深远的应用前景。
实用新型内容
本实用新型提供的一种应用仿生学原理的机械尾巴由尾部结构和控制系统组成，控制系统由控制尾巴水平方向运动的第一控制系统和控制尾巴竖直方向运动的第二控制系统组成。
第一控制系统为皮带传动，由小齿轮控制部分2、皮带3、大齿轮控制部分4组成，小齿轮控制部分2中的小齿轮9通过皮带3与大齿轮控制部分中的大齿轮14连接。小齿轮控制部分由小齿轮9、电机5、第一码盘7、第一光电编码器6、自攻螺丝8组成。电机5是直流减速电机，材质是塑料外壳。自攻螺丝8的头部直径大于小齿轮9中间圆孔的孔径，将自攻螺丝8从小齿轮中间穿过，再将自攻螺丝8从第一码盘7中间穿过，再将自攻螺丝8杆部末端攻入电机5的轴中，这样电机5可以带动小齿轮9及第一码盘7同步转动，将电机5用适当长度的铜柱固定在下层亚格力支架10上，适当长度的意思是选择适当长度的铜柱固定后使得小齿轮9和大齿轮14在同一水平面上，将光电编码器6的凹形槽夹在第一码盘7的两侧，光电编码器6的固定端用AB胶固定在下层亚格力支架10，大齿轮控制部分4由大齿轮14、轴承13、法兰盘15、螺栓11、螺母12组成，大齿轮14在下层亚格力支架10的上面，法兰盘15在下层亚格力支架10的下面，在下层亚格力支架10的相应位置打与轴承13轴部大小相同的圆，将轴承放入其中在相对于大齿轮14的另一侧用法兰盘15将轴承13固定在下层亚格力支架10上，将螺栓11的头部在下，自下而上的从轴承13中心孔中穿过，将大齿轮14穿入螺栓11中，在其上用螺母12固定。适当长度的螺栓11是螺栓11的长度足够穿上大齿14轮和拧上螺母12即可，大齿轮14即通过轴承13、法兰盘15固定在下层亚格力支架10，大齿轮14可以绕长螺栓11自由转动。
第二控制系统由拉绳电机23、第二码盘29、第二光电编码器30、绳子19、滑轮16、滑轮支架20、第一长螺栓17、尾部平台24构成，绳子19选用鱼线，尾部平台24固定在大齿轮14上，在尾部平台中上部钻有与螺栓11相同孔径的孔，在螺母12上放上孔径相同的垫片，将尾部平台穿到螺栓11上，并用螺母将其固定好。滑轮支架20由凹形槽18和和第二长螺栓21组成，凹形槽18和第二长螺栓21已经通过电焊焊接成一整体，凹形槽18两侧面钻有与第一长螺栓17孔径相同的孔，将滑轮16放入凹形槽18的凹槽内，用第一长螺栓17同时穿过凹形槽18两侧面与滑轮16，在凹形槽18两侧面外用螺母将其固定，在尾部平台正中间钻有与第二长螺栓21相同孔径的孔，将第二长螺栓21穿过尾部平台24两侧用螺母将其固定。将拉绳电机23用适当长度的铜柱固定在尾部平台24上部，使其一侧轴与尾部平台中上部钻有的与螺栓11相同孔径的孔和尾部平台正中间钻有与第二长螺栓21相同孔径的孔在同一直线上，将这侧的轴缠有绳子19，用自攻螺丝将第二码盘29与另一侧轴固定，使得第二码盘29与拉绳电机19同轴转动，将第二光电编码器30的凹形槽夹在第二码盘29的两侧，第二光电编码器30的固定端用AB胶固定在尾部平台24上，将绳子的从尾部结构的尾下部底板22的两孔穿过，选取可以使合页成120度角为绳子19的最大长度，将距离绳子两头相同位置处将两个绳子打结，将绳子头从拉绳电机23轴的中心孔穿入，沿轴绕半轴打结，最终绳子19可以随约拉绳电机23轴的转动使绳子19伸长或缩短，绳子19通过定滑轮作用在尾部结构上。
尾部结构由合页27连接尾上部底板25、尾下部底板22构成，尾下部底板14与绳子19相连，尾上部底板25与尾部平台24通过铝制转接件28死固相连，同时在尾上部底板25与尾下部底板22之间用可以自由转动的合页27连接，弹簧26一端固定在尾上部底板25靠近尾下部底板22端末端，另一端固定在尾下部底板22靠近尾上部底板25端末端，并固定在尾下部底板22与尾上部底板25所成平面的背面(靠近机身面)，在仿生尾部结构舒展开时(即尾上部底板28与尾下部底板22在同一条直线上时)弹簧处于完全放松状态，于是当仿生尾部受到绳子19的拉力大于弹簧的应力时仿生尾部结构卷曲(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度小于180度)、而当绳子19的拉力小于弹簧的应力时仿生尾部结构舒张(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度向恢复180度弯曲)以此来控制仿生尾部结构竖直方向上下运动(此处上下运动是指仿生尾部结构末端上下运动)；当二轮平衡车平衡的在地面运动时，尾上部底板25和尾下部底板22的总长小于尾部平台24到地面的距离，且尾上部底板25的长度小于尾下部底板22的长度。
附图说明
图1一种应用仿生学原理的机械尾巴的整体示意图
图2一种应用仿生学原理的机械尾巴的第一控制系统俯视图
其中：小齿轮控制部分2、皮带3、大齿轮控制部分4；
图3一种应用仿生学原理的机械尾巴的小齿轮部分的侧视图
其中：电机5、第一光电编码器6、第一码盘7、自攻螺丝8、小齿轮9、下层亚格力支架10；
图4一种应用仿生学原理的机械尾巴的大齿轮部分的侧视图
其中：螺栓11、螺母12、轴承13、大齿轮14、法兰盘15；
图5一种应用仿生学原理的机械尾巴的第二控制系统的侧视图
其中：滑轮16、第一长螺栓17、凹形槽18、绳子19、滑轮支架20、第二长螺栓21、尾下部底板22、拉绳电机23、尾部平台24、第二码盘29、第二光电编码器30；
图6一种应用仿生学原理的机械尾巴的尾部结构的侧视图
其中：连接尾上部底板25、弹簧26、合页27；
图7一种应用仿生学原理的机械尾巴的尾部结构与尾部平台连接示意图
其中：铝制转接件28；
具体实施方式
机械尾巴由尾部结构和控制系统组成，控制系统由控制尾巴水平方向运动的第一控制系统和控制尾巴竖直方向运动的第二控制系统组成。
第一控制系统为皮带传动，由小齿轮控制部分2、皮带3、大齿轮控制部分4组成，小齿轮控制部分2中的小齿轮9通过皮带3与大齿轮控制部分中的大齿轮14连接。小齿轮控制部分由小齿轮9、电机5、第一码盘7、第一光电编码器6、自攻螺丝8组成。电机5是直流减速电机，材质是塑料外壳。自攻螺丝8的头部直径大于小齿轮9中间圆孔的孔径，将自攻螺丝8从小齿轮中间穿过，再将自攻螺丝8从第一码盘7中间穿过，再将自攻螺丝8杆部末端攻入电机5的轴中，这样电机5可以带动小齿轮9及第一码盘7同步转动，将电机5用适当长度的铜柱固定在下层亚格力支架10上，适当长度的意思是选择适当长度的铜柱固定后使得小齿轮9和大齿轮14在同一水平面上，将光电编码器6的凹形槽夹在第一码盘7的两侧，光电编码器6的固定端用AB胶固定在下层亚格力支架10，大齿轮控制部分4由大齿轮14、轴承13、法兰盘15、螺栓11、螺母12组成，大齿轮14在下层亚格力支架10的上面，法兰盘15在下层亚格力支架10的下面，在下层亚格力支架10的相应位置打与轴承13轴部大小相同的圆，将轴承放入其中在相对于大齿轮14的另一侧用法兰盘15将轴承13固定在下层亚格力支架10上，将螺栓11的头部在下，自下而上的从轴承13中心孔中穿过，将大齿轮14穿入螺栓11中，在其上用螺母12固定。适当长度的螺栓11是螺栓11的长度足够穿上大齿14轮和拧上螺母12即可，大齿轮14即通过轴承13、法兰盘15固定在下层亚格力支架10，大齿轮14可以绕长螺栓11自由转动。
第二控制系统由拉绳电机23、第二码盘29、第二光电编码器30、绳子19、滑轮16、滑轮支架20、长螺栓17、尾部平台24构成，绳子19选用鱼线，尾部平台24固定在大齿轮14上，在尾部平台中上部钻有与螺栓11相同孔径的孔，在螺母12上放上孔径相同的垫片，将尾部平台穿到螺栓11上，并用螺母将其固定好。滑轮支架20由凹形槽18和和长螺栓21组成，凹形槽18和和长螺栓21已经通过电焊焊接成一整体，凹形槽18两侧面钻有与长螺栓17孔径相同的孔，将滑轮16放入凹形槽18的凹槽内，用长螺栓17同时穿过凹形槽18两侧面与滑轮16，在凹形槽18两侧面外用螺母将其固定，在尾部平台正中间钻有与长螺栓21相同孔径的孔，将长螺栓21穿过尾部平台24两侧用螺母将其固定。将拉绳电机23用适当长度的铜柱固定在尾部平台24上部，使其一侧轴与尾部平台中上部钻有的与螺栓8相同孔径的孔和尾部平台正中间钻有与长螺栓17相同孔径的孔在同一直线上，将这侧的轴缠有绳子19，用自攻螺丝将第二码盘29与另一侧轴固定，使得第二码盘29与拉绳电机19同轴转动，将第二光电编码器30的凹形槽夹在第二码盘29的两侧，第二光电编码器30的固定端用AB胶固定在尾部平台24上，将绳子的从尾部结构的尾下部底板22的两孔穿过，选取可以使合页成120度角为绳子19的最大长度，将距离绳子两头相同位置(约拉绳电机17轴的周长)处将两个绳子打结，将绳子头从拉绳电机23轴的中心孔穿入，沿轴绕半轴打结，最终绳子19可以随约拉绳电机23轴的转动使绳子19伸长或缩短，绳子19通过定滑轮作用在尾部结构上。
尾部结构由合页27连接尾上部底板25、尾下部底板22构成，尾下部底板14与绳子19相连，尾上部底板25与尾部平台24通过铝制转接件28死固相连，同时在尾上部底板25与尾下部底板22之间用可以自由转动的合页27连接，弹簧26一端固定在尾上部底板25靠近尾下部底板22端末端，另一端固定在尾下部底板22靠近尾上部底板25端末端，并固定在尾下部底板22与尾上部底板25所成平面的背面(靠近机身面)，在仿生尾部结构舒展开时(即尾上部底板28与尾下部底板22在同一条直线上时)弹簧处于完全放松状态，于是当仿生尾部受到绳子19的拉力大于弹簧的应力时仿生尾部结构卷曲(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度小于180度)、而当绳子19的拉力小于弹簧的应力时仿生尾部结构舒张(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度向恢复180度弯曲)以此来控制仿生尾部结构竖直方向上下运动(此处上下运动是指仿生尾部结构末端上下运动)；当二轮平衡车平衡的在地面运动时，尾上部底板25和尾下部底板22的总长小于尾部平台24到地面的距离，且尾上部底板25的长度小于尾下部底板22的长度。
一种应用仿生学原理的机械尾巴的工作流程：第一光电编码器6测得第一码盘7的转速，即小齿轮9的转速，小齿轮9转动通过皮带3传动使大齿轮14跟随转动，大齿轮14转送带动同轴尾部平台24转动，从而带动连动的机械尾巴转动。控制尾巴竖直方向运动的控制系统由拉绳电机23的转动控制绳子19的长度，绳子由滑轮16传动作用在尾部结构上，第二码盘29与拉绳电机23同轴转动，第二光电编码器30测得第二码盘29的转速即拉绳电机23的转速，因此，我们可以通过控制系统控制控制机械尾巴的竖直和水平转动。
Claims (5)
1.一种应用仿生学原理的机械尾巴，由尾部结构和控制系统组成，控制系统由控制尾巴水平方向运动的第一控制系统和控制尾巴竖直方向运动的第二控制系统组成；其特征在于，第一控制系统为皮带传动，由小齿轮控制部分(2)、皮带(3)、大齿轮控制部分(4)组成，小齿轮(9)通过皮带(3)与大齿轮(14)连接；小齿轮控制部分(2)由小齿轮(9)、电机(5)、第一码盘(7)及第一光电编码器(6)组成；将电机(5)和第一光电编码器(6)分别固定在下层亚格力支架(10)的一端上面，第一光电编码器(6)固定在电机(5)和小齿轮(9)之间，将第一光电编码器(6)的凹形槽夹在第一码盘(7)的两侧；大齿轮控制部分(4)由大齿轮(14)、轴承(13)及法兰盘(15)组成，大齿轮(14)在下层亚格力支架(10)的另一端上面，法兰盘(15)在下层亚格力支架(10)的下面，用法兰盘(15)将轴承(13)固定在下层亚格力支架(10)上，大齿轮(14)即通过轴承(13)、法兰盘(15)固定在下层亚格力支架(10)上；第二控制系统由拉绳电机(23)、第二码盘(29)、第二光电编码器(30)、绳子(19)、滑轮(16)、滑轮支架(20)、第一长螺栓(17)及尾部平台(24)构成，尾部平台(24)固定在大齿轮(14)上，滑轮支架(20)由凹形槽(18)和第二长螺栓(21)组成，滑轮(16)固定在凹形槽(18)上，第二长螺栓(21)固定在尾部平台(24)上，将拉绳电机(23)固定在尾部平台(24)上部，使其缠有绳子(19)的一侧轴、第二长螺栓(21)及螺栓(11)在同一平面内，将第二码盘(18)与拉绳电机(23)另一侧轴固定，使得第二码盘(18)与拉绳电机(23)同轴转动，将第二光电编码器(30)的凹形槽夹在第二码盘(29)的两侧，第二光电编码器(30)固定在尾部平台(24)上，将绳子另一端绕过滑轮(16)后连接尾下部底板(22)；尾部结构由合页(27)连接尾上部底板(25)、尾下部底板(22)构成，尾上部底板(25)与尾部平台(24)相连，弹簧(26)固定在尾上部底板(25)和尾下部底板(22)的两端。
2.如权利要求1所述的一种应用仿生学原理的机械尾巴，其特征在于，小齿轮控制部分还包括自攻螺丝(8)，自攻螺丝(8)的头部直径大于小齿轮(9)中间圆孔的孔径，将自攻螺丝(8)从小齿轮中间穿过，再将自攻螺丝(8)从第一码盘(7)中间穿过，再将自攻螺丝(8)杆部末端攻入电机(5)的轴中，这样电机(5)可以带动小齿轮(9)及第一码盘(7)同步转动。
3.如权利要求1所述的一种应用仿生学原理的机械尾巴，其特征在于，大齿轮部分还包括螺栓(11)和螺母(12)，将螺栓(11)的头部在下，自下而上的从轴承(13)中心孔中穿过，将大齿轮(14)穿入螺栓(11)中，在其上用螺母(12)固定，大齿轮(14)可以绕螺栓(11)自由转动。
4.如权利要求1所述的一种应用仿生学原理的机械尾巴，其特征在于，绳子(19)为鱼线。
5.如权利要求1所述的一种应用仿生学原理的机械尾巴，其特征在于，合页(27)成120度角。
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| CN201520699551.1U CN205038520U (zh) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | 一种应用仿生学原理的机械尾巴 |
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| CN201520699551.1U Withdrawn - After Issue CN205038520U (zh) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | 一种应用仿生学原理的机械尾巴 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105183001A (zh) * | 2015-09-10 | 2015-12-23 | 吉林大学 | 一种应用仿生学原理的机械尾巴 |
| CN117944774A (zh) * | 2024-03-26 | 2024-04-30 | 吉林大学 | 一种用于辅助跳跃机器人维持运动稳定性的机械尾装置 |
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2015
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105183001A (zh) * | 2015-09-10 | 2015-12-23 | 吉林大学 | 一种应用仿生学原理的机械尾巴 |
| CN105183001B (zh) * | 2015-09-10 | 2017-09-12 | 吉林大学 | 一种应用仿生学原理的机械尾巴 |
| CN117944774A (zh) * | 2024-03-26 | 2024-04-30 | 吉林大学 | 一种用于辅助跳跃机器人维持运动稳定性的机械尾装置 |
| CN117944774B (zh) * | 2024-03-26 | 2024-05-28 | 吉林大学 | 一种用于辅助跳跃机器人维持运动稳定性的机械尾装置 |
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Legal Events
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20160217 Effective date of abandoning: 20170908 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |