CN208224846U - 一种平面运动倒立摆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成。所述平面运动单元放置在方型支架的上方，摆杆部分通过连接件和平面运动单元固定；所述平面运动单元放置在方型支架上方，摆杆部分通过连接件和平面运动单元固定。所述平面运动单元包括第一直线电机、底座、第二直线电机以及一个法兰；所述第一直线电机、第二直线电机空间上十字交叉叠放，第一直线电机提供X轴方向运动，第二直线电机提供Y轴方向运动，合成运动可以沿着平面任意方向运动。所述平面运动倒立摆系统采用直线电机直接驱动摆杆部分，省去中间传动机构干扰，使得控制更加精确，在军工、航天以及科研教学有着广泛地用途。

Description

一种平面运动倒立摆

技术领域

本实用新型属于自动控制技术的科研与教学实验装置领域，具体来说涉及一种平面运动倒立摆。

背景技术

由于倒立摆系统是一个典型的快速、多变量、非线性、强耦合、自然不稳定系统，而且在它的控制过程中，能有效反映诸如镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多关键问题，因此是进行控制理论教学及开展各种控制策略的理想实验平台，人们常常利用倒立摆检验各种控制算法的不稳定性、非线性和快速系统的控制能力以及各种控制算法的有效性。对倒立摆系统进行研究，不仅具有理论意义，其类似的控制方法在半导体及精密仪器加工、机器人控制技术、人工智能、导弹拦截系统、航空对接控制技术、火箭发射中的垂直度控制、卫星飞行器中的姿态控制和一般工业应用等方面都具有广阔的利用开发前景。传统的倒立摆通常为直线倒立摆系统、环形倒立摆系统，它们都是通过在线性轨迹上运动而达到平衡，不能在平面内完成任意方向的运动。

实用新型内容

本实用新型针对传统倒立摆的不足，提出了一种平面运动倒立摆，由方型支架、平面运动单元和摆杆部分组成，第一直线电机、第二直线电机空间上十字交叉叠放，第一直线电机提供X轴方向运动，第二直线电机提供Y轴方向运动，合成运动可以沿着平面任意方向运动,而且采用直线电机直接驱动小车，省去了中间的传动机构及干扰，使得控制更加精确可靠。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种平面运动倒立摆，包括方型支架1、平面运动单元2、摆杆部分3；所述平面运动单元2放置在方型支架1的上方，摆杆部分3通过连接件和平面运动单元2固定；

所述平面运动单元2包括第一直线电机20、底座21、第二直线电机20’以及一个法兰5；所述第一直线电机20包括相互配合的第一小车202和第一导轨203，所述第一导轨203固定安装在所述底座21上；所述第二直线电机20’包括相互配合的第二小车202’和第二导轨203’，所述第二导轨203’固定安装在所述方型支架1上；

所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’空间上十字交叉叠放，所述底座21固定安装在所述第二小车202’的顶部；所述法兰5固定安装在第一小车202的顶部，所述摆杆部分3与所述法兰5连接；

所述第一直线电机20提供X轴方向运动，所述第二直线电机20’提供Y轴方向运动，所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；

所述第一小车202上设有第一线性编码器205，所述第一导轨203上设有与所述第一线性编码器205相对应的第一磁栅206；所述第二小车202’上设有第二线性编码器205’，所述第二导轨203’上设有与所述第二线性编码器205’相对应的第二磁栅206’；

所述摆杆部分3内设有姿态传感器；

所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’结构相同；

所述第一导轨203的截面呈U形槽状，且所述第一导轨203的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第一小车202呈倒U形块状，所述第一小车202跨设在所述第一导轨203上；所述第一直线电机20进一步包括第一直线电机定子200以及第一直线电机动子201；所述第一直线电机定子200均匀分布在第一导轨203的槽口内上下两侧的水平内壁上；第一直线电机动子201一端固定于所述第一小车202的一侧直立内壁上；第一直线电机动子201的另一端配合位于第一导轨203的槽口内，且与第一直线电机定子200相对应；所述第一线性编码器205设置在所述第一小车202远离所述第一导轨203槽口的一侧直立内壁上，所述第一磁栅206设置在所述第一导轨203远离槽口的直立外壁上；

所述第二导轨203’的截面呈U形槽状，且所述第二导轨203’的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第二小车202’呈倒U形块状，所述第二小车202’跨设在所述第二导轨203’上；所述第二直线电机20’进一步包括第二直线电机定子200’以及第二直线电机动子201’；所述第二直线电机定子200’均匀分布在第二导轨203’的槽口内上下两侧的水平内壁上；第二直线电机动子201’一端固定于所述第二小车202’的一侧直立内壁上；第二直线电机动子201’的另一端配合位于第二导轨203’的槽口内，且与第二直线电机定子200’相对应；

所述第二线性编码器205’设置在所述第二小车202’远离所述第二导轨203’槽口的一侧直立内壁上，所述第二磁栅206’设置在所述第二导轨203’远离槽口的直立外壁上；

所述第一导轨203的顶部设置有小导轨204，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020，所述固定板2020的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；

所述第二导轨203’的顶部设置有第二导轨204’，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020’，所述固定板2020’的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动。

所述方型支架1由一对工型导轨11、一对L型支撑座10以及一对U型底座12组成，所述工型导轨11、L型支撑座10以及U型底座12都是呈平行放置，所述工型导轨11与L 型支撑座10垂直放置，U型底座12和工型导轨11相配合。

所述摆杆部分3包括摆杆31、球铰链座30、姿态传感器支架32，所述摆杆31底端设置有球体，可嵌入球铰链座30并且旋转运动；所述姿态传感器支架32用于安装姿态传感器，球铰链支架30通过法兰5与上方直线电机20底座相连接。

所述第一直线电机20和第二直线电机20’均为无铁心永磁同步直线电机。

所述L型支撑座10和底座21上均设置有防撞块4，防撞块4的材料为橡胶。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

现有的实验平台验证的控制算法并不能直接应用于摆杆轨迹是平面的情况下，为解决这个问题，本专利提出了一种平面运动倒立摆。本专利的特点是利用两个直线电机同时作用给摆杆X轴方向运动和Y轴方向运动，再根据平行四边形法则合成运动可以使倒立摆沿着平面做任意方向的运动。而且直线电机具有高速度、高精度、高加速度的优点，结构简单合理，控制效果好。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型直线电机示意图。

图3为本实用新型直线电机剖视图。

图中序号：

方型支架1、L型支撑座10、工型导轨11、U型底座12、平面运动单元2、第一直线电机20、底座21、第一直线电机定子200、第一直线电机动子201、第一小车202、第一导轨203、第一小导轨204、第一线性编码器205、第一磁栅206、固定板2020、第二直线电机20’、第二直线电机定子200’、第二直线电机动子201’、第二小车202’、第二导轨203’、第二小导轨204’、第二线性编码器205’、第二磁栅206’、支板2021、卡座2022、摆杆部分3、球铰链座30、摆杆31、传感器支架32、防撞块4、法兰5。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1、图2和图3，一种平面运动倒立摆，包括平面运动单元2、方型支架1、摆杆部分3。所述平面运动单元2放置在方型支架1的上方，摆杆部分3通过连接件和平面运动单元2固定。平面运动单元2包括第一直线电机20、底座21、第二直线电机20’以及一个法兰5，所述第一直线电机20包括相互配合的第一小车202和第一导轨203，所述第一导轨203固定安装在所述底座21上；所述第二直线电机20’包括相互配合的第二小车202’和第二导轨203’，所述第二导轨203’固定安装在所述方型支架1上；

所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’空间上十字交叉叠放，所述底座21固定安装在所述第二小车202’的顶部；所述法兰5固定安装在第一小车202的顶部，所述摆杆部分3与所述法兰5连接；

所述第一导轨203的顶部设置有小导轨204，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020，所述固定板2020的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；

所述第二导轨203’的顶部设置有第二导轨204’，小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板2020’，所述固定板2020’的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；

所述摆杆部分3包括摆杆31、球铰链座30、姿态传感器支架32，所述摆杆31底端设置有球体，可嵌入球铰链座30并且旋转运动；

所述第一直线电机20提供X轴方向运动，所述第二直线电机20’提供Y轴方向运动，所述第一直线电机20和所述第二直线电机20’的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动，故而倒立摆可以实现平面内任何角度地倾倒。

Claims (6)

1.一种平面运动倒立摆，包括方型支架（1）、平面运动单元（2）、摆杆部分（3）；所述平面运动单元（2）放置在方型支架（1）的上方，摆杆部分（3）通过连接件和平面运动单元（2）固定；其特征在于：

所述平面运动单元（2）包括第一直线电机（20）、底座（21）、第二直线电机（20’）以及一个法兰（5）；

所述第一直线电机（20）包括相互配合的第一小车（202）和第一导轨（203），所述第一导轨（203）固定安装在所述底座（21）上；所述第二直线电机（20’）包括相互配合的第二小车（202’）和第二导轨（203’），所述第二导轨（203’）固定安装在所述方型支架（1）上；

所述第一直线电机（20）和所述第二直线电机（20’）空间上十字交叉叠放，所述底座（21）固定安装在所述第二小车（202’）的顶部；所述法兰（5）固定安装在第一小车（202）的顶部，所述摆杆部分（3）与所述法兰（5）连接；

所述第一直线电机（20）提供X轴方向运动，所述第二直线电机（20’）提供Y轴方向运动，所述第一直线电机（20）和所述第二直线电机（20’）的合成运动提供水平面内任意方向的直线运动；

所述第一小车（202）上设有第一线性编码器（205），所述第一导轨（203）上设有与所述第一线性编码器（205）相对应的第一磁栅（206）；所述第二小车（202’）上设有第二线性编码器（205’），所述第二导轨（203’）上设有与所述第二线性编码器（205’）相对应的第二磁栅（206’）；

所述摆杆部分（3）内设有姿态传感器。

2.根据权利要求1所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：

所述第一直线电机（20）和所述第二直线电机（20’）结构相同；

所述第一导轨（203）的截面呈U形槽状，且所述第一导轨（203）的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第一小车（202）呈倒U形块状，所述第一小车（202）跨设在所述第一导轨（203）上；所述第一直线电机（20）进一步包括第一直线电机定子（200）以及第一直线电机动子（201）；所述第一直线电机定子（200）均匀分布在第一导轨（203）的槽口内上下两侧的水平内壁上；第一直线电机动子（201）一端固定于所述第一小车（202）的一侧直立内壁上；第一直线电机动子（201）的另一端配合位于第一导轨（203）的槽口内，且与第一直线电机定子（200）相对应；

所述第一线性编码器（205）设置在所述第一小车（202）远离所述第一导轨（203）槽口的一侧直立内壁上，所述第一磁栅（206）设置在所述第一导轨（203）远离槽口的直立外壁上；

所述第二导轨（203’）的截面呈U形槽状，且所述第二导轨（203’）的槽口位于竖直方向上的一侧面；所述第二小车（202’）呈倒U形块状，所述第二小车（202’）跨设在所述第二导轨（203’）上；所述第二直线电机（20’）进一步包括第二直线电机定子（200’）以及第二直线电机动子（201’）；所述第二直线电机定子（200’）均匀分布在第二导轨（203’）的槽口内上下两侧的水平内壁上；第二直线电机动子（201’）一端固定于所述第二小车（202’）的一侧直立内壁上；第二直线电机动子（201’）的另一端配合位于第二导轨（203’）的槽口内，且与第二直线电机定子（200’）相对应；

所述第二线性编码器（205’）设置在所述第二小车（202’）远离所述第二导轨（203’）槽口的一侧直立内壁上，所述第二磁栅（206’）设置在所述第二导轨（203’）远离槽口的直立外壁上；

所述第一导轨（203）的顶部设置有第一小导轨（204），小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板(2020)，所述固定板（2020）的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动；

所述第二导轨（203’）的顶部设置有第二小导轨（204’），小导轨长度方向的两侧设置有浅槽，与小导轨对应的小车的内侧顶部设置有槽钢状的固定板(2020)，所述固定板（2020）的槽口内两侧面上设置有凸条和小导轨上浅槽向配合，保证小车沿导轨直线移动。

3.根据权利要求1或2所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：所述方型支架（1）由一对工型导轨（11）、一对L型支撑座（10）以及一对U型底座（12）组成，所述工型导轨（11）、L型支撑座（10）以及U型底座（12）都是呈平行放置，所述工型导轨（11）与L型支撑座（10）垂直放置，U型底座（12）和工型导轨（11）相配合。

4.根据权利要求1或2所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：所述摆杆部分（3）包括摆杆（31）、球铰链座（30）、姿态传感器支架（32），所述摆杆（31）底端设置有球体，可嵌入球铰链座（30）并且旋转运动；所述姿态传感器支架（32）用于安装姿态传感器，球铰链支架（30）通过法兰（5）与第一直线电机（20）底座相连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：所述第一直线电机（20）和第二直线电机（20’）均为无铁心永磁同步直线电机。

6.根据权利要求3所述的一种平面运动倒立摆，其特征在于：所述L型支撑座（10）和底座（21）上均设置有防撞块（4），防撞块（4）的材料为橡胶。