CN217902614U - 一种环形倒立摆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种环形倒立摆，包括控制机构、支撑机构、摆臂和摆杆，所述支撑机构上设有驱动机构和驱动轴，所述驱动机构与所述控制机构相连，所述驱动轴与所述支撑机构可旋转限位连接，所述驱动轴的一端与所述驱动机构的输出端连接，所述驱动轴的另一端与所述摆臂连接，所述摆臂的另一端与所述摆杆连接；所述驱动机构用于驱动所述摆臂以所述驱动轴为轴心旋转运动，进而带动所述摆杆上下摆动。本申请将主体机构集成安装到支撑机构上，缩小了倒立摆的整体体积，通过驱动机构能够驱动摆臂以驱动轴为轴心自由旋转，进而带动摆杆摆动，没有行程限制，能够提升倒立摆的实验效果。

Description

一种环形倒立摆

技术领域

本实用新型属于倒立摆技术领域，更具体地，涉及一种环形倒立摆。

背景技术

自动控制专业常用的非线性系统控制实验一般采用倒立摆来做学生实验教学设备，倒立摆控制系统是一个非线性、自然不稳定系统，是进行控制理论教学及开展各种自动控制实验的理想实验平台。许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆控制系统直观的表现出来。除教学用途外，倒立摆控制系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性使得许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象，他们不断从研究倒立摆中发掘出新的控制方法，并将其应用于航天科技和机器人学等各种高新科技领域。

目前，常见的倒立摆几乎都是直线型设置，例如：CN216211875U公开了一种直线电机一级倒立摆，包括导杆、滑块单元、伺服电机、基座、传动单元、控制系统；CN206628195U公开了一种教学用倒立摆，包括底座、小车和摆杆。上述这些现有的倒立摆都是采用直线运动进而带动摆杆摆动，所以该类倒立摆整体体积偏大，需要比较大的实验台面才能进行教学，导致实验场所受限；另一方面，现有的形倒立摆直线运动行程毕竟有限，致使倒立摆实验效果不佳。

实用新型内容

为解决现有技术中的问题，本实用新型提供一种环形倒立摆，包括控制机构、支撑机构、摆臂和摆杆，所述支撑机构上设有驱动机构和驱动轴，所述驱动机构与所述控制机构相连，所述驱动轴与所述支撑机构可旋转限位连接，所述驱动轴的一端与所述驱动机构的输出端连接，所述驱动轴的另一端与所述摆臂连接，所述摆臂的另一端与所述摆杆连接；所述驱动机构用于驱动所述摆臂以所述驱动轴为轴心旋转运动，进而带动所述摆杆上下摆动。

本实用新型作进一步改进，所述摆臂远离所述驱动轴的一端设有连接座，所述连接座上设有角度编码器和转动轴，所述角度编码器与所述控制机构相连，所述转动轴与所述连接座可旋转限位连接，所述转动轴的一端与所述摆杆连接，所述转动轴的另一端与所述角度编码器连接。

本实用新型作进一步改进，所述驱动轴上套设有滑环，所述滑环分别与所述角度编码器和控制机构相连。

本实用新型作进一步改进，所述驱动机构包括伺服电机和联轴器，所述伺服电机与所述控制机构相连，所述伺服电机与所述支撑机构连接，所述伺服电机的输出端与所述联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端与所述驱动轴远离所述摆臂的一端连接。

本实用新型作进一步改进，所述支撑机构包括立柱和底座，所述立柱的一端与所述底座固定连接，所述驱动机构设置在所述立柱内，所述驱动轴通过轴承与所述立柱的上端面可旋转连接。

本实用新型作进一步改进，所述立柱的侧壁上设有过线孔，所述过线孔用于穿设线缆。

本实用新型作进一步改进，所述底座的下端面上设有支撑脚垫，所述支撑脚垫呈矩形分布在所述底座的下端面上。

本实用新型作进一步改进，所述摆杆上设有配重块，所述配重块套呈圆柱形状，所述配重块套设在所述摆杆外侧壁上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本申请通过将驱动机构、驱动轴、摆臂和摆杆全部集成安装到支撑机构上，缩小了倒立摆的整体体积，使得该倒立摆整体结构更加紧凑，无需占用多大空间即可完成教学实验，提升了用户使用体验；另外，通过驱动机构能够驱动摆臂以驱动轴为轴心360°自由旋转，进而带动摆杆摆动，没有行程限制，能够提升倒立摆的实验效果，便于学生理解。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例整体结构示意图；

图2是本申请实施例正视结构示意图；

图3是图2中A-A剖面结构示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-3所示，一种环形倒立摆，包括控制机构、支撑机构、摆臂1和摆杆2，支撑机构上设有驱动机构和驱动轴3，驱动机构与控制机构相连，驱动轴3与支撑机构可旋转限位连接，驱动轴3的一端与驱动机构的输出端连接，驱动轴3的另一端与摆臂1连接，摆臂1的另一端与摆杆2连接；具体工作时，通过控制机构控制驱动机构工作，驱动机构驱动驱动轴3旋转，驱动轴3带动摆臂1以驱动轴3为轴心旋转，摆臂1将驱动力传导给摆杆2，进而驱动摆杆2上下摆动，通过控制驱动机构的驱动力，进而控制驱动轴3的旋转速度和加速度，使得摆杆2能够直立起来，达到倒立摆的实验要求。

该环形倒立摆通过将驱动机构、驱动轴3、摆臂1和摆杆2全部集成安装到支撑机构上，使得该倒立摆整体结构更加紧凑，缩小了倒立摆的整体体积，无需占用多大空间即可完成教学实验，提升了用户使用体验；另外，通过驱动机构能够驱动摆臂1以驱动轴3为轴心360°自由旋转，进而带动摆杆2摆动，没有行程限制，能够提升倒立摆的实验效果，便于学生理解。

支撑机构包括立柱4和底座5，立柱4固定安装在底座5上，驱动机构安装在立柱4内，驱动轴3通过轴承6与立柱4的上端面可旋转连接。通过设置立柱4和底座5确保了该环形倒立摆结构的稳定性，同时也便于移动和搬运该环形倒立摆。

底座5的下端面上设有四个支撑脚垫7，支撑脚垫7与底座5固定连接，且四个支撑脚垫7呈矩形分布在底座5的下端面上。通过设置支撑脚垫7便于将该环形倒立摆放置到实验平台上，且在工作时，支撑脚垫7具有一定的减震作用，能够提高实验的精准度。

驱动机构包括伺服电机8和联轴器9，伺服电机8与控制机构电性连接，从而确保控制机构能够控制伺服电机8工作，包括控制伺服电机8的转速、加速度等；伺服电机8固定安装在立柱4内，伺服电机8的转轴与联轴器9的一端固定连接，联轴器9的另一端与驱动轴3远离摆臂1的一端固定连接。工作时，通过控制机构控制伺服电机8工作，伺服电机8带动联轴器9旋转，联轴器9带动驱动轴3旋转，驱动轴3带动摆臂1以驱动轴3为轴心旋转，进而带动摆杆2上下摆动。

摆臂1远离驱动轴3的一端固定安装有连接座10，连接座10固定安装有角度编码器11，角度编码器11与控制器相连，用于检测摆杆2的摆动角度；连接座10上设有转动轴12，转动轴12与连接座10可旋转限位连接，转动轴12的一端与角度编码器11连接，另一端与摆杆2固定连接。工作时，摆臂1随驱动轴3旋转的过程中，在离心力的作用下，会带动摆杆2摆动；摆杆2在摆动的过程中会带动转动轴12在连接座10内旋转，角度编码器11通过检测转动轴12转动的角度进而判断摆杆2的摆动角度；角度编码器11将摆杆2摆动的角度信息反馈给控制机构，控制机构再控制改变伺服电机8的转速和加速度，进而改变驱动力，最终使摆杆2能够倒立起来，完成倒立摆的所需要的实验效果。

摆杆2上设有配重块13，配重块13套呈圆柱形状，配重块13套设在摆杆2外侧壁上；配重块13能够在摆杆2上滑动调节，以满足不同的实验要求，与此同时，配重块13也能够从摆杆2上拆卸掉。设置配重块13用于改变摆杆2的质量，进而满足不同实验的要求，提高该环形倒立摆的适用范围。

本实施例中，控制机构为外接的电脑，在其它实施例中，控制机构也是集成安装在支撑机构上的控制器。

为了防止摆臂1在转动的过程中，对角度编码器11的电源线、信号线等造成缠绕，在立柱4内固定安装有滑环14，滑环14套设在驱动轴3的外侧，滑环14分别与角度编码器11和控制机构相连。角度编码器11的电源线、信号线等所有线缆通过摆臂1、驱动轴3穿设到滑环14内，再通过滑环14穿设到立柱4外，避免线缆缠绕的情况发生。

为了便于伺服电机8和角度编码器11的线缆能够与外接的电脑相连，在立柱4的侧壁上开设有过线孔41；角度编码器11的所有线缆通过滑环14穿出，与伺服电机8的线缆一起通过过线孔41穿出立柱4，再与外接的电脑相连。

工作原理：

首先通过支撑脚垫7将该环形倒立摆平稳放置到实验台面上，根据实际实验需要调整配重块13在摆杆2的位置或拆除配重块13；实验开始时，通过控制机构控制伺服电机8工作，伺服电机8驱动联轴器9转动，联轴器9带动驱动轴3转动，驱动轴3带动摆臂1以驱动轴3为轴心旋转；摆臂1随驱动轴3旋转的过程中，在离心力的作用下，带动摆杆2上下摆动；摆杆2带动转动轴12在连接座10内旋转，角度编码器11通过检测转动轴12转动的角度进而判断摆杆2的摆动角度；角度编码器11将摆杆2摆动的角度信息反馈给控制机构，控制机构再控制改变伺服电机8的转速和加速度进而改变驱动力，最终使摆杆2能够倒立起来，完成倒立摆的所需要的实验效果。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以有许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的在于对本申请公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种环形倒立摆，其特征在于：包括控制机构、支撑机构、摆臂和摆杆，所述支撑机构上设有驱动机构和驱动轴，所述驱动机构与所述控制机构相连，所述驱动轴与所述支撑机构可旋转限位连接，所述驱动轴的一端与所述驱动机构的输出端连接，所述驱动轴的另一端与所述摆臂连接，所述摆臂的另一端与所述摆杆连接；

所述驱动机构用于驱动所述摆臂以所述驱动轴为轴心旋转运动，进而带动所述摆杆上下摆动。

2.根据权利要求1所述的环形倒立摆，其特征在于：所述摆臂远离所述驱动轴的一端设有连接座，所述连接座上设有角度编码器和转动轴，所述角度编码器与所述控制机构相连，所述转动轴与所述连接座可旋转限位连接，所述转动轴的一端与所述摆杆连接，所述转动轴的另一端与所述角度编码器连接。

3.根据权利要求2所述的环形倒立摆，其特征在于：所述驱动轴上套设有滑环，所述滑环分别与所述角度编码器和控制机构相连。

4.根据权利要求2所述的环形倒立摆，其特征在于：所述驱动机构包括伺服电机和联轴器，所述伺服电机与所述控制机构相连，所述伺服电机与所述支撑机构连接，所述伺服电机的输出端与所述联轴器的一端连接，所述联轴器的另一端与所述驱动轴远离所述摆臂的一端连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的环形倒立摆，其特征在于：所述支撑机构包括立柱和底座，所述立柱的一端与所述底座固定连接，所述驱动机构设置在所述立柱内，所述驱动轴通过轴承与所述立柱的上端面可旋转连接。

6.根据权利要求5所述的环形倒立摆，其特征在于：所述立柱的侧壁上设有过线孔，所述过线孔用于穿设线缆。

7.根据权利要求5所述的环形倒立摆，其特征在于：所述底座的下端面上设有支撑脚垫，所述支撑脚垫呈矩形分布在所述底座的下端面上。

8.根据权利要求5所述的环形倒立摆，其特征在于：所述摆杆上设有配重块，所述配重块呈圆柱形状，所述配重块套设在所述摆杆外侧壁上。

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