仿人控制三级倒立摆系统试验平台技术方案

一种仿人控制三级倒立摆系统试验平台，由机械装置和控制器两部分组成。机械装置包括小车、下倒摆、中倒摆、上倒摆、导轨、左、右支架组件和工作台；其中导轨的两端分别与左、右支架组件上的支架相固连，而左、右支架组件分别固定在工作台面两侧。控制器包括信号检测装置、信号处理装置、信号放大装置、控制电机和控制箱；该控制器设有模－数转换开关，信号检测装置、模拟信号处理装置和放大装置均组装成插件的形式，被安装在控制箱内。数字信号处理由计算机实现。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术一种仿人控制三级倒立摆系统试验平台，属于控制
倒立摆的控制方法很多，经典控制理论中的比例-微分(PID)控制，现代控制理论中的状态空间方法控制等，这些都是基于精确的数学模型的控制方法。对于一级和二级倒立摆的控制是有效的，并有成功的实例，此外，基于非精确数学模型的模糊逻辑控制、人工神经网络控制、智能控制等，也能将一级、二级倒立摆稳定住。但是对单电机控制的三级倒立摆问题，却难以解决。本技术的目的是提供仿人控制倒立摆系统试验平台(模仿杂技表演顶杆技艺机理)，用单电机分别将一级、二级和三级倒立摆稳定地控制住，并有良好的稳定鲁棒性(Robustness)和品质鲁棒性，能为各种控制理论和方法的物理验证提供一种良好的检验手段，或提供一种现实的高科技的试验平台。本技术一种仿人控制三级倒立摆系统试验平台，主要由机械装置(被控对象)和控制器两大部分组成；一．机械装置(被控对象)的组成是由于机械装置与被控对象紧密地联系在一起，因此通常将机械装置也称为被控对象；其倒立摆系统的机械装置由真正的被控对象(小车3、下倒摆4、中倒摆5和上倒摆7)、导轨13、左支架组件1，右支架组件16和工作台17(桌子)等几个主要部件组成；其中，连接关系是导轨13的左右两端分别与左支架组件1上的支架20和右支架组件16上的支架20，通过内六角螺钉18相固连，而左支架组件1和右支架组件16则通过螺栓19分别固定在工作台17的台面两侧上；其中<1>、左支架组件1，由支承导轨13的支架20、一对轴承座组件25，皮带轮组件22和电位器支架26等主要部件组成；它们都被安装在左安装底板21上，其中支架20对导轨13的左端起支承作用，而左安装底板21则通过四个螺栓19固定在工作台17的左侧；其中电位器支架26对测量小车位移电位器2起支承作用，电位器2通过档圈38和三个螺钉固定在电位器支架26上；其中皮带轮组件22，由皮带轮15、心轴23和轴套24相互联结组成；它们被安装在一对轴承座组件25上，轴承座组件25对它们起支承作用；其中皮带轮的心轴23即其旋转轴的两端被支承在轴承座组件25上，电位器2被支承在电位器支架26上，电位器2的旋转轴与心轴23在同一轴线方向，将电位器2的旋转轴通过轴套24与心轴23连成一体并用螺钉固紧，使电位器2的旋转轴与皮带轮15保持同轴转动；由于左端皮带轮15通过传动皮带14与小车3相连接的，因此，当小车3在导轨13上移动时，通过传动皮带14带动皮带轮15转动，同时也带动电位器2的旋转轴转动，此时电位器2旋转轴转过角度的大小与小车3在导轨13上的位移成正比，所以，电位器的输出便检测出小车3在导轨13上移动信号的大小；<2>、右支架组件16，由支承导轨13的支架20、电机轴支座组件29、皮带轮组件22和电机座30等主要部件组成，且都被安装在电机安装底板27上，而电机安装底板27，则通过四个螺栓19固定在工作台17的右侧；其中支架20对导轨13的右端起支承作用；其中电机连接轴28上有三个互成120°的通孔，通过三个螺钉将电机连接轴28与皮带轮15连成一体，因此，电机连接轴28也是皮带轮的旋转轴，即皮带轮轴，在电机连接轴28的下端沿其轴线方向开设一圆孔，控制电机的旋转轴将插入此孔内，通过销钉将电机旋转轴与电机连接轴28连成一体；据此，电机连接轴28将控制电机与皮带轮15构成同轴转动；其中电机轴支座组件29是为安装电机连接轴28所用，电机连接轴28的上端通过轴承安装在其上，它对电机连接轴28起到支承作用；其中电机座30对控制电机起支承作用，电机座下端设有两个通孔，通过两个螺钉将其固定在电机安装底板27上；其上端也设有两个通孔，当控制电机安放在电机座30上时，电机压板31通过上述二通孔，用两个螺钉将控制电机固紧在电机座30上，如此，控制电机已经被固定且与皮带轮15保持同轴转动，当控制电机轴转动时，便带动右皮带轮15作相应的转动，右端皮带轮15通过其上的传动皮带14带动小车3在导轨13上移动，小车3便通过测量下倒摆角位移电位器12的旋转轴带动下倒摆4作相应的运动；下倒摆4则通过测量中倒摆角位移电位器10的旋转轴带动中倒摆5作相应的运动，中倒摆5又通过测量上倒摆角位移电位器6的旋转轴带动上倒摆7作相应的运动，依此类推，理论上是可以做到四级甚至更多级倒摆的控制。<3>、小车3，是由两块小车侧板32和两块上、下小车垫板34、35组成的；小车3组装成以后，从其外形上看是一个中间为空心的薄壁长方体，导轨13正好从其中心穿过，因而，使小车3正好被支承在导轨13上；小车组件有以下几个主要部分组成，具体组成详述如下两块小车侧板32位于小车3的左右两侧，且分别与导轨13两侧平行，在它的外侧开有四个安装小车轴33的通孔，在它的内侧也有四个小的通孔，分别用于固定上、下小车垫板34、35；小车轴33共有四根，每根轴的两端均安装上轴承，四根轴的两端分别与小车两侧的小车侧板32上的四个孔通过螺母相固连成为一体而构成了小车3的外形，它是一个中间空心的长方体，小车通过滚珠轴承被支承在导轨13上，据此，小车3可以在导轨13上来回地运动，这里的滚珠轴承起支承和减小摩擦的作用；上、下两块小车垫板34、35，它们的两侧均有螺纹孔，通过螺钉将两块小车垫板34、35分别与两块小车侧板32的上、下两边相固连，这样两块小车垫板34、35分别成为小车3的顶部和底部；小压板36上开有四个小通孔，它们都是用于固定传动皮带14之用，传动皮带14的右端向上绕过右支架组件16上的右端皮带轮15以后，用两个螺钉螺母连同小压板36一起被固定在下小车垫板35的右侧；传动皮带14的左端向上绕过左支架组件1上的左端皮带轮15以后，同样用两个螺钉螺母固定在下小车垫板35的左侧；据此，通过传动皮带14将小车3和左右支架组件1、16上的左右端皮带轮连系在一起，因此当控制电机转动时，便带动左右端皮带轮15和传动皮带14使小车3在导轨13上运动(左右端皮带轮形状尺寸是一样的)；支座37通过两个螺钉固定在上小车垫板34上，测量下倒摆4运动角位移的电位器12被安装在其上，然后用电位器压板39通过压紧螺钉40压紧；<4>、一级倒立摆(也称为下倒摆4)的安装联接是该下倒摆4的下端有一个通孔，测量其角位移的电位器12的转轴将穿过它并用螺钉与之相连接，其上端有三个互成120°的螺纹孔，用于固定测量中倒摆5角位移的电位器10之用，将它的上端用尼龙绳9与吊钩8相连，便构成一级倒立摆装置；<5>、二级倒立摆(也称中、下倒摆5、4)的安装联接是该中倒摆5的形状与下倒摆4完全一样，它的下端有一通孔，下倒摆4上端的电位器10的转轴穿过它并用螺钉与之相固连，其上端亦有三个互成120°的螺纹孔，用于固定测量上倒摆7角位移的电位器6之用，将其上端用尼龙绳9与吊钩8相连便构成二级倒立摆装置；<6>三级倒立摆(也称上、中、下倒摆7、5、4)的安装联接是该上倒摆7的形状与下倒摆4基本上一样，所不同的只是其上端没有三个互成120°的电位器的安装孔，其下端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿人控制三级倒立摆系统试验平台，其特征在于：其主要由机械装置和控制器两大部分组成；该机械装置由小车（３）、下倒摆（４）、中倒摆（５）和上倒摆（７）、导轨（１３）、左支架组件（１），右支架组件（１６）和工作台（１７）组成；该导轨（１３ ）的左右两端分别与左支架组件（１）上的支架（２０）和右支架组件（１６）上的支架（２０），通过内六角螺钉（１８）相固连，而左支架组件（１）和右支架组件（１６）则通过螺栓（１９）分别固定在工作台（１７）的台面两侧上；其中：该下倒摆（４）即一 级倒立摆的安装联接是：在下倒摆（４）下端设有一个通孔，测量其角位移的电位器（１２）的旋转轴穿过该通孔并用螺钉连接，其上端有三个互成１２０°的螺纹孔，电位器（１０）可固定其上，将其上端用尼龙绳（９）与吊钩（８）相连；该中、下倒摆（５）、（ ４）组成二级倒立摆的安装联接是：该中倒摆（５）形状与下倒摆（４）完全一样，它的下端设有一通孔，下倒摆（４）上端的电位器（１０）的转轴穿过该通孔并用螺钉相固连，其上端亦有三个互成１２０°的螺纹孔，固定测量上倒摆（７）角位移的电位器（６），将其上端用尼龙绳（９）与吊钩（８）相连；该上、中、下倒摆（７）、（５）、（４）组成三级倒立摆的安装联接是：该上倒摆（７）的形状与下倒摆（４）相同，只是其上没有三个互成１２０°的螺纹孔，其下端有一个通孔，它与中倒摆（５）上端的电位器（６）的转 轴通过螺钉相固连，将其上端用尼龙绳（９）与吊钩（８）相连；该控制器由信号检测装置（４１）、信号处理装置（４２）、信号放大装置（４３）、控制电机和控制箱（４４）五部分组成；该控制器设有“模拟－数字转换控制开关“Ｋ”装置（４５），其中信 号检测装置（４１）、模拟信号处理装置（４２）和信号放大装置（４３）以印刷电路板组装成插件的形式被组装在控制箱（４４）内；该测量小车（３）的位移电位器（２）、测量下倒摆角位移电位器（１２）、测量中倒摆角位移电位器（１０）和测量上倒摆角位移 电位器（６），通过引线和插头Ｐ５与信号检测装置（４１）中的插座Ｐ２相连；该信号检测装置（４１）通过插头Ｐ４与模拟信号处理装置（４２）的插座Ｌ４相连，插头Ｌ４与信号放大装置（４３）相连，信号放大装置（４３）与控制电机的输入端相连；模拟信号 处理装置（４２）中的输出插头Ｌ１与计算机内的数字信号处理装置相连；控制箱（４４）上的控制面板（４７）设置安装有：电源开关（４６...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈程智，
申请(专利权)人：沈程智，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]