礎(chǔ)上，對(duì)系數(shù)進(jìn) 行微調(diào)，使得到的合力矩盡量平滑。下面是每組陀螺儀C含有4個(gè)單陀螺儀D時(shí)，給出的一 組經(jīng)驗(yàn)比值：
[0121] oyl 〇zl：C〇y2〇z2：oy3?z3:coy4c〇z4=l：-0. 265:0. 09：-〇. 021
[0122] 得到的有效進(jìn)動(dòng)力矩變化規(guī)律如圖10實(shí)線所示。由曲線可以看出，得到的有效進(jìn) 動(dòng)力矩在-60度到+60度的角度范圍內(nèi)基本保持恒定，而如圖9所示雙陀螺儀穩(wěn)定裝置有 效進(jìn)動(dòng)力矩與進(jìn)動(dòng)角度之間的關(guān)系，在-60度或+60度時(shí)，有效進(jìn)動(dòng)力矩已經(jīng)衰減到了原來 的一半。因此，本發(fā)明的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的陀螺穩(wěn)定裝置作用角度拓展與進(jìn)動(dòng)力矩平 滑裝置可以大大拓寬原陀螺穩(wěn)定裝置的工作角度帶寬，使得陀螺穩(wěn)定裝置能在更大的角度 范圍內(nèi)工作。同時(shí)，在該角度范圍內(nèi)，有效進(jìn)動(dòng)力矩基本保持不變，這又大大降低了實(shí)際應(yīng) 用中，對(duì)進(jìn)動(dòng)電機(jī)3的性能要求，使得控制更加容易。
[0123]圖12是本發(fā)明安裝在獨(dú)輪機(jī)器人上的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明具有較大的工作角度 工作帶寬和平滑的力矩，能夠有效地實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)平衡。本發(fā)明裝置也可應(yīng)用在小 型飛行器以及衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整等方面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于：所述巧螺穩(wěn)定裝置包括下連接 件（A)、上連接件炬）和結(jié)構(gòu)相同的兩組巧螺儀（C);兩組巧螺儀（C)對(duì)稱布置且二者通過 下連接件（A)、上連接件炬）連接在一起； 每組巧螺儀（C)包括下支撐板（1)、上支撐板（2)、進(jìn)動(dòng)電機(jī)（3)和安裝于下支撐板（1) 和上支撐板（2)之間的多個(gè)單巧螺儀值）；每個(gè)單巧螺儀值）沿垂直于下支撐板（1)、上支 撐板（2)的單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)單巧螺儀值）的轉(zhuǎn)子（18)沿垂直于單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸 的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)； 在多個(gè)單巧螺儀值）中，W其中的一個(gè)單巧螺儀值）的單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸為中軸，進(jìn)動(dòng)電 機(jī)（3)通過第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)所述其中的一個(gè)單巧螺儀值）沿單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；其余 的單巧螺儀值）W所述中軸為基準(zhǔn)周向均布設(shè)置，并均與所述其中的一個(gè)單巧螺儀值）通 過第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，在所述其中的一個(gè)單巧螺儀值）的帶動(dòng)下，其余的單巧螺儀值）均W 各自的單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)； 兩組巧螺儀（C)中的兩個(gè)進(jìn)動(dòng)電機(jī)（3)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)刻保持大小相等，方向相反； 兩個(gè)下支撐板（1)通過下連接件（A)連接，兩個(gè)上支撐板（2)通過上連接件炬）連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于；每個(gè)單 巧螺儀值）包括支撐架（12)、下支撐軸（13)、上支撐軸（14)、通過螺釘（16)固裝在支撐架 (。）上的自轉(zhuǎn)電機(jī)（15)、聯(lián)軸器（17)、轉(zhuǎn)子（18)、轉(zhuǎn)子軸承（19)和兩個(gè)支撐軸軸承（20); 轉(zhuǎn)子（18)通過轉(zhuǎn)子軸承（19)安裝在支撐架（12)上，自轉(zhuǎn)電機(jī)（15)和轉(zhuǎn)子（18)位于支撐 架（12)內(nèi)，自轉(zhuǎn)電機(jī)（15)的輸出軸通過聯(lián)軸器（17)與轉(zhuǎn)子（18)的轉(zhuǎn)軸相連，位于支撐架 (12)下方且與其連接的下支撐軸（13)通過一個(gè)支撐軸軸承（20)安裝在下支撐板（1)上， 位于支撐架（12)上方且與其連接的上支撐軸（14)通過另一個(gè)支撐軸軸承（20)安裝在上 支撐板（2)上；下支撐軸（13)和上支撐軸（14)同軸設(shè)置作為單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于；所述第 一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為一對(duì)錐齒輪巧）；所述第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括N對(duì)同步帶輪化，7,8)W及N條同 步帶巧，10,11)，N的取值與周向均布設(shè)置的單巧螺儀值）的數(shù)量相同，每對(duì)同步帶輪的主 動(dòng)帶輪均安裝在處于中軸位置的單巧螺儀值）的單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸上，每對(duì)同步帶輪的從動(dòng) 帶輪一一對(duì)應(yīng)安裝在周向均布設(shè)置的單巧螺儀值）的單巧螺儀旋轉(zhuǎn)軸上，每對(duì)同步帶輪通 過一條同步帶實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于： 每組巧螺儀（C)中含有四個(gè)單巧螺儀值)，四個(gè)單巧螺儀值）的分布為；一個(gè)單巧螺儀值） 處于圓屯、處，其余S個(gè)單巧螺儀值）沿圓周均勻分布。5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于： 每組巧螺儀（C)中含有走個(gè)單巧螺儀值)，走個(gè)單巧螺儀值）的分布為；一個(gè)單巧螺儀值） 處于圓屯、處，其余六個(gè)單巧螺儀值）沿圓周均勻分布。6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于： 所述上連接件炬）為長(zhǎng)方形板，上連接件炬）通過螺釘連接兩個(gè)上支撐板（2);所述下連接 件（A)為方形框架，其上邊框通過螺釘連接兩個(gè)下支撐板（1)，其下邊框具有若干螺紋孔， 用于與被控部件連接。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于；所述下 支撐板（1)具有一長(zhǎng)方形凹槽，電機(jī)座（4)可在該槽內(nèi)左右游動(dòng)。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于；=對(duì)同 步帶輪化，7，8)，其傳動(dòng)比分別為3:1、5:1和7:1。9. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置，其特征在于： 每組巧螺儀（C)中的多個(gè)單巧螺儀值）的傳動(dòng)比分別為：中間單巧螺儀與周圍第n個(gè)巧螺 儀的傳動(dòng)比為（2n+l) :1。10. -種基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的巧螺穩(wěn)定裝置的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于：所述方法的 過程如下： 步驟一、單巧螺轉(zhuǎn)子D進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的有效進(jìn)動(dòng)力矩為： Tg〇〇d=Acos9=2IzWy?zC〇s(?yt) 一組巧螺轉(zhuǎn)子（C)產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力矩為： T二AiCOS目i+A^COS目2+A3COS目3+A4COS目4+... 式中，A表示幅值，L表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，《y表示進(jìn)動(dòng)角速度，表示自轉(zhuǎn)角速度，各參數(shù) 的下角標(biāo)1，2, 3…表示一組巧螺儀（C)中含有第1個(gè)單巧螺儀值)、第2個(gè)單巧螺儀值)…， 步驟二、調(diào)節(jié)每個(gè)余弦函數(shù)的進(jìn)動(dòng)角速度和幅值A(chǔ)，得到一個(gè)在（-31/2, 31/2)區(qū)間 的方波函數(shù)；進(jìn)動(dòng)角速度和幅值A(chǔ)的調(diào)節(jié)方式如下： (1) 、進(jìn)動(dòng)角速度的調(diào)節(jié)： 調(diào)節(jié)每個(gè)巧螺轉(zhuǎn)子D進(jìn)動(dòng)角速度滿足下述比值關(guān)系： 白1:日2:日3:日4...= ?口：^的…二 1:3:5:7". 上述比值關(guān)系通過傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)； (2) 、幅值A(chǔ)的調(diào)節(jié)： 幅值A(chǔ)= 基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量L不方便調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)各個(gè)轉(zhuǎn)子（18)的《 比值 為：實(shí)現(xiàn)幅值A(chǔ)的調(diào)節(jié)； 由《朱1:?巧：《":?的...=1:3:5:7...，得各個(gè)轉(zhuǎn)子（18)的自轉(zhuǎn)角速度《,應(yīng)該滿足：其中，式中的負(fù)號(hào)代表轉(zhuǎn)子（18)的自轉(zhuǎn)角速度《，方向相反； 步驟=、每一項(xiàng)傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)每組巧螺儀（C)中的一個(gè)單巧螺儀值)，對(duì)傅里葉系數(shù) 加W修正使得到的合力矩平滑。
【專利摘要】基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的陀螺穩(wěn)定裝置及其實(shí)現(xiàn)方法，它涉及機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，以解決雙陀螺穩(wěn)定裝置在維持獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定時(shí)，存在陀螺進(jìn)動(dòng)力矩作用角度范圍窄，以及進(jìn)動(dòng)力矩與進(jìn)動(dòng)角度之間非線性關(guān)系導(dǎo)致控制困難的問題。陀螺穩(wěn)定裝置包括下連接件、上連接件和兩組陀螺儀，其中，每組陀螺儀由若干個(gè)單陀螺儀組成；每個(gè)陀螺儀的自轉(zhuǎn)由各自單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一組陀螺儀中，位于中間位置的陀螺儀的進(jìn)動(dòng)由一個(gè)進(jìn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，周圍分布的陀螺儀的進(jìn)動(dòng)由幾組傳動(dòng)比固定的同步帶輪傳動(dòng)。本發(fā)明用于獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定，小型飛行器、衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整。
【IPC分類】G05D1/08
【公開號(hào)】CN104932511
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510305743
【發(fā)明人】趙杰, 金弘哲, 于法傳, 朱延河
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月5日