專利名稱：行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型關(guān)于一種行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，特別是指一種除可提供單擺進行最大幅度的擺蕩外，更可透過門栓或行星輪固定件的搭配，使其可應(yīng)用于不同實驗的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
倒單擺(inverted pendulum)的控制是一種開路非線性且不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其可模擬如機器人站立與步行的控制、飛彈發(fā)射時的姿勢控制等，因為其控制的難度，故常被用來驗證各種控制理論，如強建控制(robust control)、模糊控制(fuzzy control)等，它也可作為自動控制的教學器材，藉以提高學習者的實驗興趣，故己普遍使用在各大專院校的控制實驗室中。
公知倒單擺實驗臺如圖1所示，其包括有一單擺11，該單擺11尾端樞接在一由馬達驅(qū)動的臺車12上，使該單擺11可相對于臺車12的移動而擺動；該臺車12設(shè)有一編碼器(rotary encoder)13用以量測單擺11擺動角度，產(chǎn)生信號供回授控制，且該臺車12是由伺服馬達驅(qū)動在一軌道14上移動；該單擺11旁側(cè)設(shè)置有一與軌道14平行的固定桿15，該固定桿15于兩端適當處設(shè)有兩定位銷16、17，使單擺11的擺動范圍限制在該兩定位銷16、17之內(nèi)。
前述的單擺11實驗開始前可抵靠在任一定位銷16、17上，實驗開始后，實驗者的目的，即藉由控制該臺車12的來回移動，來保持單擺11垂直，以驗證實驗者的控制理論或數(shù)據(jù)。其方法是控制臺車12的加速度來保持單擺11的平衡，當該單擺11有偏移現(xiàn)象時，其偏移量即藉由該編碼器13傳回，以作為控制器校正該臺車12運動的數(shù)據(jù)。
然而，前述的公知倒單擺實驗臺，因考慮到實驗場地的限制，使臺車12的移動距離受限，間接限制了臺車馬達的加速度，而無法控制大幅度的單擺11運動，故單擺11可實驗的角度亦連帶受到影響，一般約在±30度之間(兩定位銷16、17之內(nèi))，造成實驗及學習上的不便，也降低實驗者的學習興趣，減少了驗證控制理論的功能。
請參閱圖2A為另一種公知的倒單擺實驗臺，其亦包括有一單擺21與一編碼器22。而其最大特征，是包括有一可旋轉(zhuǎn)的實驗桌23，該實驗桌23的軸心以一伺服馬達24控制旋轉(zhuǎn)，該單擺21則樞設(shè)在該實驗桌23的周圍，并使該單擺21的擺動位置朝向或離開實驗桌23的半徑方向。
前述單擺21在實驗開始時，先用手予以扶至與水平面約成45°的位置，當實驗者進行實驗時，即控制該伺服馬達24帶動實驗桌23旋轉(zhuǎn)，藉由離心力甩動單擺21，使該單擺21繼續(xù)保持穩(wěn)定于某一欲控制角度，并利用該編碼器22偵測信號供回授控制。
而前述單擺21因裝置在旋轉(zhuǎn)式實驗桌23上，雖較不致受到實驗室空間的限制，馬達可連續(xù)旋轉(zhuǎn)，但單擺的擺動幅度仍限制在±90度或更小的范圍內(nèi)。
請參閱圖2B為第三種公知的倒單擺實驗臺，其與圖2A實施例的最大差別，是其旋轉(zhuǎn)式實驗桌23必須具有足夠的高度，而將一單擺21樞設(shè)在該實驗桌23的邊緣，并自然下垂而可自然擺動。當該實驗桌23旋轉(zhuǎn)時，該單擺21的擺動方向是朝實驗桌23的切線方向。因不受到實驗桌23的限制，故可進行任意角度如±180度的擺動控制實驗。
然而前述圖2A與圖2B的兩種實施例，雖單擺21的擺動角度有增加，且實驗桌23在理論上可朝同一方向進行無限制的旋轉(zhuǎn)，然因該編碼器22難免設(shè)有導線25，當該實驗桌23持續(xù)朝同一方向進行旋轉(zhuǎn)時，必然造成導線25纏繞的問題，故該實驗桌23的旋轉(zhuǎn)仍有限制，一般約在±180度內(nèi)，這使上述兩種單擺機構(gòu)無法順利實施較復雜的控制實驗，且上述的單擺機構(gòu)僅只能應(yīng)用于單擺實驗上，無法有效應(yīng)用于其它相關(guān)的實驗中，甚為可惜，若需進行其它相關(guān)實驗，則需購買其它實驗器材，則造成購買成本上的負擔。
由此可見，上述公知物品仍有諸多缺失，實非一良善的設(shè)計，而有待加以改良。
本實用新型創(chuàng)作人鑒于上述公知倒單擺結(jié)構(gòu)所衍生的各項缺點，亟思加以改良創(chuàng)新，并經(jīng)多年潛心研究后，終于成功研發(fā)完成本件行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的即在于提供一種具有完全無伺服馬達與單擺擺角旋轉(zhuǎn)限制，使其不受實驗室空間的限制，可連續(xù)進行非線性不穩(wěn)定控制實驗的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)。
本實用新型的次一目的在于提供一種透過門拴固定單擺，使其可進行一般馬達轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角控制實驗的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)。
本實用新型的另一目的在于提供一種透過行星輪固定件固定行星輪，使其可由馬達直接驅(qū)動單擺，進行馬達扭力控制的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)。
本實用新型的又一目的在于提供一種可于單擺尾端加置一干擾器，以增加上述實驗趣味的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)。
可達成上述實用新型目的的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，包括有一單擺、一恒星齒輪、一行星齒輪、一伺服馬達、一基座及第一、第二編碼器所組成；其中該伺服馬達的輸出軸透過一聯(lián)軸器使其貫穿恒星齒輪直至環(huán)形座中，伺服馬達尾端則透過一聯(lián)軸器與第一編碼器連接，用來量測伺服馬達旋轉(zhuǎn)角；環(huán)形座上則套設(shè)一單擺，該單擺上則設(shè)有數(shù)孔洞，以供實驗的用途，環(huán)形座的另一端則透過一聯(lián)軸器與第二編碼器連接；行星齒輪的軸孔上則套設(shè)一軸承，該軸承孔則穿置一鎖固于單擺上的行星軸，使得行星齒輪與恒星齒輪相契合。當實驗進行時，藉由該伺服馬達帶動恒星齒輪旋轉(zhuǎn)，使該恒星齒輪帶動行星齒輪旋轉(zhuǎn)，并利用行星齒輪的軸分力甩動單擺，雖該單擺因其重量會自然下垂，并帶動行星齒輪反方向運動，此時單擺產(chǎn)生的角度變化經(jīng)由延伸桿傳遞至第二編碼器，經(jīng)由回饋及控制器計算后來調(diào)整伺服馬達出力，使該單擺保持垂直朝上；另該基座的前端則設(shè)有一門栓，當單擺以門栓鎖固時，則該機臺可進行一般伺服馬達轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的控制實驗；除此之外，亦可透過一行星輪固定件將行星齒輪與單擺連結(jié)，使馬達可直接驅(qū)動單擺，做有外力(重力)負載下的伺服馬達轉(zhuǎn)角控制實驗；另該行星輪固定件亦可將其固結(jié)于單擺的孔洞上，以改變單擺的重量，使得倒單擺實驗更具挑戰(zhàn)性。亦或者于實驗時，可控制單擺垂直向下，使其進行低阻尼系統(tǒng)的控制實驗及研究；另，可于單擺的孔洞上連接一彈簧，并于彈簧上懸掛一重物，當成干擾器，當進行倒單擺實驗時，重物會因單擺旋轉(zhuǎn)而晃動，可大幅增加控制難度與趣味；透過上述的設(shè)計使其可有效轉(zhuǎn)換成不同實驗?zāi)康牡臋C臺，可有效降低采購成本。


請參閱以下有關(guān)本實用新型一較佳實施例的詳細說明及其附圖，將可進一步了解本實用新型的技術(shù)內(nèi)容及其目的功效；有關(guān)該實施例的附圖為圖1為公知倒單擺實驗的立體圖；圖2A為另一種公知倒單擺實驗的立體圖；圖2B為圖2A的變化例立體圖；圖3為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的行星輪固定結(jié)合于單擺的立體示意圖；圖5本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的門栓扣合實施示意圖；圖6為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的直接驅(qū)動實施示意圖；圖7為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的另一實施示意圖；圖8為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)裝設(shè)干擾器的又一實施示意圖；以及圖9為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)以摩擦輪取代齒輪的再一實施示意圖。
圖號說明10殼體 32 孔洞101 恒心摩擦輪33 行星輪固定件102 行星摩擦輪331 孔洞11單擺 332 固定端111 固定座333 卡合端12臺車 34 彈簧13編碼器35 重物14軌道 4恒心齒輪15固定桿5行星齒輪16定位銷51 行星軸17定位銷52 行星齒輪孔洞21單擺 6伺服馬達22編碼器61 聯(lián)軸器23實驗桌7基座24伺服馬達 71 開口25導線 72 門栓3 單擺 8第一編碼器31環(huán)形座9第二編碼器具體實施方式
請參閱圖3及圖4所示，為本實用新型所提供的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)及行星輪固定件結(jié)合于單擺立體示意圖，其主要包括有一單擺3、一恒星齒輪4、一行星齒輪5、一伺服馬達6、一基座7、第一編碼器8、第二編碼器9及殼體10所組成；其中該伺服馬達6的輸出軸透過一聯(lián)軸器61使其貫穿恒星齒輪4直至環(huán)形座31中，伺服馬達6尾端則透過一聯(lián)軸器61與第一編碼器8連接，使其得以用來量測伺服馬達6旋轉(zhuǎn)角；環(huán)形座31上則套設(shè)一單擺3，該單擺3上則設(shè)有數(shù)孔洞32，環(huán)形座31的一端則透過一聯(lián)軸器61與第二編碼器9連接；行星齒輪5的軸孔上則套設(shè)一軸承，該軸承孔則穿置一鎖固于單擺3上的行星軸51，使得行星齒輪5與恒星齒輪4相契合；上述的伺服馬達6、第一編碼器8、第二編碼器9等組件皆以固定座111固定于基座7上，并保持軸心呈一直線，以利實驗的進行，該基座7上設(shè)有一開口71，使得單擺3于實驗時可于開口71內(nèi)擺動，而不會產(chǎn)生擺動角度的限制，基座7的前端則設(shè)有一門栓72，使其得以扣合單擺3，該基座7是與機殼10相連接，機殼10內(nèi)是可依據(jù)不同環(huán)境及使用狀態(tài)容置不同型式的控制面板；當實驗進行時，藉由該伺服馬達6帶動恒星齒輪4旋轉(zhuǎn)，使該恒星齒輪4帶動行星齒輪5旋轉(zhuǎn)，并利用行星齒輪5的軸分力甩動單擺3，雖該單擺3因其重量會自然下垂，并帶動行星齒輪5反方向運動，此時單擺3產(chǎn)生的角度變化經(jīng)由延伸桿傳遞至第二編碼器9，經(jīng)由回饋及控制器計算后來調(diào)整伺服馬達6出力，使該單擺3保持豎立或穩(wěn)定于所控制角度，故可進行倒單擺實驗；另外，其是可透過一行星輪固定件33鎖固于單擺3上，可增加及調(diào)變單擺3的擺蕩重量，使其于實驗時更具挑戰(zhàn)性；其中該行星輪固定件33上是設(shè)有一孔洞331方便與單擺3結(jié)合，并于孔洞331的外緣分別延伸設(shè)有一固定端332，孔洞331的底端則向下延伸設(shè)有一卡合端333。
請參閱圖5所示，為本實用新型所提供的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的門栓扣合實施示意圖；本實用新型除可提供倒單擺的實驗外，更可透過單擺3上的孔洞32與基座7上的門栓72相互扣合，使得單擺3不會因伺服馬達6的旋轉(zhuǎn)而擺動，使其得以進行一般的伺服馬達6轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角控制實驗；另外，因單擺3與門拴72間以相互扣合，可避免單擺3于搬運過程中晃動，造成搬運上的阻礙及搬運人員的傷害。
請參閱圖6所示，為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的直接驅(qū)動實施示意圖；本實用新型可透過行星輪固定件33的卡合端333插設(shè)于行星齒輪5的孔洞52上，并透過一鎖固件使得行星輪固定件33鎖固于單擺3上，此時，單擺3是與伺服馬達6呈直接驅(qū)動的關(guān)系，使其可透過伺服馬達6直接控制單擺3的擺動角度并進行實驗。
請參閱圖7所示，為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)的另一實施示意圖；本實用新型是可于實驗時控制單擺3朝下，以抑制單擺因起使條件或外力所造成的擺動，使其得以進行低阻尼系統(tǒng)的實驗及研究(如仿真天車的實驗)，使得本實用新型另增加一實驗功能。
請參閱圖8所示，為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)裝設(shè)干擾器的又一實施示意圖；其是可于單擺3的孔洞32上連接一彈簧34，并于彈簧34上懸掛一重物35，當進行倒單擺實驗時，重物35會因單擺3擺蕩而晃動，使其呈現(xiàn)難予預(yù)期的干擾現(xiàn)象，可大幅增加控制難度及趣味。
請參閱圖9所示，為本實用新型行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)以摩擦輪取代齒輪的再一實施示意圖；本實用新型所提供的行星齒輪5及中心齒4輪是可將傳統(tǒng)的齒輪帶動方式，改成由恒心摩擦輪101與行星摩擦輪102接觸的方式，藉由恒心摩擦輪101與行星摩擦輪102之間的摩擦接觸，以帶動相同的機構(gòu)動作，使其可進行倒單擺實驗。
綜上所述，本實用新型是可轉(zhuǎn)換成多種不同實驗?zāi)康牡臋C臺，除可有效降低采購成本外，更可大幅減少機臺收納的空間。
上列詳細說明是針對本實用新型的一可行實施例的具體說明，然而該實施例并非用以限制本實用新型的專利范圍，凡未脫離本實用新型技藝精神所為的等效實施或變更，均應(yīng)包含于本實用新型專利范圍中。
綜上所述，本實用新型不但在空間型態(tài)上確屬創(chuàng)新，并能較公知物品增進上述多項功效，應(yīng)已充分符合新穎性及進步性的法定實用新型專利要件，于是依法提出申請，懇請貴局核準本件實用新型專利申請案，以勵實用新型，至感德便。
權(quán)利要求1.一種行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括單擺，該單擺上設(shè)有數(shù)孔洞；伺服馬達，該伺服馬達的輸出軸是透過一聯(lián)軸器，使其貫穿恒星齒輪直至環(huán)形座中；恒星齒輪，該恒星齒輪固定于該伺服馬達輸出軸上；行星齒輪，該行星齒輪是與該恒星齒輪嚙合轉(zhuǎn)動，并透過一行星軸使其固定于單擺上，其上則設(shè)有一孔洞；第一編碼器，該第一編碼器延伸設(shè)置于該伺服馬達的后端；第二編碼器，該第二編碼器設(shè)置于環(huán)形座的一端；基座，其提供伺服馬達、第一及第二編碼器及環(huán)形座透過固定座固定于其上，并于基座上設(shè)有一以供單擺擺動所需的空間的開口；機殼，該機殼容置以供使用者操作使用的控制面板；行星輪固定件，該行星輪固定件鎖固于該單擺的孔洞上。
2.如權(quán)利要求1所述的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其特征在于該馬達輸出軸與環(huán)形座間設(shè)置有一以加強單擺的擺動穩(wěn)定性的軸承。
3.如權(quán)利要求1所述的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其特征在于該行星輪固定件本體上設(shè)有一孔洞，并于孔洞的外緣分別延伸設(shè)有一固定端，孔洞的底端則向下延伸設(shè)有一卡合端，透過孔洞與鎖固件的配合，使其得以鎖固于單擺上。
4.如權(quán)利要求1所述的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其特征在于該基座開口的一側(cè)設(shè)有一門栓。
5.如權(quán)利要求1所述的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其特征在于該行星齒輪上插設(shè)行星輪固定件。
6.如權(quán)利要求1所述的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其特征在于該單擺的尾端孔洞上透過彈簧懸掛一重物。
7.如權(quán)利要求1所述的行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其特征在于該恒星齒輪、行星齒輪傳動方式是通過無齒的摩擦輪帶動同一機構(gòu)的方式。
專利摘要一種行星輪系式倒單擺改良結(jié)構(gòu)，其主要包含有單擺、恒星齒輪、行星齒輪、伺服馬達、基座及第一、第二編碼器所組成；當實驗進行時，藉由該伺服馬達帶動恒星齒輪旋轉(zhuǎn)，使該恒星齒輪帶動行星齒輪旋轉(zhuǎn)，并利用行星齒輪的軸分力甩動單擺，雖該單擺會因其重量自然下垂，但單擺產(chǎn)生的角度變化，可由第二編碼器檢出，經(jīng)由回饋控制可來調(diào)整伺服馬達出力，使該單擺保持豎立；另該基座的前端則設(shè)有門栓，當單擺以門栓鎖固時，則該機臺可進行一般的伺服馬達控制實驗；再者，單擺尾端可加置干擾器，以增加實驗的趣味。
文檔編號G09B23/10GK2715273SQ20042000561
公開日2005年8月3日 申請日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月1日
發(fā)明者陳雙源 申請人:陳雙源