一种球体平衡装置及球体平衡方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种演示球体平衡装置，所述演示平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘、球体、传感器及控制器、转轴；所述两个轮盘同轴安装在转轴上，在转轴的驱动下轮盘一起旋转；在两个轮盘上设置有自由移动的球体，在球体两侧对称或不对称设置有限定球体移动位置的防护辊；所述传感器检测球体的位置，让球体沿轮盘外边缘运动，并运动至最高点位置稳定下来；所述防护辊和轮盘限定球体的运动轨迹。所述工作方法，包括：启动过程、检测位置及位置修正、顶点位置维持、重新演示。本结构简单，控制方便，将球体平衡效果强烈表现出来，更能引起好奇心，从而产生神奇的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种球体平衡装置及球体平衡方法
本专利技术涉及一种球体平衡装置，以及演示球体平衡装置的工作方法，属于科普教育

技术介绍
目前在科普、教育与自动化控制领域内，用于演示自动控制算法与手段，表现自动控制的区别与优劣，通常是用倒立摆的形式进行，一根长条直棒从自然下垂，在驱动机构与自动控制器的配合下，运行到长条棒倒立竖起来，且保持倒立。现有这种机构中，每个旋转轴上都会对应一个传感器，通过传感器与轴的连接，可以直接读取长条棒的状态及相关运动参数，在相关算法的控制下，达到长条棒倒立的效果。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术存在的不足，提出一种球体平衡装置及球体平衡方法。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：一种演示球体平衡装置，其特征是，所述平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘、球体、传感器及控制器、转轴；所述两个轮盘同轴安装在转轴上，在转轴的驱动下轮盘一起旋转；球体在两个轮盘上上自由滚动，在球体两侧设置有限定球体移动位置的防护辊；所述传感器检测球体的位置，让球体沿轮盘外边缘运动，并运动至最高点位置稳定下来；所述防护辊和轮盘限定球体的运动轨迹。作为上述技术方案的改进，所述轮盘的外边缘上设置有弹性的摩擦圈，球体直接与摩擦圈接触。作为上述技术方案的改进，所述防护辊中心位置安装有轴承。作为上述技术方案的改进，所述两个轮盘之间的间距D与球体半径R之间的几何关系为：R＜D＜2R。作为上述技术方案的改进，所述演示平衡装置包括电机和主体支架，所述电机安装固定在主体支架上。作为上述技术方案的改进，所述主体支架上设置有防护架，所述传感器安装固定在防护架上；所述控制器安装固定在主体支架上。作为上述技术方案的改进，所述演示平衡装置包括联轴器，所述联轴器设置在电机输出端以及轮盘的转轴之间。作为上述技术方案的改进，所述防护辊本体中心位置设置有安装轴承的中心孔，在防护辊本体中部设置有弧形的限位部，所述限位部限制了球体的运动。作为上述技术方案的改进，所述限位部中部设置有多个防护槽，防护槽内安装有弹性圈，所述弹性圈与运动中的球体直接接触。一种演示球体平衡装置工作方法，所述工作方法如下：步骤一：启动过程；将球体置于两个防护辊中任一个上，球体在防护辊及两个轮盘限位下静止不动，接通电源，让电机启动运行秒后，断开电源，电机停止转动，球体因惯性作用一直沿两个轮盘边沿向上滚动；步骤二：检测位置及位置修正；球体一直沿两个轮盘边沿向上滚动，运行一段距离后，传感器检测到球体的位置，传感器把数据传给控制器，控制器根据球体的位置调节轮盘的转速和转向，使球体到达轮盘的顶点位置，并稳定下来；步骤三：顶点位置维持；当球体从顶点位置在重力作用下下滑时，传感器把球体是否偏离顶点位置传给控制器，控制器根据传感器数据，调整轮盘的转向及转速，重复步骤二，直至球体保持在轮盘的顶点位置；步骤四：重新演示；当观众需要重新观看球体从防护辊上运行到轮盘顶点的现象，重复步骤一至步骤三。作为上述技术方案的改进，所述控制器的工作过程如下：当传感器接通电源后，一直采集数据并将数据适时发送给控制器，控制器根据所接收的数据，转换成球体与传感器之间的距离，根据几何与物理知识所知，可算出球体与轮盘顶部的高度，而球体从低处往高处运动，需要的能量E是由轮盘提供的，再根据摩擦系数μ的大小，算出轮盘的转速，通过多次调试上球的转速，找到中间值；运行时，球体运动到轮盘的中点后，球体的惯量减至最小，此时有两种情况，一种是球体未到中点，控制器会根据球体离中点的距离，给一个与距离相关的正向转速v给轮盘；另一种是球体超过中点，则控制器会给一个反向转速v给轮盘，这样如此反复，最终实现球体在轮盘上动态平衡，即最终稳定下来。作为上述技术方案的改进，所述控制器驱动轮盘的能量E满足公式：E=mv2+K=mgh=μF，其中E是驱动需要的总能量，m是球体的质量，v是轮盘的速度，K是传动损耗，g是重力加速度，h是小球离顶点的高度，μ是摩擦系数，F是球体的压力。本专利技术与现有技术相比较，本专利技术的实施效果如下：本专利技术采用轮盘、球体、传感器及控制器结构，实现球体在轮盘上动态平衡，在控制器作用下，驱动轮盘的转向及转速，能够实现快速平衡，此外，该结构简单，控制方便，将球体平衡效果强烈表现出来，更能引起好奇心，从而产生神奇的效果。附图说明图1为本专利技术所述演示球体平衡装置结构示意图；图2为本专利技术所述防护辊主视图；图3为图2的俯视图；其中：1—防护辊2—轴承3—球体4—传感器5—防护架6—联轴器7—电机架8—电机9—主体支架10—摩擦圈11—轮盘12—控制器13—转轴101—防护辊本体102—中心孔103—限位部104—防护槽。具体实施方式下面将结合具体的实施例来说明本专利技术的内容。如图1所示，为本专利技术所述演示球体平衡装置结构示意图，本专利技术所述演示平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘11及转轴13，所述两个轮盘11同轴安装在转轴13上，在转轴13的驱动下轮盘11一起旋转。在轮盘11的外边缘上设置有弹性的摩擦圈10，摩擦圈10将轮盘11的外边缘包覆在内，起到保护轮盘11的作用。本专利技术所述演示平衡装置，在两个轮盘11上设置有自由移动的球体3，球体3直接与摩擦圈10接触，在球体3两侧对称或不对称设置有限定球体3移动位置的防护辊1，所述防护辊1中心位置安装有轴承2，在轴承2的作用下，防护辊1可以在摩擦圈10和轮盘11上自由转动。在重力作用下，防护辊1和轮盘11限定了球体3的运动轨迹。所述两个轮盘11之间的间距D与球体3半径R之间的几何关系为：R＜D＜2R，这样确保球体3一直滞留在两个轮盘11之间，不至于滑落或掉入两者间隙中。本专利技术所述演示平衡装置，还包括传感器4及控制器12，传感器4与控制器12通过导线联通，所述传感器4检测球体3的位置，让球体3沿轮盘11外边缘运动，并运动至最高点位置时稳定下来。本专利技术所述演示平衡装置，还包括电机8和主体支架9，所述电机8安装固定在主体支架9上，电机8驱动转轴转动，进而驱动轮盘11一起运动。本专利技术所述演示平衡装置，在主体支架9上设置有防护架5，所述传感器4安装固定在防护架5上。所述控制器12安装固定在主体支架9上。本专利技术所述演示平衡装置，还包括联轴器6，所述联轴器6设置在电机8输出端以及轮盘11的转轴之间，通过联轴器6，电机8输出端将动力传至轮盘11的转轴上，并驱使其转动。如图2和图3所示，本专利技术所述防护辊1包括防护辊本体101，在防护辊本体101中心位置设置有安装轴承2的中心孔，在防护辊本体101中部设置有弧形的限位部103，所述限位部103限制了球体3的运动。在限位部103中部还设置有多个防护槽104，防护槽104内安装有弹性圈（图中未示出），所述弹性圈与运动中的球体3直接接触，这样不仅利用弹性圈的弹性起到缓冲的作用，同时减小对防护辊1的伤害，提高其使用寿命。本专利技术所述演示平衡装置，其工作方法如下：步骤一：启动过程；将球体3置于两个防护辊1中任一个上，球体3在防护辊1及两个轮盘11限位下静止不动，接通电源，让电机8启动运行20-30秒后，断开电源，电机8停止转动，球体3因惯性作用一直沿两个轮盘11边沿向上滚动；步骤二：检测位置及位置修正；球体3一直沿两个轮盘11边沿向上滚动，运行一段距离后，传感器4检测到球体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种球体平衡装置，其特征是，所述平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘（11）、球体（3）、传感器（4）及控制器（12）、转轴（13）；所述两个轮盘（11）同轴安装在转轴（13）上，在转轴（13）的驱动下轮盘（11）一起旋转；在两个轮盘（11）上设置有自由移动的球体（3），在球体（3）两侧对称或不对称设置有限定球体（3）移动位置的防护辊（1）；所述传感器（4）检测球体（3）的位置，让球体（3）沿轮盘（11）外边缘运动，并运动至最高点位置稳定下来；所述防护辊（1）和轮盘（11）限定球体（3）的运动轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种球体平衡装置，其特征是，所述平衡装置包括：两个相互平行设置的轮盘（11）、球体（3）、传感器（4）及控制器（12）、转轴（13）；所述两个轮盘（11）同轴安装在转轴（13）上，在转轴（13）的驱动下轮盘（11）一起旋转；在两个轮盘（11）上设置有自由移动的球体（3），在球体（3）两侧对称或不对称设置有限定球体（3）移动位置的防护辊（1）；所述传感器（4）检测球体（3）的位置，让球体（3）沿轮盘（11）外边缘运动，并运动至最高点位置稳定下来；所述防护辊（1）和轮盘（11）限定球体（3）的运动轨迹。2.如权利要求1所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述轮盘（11）的外边缘上设置有弹性的摩擦圈（10），球体（3）直接与摩擦圈（10）接触。3.如权利要求1所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述防护辊（1）中心位置安装有轴承（2）。4.如权利要求1所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述两个轮盘（11）之间的间距D与球体（3）半径R之间的几何关系为：R＜D＜2R。5.如权利要求1所述的一种演示球体平衡装置，其特征是，所述演示平衡装置包括电机（8）和主体支架（9），所述电机（8）安装固定在主体支架（9）上。6.如权利要求5所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述主体支架（9）上设置有防护架（5），所述传感器（4）安装固定在防护架（5）上；所述控制器（12）安装固定在主体支架（9）上。7.如权利要求1~6中任一所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述演示平衡装置包括联轴器（6），所述联轴器（6）设置在电机（8）输出端以及轮盘（11）的转轴之间。8.如权利要求1~6中任一所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述防护辊本体（101）中心位置设置有安装轴承（2）的中心孔，在防护辊本体（101）中部设置有弧形的限位部（103），所述限位部（103）限制了球体（3）的运动。9.如权利要求8所述的一种球体平衡装置，其特征是，所述限位部（103）中部设置有多个防护槽（104），防护槽（104）内安装有弹性圈，所述弹性圈与运动中的球体（3）直接接触。10.如权利要求1所述的一种球体平衡方法，其特征是，所述平衡方法如下：步骤一：启动过程；将球体（3）置于两个防护辊（1）中任一个上，球体（3）在防护辊（...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒玉恒，秦伟，胡勇启，陈友明，
申请(专利权)人：合肥磐石自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34