技术领域
[0001] 本
发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种应用仿生学原理的机械尾巴。
背景技术
[0002] 大多数移动载具有保持自身平衡的要求，这样的载具能够现在地形与平台稳定的去耦合化，能够使其上安装的各种器械有一个稳定的运行环境。大多提高平衡载具地形去耦合能
力的尝试在于采取特殊设计的轮结构或者足腿结构，这样的结构在机械上过于复杂、容易发生故障同时其具有较多冗余
自由度而使得控制这样的结构异常复杂。
[0003] 对于仿生尾部，现在已经出现了许多利用类似尾结构的
机器人或载具系统，这些工作都展示出类似尾结构对整机平衡性有很大贡献，往往能大幅提高系统的稳定能力，比如加州大学伯克利分校Thomas Libby曾研究了四轮车在空中运动时尾巴的运动情况对车体平衡及落地状态的影响(Nature 481,181–184(12 January 2012))，然而目前却没有出现过类似本发明中叙述的带有仿生尾部的二轮平衡车。而本发明中所述的仿生尾部结构被应用于二轮平衡车上之后展示出良好的平衡性能、大幅提高了整机系统的
稳定性，因此具有深远的应用前景。
发明内容
[0004] 本发明提供的一种应用仿生学原理的机械尾巴由尾部结构和控制系统组成，控制系统由控制尾巴
水平方向运动的第一控制系统和控制尾巴竖直方向运动的第二控制系统组成。
[0005] 第一控制系统为皮带传动，由小
齿轮控制部分2、皮带3、大齿轮控制部分4组成，
小齿轮控制部分2中的小齿轮9通过皮带3与大齿轮控制部分中的大齿轮14连接。小齿轮控制部分由小齿轮9、
电机5、第一码盘7、第一光电
编码器6、自攻螺丝8组成。电机5是直流减速电机，材质是塑料
外壳。自攻螺丝8的头部直径大于小齿轮9中间圆孔的孔径，将自攻螺丝8从小齿轮中间穿过，再将自攻螺丝8从第一码盘7中间穿过，再将自攻螺丝8杆部末端攻入电机5的轴中，这样电机5可以带动小齿轮9及第一码盘7同步转动，将电机5用适当长度的
铜柱固定在下层亚格力
支架10上，适当长度的意思是选择适当长度的铜柱固定后使得小齿轮9和大齿轮14在同一水平面上，将光电编码器6的凹形槽夹在第一码盘7的两侧，光电编码器6的固定端用AB胶固定在下层亚格力支架10，大齿轮控制部分4由大齿轮14、
轴承13、
法兰盘15、
螺栓11、
螺母12组成，大齿轮14在下层亚格力支架10的上面，法兰盘15在下层亚格力支架10的下面，在下层亚格力支架10的相应
位置打与轴承13轴部大小相同的圆，将轴承放入其中在相对于大齿轮14的另一侧用法兰盘15将轴承13固定在下层亚格力支架10上，将螺栓11的头部在下，
自下而上的从轴承13中心孔中穿过，将大齿轮14穿入螺栓11中，在其上用螺母12固定。适当长度的螺栓11是螺栓11的长度足够穿上大齿14轮和拧上螺母12即可，大齿轮14即通过轴承13、法兰盘15固定在下层亚格力支架10，大齿轮14可以绕长螺栓11自由转动。
[0006] 第二控制系统由拉绳电机23、第二码盘29、第二光电编码器30、绳子19、
滑轮16、滑轮支架20、第一长螺栓17、尾部平台24构成，绳子19选用鱼线，尾部平台24固定在大齿轮14上，在尾部平台中上部钻有与螺栓11相同孔径的孔，在螺母12上放上孔径相同的
垫片，将尾部平台穿到螺栓11上，并用螺母将其固定好。滑轮支架20由凹形槽18和和第二长螺栓21组成，凹形槽18和第二长螺栓21已经通过电焊
焊接成一整体，凹形槽18两侧面钻有与第一长螺栓17孔径相同的孔，将滑轮16放入凹形槽18的凹槽内，用第一长螺栓17同时穿过凹形槽18两侧面与滑轮16，在凹形槽18两侧面外用螺母将其固定，在尾部平台正中间钻有与第二长螺栓21相同孔径的孔，将第二长螺栓21穿过尾部平台24两侧用螺母将其固定。将拉绳电机23用适当长度的铜柱固定在尾部平台24上部，使其一侧轴与尾部平台中上部钻有的与螺栓11相同孔径的孔和尾部平台正中间钻有与第二长螺栓21相同孔径的孔在同一直线上，将这侧的轴缠有绳子19，用自攻螺丝将第二码盘29与另一侧轴固定，使得第二码盘29与拉绳电机19同轴转动，将第二光电编码器30的凹形槽夹在第二码盘29的两侧，第二光电编码器
30的固定端用AB胶固定在尾部平台24上，将绳子的从尾部结构的尾下部
底板22的两孔穿过，选取可以使合页成120度
角为绳子19的最大长度，将距离绳子两头相同位置处将两个绳子打结，将绳子头从拉绳电机23轴的中心孔穿入，沿轴绕半轴打结，最终绳子19可以随约拉绳电机23轴的转动使绳子19伸长或缩短，绳子19通过定滑
轮作用在尾部结构上。
[0007] 尾部结构由合页27连接尾上部底板25、尾下部底板22构成，尾下部底板14与绳子19相连，尾上部底板25与尾部平台24通过
铝制转接件28死固相连，同时在尾上部底板25与尾下部底板22之间用可以自由转动的合页27连接，
弹簧26一端固定在尾上部底板25靠近尾下部底板22端末端，另一端固定在尾下部底板22靠近尾上部底板25端末端，并固定在尾下部底板22与尾上部底板25所成平面的背面(靠近
机身面)，在仿生尾部结构舒展开时(即尾上部底板28与尾下部底板22在同一条直线上时)弹簧处于完全放松状态，于是当仿生尾部受到绳子19的拉力大于弹簧的
应力时仿生尾部结构卷曲(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度小于180度)、而当绳子19的拉力小于弹簧的应力时仿生尾部结构舒张(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度向恢复180度弯曲)以此来控制仿生尾部结构竖直方向上下运动(此处上下运动是指仿生尾部结构末端上下运动)；当二轮平衡车平衡的在地面运动时，尾上部底板25和尾下部底板22的总长小于尾部平台24到地面的距离，且尾上部底板25的长度小于尾下部底板22的长度。
附图说明
[0008] 图1一种应用仿生学原理的机械尾巴的整体示意图
[0009] 图2一种应用仿生学原理的机械尾巴的第一控制系统俯视图
[0010] 其中：小齿轮控制部分2、皮带3、大齿轮控制部分4；
[0011] 图3一种应用仿生学原理的机械尾巴的小齿轮部分的侧视图
[0012] 其中：电机5、第一光电编码器6、第一码盘7、自攻螺丝8、小齿轮9、下层亚格力支架10；
[0013] 图4一种应用仿生学原理的机械尾巴的大齿轮部分的侧视图
[0014] 其中：螺栓11、螺母12、轴承13、大齿轮14、法兰盘15；
[0015] 图5一种应用仿生学原理的机械尾巴的第二控制系统的侧视图
[0016] 其中：滑轮16、第一长螺栓17、凹形槽18、绳子19、滑轮支架20、第二长螺栓21、尾下部底板22、拉绳电机23、尾部平台24、第二码盘29、第二光电编码器30；
[0017] 图6一种应用仿生学原理的机械尾巴的尾部结构的侧视图
[0018] 其中：连接尾上部底板25、弹簧26、合页27；
[0019] 图7一种应用仿生学原理的机械尾巴的尾部结构与尾部平台连接示意图[0020] 其中：铝制转接件28；
具体实施方式
[0021] 机械尾巴由尾部结构和控制系统组成，控制系统由控制尾巴水平方向运动的第一控制系统和控制尾巴竖直方向运动的第二控制系统组成。
[0022] 第一控制系统为皮带传动，由小齿轮控制部分2、皮带3、大齿轮控制部分4组成，小齿轮控制部分2中的小齿轮9通过皮带3与大齿轮控制部分中的大齿轮14连接。小齿轮控制部分由小齿轮9、电机5、第一码盘7、第一光电编码器6、自攻螺丝8组成。电机5是直流减速电机，材质是塑料外壳。自攻螺丝8的头部直径大于小齿轮9中间圆孔的孔径，将自攻螺丝8从小齿轮中间穿过，再将自攻螺丝8从第一码盘7中间穿过，再将自攻螺丝8杆部末端攻入电机5的轴中，这样电机5可以带动小齿轮9及第一码盘7同步转动，将电机5用适当长度的铜柱固定在下层亚格力支架10上，适当长度的意思是选择适当长度的铜柱固定后使得小齿轮9和大齿轮14在同一水平面上，将光电编码器6的凹形槽夹在第一码盘7的两侧，光电编码器6的固定端用AB胶固定在下层亚格力支架10，大齿轮控制部分4由大齿轮14、轴承13、法兰盘15、螺栓11、螺母12组成，大齿轮14在下层亚格力支架10的上面，法兰盘15在下层亚格力支架10的下面，在下层亚格力支架10的相应位置打与轴承13轴部大小相同的圆，将轴承放入其中在相对于大齿轮14的另一侧用法兰盘15将轴承13固定在下层亚格力支架10上，将螺栓11的头部在下，自下而上的从轴承13中心孔中穿过，将大齿轮14穿入螺栓11中，在其上用螺母12固定。适当长度的螺栓11是螺栓11的长度足够穿上大齿14轮和拧上螺母12即可，大齿轮14即通过轴承13、法兰盘15固定在下层亚格力支架10，大齿轮14可以绕长螺栓11自由转动。
[0023] 第二控制系统由拉绳电机23、第二码盘29、第二光电编码器30、绳子19、滑轮16、滑轮支架20、长螺栓17、尾部平台24构成，绳子19选用鱼线，尾部平台24固定在大齿轮14上，在尾部平台中上部钻有与螺栓11相同孔径的孔，在螺母12上放上孔径相同的垫片，将尾部平台穿到螺栓11上，并用螺母将其固定好。滑轮支架20由凹形槽18和和长螺栓21组成，凹形槽18和和长螺栓21已经通过电焊焊接成一整体，凹形槽18两侧面钻有与长螺栓17孔径相同的孔，将滑轮16放入凹形槽18的凹槽内，用长螺栓17同时穿过凹形槽18两侧面与滑轮16，在凹形槽18两侧面外用螺母将其固定，在尾部平台正中间钻有与长螺栓21相同孔径的孔，将长螺栓21穿过尾部平台24两侧用螺母将其固定。将拉绳电机23用适当长度的铜柱固定在尾部平台24上部，使其一侧轴与尾部平台中上部钻有的与螺栓8相同孔径的孔和尾部平台正中间钻有与长螺栓17相同孔径的孔在同一直线上，将这侧的轴缠有绳子19，用自攻螺丝将第二码盘29与另一侧轴固定，使得第二码盘29与拉绳电机19同轴转动，将第二光电编码器30的凹形槽夹在第二码盘29的两侧，第二光电编码器30的固定端用AB胶固定在尾部平台24上，将绳子的从尾部结构的尾下部底板22的两孔穿过，选取可以使合页成120度角为绳子19的最大长度，将距离绳子两头相同位置(约拉绳电机17轴的周长)处将两个绳子打结，将绳子头从拉绳电机23轴的中心孔穿入，沿轴绕半轴打结，最终绳子19可以随约拉绳电机23轴的转动使绳子19伸长或缩短，绳子19通过定滑轮作用在尾部结构上。
[0024] 尾部结构由合页27连接尾上部底板25、尾下部底板22构成，尾下部底板14与绳子19相连，尾上部底板25与尾部平台24通过铝制转接件28死固相连，同时在尾上部底板25与尾下部底板22之间用可以自由转动的合页27连接，弹簧26一端固定在尾上部底板25靠近尾下部底板22端末端，另一端固定在尾下部底板22靠近尾上部底板25端末端，并固定在尾下部底板22与尾上部底板25所成平面的背面(靠近机身面)，在仿生尾部结构舒展开时(即尾上部底板28与尾下部底板22在同一条直线上时)弹簧处于完全放松状态，于是当仿生尾部受到绳子19的拉力大于弹簧的应力时仿生尾部结构卷曲(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度小于180度)、而当绳子19的拉力小于弹簧的应力时仿生尾部结构舒张(即尾上部底板25与尾下部底板22所成角度向恢复180度弯曲)以此来控制仿生尾部结构竖直方向上下运动(此处上下运动是指仿生尾部结构末端上下运动)；当二轮平衡车平衡的在地面运动时，尾上部底板25和尾下部底板22的总长小于尾部平台24到地面的距离，且尾上部底板25的长度小于尾下部底板22的长度。
[0025] 一种应用仿生学原理的机械尾巴的工作流程：第一光电编码器6测得第一码盘7的转速，即小齿轮9的转速，小齿轮9转动通过皮带3传动使大齿轮14跟随转动，大齿轮14转送带动同轴尾部平台24转动，从而带动连动的机械尾巴转动。控制尾巴竖直方向运动的控制系统由拉绳电机23的转动控制绳子19的长度，绳子由滑轮16传动作用在尾部结构上，第二码盘29与拉绳电机23同轴转动，第二光电编码器30测得第二码盘29的转速即拉绳电机23的转速，因此，我们可以通过控制系统控制控制机械尾巴的竖直和水平转动。
