一種球體平衡裝置及球體平衡方法

《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》是合肥磐石自動化科技有限公司於2018年10月31日申請的發明專利，該專利申請號為201811284713X，公布號為CN109389895A，專利公布日為2019年02月26日，發明人是舒玉恆、秦偉、胡勇啟、陳友明。

《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》公開了一種演示球體平衡裝置，所述演示平衡裝置包括：兩個相互平行設定的輪盤、球體、感測器及控制器、轉軸；所述兩個輪盤同軸安裝在轉軸上，在轉軸的驅動下輪盤一起旋轉；在兩個輪盤上設定有自由移動的球體，在球體兩側對稱或不對稱設定有限定球體移動位置的防護輥；所述感測器檢測球體的位置，讓球體沿輪盤外邊緣運動，並運動至最高點位置穩定下來；所述防護輥和輪盤限定球體的運動軌跡。所述工作方法，包括：啟動過程、檢測位置及位置修正、頂點位置維持、重新演示。本結構簡單，控制方便，將球體平衡效果強烈表現出來，更能引起好奇心，從而產生神奇的效果。

2021年8月16日，《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。

概述圖為《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種球體平衡裝置及球體平衡方法
• 公布號：CN109389895A
• 公布日：2019年02月26日
• 申請號： 201811284713X
• 申請日：2018年10月31日
• 申請人：合肥磐石自動化科技有限公司
• 地址：安徽省合肥市經開區桃花工業園拓展區繁華大道工投立恆工業廣場（二期）A-13西
• 發明人：舒玉恆、秦偉、胡勇啟、陳友明
• Int.Cl.：G09B25/00(2006.01)I
• 專利代理機構：合肥東信智谷智慧財產權代理事務所
• 代理人：王學勇
• 類別：發明專利

專利背景

截至2018年10月，在科普、教育與自動化控制領域內，用於演示自動控制算法與手段，表現自動控制的區別與優劣，通常是用倒立擺的形式進行，一根長條直棒從自然下垂，在驅動機構與自動控制器的配合下，運行到長條棒倒立豎起來，且保持倒立，已有這種機構中，每個旋轉軸上都會對應一個感測器，通過感測器與軸的連線，可以直接讀取長條棒的狀態及相關運動參數，在相關算法的控制下，達到長條棒倒立的效果。

發明內容

專利目的

《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》正是針對2018年10月以前技術存在的不足，提出一種球體平衡裝置及球體平衡方法。

技術方案

一種演示球體平衡裝置，其特徵是，所述平衡裝置包括：兩個相互平行設定的輪盤、球體、感測器及控制器、轉軸；所述兩個輪盤同軸安裝在轉軸上，在轉軸的驅動下輪盤一起旋轉；球體在兩個輪盤上上自由滾動，在球體兩側設定有限定球體移動位置的防護輥；所述感測器檢測球體的位置，讓球體沿輪盤外邊緣運動，並運動至最高點位置穩定下來；所述防護輥和輪盤限定球體的運動軌跡。作為上述技術方案的改進，所述輪盤的外邊緣上設定有彈性的摩擦圈，球體直接與摩擦圈接觸。作為上述技術方案的改進，所述防護輥中心位置安裝有軸承。作為上述技術方案的改進，所述兩個輪盤之間的間距D與球體半徑R之間的幾何關係為：R＜D＜2R。作為上述技術方案的改進，所述演示平衡裝置包括電機和主體支架，所述電機安裝固定在主體支架上。作為上述技術方案的改進，所述主體支架上設定有防護架，所述感測器安裝固定在防護架上；所述控制器安裝固定在主體支架上。作為上述技術方案的改進，所述演示平衡裝置包括聯軸器，所述聯軸器設定在電機輸出端以及輪盤的轉軸之間。

作為上述技術方案的改進，所述防護輥本體中心位置設定有安裝軸承的中心孔，在防護輥本體中部設定有弧形的限位部，所述限位部限制了球體的運動。作為上述技術方案的改進，所述限位部中部設定有多個防護槽，防護槽內安裝有彈性圈，所述彈性圈與運動中的球體直接接觸。一種演示球體平衡裝置工作方法，所述工作方法如下：步驟一：啟動過程；將球體置於兩個防護輥中任一個上，球體在防護輥及兩個輪盤限位下靜止不動，接通電源，讓電機啟動運行秒後，斷開電源，電機停止轉動，球體因慣性作用一直沿兩個輪盤邊沿向上滾動；步驟二：檢測位置及位置修正；球體一直沿兩個輪盤邊沿向上滾動，運行一段距離後，感測器檢測到球體的位置，感測器把數據傳給控制器，控制器根據球體的位置調節輪盤的轉速和轉向，使球體到達輪盤的頂點位置，並穩定下來；步驟三：頂點位置維持；當球體從頂點位置在重力作用下下滑時，感測器把球體是否偏離頂點位置傳給控制器，控制器根據感測器數據，調整輪盤的轉向及轉速，重複步驟二，直至球體保持在輪盤的頂點位置；步驟四：重新演示；當觀眾需要重新觀看球體從防護輥上運行到輪盤頂點的現象，重複步驟一至步驟三。

作為上述技術方案的改進，所述控制器的工作過程如下：當感測器接通電源後，一直採集數據並將數據適時傳送給控制器，控制器根據所接收的數據，轉換成球體與感測器之間的距離，根據幾何與物理知識所知，可算出球體與輪盤頂部的高度，而球體從低處往高處運動，需要的能量E是由輪盤提供的，再根據摩擦係數μ的大小，算出輪盤的轉速，通過多次調試上球的轉速，找到中間值；運行時，球體運動到輪盤的中點後，球體的慣量減至最小，此時有兩種情況，一種是球體未到中點，控制器會根據球體離中點的距離，給一個與距離相關的正向轉速v給輪盤；另一種是球體超過中點，則控制器會給一個反向轉速v給輪盤，這樣如此反覆，最終實現球體在輪盤上動態平衡，即最終穩定下來。作為上述技術方案的改進，所述控制器驅動輪盤的能量E滿足公式：E=mv2+K=mgh=μF，其中E是驅動需要的總能量，m是球體的質量，v是輪盤的速度，K是傳動損耗，g是重力加速度，h是小球離頂點的高度，μ是摩擦係數，F是球體的壓力。

改善效果

《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》採用輪盤、球體、感測器及控制器結構，實現球體在輪盤上動態平衡，在控制器作用下，驅動輪盤的轉向及轉速，能夠實現快速平衡，此外，該結構簡單，控制方便，將球體平衡效果強烈表現出來，更能引起好奇心，從而產生神奇的效果。

附圖說明

圖1為《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》所述演示球體平衡裝置結構示意圖；

圖2為《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》所述防護輥主視圖；

圖3為圖2的俯視圖；

其中：1—防護輥2—軸承3—球體4—感測器5—防護架6—聯軸器7—電機架8—電機9—主體支架10—摩擦圈11—輪盤12—控制器13—轉軸101—防護輥本體102—中心孔103—限位部104—防護槽。

技術領域

《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》涉及一種球體平衡裝置，以及演示球體平衡裝置的工作方法，屬於科普教育技術領域。

權利要求

1.《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》特徵是，所述平衡裝置包括：兩個相互平行設定的輪盤（11）、球體（3）、感測器（4）及控制器（12）、轉軸（13）；所述兩個輪盤（11）同軸安裝在轉軸（13）上，在轉軸（13）的驅動下輪盤（11）一起旋轉；在兩個輪盤（11）上設定有自由移動的球體（3），在球體（3）兩側對稱或不對稱設定有限定球體（3）移動位置的防護輥（1）；所述感測器（4）檢測球體（3）的位置，讓球體（3）沿輪盤（11）外邊緣運動，並運動至最高點位置穩定下來；所述防護輥（1）和輪盤（11）限定球體（3）的運動軌跡。

2.如權利要求1所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述輪盤（11）的外邊緣上設定有彈性的摩擦圈（10），球體（3）直接與摩擦圈（10）接觸。

3.如權利要求1所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述防護輥（1）中心位置安裝有軸承（2）。

4.如權利要求1所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述兩個輪盤（11）之間的間距D與球體（3）半徑R之間的幾何關係為：R＜D＜2R。

5.如權利要求1所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述平衡裝置包括電機（8）和主體支架（9），所述電機（8）安裝固定在主體支架（9）上。

6.如權利要求5所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述主體支架（9）上設定有防護架（5），所述感測器（4）安裝固定在防護架（5）上；所述控制器（12）安裝固定在主體支架（9）上。

7.如權利要求1~6中任一所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述平衡裝置包括聯軸器（6），所述聯軸器（6）設定在電機（8）輸出端以及輪盤（11）的轉軸之間。

8.如權利要求1~6中任一所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述防護輥（1）包括防護輥本體（101），防護輥本體（101）中心位置設定有安裝軸承（2）的中心孔，在防護輥本體（101）中部設定有弧形的限位部（103），所述限位部（103）限制了球體（3）的運動。

9.如權利要求8所述的一種球體平衡裝置，其特徵是，所述限位部（103）中部設定有多個防護槽（104），防護槽（104）內安裝有彈性圈，所述彈性圈與運動中的球體（3）直接接觸。

10.如權利要求1所述的一種球體平衡裝置的平衡方法，其特徵是，所述平衡方法如下：步驟一：啟動過程；將球體（3）置於兩個防護輥（1）中任一個上，球體（3）在防護輥（1）及兩個輪盤（11）限位下靜止不動，接通電源，讓電機（8）啟動運行20-30秒後，斷開電源，電機（8）停止轉動，球體（3）因慣性作用一直沿兩個輪盤（11）邊沿向上滾動；步驟二：檢測位置及位置修正；球體（3）一直沿兩個輪盤（11）邊沿向上滾動，運行一段距離後，感測器（4）檢測到球體（3）的位置，感測器（4）把數據傳給控制器（12），控制器（12）根據球體（3）的位置調節輪盤（11）的轉速和轉向，使球體（3）到達輪盤（11）的頂點位置，並穩定下來；步驟三：頂點位置維持；當球體（3）從頂點位置在重力作用下下滑時，感測器（4）把球體（3）是否偏離頂點位置傳給控制器（12），控制器（12）根據感測器（4）數據，調整輪盤（11）的轉向及轉速，重複步驟二，直至球體（3）保持在輪盤（11）的頂點位置；步驟四：重新演示；當觀眾需要重新觀看球體（3）從防護輥（1）上運行到輪盤（11）頂點的現象，重複步驟一至步驟三。

11.如權利要求10所述的《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》特徵是，所述控制器（12）的工作過程如下：當感測器（4）接通電源後，一直採集數據並將數據適時傳送給控制器（12），控制器（12）根據所接收的數據，轉換成球體（3）與感測器（4）之間的距離，根據幾何與物理知識所知，可算出球體（3）與輪盤（11）頂部的高度，而球體3從低處往高處運動，需要的能量E是由輪盤（11）提供的，再根據摩擦係數μ的大小，算出輪盤（11）的轉速，通過多次調試上球的轉速，找到中間值；運行時，球體（3）運動到輪盤（11）的中點後，球體（3）的慣量減至最小，此時有兩種情況，一種是球體（3）未到中點，控制器（12）會根據球體（3）離中點的距離，給一個與距離相關的正向轉速v1給輪盤（11）；另一種是球體（3）超過中點，則控制器（12）會給一個反向轉速v2給輪盤（11），這樣如此反覆，最終實現球體（3）在輪盤（11）上動態平衡，即最終穩定下來。

12.如權利要求11所述的一種球體平衡方法，其特徵是，所述控制器（12）驅動輪盤（11）的能量E滿足公式：E=mV2+K=mgh=μF，其中E是驅動需要的總能量，m是球體（3）的質量，V是輪盤（11）的速度，K是傳動損耗，g是重力加速度，h是小球離頂點的高度，μ是摩擦係數，F是球體（3）的壓力當球體3距輪盤11中點較近時，壓力F的大小可以忽略不計，通過上式，加上一個傳動損耗K，可以使球體3運動到中點或最高點，並保持相對穩定。傳動損耗K為經驗值，可以根據有限次的調試進行估算，不是一個確定的數值。為儘量消除傳動損耗K帶來的影響，所有工件在製作過程中，要求精細加工，確保運動部件的運行穩定，同時運行前需要把裝置調至水平狀態。

實施方式

如圖1所示，為《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》所述演示球體平衡裝置結構示意圖，該發明所述演示平衡裝置包括：兩個相互平行設定的輪盤11及轉軸13，所述兩個輪盤11同軸安裝在轉軸13上，在轉軸13的驅動下輪盤11一起旋轉。在輪盤11的外邊緣上設定有彈性的摩擦圈10，摩擦圈10將輪盤11的外邊緣包覆在內，起到保護輪盤11的作用。該發明所述演示平衡裝置，在兩個輪盤11上設定有自由移動的球體3，球體3直接與摩擦圈10接觸，在球體3兩側對稱或不對稱設定有限定球體3移動位置的防護輥1，所述防護輥1中心位置安裝有軸承2，在軸承2的作用下，防護輥1可以在摩擦圈10和輪盤11上自由轉動。在重力作用下，防護輥1和輪盤11限定了球體3的運動軌跡。所述兩個輪盤11之間的間距D與球體3半徑R之間的幾何關係為：R＜D＜2R，這樣確保球體3一直滯留在兩個輪盤11之間，不至於滑落或掉入兩者間隙中。該發明所述演示平衡裝置，還包括感測器4及控制器12，感測器4與控制器12通過導線聯通，所述感測器4檢測球體3的位置，讓球體3沿輪盤11外邊緣運動，並運動至最高點位置時穩定下來。該發明所述演示平衡裝置，還包括電機8和主體支架9，所述電機8安裝固定在主體支架9上，電機8驅動轉軸轉動，進而驅動輪盤11一起運動。該發明所述演示平衡裝置，在主體支架9上設定有防護架5，所述感測器4安裝固定在防護架5上。所述控制器12安裝固定在主體支架9上。該發明所述演示平衡裝置，還包括聯軸器6，所述聯軸器6設定在電機8輸出端以及輪盤11的轉軸之間，通過聯軸器6，電機8輸出端將動力傳至輪盤11的轉軸上，並驅使其轉動。如圖2和圖3所示，該發明所述防護輥1包括防護輥本體101，在防護輥本體101中心位置設定有安裝軸承2的中心孔，在防護輥本體101中部設定有弧形的限位部103，所述限位部103限制了球體3的運動。在限位部103中部還設定有多個防護槽104，防護槽104內安裝有彈性圈（圖中未示出），所述彈性圈與運動中的球體3直接接觸，這樣不僅利用彈性圈的彈性起到緩衝的作用，同時減小對防護輥1的傷害，提高其使用壽命。

《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》所述演示平衡裝置，其工作方法如下：步驟一：啟動過程；將球體3置於兩個防護輥1中任一個上，球體3在防護輥1及兩個輪盤11限位下靜止不動，接通電源，讓電機8啟動運行20-30秒後，斷開電源，電機8停止轉動，球體3因慣性作用一直沿兩個輪盤11邊沿向上滾動；步驟二：檢測位置及位置修正；球體3一直沿兩個輪盤11邊沿向上滾動，運行一段距離後，感測器4檢測到球體3的位置，感測器4把數據傳給控制器12，控制器12根據球體3的位置調節輪盤11的轉速和轉向，使球體3到達輪盤11的頂點位置，並穩定下來；步驟三：頂點位置維持；當球體3從頂點位置在重力作用下下滑時，感測器4把球體3是否偏離頂點位置傳給控制器12，控制器12根據感測器4數據，調整輪盤11的轉向及轉速，重複步驟二，直至球體3保持在輪盤11的頂點位置；步驟四：重新演示；當觀眾需要重新觀看球體3從防護輥1上運行到輪盤11頂點的現象，重複步驟一至步驟三。控制器12的工作過程如下：當感測器4接通電源後，一直採集數據並將數據適時傳送給控制器12，控制器12根據所接收的數據，轉換成球體3與感測器4之間的距離，根據幾何與物理知識所知，可算出球體3與輪盤11頂部的高度，而球體3從低處往高處運動，需要的能量E是由輪盤11提供的，再根據摩擦係數μ的大小，算出輪盤11的轉速，通過多次調試上球的轉速，找到中間值。運行時，球體3運動到輪盤11的中點後，球體3的慣量減至最小。此時有兩種情況，一種是球體3未到中點，控制器12會根據球體3離中點的距離，給一個與距離相關的正向轉速v給輪盤11；另一種是球體3超過中點，則控制器12會給一個反向轉速v給輪盤11。這樣如此反覆，最終實現球體3在輪盤11上動態平衡，即最終穩定下來。

榮譽表彰

2021年8月16日，《一種球體平衡裝置及球體平衡方法》獲得安徽省第八屆專利獎優秀獎。