CN103386680A - 一种并联式二自由度指向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并联式二自由度指向装置，包括安装底板、基座、驱动机构及传动机构；基座设置在安装底板上，周向均匀安装三套传动机构；传动机构中，传动轴与基座间轴承连接，通过编码器读取传动轴的转动角度及转动位置；传动轴上固连有下连杆，下连杆与上连杆轴承连接；上连杆与下连杆均具有内向弧度。三套传动机构中的上连杆末端均具有安装面，安装面间通过轴承连接，用来安装任务载荷。三套传动机构中的转动轴通过驱动机构驱动，实现转动，由此可带动下连杆转动，通过下连杆的转动带动上连杆转动，最终使任务载荷可以随同上连杆做二自由度球面转动运动。本发明可实现传动机构绕固定点O的二自由度转动，且具有较强的承载能力。

Description

一种并联式二自由度指向装置

技术领域

本发明涉及一种精密仪器装置，属于机器人和设备以及机械制造领域，具体来说，是一种并联式二自由度指向装置。

背景技术

指向装置常常应用在视频调向监控、雷达调向发射和接收、天文望远镜调姿、仿真转向平台等多种领域。常规的指向装置结构均采用了传统串联万向架形式，这种形式承载能力稍差，但结构简单看，生产制造成本低。相比之下，具有并联式结构的指向装置因其刚度大、精度高、承载能力强、运动惯量小等特点，越来越得到广泛应用。

随着科技的发展、技术的提高，指向装置的承载要求也越来越高，一些并联式的二自由度指向装置只具有两个运动支链，由于其在结构上不是完整对称，导致了每个支链的承载分配不均，引发了使用过程中的非线性。具有结构及载荷对称分布的并联指向装置，不但有较高的承载能力，还提高了指向装置的可靠性。目前，国内虽有此类机构的相关研究，但均限于理论分析，尚无实际应用实例；国内已有的指向装置中绝大多数仍采用传统万向架形式，不利于承载较大载荷。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种并联式二自由度指向装置，包括安装底板、基座、传动机构与驱动机构；其中，基座固定安装在安装底板上。传动机构有三套，均包括传动轴、编码器、限位块以及由下连杆、上连杆构成的运动支链；三套传动机构均匀安装在基座周向上，与基座间安装方式相同，具体为：传动轴通过轴承水平安装在基座侧壁上；通过传动轴、轴承构成转动副A；编码器的内轴与传动轴外端螺纹固连，用来读取传动轴的转动角度及转动位置。所述上连杆与下连杆均为向内弯曲的弧形连杆；其中，下连杆的固定端固定套接在传动轴上；下连杆的连接端通过轴承与上连杆的连接端相连，形成转动副B；上连杆的固定端为中心具有通孔的连接面；通过上述安装方式将三套传动机构与基座安装后，在基座上形成共三个转动副A与三个转动副B；且三套传动机构中上连杆的固定端间相连形成两个转动副C，实现三套传动机构中上连杆的固定端间的相对转动。

所述驱动机构具有三套，均包括驱动电机、电机座与摆杆，分别用来驱动三套传动机构运动，三套驱动机构分别对应三套传动机构，以相同方式进行安装，具体为：电机座固定安装在安装底板上，且固连有驱动电机，并使驱动电机的轴线与传动轴的轴线同轴；摆杆的轴线与驱动电机的轴线平行设置，两端设计有连接面，分别与驱动电机的输出轴和下连杆的外侧面固连。

由此通过三套驱动机构中的驱动电机分别驱动三套传动机构中的转动轴转动，可带动下连杆转动绕转动副A转动，通过下连杆的转动带动上连杆绕转动副B转动，最终使任务载荷可以随同上连杆做二自由度球面转动运动。

本发明的优点在于：

1、本发明并联式二自由度指向装置能够实现绕固定点的二自由度转动运动；

2、本发明并联式二自由度指向装置具有三个运动支链，具有较大的刚度和较强的承载能力；

3、本发明并联式二自由度指向装置在传动机构内部形成一定的容腔空间，可以容纳传感器、敏感头等附件；

4、本发明并联式二自由度指向装置采用了高精度导向滑轨做定位装置，提高了装配的可靠性，确保驱动电机与传动轴之间的同轴度；

5、本发明并联式二自由度指向系统采用了高刚性摆杆做联轴器，提高了驱动机构的响应速度，利于高速跟踪指向；

6、本发明并联式二自由度指向装置在结构上只采用了转动副，结构简单，易于制造，成本低，利于推广应用。

附图说明

图1为本发明指向装置整体结构示意图；

图2为本发明指向装置中导轨安装方式示意图；

图3为本发明指向装置中基座结构示意图；

图4为本发明指向装置中传动机构结构示意图；

图5为本发明指向装置中驱动机构结构示意图；

图6为本发明指向装置中驱动机构摆杆结构示意图。

图中：

1-安装底板     2-基座         3-传动机构          4-驱动机构

101-导轨       201-中心支座   202-传动机构安装块  203-凹槽

204-定位槽A    301-传动轴     302-编码器          303-限位块

304-下连杆     305-上连杆     401-驱动电机        402-电机座

403-摆杆       404-定位槽B    405-固定连接面A     406-固定连接面B

具体实施方式

下面将结合附图所示和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明并联式二自由度指向系统，包括安装底板1、基座2、传动机构3与驱动机构4，如图1所示；其中，安装底板1为板状结构，开有线缆走线孔。安装底板1上表面上周向均布有三条沿安装底板1径向设置的导轨101，如图2所示，三条导轨101的轴线相交于安装底板1中心点。安装底板1上安装有基座2与驱动机构4；基座2用来连接传动机构3；驱动机构4用来驱动传动机构3。

所述基座2包括筒状结构的中心支座201，以及沿中心支座201周向上均匀设计的三个与中心支座201一体的传动机构安装块202，如图3所示；其中，传动机构安装块202内侧面与中心支座201外侧壁相接，传动机构安装块202上开有凹槽203，凹槽203沿中心支座201周向设计，且贯通于传动机构安装块202的左右两侧面。三个传动机构安装块202下表面具有贯通整个基座2径向的定位槽A204，分别与安装底板1上的三条导轨101过渡配合安装，实现基座2与安装底板1间的固定。上述结构基座2中，每个传动机构安装块202用来以相同方式安装一套传动机构3，以其中一套传动机构3与传动机构安装块202间的安装方式进行说明，具体如下：

传动机构3包括传动轴301、编码器302、限位块303以及由下连杆304、上连杆305构成的运动支链，如图4所示。其中，传动轴301两端分别通过轴承安装在传动机构安装块202上的凹槽203内，通过传动轴301、轴承构成转动副A；传动轴301的轴线与凹槽203的轴线垂直，且与传动机构安装块202底面上的定位槽A204竖直对称面重合。所述编码器302的固定法兰通过螺钉固定在传动机构安装块202的外侧面上，由此使编码器302的外壳及内部的读数装置固定不动；而编码器302的内轴通过螺钉与传动轴301轴向螺纹固连，确保传动轴301与编码器302内轴同步转动；由此，当传动轴301转动时，通过编码器302的读数装置能够准确读出传动轴301的转动角度及转动位置。所述运动支链中，上连杆305与下连杆304均为向内弯曲的弧形连杆；其中，下连杆304固定端固定套接在传动轴301上；下连杆304连接端通过轴承与上连杆305的连接端轴承连接，形成转动副B。上连杆305的固定端为中心具有通孔的连接面，采用法兰结构，与安装底板1平行。所述限位块303安装在传动机构3安装座的凹槽203内，位于下连杆304下方，用来限制下连杆304的转动范围，防止下连杆304在转动过程中与基座2相撞。

通过上述安装方式将三套传动机构3分别对应三个传动机构安装块202进行安装后，在基座2上形成共三个转动副A与三个转动副B；同时，将三套传动机构3中的三个上连杆305固定端的法兰结构设计在不同层面上，并通过轴承相互相连，形成两个转动副C，使三套传动机构3中三个上连杆305的固定端间可相对转动。上述三套传动机构3中三个上连杆305固定端中心通孔同轴，形成安装固定传感器、探头、跟踪仪等精密装置以实现测姿及监控等任务载荷的空间，而载荷可固定在任意一套传动机构3中上连杆305固定端上。上述结构中，还需保证三个转动副A、三个转动副B以及两个转动副C的转动轴线均相交于通过基座2的竖直中轴线上的一点O；由此转动轴的转动可带动下连杆304转动绕转动副A转动，通过下连杆304的转动带动上连杆305绕转动副B转动，最终使任务载荷可以随同上连杆305绕点O做二自由度球面转动运动。

所述驱动机构4具有三套，均包括驱动电机401、电机座402与摆杆403，分别用来驱动三套传动机构3运动，如图5所示，三套驱动机构4分别对应三套传动机构3以相同方式进行安装，以其中一套驱动机构4的安装方式为例进行说明，具体如下：电机座402上通过螺钉同轴固连有驱动电机401，电机座402底面沿驱动电机401的轴向开有定位槽B404，使驱动电机401的轴线与定位槽B404的竖直对称面重合。定位槽B404与导轨101间过渡配合后，固定安装在安装底板1上，且使电机座402的轴线与传动机构3中传动轴301的轴线到安装底面的垂直距离相等；由此通过导轨101可保证驱动电机401的轴线与传动轴301的轴线间具有较高精度的同轴度。所述摆杆403两端分别具有相互平行的固定连接面A405与固定连接面B406，如图6所示；其中，固定连接面A405与驱动电机401的输出轴同轴固连；固定连接面B406与传动机构3中下连杆304的外侧面固连，并使摆杆403的轴线与驱动电机401的轴线平行。上述驱动电机401装配有高精度减速器，可以保证驱动电机401具有较小的转动回差及较高的定位精度。

通过上述结构形成本发明整体并联式二自由度指向系统，令三套驱动机构4分别为第一驱动机构、第二驱动机构与第三驱动机构；三套驱动机构4对应连驱动的三套传动机构3分别为第一传动机构、第二传动机构与第三传动机构；由此，在工作时，第一驱动机构中，通过驱动电机401带动摆杆403转动，摆杆403将力矩及速度传递给下连杆304，使下连杆304绕转动副A转动，并将动力通过转动副B传递给上连杆305，使上连杆305转动；由此在上连杆305转动的同时带动上连杆305固定端的法兰结构上的任务载荷沿中心点为O点处的球面上的一个固定方向运动。同理，第二驱动机构中，驱动电机401带动摆杆403转动，摆杆403将力矩及速度传递给下连杆304，使下连杆304绕转动副A转动，并将动力通过转动副B传递给上连杆305，使上连杆305转动；由此在上连杆305转动的同时带动上连杆305固定端的法兰结构上的任务载荷沿中心点为O点处的球面上的另一个固定方向运动。而在第一驱动机构与第二驱动机构工作的过程中，第一驱动机构与第二驱动机构中的上连杆305与下连杆304均随着任务载荷的位姿变化而不断变化运动；则第三驱动机构中，驱动电机401只需要输出很小的力矩使下连杆304一并转动即可；若任务载荷较大或者运动速度较快时，则第三驱动机构仅需要适当增大输出力矩带动下连杆304转动即可。由此可见，三套驱动机构4中，可令其中一个驱动机构4作为冗余驱动机构，在任务载荷低负载及低速运动情形下，只需两个驱动机构输出较大转矩，另一个驱动机构4工作为随动工作状态或输出较小力矩；在任务载荷高负载及高速运动情形下，三个驱动机构4同步运动，均输出较大转矩，确保瞬间有足够的转动力矩驱动任务载荷的运动。

本发明中三套传动机构3中的编码器302分别用来检测并计算下连杆304的摆动角度及摆动位置；由此根据三套传动机构3中下连杆304的的转动角度及摆动位置后，控制驱动电机401产生速度和力矩变化，驱动下连杆304转动不断改变其位置直至目标位置。

Claims (7)

1.一种并联式二自由度指向装置，其特征在于：包括安装底板、基座、传动机构与驱动机构；其中，基座固定安装在安装底板上；传动机构有三套，均包括传动轴、编码器、限位块以及由下连杆、上连杆构成的运动支链；三套传动机构均匀安装在基座周向上，与基座间安装方式相同，具体为：

传动轴通过轴承水平安装在基座侧壁上；通过传动轴、轴承构成转动副A；编码器的内轴与传动轴固连，用来读取传动轴的转动角度及转动位置；所述上连杆与下连杆均为向内弯曲的弧形连杆；其中，下连杆的固定端固定套接在传动轴上；下连杆的连接端通过轴承与上连杆的连接端相连，形成转动副B；上连杆的固定端为中心具有通孔的连接面；通过上述安装方式将三套传动机构与基座安装后，在基座上形成共三个转动副A与三个转动副B；且三套传动机构中上连杆的固定端间相连形成两个转动副C，实现三套传动机构中上连杆的固定端间的相对转动；

所述驱动机构具有三套，均包括驱动电机、电机座与摆杆，分别用来驱动三套传动机构运动，三套驱动机构分别对应三套传动机构，以相同方式进行安装，具体为：电机座固定安装在安装底板上，且固连有驱动电机，并使驱动电机的轴线与传动轴的轴线同轴；摆杆的轴线与驱动电机的轴线平行设置，两端设计有固定连接面，分别与驱动电机的输出轴和下连杆的外侧面固连。

2.如权利要求1所述一种并联式二自由度指向装置，其特征在于：所述三套传动机构分别通过基座周向上均匀设计的三个传动机构安装块，实现传动机构中传动轴、编码器与基座间的安装，具体为：传动机构安装块上开有凹槽，凹槽沿基座周向设计，且贯通于传动机构安装块的左右两侧面；传动轴安装在凹槽内，轴线与凹槽的轴线垂直；所述编码器固定在传动机构安装块的外侧面上。

3.如权利要求1所述一种并联式二自由度指向装置，其特征在于：所述安装底板上周向均布有三条沿安装底板径向设置的导轨，三条导轨的轴线相交于安装底板中心点，用来保证驱动电机与传动轴间的同轴度；具体方式为：在基座底面轴向均匀开设有三条沿基座径向设计的定位槽A，且使三条定位槽A的竖直对称面分别与三套传动机构中的传动轴轴线重合；三条定位槽A分别与三条导轨间配合固定，三套驱动机构中，电机座与驱动电机输出轴同轴设置，使电机座的轴线与传动机构中传动轴的轴线到安装底面垂直距离相等；电机座底面上沿驱动电机的轴向开有定位槽B，使定位槽B的竖直对称面与驱动电机的轴线重合；三套驱动机构中，电机座底面上定位槽B分别与导轨间配合固定。

4.如权利要求1所述一种并联式二自由度指向装置，其特征在于：所述三个转动副A、三个转动副B以及两个转动副C的转动轴线均相交于基座的竖直中轴线上的一点O。

5.如权利要求1所述一种并联式二自由度指向装置，其特征在于：所述上述三套传动机构中的上连杆固定端的连接面为水平设置，位于不同层面上，且连接面上的通孔同轴。

6.如权利要求1所述一种并联式二自由度指向装置，其特征在于：所述三套传动机构中下连杆下方均设置有限位块。

7.如权利要求1所述一种并联式二自由度指向装置，其特征在于：所述驱动电机装配有高精度减速器。

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