CN103587724A - 一种基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，通过将主动隔振技术、被动隔振技术、空间六自由度并联运动机构优化设计、柔性机构设计等多种方法相结合，设计了一种能够刚性传递低频姿态控制信号，衰减高频干扰信号并且无谐振的六自由度隔振平台。隔振平台集成了控制力矩陀螺群，将控制力矩陀螺群产生的多自由度扰动转变为六个独立的单方向线振动，每个伸缩杆的结构设计完全相同，均集成一个主动隔振单元和一个被动隔振单元，分别隔离六个独立线振动。

Description

一种基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台

技术领域

本发明涉及并联机构、多体系统动力学与控制、振动隔离等科学技术，应用于航天器姿态控制及其振动隔离领域，尤其是一种六自由度隔振平台。

背景技术

航天器在轨运行期间，星上转动部件高速转动（飞轮、陀螺等）、大型可控构件驱动机构步进运动、变轨调姿期间推力器点火工作、大型柔性结构进出阴影冷热交变诱发扰动等都会使星体产生一种幅值较小、频率较高的抖动响应，该抖动响应称为航天器微振动。由于微振动动力学环境响应幅值小，对大部分航天器不会产生明显影响，通常予以忽略。但随着新一代高分辨卫星发展，微振动严重影响有效载荷指向精度、稳定度及分辨率等重要性能指标。柔性附件（太阳翼、天线）的振动、液体晃动主要引起低频扰动。高频部分主要是由于星体内部的控制力矩陀螺/反作用轮、磁带机、低温制冷器等工作时引起。一般情况下，上述的振动干扰中，卫星姿轨控系统能够补偿低频扰动（一般1Hz以下），但是对于高频扰动却无能为力。作为航天器姿态控制用的惯性执行部件——控制力矩陀螺和飞轮，引起的高频扰动（尤其在20Hz-200Hz）对于卫星的指向精度和稳定度等指标影响更为明显。控制力矩陀螺与飞轮相比，其输出力矩远大于飞轮的（通常数百倍以上），具有较高的能效比，对于大型长寿命航天器，控制力矩陀螺是最为理想的姿态控制执行机构。因此，极有必要对控制力矩陀螺产生的振动干扰进行控制和隔离。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明公开一种能够刚性传递低频姿态控制信号，衰减高频干扰信号并且无谐振的基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台。

为实现上述发明目的，本发明基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台可采用如下技术方案：

一种基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，包括下平台、上平台及连接上、下平台的六个并联的伸缩杆；所述伸缩杆设有连接上平台的第一连接部、连接下平台的第二连接部、主动隔振单元、被动隔振单元，其中主动隔振单元及被动隔振单元位于第一连接部及第二连接部之间；所述主动隔振单元包括作动器，该作动器为压电陶瓷片叠堆而成的压电堆栈；所述被动隔振单元包括围绕有阻尼套的导杆、收容导杆及阻尼套并与阻尼套摩擦接触的缸套、及弹簧；所述导杆的尾部向外延伸有第一台阶部，缸套的尾部向外延伸有第二台阶部，弹簧套在阻尼套上并且弹簧的两端分别抵靠第一台阶部及第二台阶部。

与背景技术相比，本发明基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台设计主动隔振单元和被动隔振单元，两者串联，控制力矩陀螺群的输出力信号，首先经过主动隔振单元抵消抑制，然后经过被动隔振单元衰减，最后传递至与卫星本体相连的下平台。采用串联方式连接，可以提高隔振的可靠性，当主动隔振单元失效或者停止工作时，伸缩杆的刚度由被动隔振单元的刚度决定，此时隔振平台仍然能够隔离高频扰动。被动隔振单元包含弹簧部分和阻尼部分，两部分以同轴并联方式连接，弹簧部分储存和释放振动能量，阻尼部分耗散振动能量。

所述上平台与伸缩杆的第一连接部均按圆周分布，相邻第一连接部的夹角α＝30°，下平台与伸缩杆的第二连接部均按圆周分布，相邻的第二连接部的夹角β＝90°，上平台的半径r_a、下平台的半径r_b、伸缩杆的长度L的值之比为1:1.42:1。此时，Stewart平台力传递的耦合性最低，而且避免了力奇异性，不会因为干扰力的微小变化引起主动控制力很大的变化，既降低了主动隔振控制的难度，又提高了主动控制精度。

所述第一连接部为柔性球铰、第二连接部为柔性虎克铰。采用柔性球铰4和柔性虎克铰5代替一般铰链，Stewart平台成为一个六自由度柔性机构。以柔性铰链的变形产生运动自由度，可以消除了传动的间隙和摩擦，避免部件相对运动时的碰撞，能够将伸缩杆的运动平稳地传递至上平台，有效地提高隔振平台中主动隔振单元的控制精度。柔性铰链的变形量在μm级，与控制力矩陀螺群产生的扰动量级一致，完全适用于航天器隔振的应用场合。所述作动器的两端分别连接左连接座及右连接座，所述左连接座连接柔性球铰，右连接座连接阻尼套的尾部；所述导杆的尾部连接柔性虎克铰。

该基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台还包括IMU惯性测量单元、信号处理模块、控制运算器、功率放大模块；所述主动隔振单元的压电堆栈集成力传感器，该力传感器连接信号处理模块。

附图说明

图1为本发明基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台的整体结构图。

图2为本发明基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台的机电系统原理图。

图3为本发明基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台的构型简图。

图4为本发明中伸缩杆的结构图。

图5为本发明基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台的隔振效果测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Stewart并联机构(也称Stewart平台)是一种空间六自由度并联机构，由上下两个平台和六个并联的自由伸缩杆组成，每条伸缩杆通过两个球铰或者一个球铰和一个虎克铰与上下两平台相连。该机构本身的下平台（基座）静止不动，通过控制六个伸缩杆独立运动，可使上平台（动平台）获得需要的位置和姿态。相比串联机构，Stewart平台具有一些固有的优势，包括更大的刚度质量比，更高的基频，可以承受相对较大的负载；更强的动态性能和稳定性；以及更高的运动精度，能完成精密级任务。自1965年被提出以来，其运动学、奇异性、工作空间与灵巧性、动力学与控制、平台的设计与开发等方面均得到深入而广泛的研究。Stewart平台可以将六个移动自由度转变为三个位置和三个方向自由度，若将六个伸缩杆替换成单自由度隔振器，则该机构成为六自由度隔振装置，能够对有效载荷（敏感设备、控制力矩陀螺等）实现六自由度隔振，特别是基于高精度微位移作动器的Stewart平台，既可以充分隔振，又可以对敏感载荷进行精确姿态操作。本发明即公开了一种基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台。

请参阅图1至图4所示，本发明公开基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，包括下平台2、上平台1及连接上、下平台的六个并联的伸缩杆3。隔振平台的每条伸缩杆3由主动隔振单元和被动隔振单元两部分组成。被动隔振单元的核心部件是弹簧阻尼器，弹簧部分则是金属压缩弹簧3.10，阻尼部分包括缸套3.7、支撑套3.9、导杆3.11、阻尼套3.15、垫片3.8、内六角圆柱头螺钉3.14。导杆3.11左端安装有阻尼套3.15，可以在缸套3.7内左右滑动，依靠摩擦产生阻尼作用，支撑套3.9采用固体自润滑材料制成，通过螺纹配合与缸套3.7连接，用以支撑导杆3.11在缸套3.7的内的直线运动，保证运动的平稳性。由于弹簧阻尼器集成度较高，装配顺序略为复杂，首先装配缸套组件，在缸套3.7右端的螺纹孔中旋入支撑套3.9，其两侧螺纹孔中旋入两个内六角紧定螺钉3.13，锁紧支撑套3.9，防止松动；然后安装弹簧部分，从缸套3.7右端套入弹簧3.10，导杆3.11插入缸套3.7中，使其左端面与弹簧3.10端面接触；最后安装阻尼部分，从缸套3.7左端孔中装入阻尼套3.15，并使阻尼套3.15右端面与导杆3.11的轴肩接触，再经过缸套3.7左端通孔安装垫片3.8并旋入螺钉3.14。主动隔振单元的核心元器件是作动器3.4，该作动器是由压电陶瓷片叠堆而成的压电堆栈构成，同时压电堆栈集成力传感器，用于精确控制压电堆栈的输出力。信号传输线从侧边引出，包括外部电压信号输入线和力传感器信号输出线。压电堆栈的左端连接螺纹头，通过球铰连接盘3.1、左连接座3.3、内六角圆柱头螺钉3.2、内六角紧定螺钉3.18、全金属锁紧螺母3.19与柔性球铰4相连。压电堆栈右端钻螺纹孔，通过右连接座3.5、内六角圆柱头螺钉3.6和3.17与被动隔振单元相连。安装顺序为：依次在压电堆栈左端套入连接器3.3，在螺纹头上安装锁紧螺母3.19，在左连接座3.3左侧安装连接盘3.1，通过六个螺钉3.2将连接座3.3和连接盘3.1相连。在完成主被动隔振伸缩杆后，在其两端分别安装柔性球铰4和柔性虎克铰5，两铰链均采用螺纹配合与伸缩杆3连接，同时采用紧定螺钉3.18和3.12锁紧防松。

设计柔性球铰4和柔性虎克铰5时，通过改变零件关键部位的厚度和截面形状，以获得较低的弯曲和扭转刚度，增加主动控制的效力，因为旋转刚度将决定系统的零点。同时，仍需保证较高的轴向刚度和剪切刚度，较高的轴向刚度保证伸缩杆的控制力可以完全传递，而较高的剪切刚度可以提高伸缩杆的模态，因为这些模态将降低高频隔振性能。

四个控制力矩陀螺按金字塔形式分布在隔振平台的上平台1上，信号源和驱动系统控制陀螺群运动，下平台2与卫星本体连接，陀螺群产生的控制力矩将通过六个伸缩杆3传递至下平台2。同时隔振平台将多自由度干扰振动转变为六个独立的单方向线振动，被六个独立的伸缩杆3分别隔离，每个伸缩杆3的结构设计完全相同，均集成一个主动隔振单元和一个被动隔振单元。主动控制单元还需配置力传感器、IMU惯性测量单元、信号处理模块、控制运算器、功率放大模块等功能性部件。IMU单元获取上平台1的三维加速度和三维角速度信号，经过信号处理、运算，输出主动控制律，经过数模转换和功率放大后输入主动隔振单元。

请继续结合图3所示，对Stewart平台的构型和尺度进行优化前提是导出该机构的力雅可比矩阵，假定两个参考系分别与上平台和下平台固连，称为动坐标系和静坐标系。每条伸缩杆与动平台的连接点在动坐标系中的矢径记为：a₁，…，a₆，与基座的连接点在静坐标系中的矢径记为：b₁，…，b₆。这些矢量的坐标形式如下：

$a_{2i-1}=\left(\begin{array}{c}{r}_a\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{3}(i-1)+\frac{\mathrm{\π}}{12})\\ r_a\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}(i-1)+\frac{\mathrm{\π}}{12})\\ 0\end{array}\right),a_{2i}=\left(\begin{array}{c}{r}_a\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{3}i-\frac{\mathrm{\π}}{12})\\ r_a\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}i-\frac{\mathrm{\π}}{12})\\ 0\end{array}\right),(i=\mathrm{1,2,3})$

$b_{2i-1}=\left(\begin{array}{c}{r}_b\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{3}(i-1)+\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ r_b\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}(i-1)+\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ 0\end{array}\right),b_{2i}=\left(\begin{array}{c}{r}_b\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{3}i-\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ r_b\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{3}i-\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ 0\end{array}\right),(i=\mathrm{1,2,3})$

动坐标系相对静坐标系的姿态用选择矩阵R表示，其原点在静坐标系中矢径记为P，L_i为第i个伸缩杆的长度，e_i为单位向量，表示第i个驱动关节在静坐标系中的方向。建立矢量方程：

L_ie_i＝P+Ra_i-b_i(i＝1,…,6)            (1)

式(1)对时间求导后，等号两边同时与e_i点积，得到伸缩杆的速度表达式：

${\stackrel{\·}{L}}_i=v\·e_i+\mathrm{\ω}\×\left({\mathrm{Ra}}_i\right)\·e_i,(i=1,\·\·\·,6)---\left(2\right)$

其中v是P对时间的导数，即上平台中心的移动速度，ω是上平台的角速度。式(2)可写成如下形式：

$\left\{{\stackrel{\·}{L}}_i\right\}=\left[\begin{array}{cc}{e}_i^T& {(\left({\mathrm{Ra}}_i\right)\×e_i)}^T\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}v\\ w\end{array}\right\},(i=1,\·\·\·6)---\left(3\right)$

式(3)中 $\left[\begin{array}{cc}{e}_i^T& {(\left({\mathrm{Ra}}_i\right)\×e_i)}^T\end{array}\right]$ 为速度雅可比J的第i行。根据Stewart平台的动力学方程的一般形式

${\left(J^T\right)}^{-1}f=M_t\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C_t(q,\stackrel{\·}{q})+G_t\left(q\right)---\left(4\right)$

知力雅可比J_F是速度雅可比J的转置，式(4)中M_t(q)为工作空间负载的惯性矩阵，

为离心力和科氏力项；G_t(q)为负载的重力项，f为广义驱动力。

力传递各项同性的评价指标是力雅可比矩阵J_F的条件数

它反映了方程(4)对误差的敏感性。||·||是矩阵的范数，此时问题转化为无约束条件下的多元函数的最值问题，求取理论解较难，可以采用数值搜索法，经过大量的数值验证，得出结论：当r_a:r_b:L≈1:1.42:1时，矩阵条件数约为1.5（此时矩阵范数定义为2范数），接近最小值，按照该尺度进行设计的隔振平台具有良好力传递性能，设计时为了兼顾其他约束条件（如零部件结构强度对尺寸的要求、参数圆整等），将该比例控制在1:1.40:1～1:1.45:1之间。

在隔振平台的每个伸缩杆2中，设计主动隔振单元和被动隔振单元，两者串联，控制力矩陀螺群的输出力信号，首先经过主动隔振单元抵消抑制，然后经过被动隔振单元衰减，最后传递至与卫星本体相连的下平台2。采用串联方式连接，可以提高隔振的可靠性，当主动隔振单元失效或者停止工作时，伸缩杆的刚度由被动隔振单元的刚度决定，此时隔振平台仍然能够隔离高频扰动。被动隔振单元包含弹簧部分和阻尼部分，两部分以同轴并联方式连接，弹簧部分储存和释放振动能量，阻尼部分耗散振动能量。

隔振平台的伸缩杆2与上、下平台之间采用柔性机构连接，上平台1与伸缩杆3之间用柔性球铰4连接，下平台2与伸缩杆3之间用柔性虎克铰5连接。采用柔性球铰4和柔性虎克铰5代替一般铰链，Stewart平台成为一个六自由度柔性机构。以柔性铰链的变形产生运动自由度，可以消除了传动的间隙和摩擦，避免部件相对运动时的碰撞，能够将伸缩杆的运动平稳地传递至上平台，有效地提高隔振平台中主动隔振单元的控制精度。柔性铰链的变形量在μm级，与控制力矩陀螺群产生的扰动量级一致，完全适用于航天器隔振的应用场合。

请参阅图5所示，采用多体动力学软件ADAMS和科学计算软件Matlab联合仿真，PID为控制架构，以10Hz、10-4g的低频航天微振动为例，作为控制力矩陀螺群的输出扰动信号，该扰动信号进过隔振平台后，幅值衰减至10-5g，降低了一个量级，图中横轴表示时间（秒），纵轴表示加速度（m/s2），表明本发明的六自由度隔振平台具有良好的隔振性能。

Claims (5)

1.一种基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，包括下平台、上平台及连接上、下平台的六个并联的伸缩杆；其特征在于：所述伸缩杆设有连接上平台的第一连接部、连接下平台的第二连接部、主动隔振单元、被动隔振单元，其中主动隔振单元及被动隔振单元位于第一连接部及第二连接部之间；

所述主动隔振单元包括作动器，该作动器为压电陶瓷片叠堆而成的压电堆栈；

所述被动隔振单元包括围绕有阻尼套的导杆、收容导杆及阻尼套并与阻尼套摩擦接触的缸套及弹簧；所述导杆的尾部向外延伸有第一台阶部，缸套的尾部向外延伸有第二台阶部，弹簧套在缸套上并且弹簧的两端分别抵靠第一台阶部及第二台阶部。

2.如权利要求1所述的基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，其特征在于：所述上平台与伸缩杆的第一连接部均按圆周分布，相邻第一连接部的夹角α=30°，下平台与伸缩杆的第二连接部均按圆周分布，相邻的第二连接部的夹角β=90°，上平台的半径r_a、下平台的半径r_b、伸缩杆的长度L的值之比为1:1.40:1～1:1.45:1。

3.如权利要求1或2所述的基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，其特征在于：所述第一连接部为柔性球铰、第二连接部为柔性虎克铰。

4.如权利要求1或2所述的基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，其特征在于：该基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台还包括IMU惯性测量单元、信号处理模块、控制运算器、功率放大模块；

所述主动隔振单元的压电堆栈集成力传感器，该力传感器连接信号处理模块。

5.如权利要求3所述的基于Stewart并联机构的六自由度隔振平台，其特征在于：所述作动器的两端分别连接左连接座及右连接座，所述左连接座连接柔性球铰，右连接座连接阻尼套的尾部；所述导杆的尾部连接柔性虎克铰。

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