CN103851315B - 一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，该指向机构的俯仰驱动组件（1）、旋转驱动组件（2）、支撑箱体（7）安装在底座（4）上，俯仰组件（5）与方位旋转组件（6）置于支撑箱体（7）内，指向夹持组件（3）位于支撑箱体（7）的上方，第一位移传感器（10A）、第二位移传感器（10B）安装在支撑箱体（7）的盖板上。本发明的指向机构的旋转运动的中心轴线与俯仰运动的中心轴线相交于虚拟转动中心点上，且虚拟转动中心点位于机械本体的外部，虚拟运动中心处没有铰链设置，能够实现指向机构的转动范围大、转动速度和加速度高，而且有效承载的负载更大。

Description

一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构

技术领域

本发明涉及一种定位指向机构，更特别地说，是指一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构。

背景技术

指向机构的应用较为广泛，如激光发射瞄准装置、红外跟踪捕捉装置、天线搜索对准装置中都包含指向机构。指向精度是衡量指向机构性能的重要指标。指向机构一般具有两个自由度（空间上俯仰和旋转），在机构学上为一个两自由度转动平台，用于调整平台上有效载荷的姿态或空间指向。

目前，一般的指向机构速度较低，仅完成简单的定位。

传统指向平台的第一级转动为绕竖直轴的旋转运动，第二级转动放置于第一级转动上方，绕着水平轴旋转；两个转动互相解耦。但是由于串联结构，第二级的驱动系统变成了第一级转动的负载，不仅造成第一级驱动系统所需功率更大，而且也使其转动惯性变大。

发明内容

为了克服串联机构存在的缺点，本发明的目的是设计一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构。该机构将驱动部分全部放置在底座上，通过多个支链与运动平台相连接，从而控制平台进行运动。其结构刚度高，驱动部分可以选择较大功率的电机而不会对运动平台造成额外的附加质量。

本发明设计的一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，该并联快速指向机构能够实现360度的旋转运动和150度的俯仰运动。该并联快速指向机构包括有第一位移传感器（10A）、第二位移传感器（10B）、俯仰驱动组件（1）、旋转驱动组件（2）、俯仰组件（5）、方位旋转组件（6）、底座（4）、支撑箱体（7）；

底座（4）上设有第一限位槽（4A）、第二限位槽（4B）、第三限位槽（4C）、第四限位槽（4D）、第五限位槽（4E）、P轴承孔（4G），底座（4）的下方四角分别安装有四个橡胶底脚（4F）；

第一限位槽（4A）内安装有电机支架（1A）的A支撑板（1A2）；

第二限位槽（4B）内安装有俯仰驱动组件（1）中的电机支架（1A）的B支撑板（1A3）；

第三限位槽（4C）内安装有支撑箱体（7）的AD盖板（7D）；

第四限位槽（4D）内安装有支撑箱体（7）的AB盖板（7B）；

第五限位槽（4E）内安装有旋转驱动组件（2）中的BA盖板（2A）和BC盖板（2C）；

P轴承孔（4G）内安装有J轴承（5M），J轴承（5M）套接在丝杠（5F）的连杆段（5F2）上；

支撑箱体（7）包括有AA盖板（7A）、AB盖板（7B）、AC盖板（7C）、AD盖板（7D）、AE盖板（7E）、下隔板（7F）和上隔板（7G）；

其中，AA盖板（7A）与AC盖板（7C）的结构相同；AA盖板（7A）上设有A椭圆孔（7A1），该A椭圆孔（7A1）用于旋转驱动组件（2）中的第二同步带（2E）穿过；AC盖板（7C）上设有B椭圆孔（7C1），该B椭圆孔（7C1）用于俯仰驱动组件（1）中的第一同步带（1C）穿过；

其中，AB盖板（7B）与AD盖板（7D）的结构相同；AD盖板（7D）上设有上加强筋（7D1）、下加强筋（7D2），AA通孔（7D3）、AB通孔（7D4），上加强筋（7D1）用于支撑上隔板（7G）的一端，下加强筋（7D2）用于支撑下隔板（7F）的一端，AA通孔（7D3）用于安装第一位移传感器（10A），AB通孔（7D4）用于安装第二位移传感器（10B）；AB盖板（7B）与AD盖板（7D）相对放置，且AB盖板（7B）与AD盖板（7D）的下端固定在底座（4）上，AB盖板（7B）的上加强筋与AD盖板（7D）的上加强筋（7D1）用于支撑上隔板（7G）的两端，上隔板（7G）的两端通过螺钉固定在AB盖板（7B）与AD盖板（7D）的面板上；AB盖板（7B）的下加强筋与AD盖板（7D）的下加强筋（7D2）用于支撑下隔板（7F）的两端，下隔板（7F）的两端通过螺钉固定在AB盖板（7B）与AD盖板（7D）的面板上；

AE盖板（7E）上设有A轴承孔（7E1），该A轴承孔（7E1）用于放置A轴承（6C），A轴承（6C）套接在空心旋转轴（6A）的上轴套（6A2）上；AE盖板（7E）固定在AA盖板（7A）与AC盖板（7C）的上端；

下隔板（7F）上设有B轴承孔（7F1），该B轴承孔（7F1）用于放置I轴承（5L），I轴承（5L）套接在丝杠（5F）的连杆段（5F2）上；下隔板（7F）固定在AA盖板（7A）与AC盖板（7C）之间的下加强筋上；

上隔板（7G）上设有C轴承孔（7G1），该C轴承孔（7G1）用于放置B轴承（6D），B轴承（6D）套接在空心旋转轴（6A）的下轴套（6A3）上；上隔板（7G）固定在AA盖板（7A）与AC盖板（7C）之间的上加强筋上；

俯仰驱动组件（1）包括有第一电机（1B）、电机支架（1A）、第一同步带（1C）、第一主动同步带轮（1D）和第一从动同步带轮（1E）；

电机支架（1A）上设有横板（1A1）、A支撑板（1A2）和B支撑板（1A3），A支撑板（1A2）固定安装在底座（4）的第一限位槽（4A）中，B支撑板（1A3）固定安装在底座（4）的第二限位槽（4B）中，横板（1A1）上设有通孔（1A4），该通孔（1A4）用于第一电机（1B）的输出轴穿过；

第一电机（1B）固定在电机支架（1A）的横板（1A1）上，第一电机（1B）的输出轴穿过横板（1A1）上的通孔（1A4）后连接有第一主动同步带轮（1D），第一主动同步带轮（1D）与第一从动同步带轮（1E）之间套接有第一同步带（1C），第一从动同步带轮（1E）套接在丝杆（5F）的连杆段（5F2）上；第一从动同步带轮（1E）置于下隔板（7F）的下方；

旋转驱动组件（2）包括有第二电机（2D）、第二同步带（2E）、第二主动同步带轮（2F）、第二从动同步带轮（2G）、BA盖板（2A）、BB盖板（2B）和BC盖板（2C）；

BB盖板（2B）上设有通孔（2B1），该通孔（2B1）用于第二电机（2D）的输出轴穿过；

第二电机（2D）固定在BB盖板（2B）上，第二电机（2D）的输出轴穿过BB盖板（2B）上的通孔（2B1）后连接有第二主动同步带轮（2F），第二主动同步带轮（2F）与第二从动同步带轮（2G）之间套接有第二同步带（2E），第二从动同步带轮（2G）套接在空心旋转轴（6A）的轴肩（6A1）上；第二从动同步带轮（2G）置于A轴承（6C）与B轴承（6D）之间；

俯仰组件（5）包括有俯仰支架（5A）、摇杆（5B）、丝母（5C）、位置检测盘（5D）、导块（5E）、丝杠（5F）、第三轴（5G）、第四轴（5H）、第五轴（5J）、第六轴（5K）、E轴承（5G1）、F轴承（5H1）、G轴承（5J1）、H轴承（5K1）、I轴承（5L）、J轴承（5M）；

俯仰支架（5A）上设有A支撑臂（5A1）、B支撑臂（5A2）、横板（5A3）；横板（5A3）上安装有下夹具（3B）的横板（3B2）；A支撑臂（5A1）上设有F轴承孔（5A11）、G轴承孔（5A12），该F轴承孔（5A11）内安装有C轴承（6E1），C轴承（6E1）套接在第一轴（6E）上；该G轴承孔（5A12）内安装有E轴承（5G1），E轴承（5G1）套接在第三轴（5G）上；B支撑臂（5A2）的端部设有H轴承孔（5A21）、I轴承孔（5A22），该H轴承孔（5A21）内安装有D轴承（6F1），D轴承（6F1）套接在第二轴（6F）上；该I轴承孔（5A22）内安装有F轴承（5H1），F轴承（5H1）套接在第四轴（5H）上；

摇杆（5B）上设有A支撑臂（5B1）、B支撑臂（5B2）、C支撑臂（5B3）、D支撑臂（5B4）、E支撑臂（5B5）；

A支撑臂（5B1）上设有N轴承孔（5B11），该N轴承孔（5B11）内安装有第三轴（5G），第三轴（5G）上套接有E轴承（5G1），E轴承（5G1）安装在俯仰支架（5A）的A支撑臂（5A1）的G轴承孔（5A12）中；

B支撑臂（5B2）上设有O轴承孔（5B21），该O轴承孔（5B21）内安装有第四轴（5H），第四轴5H上套接有F轴承（5H1），F轴承（5H1）安装在俯仰支架（5A）的B支撑臂（5A2）的I轴承孔（5A22）中；

C支撑臂（5B3）上设有L轴承孔（5B31），该L轴承孔（5B31）内安装有第五轴（5J），第五轴（5J）上套接有G轴承（5J1），G轴承（5J1）安装在导块（5E）的K轴承孔；

D支撑臂（5B4）上设有M轴承孔（5B41），该M轴承孔（5B41）内安装有第六轴（5K），第六轴（5K）上套接有H轴承（5K1），H轴承（5K1）安装在导块（5E）的J轴承孔（5E2）中；

丝母（5C）上设有C丝孔（5C1），该C丝孔（5C1）用于与丝杠（5F）的丝杆段（5F1）配合，实现将丝母（5C）套接在丝杠（5F）的丝杆段（5F1）上；

位置检测盘（5D）的中心是B丝孔（5D1），该B丝孔（5D1）用于与丝杠（5F）的丝杆段（5F1）配合，实现将位置检测盘（5D）套接在丝杠（5F）的丝杆段（5F1）上；

导块（5E）上设有A丝孔（5E1）、J轴承孔（5E2）、K轴承孔，该A丝孔（5E1）用于与丝杠（5F）的丝杆段（5F1）配合，实现将导块（5E）套接在丝杠（5F）的丝杆段（5F1）上；J轴承孔（5E2）内安装有H轴承（5K1），H轴承（5K1）套接在第六轴（5K）上；K轴承孔内安装有G轴承（5J1），G轴承（5J1）套接在第五轴（5G）上；导块（5E）、位置检测盘（5D）和丝母（5C）三者通过螺钉螺母的配合固定连接在一起；

丝杠（5F）上设有丝杆段（5F1）、连杆段（5F2），该丝杆段（5F1）上从下至上套接有导块（5E）位置检测盘（5D）和丝母（5C），该连杆段（5F2）上从上至下套接有I轴承（5L）、第一从动同步带轮（1E）、J轴承（5M）、卡圈（5M1）和锁紧螺母（5M2）；I轴承（5L）安装在下隔板（7F）的B轴承孔（7F1）中；J轴承（5M）安装在底座（4）的P轴承孔4G中；卡圈（5M1）用于卡紧J轴承（5M）的外圈，卡圈（5M1）与锁紧螺母（5M2）的配合，使得J轴承（5M）在丝杠（5F）运动不下滑；

方位旋转组件（6）包括有空心旋转轴（6A）、旋转支架（6B）、第一轴（6E）、第二轴（6F）、A轴承（6C）、B轴承（6D）、C轴承（6E1）、D轴承（6F1）；

空心旋转轴（6A）上设有轴肩（6A1）、上轴套（6A2）、下轴套（6A3）、轴接段（6A4）；

轴肩（6A1）上设有A通孔（6A11）、B通孔，该A通孔（6A11）用于AB销钉（6A12）穿过，该B通孔用于AA销钉（6A13）穿过；轴肩（6A1）上连接有第二从动同步带轮（2G），且第二从动同步带轮（2G）通过AA销钉（6A13）、AB销钉（6A12）顶紧在空心旋转轴（6A）的轴肩（6A1）上；

上轴套（6A2）上套接有A轴承（6C）；

下轴套（6A3）上套接有B轴承（6D）；

轴接段（6A4）上设有C通孔（6A41）和D通孔（6A42），C通孔（6A41）用于放置BA销钉（6B4），D通孔（6A42）用于放置BB销钉（6B5）；

旋转支架（6B）上设有A支撑臂（6B1）、B支撑臂（6B2）、横板（6B3）；

横板（6B3）上设有E通孔（6B31）、F通孔（6B32）、G通孔（6B33）；E通孔（6B31）用于放置空心旋转轴（6A）的轴接段（6A4）；F通孔（6B32）用于BB销钉（6B5）穿过；G通孔（6B33）用于BA销钉（6B4）穿过；

A支撑臂（6B1）的端部设有D轴承孔（6B11），该D轴承孔（6B11）内安装有第一轴（6E），第一轴（6E）上套接C轴承（6E1），C轴承（6E1）安装在俯仰支架（5A）的F轴承孔（5A11）中；

B支撑臂（6B2）的端部设有E轴承孔（6B21），该E轴承孔（6B21）内安装有第二轴（6F），第二轴（6F）上套接D轴承（6F1），D轴承（6F1）安装在俯仰支架（5A）的H轴承孔（5A21）中；

方位旋转组件（6）的装配为：空心旋转轴（6A）的轴接段（6A4）安装在旋转支架（6B）的横板（6B3）上后，用BA销钉（6B4）和BB销钉（6B5）顶紧；将A轴承（6C）、第二从动同步带轮（2G）和B轴承（6D）安装在空心旋转轴（6A）；在旋转支架（6B）的A支撑臂（6B1）的端部安装上第一轴（6E）和C轴承（6E1）；在旋转支架（6B）的B支撑臂（6B2）的端部安装上第二轴（6F）和D轴承（6F1）。

本发明的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构优点在于：

①本发明设计的并联指向机构具有虚拟转动中心，可以将有效载荷的质

心和虚拟转动中心重合，减小系统的转动惯量、以及高速转动下由于

载荷质量不均衡造成的寄生转动惯量、偏心等问题，从而提高转动速

度和加速度。

②本发明设计的指向机构采用并联机构，电机等驱动部件放置在底座上，

减小了系统运动部分的质量，有利于提高运动性能。

③本发明设计的指向机构中的摇杆的俯仰运动通过直线位移组件构成的

曲柄滑块机构实现。摇杆下端的运动通过直线位移组件配合轴、轴承

实现。

④本发明设计的指向机构具有解耦性，两个转动之间可以做到完全解耦

或者弱耦合，简化控制程序。

⑤本发明设计的指向机构的旋转范围大，水平方向可实现360°旋转，

垂直平面内可实现150°俯仰运动。

附图说明

图1是本发明具有虚拟转心特性的并联快速指向机构的正视图。

图1A是本发明具有虚拟转心特性的并联快速指向机构的后视图。

图1B是本发明具有虚拟转心特性的并联快速指向机构的立体图。

图1C是本发明具有虚拟转心特性的并联快速指向机构的另一视角立体图。

图1D是本发明具有虚拟转心特性的并联快速指向机构的分解图。

图1E是本发明具有虚拟转心特性的并联快速指向机构的俯仰与旋转结合的结构图。

图2是本发明中底座的结构图。

图3是本发明中底座的结构图。

图4是本发明中底座的结构图。

图5是本发明中底座的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明设计的具有虚拟转动中心（Virtualcenterofmotion，VCM）的并联指向机构，简称为VCM并联指向机构。VCM并联指向机构的转动中心点位于旋转中心线与俯仰中心线的交点上（如图1所示），位于机械结构体之外。若设置有夹具，则该转动中心点为指向夹持组件3的上夹具与下夹具对接后形成的截荷腔3E的质心处。本发明设计的转动中心点处没有铰链结构，可以将有效载荷（此处以激光头10C为例）的质心和虚拟转动中心重合，减小系统的转动惯量，以及减小高速转动下由于载荷质量不均衡造成的寄生转动惯量、偏心等问题，从而提高转动速度和加速度。同时，安装在指向夹持组件3上的有效负载能够相应增大。

本发明设计了一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，该并联快速指向机构包括有第一位移传感器10A、第二位移传感器10B、俯仰驱动组件1、旋转驱动组件2、俯仰组件5、方位旋转组件6、指向夹持组件3、底座4、支撑箱体7。

第一位移传感器10A和第二位移传感器10B用于采集摇杆5B在第一电机1B的驱动下的位移量。第一位移传感器10A和第二位移传感器10B选用柳州万达电器厂生产的型号为LJ5A3-1-Z/AY的埋入式接近传感器。

指向夹持组件3

参见图1、图1A、图1B、图1D、图2所示，指向夹持组件3包括有上夹具3A和下夹具3B。上夹具3A上设有上三角槽口3A1。下夹具3B上设有下三角槽口3B1。上夹具3A与下夹具3B通过螺钉3C与螺母3D的配合固定连接，上夹具3A的上三角槽口3A1与下夹具3B的下三角槽口3B1对接后形成供安装激光头10C的载荷腔3E。下夹具3B的横板3B2固定安装在俯仰支架5A的横板5A3上。

在本发明中，载荷腔3E的质心处则为俯仰中心线与旋转中心线的交点（如图1所示）。该交点即为虚拟转动中心点，转动中心点处没有铰链结构，提高了承载对象（如激光头10C）的质量。

底座4

参见图1、图1A、图1B、图1D、图5所示，底座4上设有第一限位槽4A、第二限位槽4B、第三限位槽4C、第四限位槽4D、第五限位槽4E、P轴承孔4G，底座4的下方四角分别安装有四个橡胶底脚4F。

第一限位槽4A内安装有电机支架1A的A支撑板1A2。

第二限位槽4B内安装有俯仰驱动组件1中的电机支架1A的B支撑板1A3。

第三限位槽4C内安装有支撑箱体7的AD盖板7D。

第四限位槽4D内安装有支撑箱体7的AB盖板7B。

第五限位槽4E内安装有旋转驱动组件2中的BA盖板2A和BC盖板2C。

P轴承孔4G内安装有J轴承5M，J轴承5M套接在丝杠5F的连杆段5F2上。

支撑箱体7

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D所示，支撑箱体7包括有AA盖板7A、AB盖板7B、AC盖板7C、AD盖板7D、AE盖板7E、下隔板7F和上隔板7G。

其中，AA盖板7A与AC盖板7C的结构相同。AA盖板7A上设有A椭圆孔7A1，该A椭圆孔7A1用于旋转驱动组件2中的第二同步带2E穿过。AC盖板7C上设有B椭圆孔7C1，该B椭圆孔7C1用于俯仰驱动组件1中的第一同步带1C穿过。

其中，AB盖板7B与AD盖板7D的结构相同。AD盖板7D上设有上加强筋7D1、下加强筋7D2，AA通孔7D3、AB通孔7D4，上加强筋7D1用于支撑上隔板7G的一端，下加强筋7D2用于支撑下隔板7F的一端，AA通孔7D3用于安装第一位移传感器10A，AB通孔7D4用于安装第二位移传感器10B。AB盖板7B与AD盖板7D相对放置，且AB盖板7B与AD盖板7D的下端固定在底座4上，AB盖板7B的上加强筋与AD盖板7D的上加强筋7D1用于支撑上隔板7G的两端，上隔板7G的两端通过螺钉固定在AB盖板7B与AD盖板7D的面板上。AB盖板7B的下加强筋与AD盖板7D的下加强筋7D2用于支撑下隔板7F的两端，下隔板7F的两端通过螺钉固定在AB盖板7B与AD盖板7D的面板上。

AE盖板7E上设有A轴承孔7E1，该A轴承孔7E1用于放置A轴承6C，A轴承6C套接在空心旋转轴6A的上轴套6A2上。AE盖板7E固定在AA盖板7A与AC盖板7C的上端。

下隔板7F上设有B轴承孔7F1，该B轴承孔7F1用于放置I轴承5L，I轴承5L套接在丝杠5F的连杆段5F2上。下隔板7F固定在AA盖板7A与AC盖板7C之间的下加强筋上。

上隔板7G上设有C轴承孔7G1，该C轴承孔7G1用于放置B轴承6D，B轴承6D套接在空心旋转轴6A的下轴套6A3上。上隔板7G固定在AA盖板7A与AC盖板7C之间的上加强筋上。

俯仰驱动组件1

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，俯仰驱动组件1包括有第一电机1B、电机支架1A、第一同步带1C、第一主动同步带轮1D和第一从动同步带轮1E。在本发明中，对于提供驱动动力的电机功率可以根据设计的并联指向机构来定。第一电机1B选用上海鸣志步进电机，型号为SSM23S-3RG。

电机支架1A上设有横板1A1、A支撑板1A2和B支撑板1A3，A支撑板1A2固定安装在底座4的第一限位槽4A中，B支撑板1A3固定安装在底座4的第二限位槽4B中，横板1A1上设有通孔1A4，该通孔1A4用于第一电机1B的输出轴穿过。

第一电机1B固定在电机支架1A的横板1A1上，第一电机1B的输出轴穿过横板1A1上的通孔1A4后连接有第一主动同步带轮1D，第一主动同步带轮1D与第一从动同步带轮1E之间套接有第一同步带1C，第一从动同步带轮1E套接在丝杆5F的连杆段5F2上。第一从动同步带轮1E置于下隔板7F的下方。

旋转驱动组件2

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，旋转驱动组件2包括有第二电机2D、第二同步带2E、第二主动同步带轮2F、第二从动同步带轮2G、BA盖板2A、BB盖板2B和BC盖板2C。第二电机2D选用上海鸣志步进电机，型号为SSM23S-3RG。

BB盖板2B上设有通孔2B1，该通孔2B1用于第二电机2D的输出轴穿过。

第二电机2D固定在BB盖板2B上，第二电机2D的输出轴穿过BB盖板2B上的通孔2B1后连接有第二主动同步带轮2F，第二主动同步带轮2F与第二从动同步带轮2G之间套接有第二同步带2E，第二从动同步带轮2G套接在空心旋转轴6A的轴肩6A1上。第二从动同步带轮2G置于A轴承6C与B轴承6D之间。

俯仰组件5

参见图1D、图1E、图4所示，俯仰组件5包括有俯仰支架5A、摇杆5B、丝母5C、位置检测盘5D、导块5E、丝杠5F、第三轴5G、第四轴5H、第五轴5J、第六轴5K、E轴承5G1、F轴承5H1、G轴承5J1、H轴承5K1、I轴承5L、J轴承5M。其中，丝母5C、位置检测盘5D、导块5E和丝杠5F构成直线位移组件。

俯仰支架5A上设有A支撑臂5A1、B支撑臂5A2、横板5A3；横板5A3上安装有下夹具3B的横板3B2。A支撑臂5A1上设有F轴承孔5A11、G轴承孔5A12，该F轴承孔5A11内安装有C轴承6E1，C轴承6E1套接在第一轴6E上；该G轴承孔5A12内安装有E轴承5G1，E轴承5G1套接在第三轴5G上。B支撑臂5A2的端部设有H轴承孔5A21、I轴承孔5A22，该H轴承孔5A21内安装有D轴承6F1，D轴承6F1套接在第二轴6F上；该I轴承孔5A22内安装有F轴承5H1，F轴承5H1套接在第四轴5H上。

摇杆5B上设有A支撑臂5B1、B支撑臂5B2、C支撑臂5B3、D支撑臂5B4、E支撑臂5B5；

A支撑臂5B1上设有N轴承孔5B11，该N轴承孔5B11内安装有第三轴5G，第三轴5G上套接有E轴承5G1，E轴承5G1安装在俯仰支架5A的A支撑臂5A1的G轴承孔5A12中；

B支撑臂5B2上设有O轴承孔5B21，该O轴承孔5B21内安装有第四轴5H，第四轴5H上套接有F轴承5H1，F轴承5H1安装在俯仰支架5A的B支撑臂5A2的I轴承孔5A22中；

C支撑臂5B3上设有L轴承孔5B31，该L轴承孔5B31内安装有第五轴5J，第五轴5J上套接有G轴承5J1，G轴承5J1安装在导块5E的K轴承孔（图4中未示出，K轴承孔与J轴承孔5E2对称设置）中；

D支撑臂5B4上设有M轴承孔5B41，该M轴承孔5B41内安装有第六轴5K，第六轴5K上套接有H轴承5K1，H轴承5K1安装在导块5E的J轴承孔5E2中。

丝母5C上设有C丝孔5C1，该C丝孔5C1用于与丝杠5F的丝杆段5F1配合，实现将丝母5C套接在丝杠5F的丝杆段5F1上。

位置检测盘5D的中心是B丝孔5D1，该B丝孔5D1用于与丝杠5F的丝杆段5F1配合，实现将位置检测盘5D套接在丝杠5F的丝杆段5F1上。位置检测盘5D为铝制薄片。当位置检测盘5D在丝杠5F上向上移动至第一传感器10A时，第一传感器10A将采集到上移的位置信息。当位置检测盘5D在丝杠5F上向下移动至第二传感器10B时，第二传感器10B将采集到下移的位置信息。通过上移和下移的位移量计算得到俯仰角度。

导块5E上设有A丝孔5E1、J轴承孔5E2、K轴承孔（图4中未示出，K轴承孔与J轴承孔5E2相对设置），该A丝孔5E1用于与丝杠5F的丝杆段5F1配合，实现将导块5E套接在丝杠5F的丝杆段5F1上。J轴承孔5E2内安装有H轴承5K1，H轴承5K1套接在第六轴5K上。K轴承孔内安装有G轴承5J1，G轴承5J1套接在第五轴5G上。导块5E、位置检测盘5D和丝母5C三者通过螺钉螺母的配合固定连接在一起。在本发明中，导块5E与第五轴5G、第六轴5K构成一转动副。导块5E、位置检测盘5D和丝母5C在第一电机1B的驱动下，第一主动同步带轮、第一同步带和第一从动同步带轮的配合下，实现在丝杠5F的向上或向下的直线运动，从而使得丝杠5F的下端向丝杠5F的上端上顶，上顶的力通过第一轴6E和第二轴6F传递到俯仰支架5A上，使得俯仰支架5A作俯仰运动。

丝杠5F上设有丝杆段5F1、连杆段5F2，该丝杆段5F1上从下至上套接有导块5E位置检测盘5D和丝母5C，该连杆段5F2上从上至下套接有I轴承5L、第一从动同步带轮1E、J轴承5M、卡圈5M1和锁紧螺母5M2。I轴承5L安装在下隔板7F的B轴承孔7F1中。J轴承5M安装在底座4的P轴承孔4G中。卡圈5M1用于卡紧J轴承5M的外圈，卡圈5M1与锁紧螺母5M2的配合，使得J轴承5M在丝杠5F的运动条件下不下滑。

方位旋转组件6

参见图1D、图1E、图3所示，方位旋转组件6包括有空心旋转轴6A、旋转支架6B、第一轴6E、第二轴6F、A轴承6C、B轴承6D、C轴承6E1、D轴承6F1。

空心旋转轴6A上设有轴肩6A1、上轴套6A2、下轴套6A3、轴接段6A4；

轴肩6A1上设有A通孔6A11、B通孔（图3中未示出，B通孔与A通孔相对设置），该A通孔6A11用于AB销钉6A12穿过，该B通孔用于AA销钉6A13穿过。轴肩6A1上连接有第二从动同步带轮2G，且第二从动同步带轮2G通过AA销钉6A13、AB销钉6A12顶紧在空心旋转轴6A的轴肩6A1上；

上轴套6A2上套接有A轴承6C；

下轴套6A3上套接有B轴承6D；

轴接段6A4上设有C通孔6A41和D通孔6A42，C通孔6A41用于放置BA销钉6B4，D通孔6A42用于放置BB销钉6B5。

旋转支架6B上设有A支撑臂6B1、B支撑臂6B2、横板6B3；

横板6B3上设有E通孔6B31、F通孔6B32、G通孔6B33；E通孔6B31用于放置空心旋转轴6A的轴接段6A4；F通孔6B32用于BB销钉6B5穿过；G通孔6B33用于BA销钉6B4穿过。

A支撑臂6B1的端部设有D轴承孔6B11，该D轴承孔6B11内安装有第一轴6E，第一轴6E上套接C轴承6E1，C轴承6E1安装在俯仰支架5A的F轴承孔5A11中。

B支撑臂6B2的端部设有E轴承孔6B21，该E轴承孔6B21内安装有第二轴6F，第二轴6F上套接D轴承6F1，D轴承6F1安装在俯仰支架5A的H轴承孔5A21中。

方位旋转组件6的装配为：空心旋转轴6A的轴接段6A4安装在旋转支架6B的横板6B3上后，用BA销钉6B4和BB销钉6B5顶紧；将A轴承6C、第二从动同步带轮2G和B轴承6D安装在空心旋转轴6A；在旋转支架6B的A支撑臂6B1的端部安装上第一轴6E和C轴承6E1；在旋转支架6B的B支撑臂6B2的端部安装上第二轴6F和D轴承6F1。

转动副：

参见图4所示，第一轴6E与C轴承6E1和第二轴6F与D轴承6F1构成第一转动副。第一轴6E安装在旋转支架6B的A支撑臂6B1的D轴承孔6B11内；C轴承6E1安装在俯仰支架5A的F轴承孔5A11中；第一轴6E上套接C轴承6E1。第二轴6F安装在旋转支架6B的B支撑臂6B2的E轴承孔6B21内；D轴承6F1安装在俯仰支架5A的H轴承孔5A21中；第二轴6F上套接D轴承6F1。在第一转动副上，俯仰支架5A绕第一轴6E、第二轴6F运动。

参见图4所示，第三轴5G与E轴承5G1和第四轴5H与F轴承5H1构成第二转动副。第三轴5G安装在摇杆5B的A支撑臂5B1的N轴承孔5B11内；E轴承5G1安装在俯仰支架5A的G轴承孔5A12中；第三轴5G上套接E轴承5G1。第四轴5H安装在摇杆5B的B支撑臂5B2的I轴承孔5B22内；F轴承5H1安装在俯仰支架5A的O轴承孔5B21中；第四轴5H上套接F轴承5H1。在第二转动副上，俯仰支架5A绕第三轴5G、第四轴5H运动。

参见图4所示，第五轴5J与G轴承5J1和第六轴5K与H轴承5K1构成第三转动副。第五轴5J安装在摇杆5B的C支撑臂5B3的L轴承孔5B31内；G轴承5J1安装在导块5E的K轴承孔中；第五轴5J上套接G轴承5J1。第六轴5K安装在摇杆5B的D支撑臂5B4的M轴承孔5B41内；H轴承5K1安装在导块5E的J轴承孔5E2中；第六轴5K上套接H轴承5K1。在第三转动副上，摇杆5B的下端绕第五一轴5J、第六轴5K运动。

俯仰运动部分：

在第一电机1B输出的驱动条件下，第一同步带1C将第一主动同步带轮1D的运动传递给第一从动同步带轮1E，第一从动同步带轮1E的运动带着丝杠5F运动，连接在丝杠5F上的导块5E向上运动的同时摇杆5B也向上运动，摇杆5B向上运动推动着俯仰支架5A绕第一轴6E和第二轴6F作150°俯仰运动，从而实现安装在俯仰支架5A上的下夹具3B、承载物作俯仰运动，进而使得承载物完成俯仰运动。

旋转运动部分：

在第二电机2D输出的驱动条件下，第二同步带2E将第二主动同步带轮2F的运动传递给第二从动同步带轮2G，第二从动同步带轮2G的运动带着空心旋转轴6A和旋转支架6B作360°旋转运动，旋转支架6B通过第一轴6E、第二轴6F与俯仰支架5A连接，在旋转支架6B实现旋转运动的同时俯仰支架5A也跟随旋转，从而实现指向夹持组件3、承载物的旋转运动。

在本发明中，旋转运动的中心轴线与俯仰运动的中心轴线相交于载荷腔的质心点（即虚拟转动中心点），可实现本发明设计的指向机构的空间俯仰和旋转两个自由度的转动，该虚拟运动中心点为俯仰运动与旋转运动的运动中心，位于机械本体的外部，且虚拟运动中心处没有铰链设置，能够实现指向机构的转动范围大、转动速度和加速度高，而且有效承载的负载更大。

执行部分：

在本发明中，执行部分包括有夹持组件和工作执行组件，根据不同的指向要求，可选用不同的工作执行组件安装在夹持组件上，如激光笔、摄像头等。工作执行部分安装于上夹具3A和下夹具3B之间对接后的载荷腔3E中，一般为圆柱形元件，通过调整保证工作执行组件的中心轴线通过本发明设计的指向机构的虚拟运动中心，且同时与旋转中心轴线、俯仰中心轴线垂直。

Claims (8)

1.一种具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：该并联快速指向机构包括有第一位移传感器(10A)、第二位移传感器(10B)、俯仰驱动组件(1)、旋转驱动组件(2)、俯仰组件(5)、方位旋转组件(6)、底座(4)、支撑箱体(7)；

底座(4)上设有第一限位槽(4A)、第二限位槽(4B)、第三限位槽(4C)、第四限位槽(4D)、第五限位槽(4E)、P轴承孔(4G)，底座(4)的下方四角分别安装有四个橡胶底脚(4F)；

第一限位槽(4A)内安装有电机支架(1A)的A支撑板(1A2)；

第二限位槽(4B)内安装有俯仰驱动组件(1)中的电机支架(1A)的B支撑板(1A3)；

第三限位槽(4C)内安装有支撑箱体(7)的AD盖板(7D)；

第四限位槽(4D)内安装有支撑箱体(7)的AB盖板(7B)；

第五限位槽(4E)内安装有旋转驱动组件(2)中的BA盖板(2A)和BC盖板(2C)；

P轴承孔(4G)内安装有J轴承(5M)，J轴承(5M)套接在丝杠(5F)的连杆段(5F2)上；

支撑箱体(7)包括有AA盖板(7A)、AB盖板(7B)、AC盖板(7C)、AD盖板(7D)、AE盖板(7E)、下隔板(7F)和上隔板(7G)；

其中，AA盖板(7A)与AC盖板(7C)的结构相同；AA盖板(7A)上设有A椭圆孔(7A1)，该A椭圆孔(7A1)用于旋转驱动组件(2)中的第二同步带(2E)穿过；AC盖板(7C)上设有B椭圆孔(7C1)，该B椭圆孔(7C1)用于俯仰驱动组件(1)中的第一同步带(1C)穿过；

其中，AB盖板(7B)与AD盖板(7D)的结构相同；AD盖板(7D)上设有上加强筋(7D1)、下加强筋(7D2)，AA通孔(7D3)、AB通孔(7D4)，上加强筋(7D1)用于支撑上隔板(7G)的一端，下加强筋(7D2)用于支撑下隔板(7F)的一端，AA通孔(7D3)用于安装第一位移传感器(10A)，AB通孔(7D4)用于安装第二位移传感器(10B)；AB盖板(7B)与AD盖板(7D)相对放置，且AB盖板(7B)与AD盖板(7D)的下端固定在底座(4)上，AB盖板(7B)的上加强筋与AD盖板(7D)的上加强筋(7D1)用于支撑上隔板(7G)的两端，上隔板(7G)的两端通过螺钉固定在AB盖板(7B)与AD盖板(7D)的面板上；AB盖板(7B)的下加强筋与AD盖板(7D)的下加强筋(7D2)用于支撑下隔板(7F)的两端，下隔板(7F)的两端通过螺钉固定在AB盖板(7B)与AD盖板(7D)的面板上；

AE盖板(7E)上设有A轴承孔(7E1)，该A轴承孔(7E1)用于放置A轴承(6C)，A轴承(6C)套接在空心旋转轴(6A)的上轴套(6A2)上；AE盖板(7E)固定在AA盖板(7A)与AC盖板(7C)的上端；

下隔板(7F)上设有B轴承孔(7F1)，该B轴承孔(7F1)用于放置I轴承(5L)，I轴承(5L)套接在丝杠(5F)的连杆段(5F2)上；下隔板(7F)固定在AA盖板(7A)与AC盖板(7C)之间的下加强筋上；

上隔板(7G)上设有C轴承孔(7G1)，该C轴承孔(7G1)用于放置B轴承(6D)，B轴承(6D)套接在空心旋转轴(6A)的下轴套(6A3)上；上隔板(7G)固定在AA盖板(7A)与AC盖板(7C)之间的上加强筋上；

俯仰驱动组件(1)包括有第一电机(1B)、电机支架(1A)、第一同步带(1C)、第一主动同步带轮(1D)和第一从动同步带轮(1E)；

电机支架(1A)上设有横板(1A1)、A支撑板(1A2)和B支撑板(1A3)，A支撑板(1A2)固定安装在底座(4)的第一限位槽(4A)中，B支撑板(1A3)固定安装在底座(4)的第二限位槽(4B)中，横板(1A1)上设有通孔(1A4)，该通孔(1A4)用于第一电机(1B)的输出轴穿过；

第一电机(1B)固定在电机支架(1A)的横板(1A1)上，第一电机(1B)的输出轴穿过横板(1A1)上的通孔(1A4)后连接有第一主动同步带轮(1D)，第一主动同步带轮(1D)与第一从动同步带轮(1E)之间套接有第一同步带(1C)，第一从动同步带轮(1E)套接在丝杠(5F)的连杆段(5F2)上；第一从动同步带轮(1E)置于下隔板(7F)的下方；

旋转驱动组件(2)包括有第二电机(2D)、第二同步带(2E)、第二主动同步带轮(2F)、第二从动同步带轮(2G)、BA盖板(2A)、BB盖板(2B)和BC盖板(2C)；

BB盖板(2B)上设有通孔(2B1)，该通孔(2B1)用于第二电机(2D)的输出轴穿过；

第二电机(2D)固定在BB盖板(2B)上，第二电机(2D)的输出轴穿过BB盖板(2B)上的通孔(2B1)后连接有第二主动同步带轮(2F)，第二主动同步带轮(2F)与第二从动同步带轮(2G)之间套接有第二同步带(2E)，第二从动同步带轮(2G)套接在空心旋转轴(6A)的轴肩(6A1)上；第二从动同步带轮(2G)置于A轴承(6C)与B轴承(6D)之间；

俯仰组件(5)包括有俯仰支架(5A)、摇杆(5B)、丝母(5C)、位置检测盘(5D)、导块(5E)、丝杠(5F)、第三轴(5G)、第四轴(5H)、第五轴(5J)、第六轴(5K)、E轴承(5G1)、F轴承(5H1)、G轴承(5J1)、H轴承(5K1)、I轴承(5L)、J轴承(5M)；

俯仰支架(5A)上设有A支撑臂(5A1)、B支撑臂(5A2)、横板(5A3)；横板(5A3)上安装有下夹具(3B)的横板(3B2)；A支撑臂(5A1)上设有F轴承孔(5A11)、G轴承孔(5A12)，该F轴承孔(5A11)内安装有C轴承(6E1)，C轴承(6E1)套接在第一轴(6E)上；该G轴承孔(5A12)内安装有E轴承(5G1)，E轴承(5G1)套接在第三轴(5G)上；B支撑臂(5A2)的端部设有H轴承孔(5A21)、I轴承孔(5A22)，该H轴承孔(5A21)内安装有D轴承(6F1)，D轴承(6F1)套接在第二轴(6F)上；该I轴承孔(5A22)内安装有F轴承(5H1)，F轴承(5H1)套接在第四轴(5H)上；

摇杆(5B)上设有A支撑臂(5B1)、B支撑臂(5B2)、C支撑臂(5B3)、D支撑臂(5B4)、E支撑臂(5B5)；

A支撑臂(5B1)上设有N轴承孔(5B11)，该N轴承孔(5B11)内安装有第三轴(5G)，第三轴(5G)上套接有E轴承(5G1)，E轴承(5G1)安装在俯仰支架(5A)的A支撑臂(5A1)的G轴承孔(5A12)中；

B支撑臂(5B2)上设有O轴承孔(5B21)，该O轴承孔(5B21)内安装有第四轴(5H)，第四轴(5H)上套接有F轴承(5H1)，F轴承(5H1)安装在俯仰支架(5A)的B支撑臂(5A2)的I轴承孔(5A22)中；

C支撑臂(5B3)上设有L轴承孔(5B31)，该L轴承孔(5B31)内安装有第五轴(5J)，第五轴(5J)上套接有G轴承(5J1)，G轴承(5J1)安装在导块(5E)的K轴承孔；

D支撑臂(5B4)上设有M轴承孔(5B41)，该M轴承孔(5B41)内安装有第六轴(5K)，第六轴(5K)上套接有H轴承(5K1)，H轴承(5K1)安装在导块(5E)的J轴承孔(5E2)中；

丝母(5C)上设有C丝孔(5C1)，该C丝孔(5C1)用于与丝杠(5F)的丝杆段(5F1)配合，实现将丝母(5C)套接在丝杠(5F)的丝杆段(5F1)上；

位置检测盘(5D)的中心是B丝孔(5D1)，该B丝孔(5D1)用于与丝杠(5F)的丝杆段(5F1)配合，实现将位置检测盘(5D)套接在丝杠(5F)的丝杆段(5F1)上；

导块(5E)上设有A丝孔(5E1)、J轴承孔(5E2)、K轴承孔，该A丝孔(5E1)用于与丝杠(5F)的丝杆段(5F1)配合，实现将导块(5E)套接在丝杠(5F)的丝杆段(5F1)上；J轴承孔(5E2)内安装有H轴承(5K1)，H轴承(5K1)套接在第六轴(5K)上；K轴承孔内安装有G轴承(5J1)，G轴承(5J1)套接在第五轴(5G)上；导块(5E)、位置检测盘(5D)和丝母(5C)三者通过螺钉螺母的配合固定连接在一起；

丝杠(5F)上设有丝杆段(5F1)、连杆段(5F2)，该丝杆段(5F1)上从下至上套接有导块(5E)、位置检测盘(5D)和丝母(5C)，该连杆段(5F2)上从上至下套接有I轴承(5L)、第一从动同步带轮(1E)、J轴承(5M)、卡圈(5M1)和锁紧螺母(5M2)；I轴承(5L)安装在下隔板(7F)的B轴承孔(7F1)中；J轴承(5M)安装在底座(4)的P轴承孔(4G)中；卡圈(5M1)用于卡紧J轴承(5M)的外圈，卡圈(5M1)与锁紧螺母(5M2)的配合，使得J轴承(5M)在丝杠(5F)运动不下滑；

方位旋转组件(6)包括有空心旋转轴(6A)、旋转支架(6B)、第一轴(6E)、第二轴(6F)、A轴承(6C)、B轴承(6D)、C轴承(6E1)、D轴承(6F1)；

空心旋转轴(6A)上设有轴肩(6A1)、上轴套(6A2)、下轴套(6A3)、轴接段(6A4)；

轴肩(6A1)上设有A通孔(6A11)、B通孔，该A通孔(6A11)用于AB销钉(6A12)穿过，该B通孔用于AA销钉(6A13)穿过；轴肩(6A1)上连接有第二从动同步带轮(2G)，且第二从动同步带轮(2G)通过AA销钉(6A13)、AB销钉(6A12)顶紧在空心旋转轴(6A)的轴肩(6A1)上；

上轴套(6A2)上套接有A轴承(6C)；

下轴套(6A3)上套接有B轴承(6D)；

轴接段(6A4)上设有C通孔(6A41)和D通孔(6A42)，C通孔(6A41)用于放置BA销钉(6B4)，D通孔(6A42)用于放置BB销钉(6B5)；

旋转支架(6B)上设有A支撑臂(6B1)、B支撑臂(6B2)、横板(6B3)；

横板(6B3)上设有E通孔(6B31)、F通孔(6B32)、G通孔(6B33)；E通孔(6B31)用于放置空心旋转轴(6A)的轴接段(6A4)；F通孔(6B32)用于BB销钉(6B5)穿过；G通孔(6B33)用于BA销钉6B4穿过；

A支撑臂(6B1)的端部设有D轴承孔(6B11)，该D轴承孔(6B11)内安装有第一轴(6E)，第一轴(6E)上套接C轴承(6E1)，C轴承(6E1)安装在俯仰支架(5A)的F轴承孔(5A11)中；

B支撑臂(6B2)的端部设有E轴承孔(6B21)，该E轴承孔(6B21)内安装有第二轴(6F)，第二轴(6F)上套接D轴承(6F1)，D轴承(6F1)安装在俯仰支架(5A)的H轴承孔(5A21)中；

方位旋转组件(6)的装配为：空心旋转轴(6A)的轴接段(6A4)安装在旋转支架(6B)的横板(6B3)上后，用BA销钉(6B4)和BB销钉(6B5)顶紧；将A轴承(6C)、第二从动同步带轮(2G)和B轴承(6D)安装在空心旋转轴(6A)；在旋转支架(6B)的A支撑臂(6B1)的端部安装上第一轴(6E)和C轴承(6E1)；在旋转支架(6B)的B支撑臂(6B2)的端部安装上第二轴(6F)和D轴承(6F1)。

2.根据权利要求1所述的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：还设计有指向夹持组件(3)；

指向夹持组件(3)包括有上夹具(3A)和下夹具(3B)；上夹具(3A)上设有上三角槽口(3A1)；下夹具(3B)上设有下三角槽口(3B1)；上夹具(3A)与下夹具(3B)通过螺钉(3C)与螺母(3D)的配合固定连接，上夹具(3A)的上三角槽口(3A1)与下夹具(3B)的下三角槽口(3B1)对接后形成供安装承载物的载荷腔(3E)；下夹具(3B)的横板(3B2)固定安装在俯仰支架(5A)的横板(5A3)上。

3.根据权利要求1或2所述的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：该并联快速指向机构能够实现360度的旋转运动和150度的俯仰运动。

4.根据权利要求1或2所述的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：第一轴(6E)与C轴承(6E1)和第二轴(6F)与D轴承(6F1)构成第一转动副；第三轴(5G)与E轴承(5G1)和第四轴(5H)与F轴承(5H1)构成第二转动副；第五轴(5J)与G轴承(5J1)和第六轴(5K)与H轴承(5K1)构成第三转动副。

5.根据权利要求1或2所述的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：在第一电机(1B)输出的驱动条件下，第一同步带(1C)将第一主动同步带轮(1D)的运动传递给第一从动同步带轮(1E)，第一从动同步带轮(1E)的运动带着丝杠(5F)运动，连接在丝杠(5F)上的导块(5E)向上运动的同时摇杆(5B)也向上运动，摇杆(5B)向上运动推动着俯仰支架(5A)绕第一轴(6E)和第二轴(6F)俯仰运动，从而实现承载物完成俯仰运动。

6.根据权利要求1或2所述的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：在第二电机(2D)输出的驱动条件下，第二同步带(2E)将第二主动同步带轮(2F)的运动传递给第二从动同步带轮(2G)，第二从动同步带轮(2G)的运动带着空心旋转轴(6A)和旋转支架(6B)旋转运动，旋转支架(6B)通过第一轴(6E)、第二轴(6F)与俯仰支架(5A)连接，在旋转支架(6B)实现旋转运动的同时俯仰支架(5A)也跟随旋转，从而实现承载物的旋转运动。

7.根据权利要求1或2所述的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：该并联快速指向机构的虚拟转动中心点设置在机械结构之外。

8.根据权利要求7所述的具有虚拟转心特性的并联快速指向机构，其特征在于：该并联快速指向机构的虚拟转动中心点为指向夹持组件(3)的上夹具与下夹具对接后形成的载荷腔(3E)的质心处。