CN104565713A - 折叠升降式3.5d自由度云台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种折叠升降式3.5D自由度云台，所述云台包括电驱折叠基座、电驱多节升降套管、电驱旋转俯仰平台与单片机测控系统；该发明结构简洁、合理、实用性突出，既能满足宽广视野探测，同时又可灵巧应对狭窄环境进出、丛林树枝避让与自身形体隐藏，导线内置套管腔特性，尤其适合于机器人和军事、国防等特殊场合应用，进一步增强了经济与广泛推广价值。

Description

折叠升降式3.5D自由度云台

技术领域

本发明涉及一种折叠升降式3.5D自由度云台，其应用于狭窄出入口设备、环境检测与丛林、果园和洪灾等类极度复杂场所机器人系统的配套性支持。

背景技术

目前，虽然用于探测器材安放的云台各式各样，但它们几乎全部局限于旋转和俯仰范围之内；仿真切削平台尽管拥有高度、朝向改变能力，可幅度过于狭小，且成本、重量、复杂度等不适合机器人应用；剪叉、单桅柱与平行杆曲臂式升降台在突破高度局限的同时，又存在难以克服的刚度、稳定不佳，以及裸漏导线保护困难弊端，另外，收缩后形体仍满足不了某些苛刻的几何尺寸要求；油缸式起重机结构虽略微靠近需求，然而却无法将导线隐匿于缸体腔内，动力源的多样化也给最终系统集成带来沉重负担。此外，折叠和油缸式普遍面临着轴关节驱动受力高度集中问题，以及电机行程同末端平台非线性变换实时性压力。机器人之类移动载体平台伴随着环境、任务和追求目标多样化，对于传感器、执行机构安放基础的性能指标与保护等级企求相距甚远，如何最大限度地兼顾并灵巧做到宽阔视野、通过局部狭小空间、避让杂乱突出物体和适时隐藏自身形体往往变得特别至关重要。

发明内容

发明目的

针对以上问题，本发明提供一种折叠升降式3.5D自由度云台，其目的是解决以往的机器人之类行走载体任务执行期间对传感器、执行机构安置平台的折叠、伸缩、旋转与俯仰调节不灵巧的问题及农业、科考、探险、消防、救援与军事侦察诸类行业在机器人应用时面临困扰的问题。

技术方案：

一种折叠升降式3.5D自由度云台，其特征在于：该云台包括旋转俯仰平台、多节升降套管、折叠基座和单片机系统，旋转俯仰平台通过上俯仰装置连接至多节升降套管，多节升降套管的底部通过下端折叠装置与折叠基座连接；旋转俯仰平台包括平台固定外壳、旋转基座、旋转齿轮组和旋转直流电机，旋转齿轮组与旋转基座联动，旋转直流电机输出轴上的输出齿轮与旋转齿轮组啮合，旋转直流电机与平台固定外壳连接；上俯仰装置包括俯仰直流电机、俯仰涡轮和俯仰蜗杆，俯仰直流电机与旋转俯仰平台联动，俯仰直流电机连接俯仰蜗杆，俯仰蜗杆与旋转俯仰平台底部的俯仰涡轮啮合；

俯仰涡轮设置在多节升降套管的上端档板上，在多节升降套管底部的套管基座上设置有升降套管直流电机, 升降套管直流电机连接有套管动作蜗杆，套管动作蜗杆与套管动作蜗轮啮合，套管动作蜗轮通过牵引索及滑轮与多节升降套管连接并控制多节升降套管升降；

下端折叠装置包括下端折叠蜗轮、折叠蜗杆和折叠直流电机，折叠直流电机连接折叠蜗杆，折叠蜗杆与折叠蜗轮啮合，折叠蜗轮与套管基座底部连接，折叠直流电机设置在折叠基座上；旋转直流电机、俯仰直流电机和升降套管直流电机连接至单片机控制系统。

在旋转俯仰平台上设置有限定旋转基座旋转位置的旋转限位拨叉，在旋转限位拨叉处设置有旋转限位开关，在旋转直流电机的输出齿轮位置设置有旋转齿轮动作测位开关，旋转限位开关和旋转齿轮动作测位开关连接至单片机系统；

旋转基座中心设有中空管，中空管利用一体式止推轴承组同旋转俯仰平台的固定外壳紧密地连接在一起，旋转基座中空管侧壁开设供导线穿过的孔洞，以便云台的旋转电机导线、俯仰电机导线及传感器导线进入并连接。

多节升降套管为多节方形套管嵌套结构，每层套筒的底部均设置有档板，最外侧的套筒的底部为套筒基座，最内侧的套筒的顶部设置有套筒上端档板，在套筒基座及除最内侧套筒以外的套筒下端档板上均设置有套筒全收缩限位开关，套筒全收缩限位开关连接至单片机系统，在除最内侧套筒以外的每层套筒内壁的顶部均设置有与单片机系统连接的套筒全伸展限位开关；在除内层套筒外的每层套筒的底部和顶部设置有滑轮，滑轮与套筒动作蜗轮之间通过牵引索连接，牵引索与内层套筒底部的牵引索张紧弹簧连接。

在折叠蜗轮旁设置有折叠齿轮动作测位开关和折叠中位检测开关，折叠齿轮动作测位开关设置在折叠蜗轮的一侧，折叠中位检测开关设置在折叠蜗轮的中间，折叠齿轮动作测位开关和折叠中位检测开关均连接至单片机系统。

在俯仰涡轮旁设置有俯仰齿轮动作测位开关和俯仰中位检测开关，俯仰齿轮动作测位开关设置在俯仰涡轮的一侧，俯仰中位检测开关设置在俯仰涡轮的中间。

套筒基座底部的云台安放传感器电线以螺旋方式穿过多节升降套筒的内部腔体，经由套筒基座、套筒下端档板和套筒上端档板通过。

优点及效果

本发明所提出一种折叠升降式3.5D自由度云台，所述云台包括电驱折叠基座、电驱多节升降套筒、电驱旋转俯仰平台与单片机测控系统；电驱折叠基座设有直流减速电机、动作测位开关、中位检测开关和锁位蜗轮、蜗杆，实现整个云台的伸展与折叠收缩；电驱多节升降套筒设有直流减速电机、限位开关、动作测位开关、多节嵌套式方形套筒、锁位蜗轮、蜗杆、滑轮与牵引索，在电机、蜗轮、蜗杆、滑轮和牵引索共同作用下，伸缩杆上下运动并保持；电驱旋转俯仰平台设有旋转直流减速电机、旋转限位开关、动作测位开关、旋转齿轮、俯仰直流减速电机、俯仰中位检测开关、俯仰动作测位开关和俯仰锁位蜗轮、蜗杆，达到摆动旋转与俯仰倾角变化；单片机系统监测、计数、预估、控制各部分协同动作。

该发明采用滑轮与牵引索共同作用下的电机驱动方式，从根本上实现了将末端平台安放仪器、设备导线置于伸缩杆腔，进而增强了最终系统整体安全与可靠性。此外，滑轮支撑下的牵引索驱动方式还将彻底克服轴关节铰链存在的受力过分集中与测控快速非线性变换问题，以及油、气缸模式必须慎重对待的动力源多样化提供、微型化和简捷维护困扰。

此发明使用多节方形套筒嵌套装配方式组成升降套筒，既强化了抗弯刚度，又避免了末端平台可能出现扭转。通过在每节套筒上、下端配置档板，同时达到止位、导引、限位与抗歪斜等多重功效；除最内层外，在每节套筒上、下端皆安置滑轮、滑轮连同套筒一起动作与导引索经套筒腔首尾相连的构思，使得导引索动作同多节套筒直接关联，进而只需单一电机即可实现伸展、收缩操控目的；导引索在凹形滑轮多绕一周和端头串接张紧弹簧，共同作用有效地消除了组装公差与材质疲劳引起的打滑。

本发明运用多节升降套筒实现高度维自由度改变；使用旋转俯仰平台达到旋转与俯仰维自由度变化；采用折叠基座做到伸展、折叠的0.5D自由度变迁，它们相互配合最终取得3.5D自由度目标。在此，虽然折叠同俯仰作用近似，但二者功效显著相异且功能互补，于是特赋予0.5D自由度。

本申请结构简洁、可靠、合理、功能齐全，不但能够借助多节套筒达到最大限度地拓展视野，而且利用折叠基座收缩尚可掩藏云台形体，以取得通过狭小空间、避让杂乱突出物体，进而适应农业、科考、探险、消防、救援与军事侦察之类行业机器人应用期间可能遇到的各类特别要求。

本发明尤其擅长于满足农业、科考、探险、消防、救援与军事侦察诸类特殊行业，对于视野宽阔性、局部通过空间狭小性、杂乱突出物体避让性与自身形体隐藏之类矛盾式要求，具有良好适应能力。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步地说明：

如图1所示，本发明是一种折叠升降式3.5D自由度云台，该云台包括旋转俯仰平台1、多节升降套筒15、折叠基座28和单片机系统11，旋转俯仰平台1通过上俯仰装置连接至多节升降套筒15，多节升降套筒15的底部通过下端折叠装置与折叠基座28连接；旋转俯仰平台1包括平台固定外壳、旋转基座2、旋转齿轮组3和旋转直流电机5，旋转齿轮组3与旋转基座2联动，旋转直流电机5的输出轴上的输出齿轮与旋转齿轮组3啮合，旋转直流电机5与平台固定外壳连接；上俯仰装置包括俯仰直流电机6、俯仰涡轮7和俯仰蜗杆8，俯仰直流电机6与旋转俯仰平台1联动，俯仰直流电机6连接俯仰蜗杆8，俯仰蜗杆8与旋转俯仰平台1底部的俯仰涡轮7啮合；

俯仰涡轮7设置在多节升降套筒15的上端档板17上，在多节升降套筒15底部的套筒基座26上设置有升降套筒直流电机18, 升降套筒直流电机18连接有套筒动作蜗杆21，套筒动作蜗杆21与套筒动作蜗轮22啮合，套筒动作蜗轮22通过牵引索20及滑轮与多节升降套筒15连接并控制多节升降套筒15升降；

下端折叠装置包括下端折叠蜗轮29、折叠蜗杆30和折叠直流电机32，折叠直流电机32连接折叠蜗杆30，折叠蜗杆30与折叠蜗轮29啮合，折叠蜗轮29与套筒基座26底部连接，折叠直流电机32设置在折叠基座28上；旋转直流电机5、俯仰直流电机6和升降套筒直流电机18连接至单片机控制系统11。

在旋转俯仰平台1上设置有限定旋转基座2旋转位置的旋转限位拨叉4，在旋转限位拨叉4处设置有旋转限位开关12，在旋转直流电机5的输出齿轮位置设置有旋转齿轮动作测位开关13，旋转限位开关12和旋转齿轮动作测位开关13连接至单片机系统11；

旋转基座2中心设有中空管，中空管利用一体式止推轴承组9同旋转俯仰平台1的固定外壳紧密地连接在一起，旋转基座2中空管侧壁开设供导线穿过的孔洞，以便云台的旋转电机导线、俯仰电机导线及传感器导线进入并连接。

多节升降套筒15为多节方形套管嵌套结构，每层套筒的底部均设置有档板，最外侧的套筒的底部为套筒基座26，最内侧的套筒的顶部设置有套筒上端档板17，在套筒基座26及除最内侧套筒以外的套筒下端档板上均设置有套筒全收缩限位开关24，套筒全收缩限位开关24连接至单片机系统11，在除最内侧套筒以外的每层套筒内壁的顶部均设置有与单片机系统11连接的套筒全伸展限位开关25；在除内层套筒外的每层套筒的底部和顶部设置有滑轮，滑轮与套筒动作蜗轮22之间通过牵引索20连接，牵引索20与内层套筒底部的牵引索张紧弹簧19连接。

在折叠蜗轮29旁设置有折叠齿轮动作测位开关31和折叠中位检测开关33，折叠齿轮动作测位开关31设置在折叠蜗轮29的一侧，折叠中位检测开关33设置在折叠蜗轮29的中间，折叠齿轮动作测位开关31和折叠中位检测开关33均连接至单片机系统11。

在俯仰涡轮7旁设置有俯仰齿轮动作测位开关10和俯仰中位检测开关14，俯仰齿轮动作测位开关10设置在俯仰涡轮7的一侧，俯仰中位检测开关14设置在俯仰涡轮7的中间。

套筒基座26底部的云台安放传感器电线34以螺旋方式穿过多节升降套筒15的内部腔体，经由套筒基座26、套筒下端档板和套筒上端档板17通过。

如上所述，单片机按照构成系统整体任务、目标要求，驱动、控制旋转直流电机5工作，旋转直流电机5通过旋转齿轮组3直接带动旋转基座2随之转动，从而达到顺时针或逆时针旋转。旋转直流电机5只要转动一定角度，旋转齿轮动作测位开关13便给出信号告知单片机旋转基座2当前实际状态，如果达到旋转限位拨叉4设定位置，旋转限位开关12则立即切断直流电机电源，同时通知单片机动作已达设定极限、结束当前工作程式并转而进入后续工作程式。为达顺时针、逆时针均可限位目的，旋转限位拨叉4与旋转限位开关12各设两组，旋转限位拨叉4能够依据实际需要，灵活确定具体目标位置。旋转基座2中心位设有中空管，它利用一体式止推轴承组9同云台固定外壳1紧密地连接在一起，旋转基座2中空管侧壁开设孔洞，以便云台的旋转、俯仰电机及传感器导线进入并连接。由于云台旋转角度范围相对固定且不超一周，所以导线不会缠绕和迅速磨损。一体式止推轴承组9由位于旋转基座2中空管外面的上部，其由一体式套筒、钢球凹形档板与钢球、下部凹形档板组成其结构为公知，在这里不再赘述！最后借助压紧螺母将云台外壳1和旋转基座2连接起来。

类似于云台旋转，云台俯仰姿态改变在单片机直接驱动、控制下，利用俯仰直流电机6的动作，带动俯仰蜗杆8转动，促使俯仰涡轮7相对参考点发生角度改变。因俯仰涡轮7固定于轴连凸台上面，于是便进而引发云台俯仰姿态变化。当俯仰直流电机6停止动作，俯仰涡轮、蜗杆的自锁特性保证了云台也维持在当前俯仰姿势不变，直至俯仰直流电机6再次动作。因为云台的俯仰姿态改变通常并不频繁，同时也出于减轻单片机负担与缩减电路、连线复杂性目的，因此特意取消了动作限位开关，但为平衡位监控更加精准，专门设置了俯仰中位检测开关14。事实上，利用俯仰齿轮动作测位开关10可随时监测俯仰直流电机6、俯仰蜗杆8与俯仰涡轮7的工作状态，然而俯仰齿轮动作测位开关10只可给出相对角位移信息，为弥补绝对测位缺失特采用俯仰中位检测开关14予以消解。俯仰动作限位与保护功效通过在俯仰涡轮7两侧齿面开槽和侧面设置凸台来间接地实现。

不同于现今绝大多数云台仅具昂仰能力，俯视必须依靠基准平台装配预调整变相地实现，本申请可以直接做到俯仰双向角度操控效果，具体角度范围通过俯仰涡轮7扇形角和周边干涉裕量尺度共同决定。同样地，该发明也没有使用常规的云台壳体固定不动模式，而是让云台壳体产生俯仰运动。这是因为云台连同安装传感器材通常并不十分沉重，于是惯性克服就显得相对容易，加之俯仰姿态变化频度很少，使得惯性问题进一步削弱。然而，机器人实际使用时一般却希望力求扩大俯仰角度范围，以减少探测盲区，本发明所选方式正好满足了此类期望。

如上所述，在总体任务、目标共同要求下面，单片机适当时刻向升降套筒直流电机18发送信号并提供电压使其输出轴产生转动，直接相连的套筒动作蜗杆21旋转使套筒动作蜗轮22发生角位移，同套筒动作蜗轮22连在一起凹轮随之带动牵引索20运动，牵引索20通过套筒上、下滑轮拉动多节升降套筒15形成向上或朝下伸展、收缩移动。一旦升降套筒直流电机18转动既定角度，套筒齿轮动作测位开关23就向单片机发出相应信号，藉此便可推算出云台高度。当多节升降套筒15伸展或收缩到限定位置，套筒全伸展限位开关25或套筒全收缩限位开关24即立刻切断直流电机电源，同时通知单片机动作已达设定极限、结束当前工作程式。升降套筒直流电机18停止动作之后，套筒动作涡轮、蜗杆自锁特性确保云台维持当前高度不变，直至升降套筒直流电机18再次动作。

套筒下端滑轮功能接近动滑轮，但由于每节套筒上、下滑轮间相对位置固定不变，它们又不是动滑轮。不过，各节套筒上、下移动时仍然必定会引发牵引索20发生盈余与供给短缺现象，在此将导引索20首尾相连之后，借内外套筒相对移动位置差即消解了盈余、短缺矛盾，使得只要简单地依靠同套筒动作蜗轮22连接凹轮便可拖动除最外节套筒外的各节套筒完成上、下运动。这样就简化了机构配置，既不用专门设立收、放直流电机，也无需分置卷扬滚筒，更不必考虑收、放线速率协调一致。出于抵消组装公差与材质疲劳可能产生的打滑现象，发明对导引索实行了在驱动凹形滑轮处多绕一周和端头串接张紧弹簧措施。为避免牵引索同套筒刮擦，套筒上部开有矩形狭窄槽缝。

如前所述，此发明采用多节方形套筒嵌套装配方式组成升降套筒，在强化抗弯刚度的同时，又避免了末端平台可能出现扭转现象。上端档板在进一步增强刚度之下，也担负起阻止收缩超限作用；下端档板除发挥类似于上端档板功效之外，还扮演着一定程度上的活塞角色，兼具导引、限位、扭动与歪斜抗拒等多重功效。

如图1所示，单片机系统按照主体任务与要求，在适当时刻朝折叠直流电机32发布指令并提供电压使其输出轴产生转动，直流电机通过同轴连接的折叠蜗杆30拉动折叠蜗轮29同步转动。由于折叠涡轮29固定在轴连凸台上面，于是就随之牵引多节套筒产生折叠、伸展姿态变化。当折叠直流电机32停止动作，折叠涡轮、蜗杆的自锁特性确保了多节套筒也维持在当前姿势不变，直至折叠直流电机32再次动作。类同于云台俯仰姿态变化，多节套筒折叠、伸展状态改变频度相对比较稀少，出于减轻单片机负担与缩减电路、连线复杂性，发明特意取消了动作限位开关，但为平衡位监控更加准确，专门添置了折叠中位检测开关33。其实，使用折叠齿轮动作测位开关31可随时监测折叠直流电机32、折叠蜗杆30与折叠涡轮29的工作状态，然而折叠齿轮动作测位开关31只能给出相对角位移信息，为弥补绝对测位缺失特采用俯仰中位检测开关33予以消解。折叠动作限位与保护功效通过在折叠涡轮29两侧齿面开槽和侧面设置凸台来间接地实现。

旋转齿轮动作测位开关13、俯仰中位检测开关14、套筒齿轮动作测位开关23和折叠齿轮动作测位开关31根据检测对象材质与精度要求差异，既可以使用霍尔传感器，也能够选择光电耦合对管或其它类似方式。本发明运用动作测位开关与中位检测开关方式来监测直流电机动作姿态，而不是选用光电编码器之类途径，这样不但满足了系统整体基本要求，同时极大地降低了构成复杂性、信号繁杂性、单片机负担和导线数量，另外，对于可靠性、稳定性和低成本化追求等方面也将产生巨大贡献。

Claims (6)

1.一种折叠升降式3.5D自由度云台，其特征在于：该云台包括旋转俯仰平台（1）、多节升降套管（15）、折叠基座（28）和单片机系统（11），旋转俯仰平台（1）通过上俯仰装置连接至多节升降套管（15），多节升降套管（15）的底部通过下端折叠装置与折叠基座（28）连接；旋转俯仰平台（1）包括平台固定外壳、旋转基座（2）、旋转齿轮组（3）和旋转直流电机（5），旋转齿轮组（3）与旋转基座（2）联动，旋转直流电机（5）输出轴上的输出齿轮与旋转齿轮组（3）啮合，旋转直流电机（5）与平台固定外壳连接；上俯仰装置包括俯仰直流电机（6）、俯仰涡轮（7）和俯仰蜗杆（8），俯仰直流电机（6）与旋转俯仰平台（1）联动，俯仰直流电机（6）连接俯仰蜗杆（8），俯仰蜗杆（8）与旋转俯仰平台（1）底部的俯仰涡轮（7）啮合；

俯仰涡轮（7）设置在多节升降套管（15）的上端档板（17）上，在多节升降套管（15）底部的套管基座（26）上设置有升降套管直流电机（18）, 升降套管直流电机（18）连接有套管动作蜗杆（21），套管动作蜗杆（21）与套管动作蜗轮（22）啮合，套管动作蜗轮（22）通过牵引索（20）及滑轮与多节升降套管（15）连接并控制多节升降套管（15）升降；

下端折叠装置包括下端折叠蜗轮（29）、折叠蜗杆（30）和折叠直流电机（32），折叠直流电机（32）连接折叠蜗杆（30），折叠蜗杆（30）与折叠蜗轮（29）啮合，折叠蜗轮（29）与套管基座（26）底部连接，折叠直流电机（32）设置在折叠基座（28）上；旋转直流电机（5）、俯仰直流电机（6）和升降套管直流电机（18）连接至单片机控制系统（11）。

2.根据权利要求1所述的折叠升降式3.5D自由度云台，其特征在于：在旋转俯仰平台（1）上设置有限定旋转基座（2）旋转位置的旋转限位拨叉（4），在旋转限位拨叉（4）处设置有旋转限位开关（12），在旋转直流电机（5）的输出齿轮位置设置有旋转齿轮动作测位开关（13），旋转限位开关（12）和旋转齿轮动作测位开关（13）连接至单片机系统（11）；

旋转基座（2）中心设有中空管，中空管利用一体式止推轴承组（9）同旋转俯仰平台（1）的固定外壳紧密地连接在一起，旋转基座（2）中空管侧壁开设供导线穿过的孔洞，以便云台的旋转电机导线、俯仰电机导线及传感器导线进入并连接。

3.根据权利要求2所述的折叠升降式3.5D自由度云台，其特征在于：多节升降套管（15）为多节方形套管嵌套结构，每层套筒的底部均设置有档板，最外侧的套筒的底部为套筒基座（26），最内侧的套筒的顶部设置有套筒上端档板（17），在套筒基座（26）及除最内侧套筒以外的套筒下端档板上均设置有套筒全收缩限位开关（24），套筒全收缩限位开关（24）连接至单片机系统（11），在除最内侧套筒以外的每层套筒内壁的顶部均设置有与单片机系统（11）连接的套筒全伸展限位开关（25）；在除内层套筒外的每层套筒的底部和顶部设置有滑轮，滑轮与套筒动作蜗轮（22）之间通过牵引索（20）连接，牵引索（20）与内层套筒底部的牵引索张紧弹簧（19）连接。

4.根据权利要求1所述的折叠升降式3.5D自由度云台，其特征在于：在折叠蜗轮（29）旁设置有折叠齿轮动作测位开关（31）和折叠中位检测开关（33），折叠齿轮动作测位开关（31）设置在折叠蜗轮（29）的一侧，折叠中位检测开关（33）设置在折叠蜗轮（29）的中间，折叠齿轮动作测位开关（31）和折叠中位检测开关（33）均连接至单片机系统（11）。

5.根据权利要求1所述的折叠升降式3.5D自由度云台，其特征在于：在俯仰涡轮（7）旁设置有俯仰齿轮动作测位开关（10）和俯仰中位检测开关（14），俯仰齿轮动作测位开关（10）设置在俯仰涡轮（7）的一侧，俯仰中位检测开关（14）设置在俯仰涡轮（7）的中间。

6.根据权利要求3所述的折叠升降式3.5D自由度云台，其特征在于：套筒基座（26）底部的云台安放传感器电线（34）以螺旋方式穿过多节升降套筒（15）的内部腔体，经由套筒基座（26）、套筒下端档板和套筒上端档板（17）通过。