CN104850140B - 一种双自由度旋转控制装置及设有该装置的应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双自由度旋转控制装置及应用系统，包括：转动体(1)，具有磨擦球面，其顶部或内部设有负载安装平台；固定支撑结构，保持所述转动体(1)，使其仅具有旋转自由度；驱动电机(7)，为驻波型压电陶瓷电机，各所述驱动电机(7)纵向布置于所述转动体(1)周围，其驱动端与所述转动体(1)的摩擦球面直接接触，形成与所述摩擦球面相切的纵向磨擦传动副；控制单元，根据检测单元测量的姿态数据，对所述转动体(1)在两个旋转自由度上的旋转进行控制和调整。该装置结构简单、成本低、性能稳定，且易于小型化、动态响应更宽、功耗更小，可广泛应用于各种动态稳定平台和自动静态定向/调平装置。

Description

一种双自由度旋转控制装置及设有该装置的应用系统

技术领域

本发明涉及旋转装置技术领域，特别是双自由度旋转控制装置。本发明还涉及设有该装置的应用系统。

背景技术

双自由度旋转的装置和应用系统，常用于实现稳定平台、自动调平装置等，是实现三旋转自由度驱动、稳定装置和方法的核心。

目前，双自由度旋转装置大都采用两个相互正交的转动框架实现，在每个框架旋转轴的两端安装电机和传感器实现驱动和旋转角度测量，外部采用框架进行支撑和固定。

请参考图1，图1为框架式双自由度旋转控制装置的结构示意图。

如图所示，两个矩形转动框架1'(也可采用球形框架)相互正交，各转动框架1'的两个旋转驱动轴的两端分别安装驱动电机2'和角度传感器3'，根据角度传感器3'的测量数据对两个旋转轴进行控制和调整，从而实现稳定平台4'的稳定控制，驱动电机2'为常规电磁感应电机。

这种双自由度旋转控制装置，由于两个旋转轴要求相互垂直正交，而且驱动电机需要安装在两个轴端。因此，存在以下不足：

首先，框架形式和叠套结构会导致整个装置体积过大，不利于向小型化方向发展，会占用过大的空间，布置与组装的难度较大。

其次，虽然从原理图来看，其结构较为简单，但在实际制造过程中，为保证两个旋转轴精确地相互垂直正交，其机械结构会十分复杂，而且加工、装调精度要求很高，导致设备成本较高。

再者，框架式结构导致整个装置刚度较差，性能不够稳定。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种双自由度旋转控制装置。该装置结构简单、成本低、性能稳定，且易于小型化、动态响应更宽、功耗更小，可广泛应用于各种动态稳定平台和自动静态定向/调平装置。

本发明的第二目的是提供一种设有该装置的应用系统。

为实现上述第一目的，本发明提供一种双自由度旋转控制装置，包括：

转动体，具有磨擦球面，其顶部或内部设有负载安装平台；

固定支撑结构，保持所述转动体，使其仅具有旋转自由度；

驱动电机，其驱动端与所述转动体的摩擦球面直接接触，形成与所述摩擦球面相切的磨擦传动副。

优选地，所述驱动电机的数量为四个，以90度相位角均匀分布于所述转动体外围，其中相对的两个所述驱动电机的磨擦传动副的回转力矩方向相反。

优选地，所述驱动电机的数量为两个，两者的相位角为90度，各所述驱动电机在所述转动体的另一侧均设有与之相对的转动支撑件。

优选地，所述驱动电机为驻波型压电陶瓷电机。

优选地，各所述驱动电机纵向布置于所述转动体周围。

优选地，还包括：

检测单元，用于获取并向控制单元传输所述转动体的姿态数据；

控制单元，用于接收所述检测单元测量的姿态数据，并根据包括所述姿态数据在内的数据对所述转动体在两个旋转自由度上的旋转进行控制和调整。

优选地，所述转动体为完整球形转动体、部分球形转动体或者具有多个局部球面的虚拟球形转动体。

优选地，所述转动体为陶瓷或金属转动体。

优选地，所述固定支撑结构包括：

底座，其上设有容纳所述转动体的球形凹座；

下支撑件，设于所述球形凹座球形空间的底部，其支撑所述转动体具有旋转自由度；

上压块，分布于所述球形凹座顶部，其将所述转动体向下保持在所述下支撑件上。

优选地，所述下支撑件为下支撑环，其通过环带形内球面支撑所述转动体；或者，所述下支撑件为环形分布的若干支撑块，其通过局部内球面支撑所述转动体。

优选地，所述下支撑环或支撑块为采用固体润滑材料制成的支撑环或支撑块。

优选地，所述上压块为采用固体润滑材料制成的上压块。

优选地，所述球形凹座呈开口向上的空心半球形，其外侧设有局部平面，并在局部平面上开设槽口，形成驱动电机安装位，相邻的所述槽口之间形成异形支柱，所述上压块安装于所述异形支柱顶部。

优选地，所述驱动电机的驱动端与所述转动体的摩擦球面在赤道面或者任意水平截面位置直接接触。

为实现上述第二目的，本发明提供一种应用系统，包括旋转装置及其上的工作单元，所述旋转装置为上述任一项所述的双自由度旋转控制装置，所述工作单元设于所述转动体的负载安装平台。

本发明采用驻波型压电陶瓷电机作为驱动电机，并使其驱动端与转动体磨擦球面直接接触传递力和力矩，工作时，驻波型压电陶瓷电机的驱动端能够以超声工作频率和纳米的振幅以摩擦的形式将力直接传递到转动体，从而形成使转动体在不同方向上旋转的驱动力矩，每一个或每一组驱动电机对应一个方向上的旋转自由度，通过角度检测单元和控制单元，最终可实现对转动体在两个旋转自由度上的定向、稳定进行控制和调整。

基于上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1)使用一个转动体即可实现两个自由度的旋转，结构简单，很容易通过压电陶瓷电机安装位置调整实现两个旋转轴的正交，成本将大幅降低。

2)通过转动体摩擦球面的表面精加工，较低的成本即可保证良好的球度和转动体表面的粗糙度(纳米级别)，而压电陶瓷电机的超声激励频率、纳米级振幅，可在两个旋转自由度上均获得非常高的旋转精度。

3)压电陶瓷电机直接将驱动力矩作用于转动体表面，转动体的球形结构或类球形结构具有极高的刚度，因此可获得极高的动态性能，在不需要驱动转动体转动时，驻波型压电陶瓷电机的自锁特性，能够使转动体的姿态保持稳定而不需要消耗能量，从而使得整套装置具有极高的能效。

4)转动体容易实现和底座等构件的精密耦合加工，固定支撑结构与转动体接触的部位使用固体润滑材料，其配合精度可保证在0.5um以内，加上压电陶瓷电机的纳米级高频小步进给运动，可以实现转动体的高速精准旋转运动。

5)采用压电陶瓷电机、转动体的双自由度旋转控制装置，可在满足高精度、大负载要求的情况下实现小尺寸，有利于最终产品向小型化方向发展。

本发明所提供的应用系统设有上述双自由度旋转控制装置，由于所述双自由度旋转控制装置具有上述技术效果，设有该双自由度旋转控制装置的应用系统也应具有相应的技术效果。

附图说明

图1为现有技术中框架式双自由度旋转控制装置的结构示意图；

图2为本发明所提供的双自由度旋转控制装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为图2中所示陶瓷球形转动体的结构示意图；

图4为图2中所示底座及球形凹座的结构示意图；

图5为一种虚拟球形转动体的示例图。

图1中：

转动框架1' 驱动电机2' 角度传感器3' 稳定平台4'

图2至图5中：

1.转动体 1-1.局部球面 2.球形凹座 3.底座 4.下支撑环 5.上压块 6.角度传感器 7.驱动电机 8.电机安装板 9.传感器连接安装板

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本发明所提供的双自由度旋转控制装置的一种具体实施方式的结构示意图。

本发明提供的双自由度旋转控制装置的一种具体实施例中，主要由转动体1、设有球形凹座2的底座3、下支撑环4、上压块5、角度传感器6、驱动电机7以及控制单元等构成。

转动体1为陶瓷或金属材质的部分球形转动体(见图3)，由一个完整的球体在顶部加工出平面形成，其内部可以是中空结构，顶部或内部可安装其他组成部件，负载安装平台既可以位于转动体1内部，也可以位于转动体1顶部，除顶面以外，转动体1的其余部分为球面，即摩擦球面，通过表面精加工，可使摩擦球面达到纳米级别的粗糙度。

请一并参考图4，图4为图2中所示底座及球形凹座的结构示意图。

底座3呈圆盘形，其中央处设有用于容纳转动体的球形凹座2，球形凹座2呈开口向上的空心半球形，其顶面位于赤道面以下的位置，以便于转动体1能够顺利的放入球形凹座2，其外侧面沿纵向方向切割出四个周向均匀分布的局部平面，并在局部平面上开设“U”形槽口，形成驱动电机安装位，相邻的“U”形槽口之间形成异形支柱。

球形凹座2为单体结构，可一次性精确加工成形，与分体组装式结构相比，其结构简单、性能稳定、易于装调，且能够保证两个旋转轴精确正交，从而大幅降低成本。

下支撑环4安装在球形凹座2的球形空间底部，其通过环带形内球面支撑转动体1绕立体空间的三个旋转轴旋转，也就是图3所示的X轴、Y轴和Z轴，转动体1的任何旋转运动，都可以分解为绕X轴、Y轴和Z轴的旋转，转动体1在球形凹座2内虽然可以任意旋转，却不会沿X轴、Y轴和Z轴发生位移，即转动体1相对于球形凹座2仅具有旋转自由度。

上压块5的形状大体与异形支柱的顶面形状相吻合，四个上压块5分别固定在四个异形支柱的顶部，将转动体1向下保持在下支撑环4上，其与转动体1的接触部位处于转动体1赤道面以上的位置，以便将转动体1保持在下支撑环4上，防止其从球形凹座2中脱出。

下支撑环4、上压块5采用固体润滑材料制成，可使用PTFE(聚四氟乙烯)或者PEEK(聚醚醚酮)材料，本实施例使用聚四氟乙烯材料。

若上压块5未采用固体润滑材料，则为了防止上压块5与转动体1之间产生较大的摩擦力而影响转动体1旋转，可以在上压块5与转动体1接触的部位加装防摩擦垫或防摩擦层，并将防摩擦垫或防摩擦层固定在上压块5上。

驱动电机7采用驻波型压电陶瓷电机，其数量为四个，其中两个以相对的方式在X方向上对称布置于转动体1两侧，另外两个以相对的方式在Y方向上对称布置于转动体1两侧，四个驱动电机7围绕转动体1均匀分布且纵向布置，形成的相位角为90度，各驱动电机7的驱动端为直线驱动端，也就是只能够进行直线驱动，其直线驱动端与转动体1的摩擦球面直接接触，形成与摩擦球面相切的磨擦传动副，同一方向上的两个驱动电机7的磨擦传动副的回转力矩方向相反，X轴方向上的两个驱动电机7用于同时驱动转动体1绕Y轴转动，Y轴方向上的两个驱动电机7用于同时驱动转动体1绕X轴转动。

具体地，驱动电机7可通过图2中所示的电机安装板8固定在球形凹座2的驱动电机安装位上。

由于驱动电机7的直线驱动端为陶瓷头，因此转动体1亦优选陶瓷转动体，以便两者形成较为理想的摩擦工作副。

角度传感器6为MEMS角度传感器，具体可使用MEMS陀螺或MEMS加速度计，其通过传感器连接安装板9安装在转动体1顶部的平面上，用于适时检测转动体1的姿态数据，并将数据传输至控制单元，进而由控制单元根据所测量的姿态数据，对转动体1在两个旋转自由度(绕X轴旋转和绕Y轴旋转)上的定向、稳定进行控制和调整。

这里的定向指转动体1及其上的负载始终指向或对准某一特定方向或特定目标，稳定指转动体1及其上的负载始终保持设定的姿态，例如转动体1的顶面始终保持水平等。

当然，角度传感器6也可以放置于球形转动体1内部，不论角度传感器是内置还是外置，均采用无线方式供电和无线方式传输测量数据。

工作时，驱动电机7通过压电电机陶瓷头与陶瓷球形转动体1表面的摩擦传递力或力矩的，驱动电机7的陶瓷头以超声工作频率和纳米的振幅以摩擦的形式将力直接传递到陶瓷球形转动体1表面，形成绕X、Y轴旋转的驱动力矩。

对Y轴两端纵向安装的两个驱动电机7进行反向激励，将给陶瓷球形转动体1施加一个绕X轴回转的力矩；对另外一对驱动电机7进行反向激励，将给陶瓷球形转动体1施加一个绕Y轴回转的力矩，从而实现绕X、Y轴两个旋转自由度的驱动。

这里给出的只是本发明的一种具体实施方式，此种方式可实现X、Y轴两个旋转自由度的驱动，但由于转动体1为部分球体，因此不能进行连续旋转，对此，可以将转动体1设计为完整的陶瓷球形转动体，同时将角度传感器6等放置于陶瓷球形转动体1内部，通过无线方式进行供电、传输测量数据，从而实现绕X、Y轴连续旋转的无约束稳定驱动，而对于旋转范围较小的应用，转动体1可设计为具有多个局部球面的虚拟球形转动体。

如图5所示，虚拟球形转动体指多个局部球面1-1位于同一完整球面上，而外形上并不呈现为常规球形的转动体。

上述实施例的四个驱动电机7纵向安装在球形转动体1的赤道面上，分布在X、Y轴的两端，对于稳定、调平响应速度要求较低的应用，可以在球形转动体1的X、Y轴仅各安装一个驱动电机7，另一端安装与之相对的转动支撑件即可。

此外，对于特殊应用，驱动电机7可以不纵向安装于球形转动体1的赤道面，而是纵向安装在球形转动体1的任意水平截面上的相切位置。

上述内容仅是本发明所提供双自由度旋转控制装置的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，将下支撑环4替换为环形分布的若干支撑块，由支撑块通过局部内球面支撑转动体1；或者，驱动电机7的数量进一步增加或减少，设置三、五、六甚至更多个，并按照等分或不等分的相位角进行分布等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

本发明使用压电陶瓷电机摩擦传动特性和具有磨擦球面的转动体相结合，借助MEMS传感器实现双自由度旋转稳定驱动，可用于将负载始终稳定的保持在水平位置或其他特定方位，在双自由度旋转控制装置的基础上，将其底座3固定于Z向旋转轴，或者在其球形旋转体1中增加一个Z向旋转轴，即可构成单球三轴旋转装置，从而实现三旋转自由度控制，可进一步扩大应用范围。

除了上述双自由度旋转控制装置，本发明还提供一种应用系统，包括驱动装置及其上的工作单元，驱动装置为上文所述的双自由度旋转控制装置，工作单元设于转动体的负载安装平台。例如飞行器、高铁、机动车等高速飞行、运行设备上的导航系统，或者测量、试验、摄录等设备中的精确运行系统，以实现定向指定、对准、校正、跟踪等功能，其余结构请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的双自由度旋转控制装置及应用系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种双自由度旋转控制装置，其特征在于，包括：

转动体(1)，具有摩擦球面，其顶部或内部设有负载安装平台；

固定支撑结构，设于所述转动体(1)外围，与所述转动体(1)的摩擦球面相配合以保持所述转动体(1)，使其仅具有旋转自由度；

驱动电机(7)，各所述驱动电机(7)的驱动端为直线驱动端，其驱动端与所述转动体(1)的摩擦球面直接接触，形成与所述摩擦球面相切的磨擦传动副。

2.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)的数量为四个，以90度相位角均匀分布于所述转动体(1)外围，其中相对的两个所述驱动电机(7)的磨擦传动副的回转力矩方向相反。

3.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)的数量为两个，两者的相位角为90度，各所述驱动电机(7)在所述转动体(1)的另一侧均设有与之相对的转动支撑件。

4.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)为驻波型压电陶瓷电机。

5.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，各所述驱动电机(7)纵向布置于所述转动体(1)周围。

6.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，还包括：

检测单元，用于获取并向控制单元传输所述转动体(1)的姿态数据；

控制单元，用于接收所述检测单元测量的姿态数据，并根据包括所述姿态数据在内的数据对所述转动体(1)在两个旋转自由度上的旋转进行控制和调整。

7.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述转动体(1)为完整球形转动体、部分球形转动体或者具有多个局部球面的虚拟球形转动体。

8.根据权利要求7所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述转动体(1)为陶瓷或金属转动体。

9.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述固定支撑结构包括：

底座(3)，其上设有容纳所述转动体的球形凹座(2)；

下支撑件，设于所述球形凹座(2)球形空间的底部，其支撑所述转动体(1)具有旋转自由度；

上压块(5)，分布于所述球形凹座(2)顶部，其将所述转动体(1)向下保持在所述下支撑件上。

10.根据权利要求9所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述下支撑件为下支撑环(4)，其通过环带形内球面支撑所述转动体(1)；或者，所述下支撑件为环形分布的若干支撑块，其通过局部内球面支撑所述转动体(1)。

11.根据权利要求10所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述下支撑环(4)或支撑块为采用固体润滑材料制成的支撑环或支撑块。

12.根据权利要求9所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述上压块为采用固体润滑材料制成的上压块。

13.根据权利要求9所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述球形凹座(2)呈开口向上的空心半球形，其外侧设有局部平面，并在局部平面上开设槽口，形成驱动电机安装位，相邻的所述槽口之间形成异形支柱，所述上压块(5)安装于所述异形支柱顶部。

14.根据权利要求1至13任一项所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)的驱动端与所述转动体(1)的摩擦球面在赤道面或者任意水平截面位置直接接触。

15.一种应用系统，包括旋转装置及其上的工作单元，其特征在于，所述旋转装置为上述权利要求1至14任一项所述的双自由度旋转控制装置，所述工作单元设于所述转动体(1)的负载安装平台。