CN105204541A - 一种高精度的Stewart主动隔振平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度的Stewart主动隔振平台，包括载荷平台、基础平台、若干上连接块、若干下连接块、若干上弹性铰、若干下弹性铰和若干压电棒，上连接块均匀分布于载荷平台的底面；下连接块均匀分布于基础平台的顶面；每一上连接块上连接有两个上弹性铰，与同一上连接块相连的两个上弹性铰的轴线相互垂直；每一下连接块上连接有两个下弹性铰，与同一下连接块相连的两个下弹性铰的轴线相互垂直；压电棒的两端分别与上弹性铰、下弹性铰连接，任意相邻的两个压电棒的轴线相互垂直。本发明通过压电棒的伸缩来控制载荷平台的姿态变化从而达到主动控制隔离微小振动的目的，该主动隔振平台的灵敏度和灵活度都较高，具备高精度的特点，且结构简单。

Description

一种高精度的Stewart主动隔振平台

技术领域

本发明属于微振动主动控制和减振领域，具体涉及一种高精度的Stewart主动隔振平台。

背景技术

对微振动进行抑制，首先要清楚振源的特性，如振源的产生原因、激励方式、振源振动特性等。对于在轨状态的卫星平台，从引起振动的因素上来讲，卫星上的振源可以分为外在扰源和内在扰源。

外在扰源主要包括：太阳辐射光压、微粒子碰撞、太阳及月球引力、轨道的椭圆形、地球扁率影响、地球引力场等。这些扰源的振动频率极低(一般在0.01Hz以下)，振动幅值小(一般不超过10^-6g)，作用时间长(等同于航天器在轨飞行时间)。这类振动一般常被认为是不易消除的准稳态加速度的背景干扰，主要受卫星的轨道设计影响。由于载荷对这类振动不敏感，其影响也较小，在微振动控制中一般不予考虑。

内在扰源主要包括卫星的热控系统、姿态控制系统、空调系统、电源系统、太阳翼等部件的运动等。这类扰源主要以中高频为主(>0.001Hz)，量级可达到10^-2g。其中，中频(0.001Hz～1Hz)扰源一般由载荷或宇航员的瞬时行为所产生；高频(>1Hz)扰源一般由反作用轮、动量轮、压缩机、水泵、推进器点火等引起。这类扰源具有频段宽、低频高幅、高频低幅等特性，是对航天器的载荷性能产生干扰的主要振源。

微振动控制的目的是减小或消除卫星在轨工作时的往复运动对有效载荷性能的有害影响，其控制途径与常规振动控制一样，亦从振源、传递途径和被控对象入手。常用的隔振措施有：对振源采取隔振措施减弱振源的影响；对传递路径(或结构)进行优化，减小传递路径在载荷作用下的响应；采用载荷隔离技术，即在载荷和安装结构之间加入隔振装置，减少结构振动对载荷的影响。根据控制方式的不同，又可以分为被动控制、主动控制、半主动控制(自适应控制)、主被动混合控制。

总的来说，对振源的隔振主要采用被动控制系统较多，其中的原因除了被动隔振系统的可靠性高等因素之外，还需要考虑激励力的特性等因素。但是被动隔振在中低频段的效果很差，且精度很低，因此一般采用主动控制系统来实现高精度的控制。但是，现有的主动控制系统存在以下缺陷：灵活度不高，结构较为繁杂，主动控制系统多采用音圈作动器，灵敏度较差。

发明内容

本发明目的在于提供一种高精度的Stewart主动隔振平台，以解决现有的主动控制系统灵活度不高，结构较为繁杂，主动控制系统多采用音圈作动器，灵敏度较差的技术性问题。

本发明目的通过以下的技术方案实现：

一种高精度的Stewart主动隔振平台，包括载荷平台、基础平台、若干上连接块、若干下连接块、若干上弹性铰、若干下弹性铰和若干压电棒，其中，

所述上连接块均匀分布于所述载荷平台的底面；

所述下连接块均匀分布于所述基础平台的顶面；

每一上连接块上连接有两个所述上弹性铰，与同一上连接块相连的两个所述上弹性铰的轴线相互垂直；

每一下连接块上连接有两个所述下弹性铰，与同一下连接块相连的两个所述下弹性铰的轴线相互垂直；

所述压电棒的一端与所述上弹性铰连接，另一端与所述下弹性铰连接，任意相邻的两个压电棒的轴线相互垂直。

优选地，所述下弹性铰的下部设有外螺纹，所述下连接块设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述下弹性铰的下部与所述下连接块螺接。

优选地，所述下弹性铰的上端中心设有螺纹孔，所述压电棒的下端中心设有螺纹孔，所述下弹性铰与所述压电棒通过紧定螺钉连接。

优选地，所述压电棒的上部设有外螺纹，所述上弹性铰的下端中心设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述压电棒与所述上弹性铰螺接。

优选地，所述上弹性铰的上部设有外螺纹，所述上连接块设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述上弹性铰的上部与所述上连接块螺接。

优选地，所述上连接块通过螺钉与所述载荷平台连接，所述下连接块通过螺钉与所述基础平台连接。

优选地，所述上连接块和所述下连接块均为3个，所述3个上连接块均匀分布于同一圆周上，所述3个下连接块均匀分布于同一圆周上；所述上弹性铰、所述下弹性铰和所述压电棒均为6个。

优选地，所述基础平台上设有固定结构。

优选地，所述固定结构包括均匀设置在所述基础平台上的六个键槽、三个定位孔和六个光孔。

优选地，所述压电棒为压电陶瓷。

优选地，所述载荷平台与所述基础平台平行设置。

优选地，所述上弹性铰和所述下弹性铰均为圆柱形，所述上弹性铰和所述下弹性铰的中部均设有切槽。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明的主动隔振平台通过压电棒的伸缩来控制载荷平台的姿态变化从而达到主动控制隔离微小振动的目的，该主动隔振平台的灵敏度和灵活度都较高，具备高精度的特点，且结构简单。

2、本发明的主动隔振平台结合了主动控制和压电陶瓷高灵敏性的优点，可以在中低频率段实现有效的高精度的微振动控制。

3、本发明的主动隔振平台的主动安装布置方式，在结构上可以实现各方向的统一刚度，简化了运动学和动力学的计算和机械结构的设计，同时还可以实现通过控制压电棒的运动实现微小振动的隔离和一定范围的调姿功能。

4、本发明的主动隔振平台在压电棒与平台之间采用弹性铰的连接方式，此弹性铰采用圆柱形中间设切槽的结构，其纵向刚度很大，而扭转刚度较小，因此可以起到球铰的效果，可以限制三个方向的位移只提供三个方向的转动，而且此弹性铰的刚度合适，保证了平台的位姿调整功能。

5、本发明的主动隔振平台的任意两个相邻的压电棒是互相垂直的，因此能实现在三个轴线方向上的解耦，某一轴线上的运动可以由两个压电棒上的运动来决定，而与其它四个压电棒的运动无关。

6、本发明的主动隔振平台的压电棒和上、下平台的六个连接点(每个连接点固定两个压电棒)相互对称，并且上、下平台互相平行，因此该机构模型便于承载负载物体。

7、本发明的主动隔振平台的各压电棒的名义腿长相等，因此有利于各压电棒上的执行器和传感器的安装设计，相关的连接方式、铰链的选择和传感器的定位都可以采用相同的方式。

8、本发明的主动隔振平台的各压电棒上的传感器可以安装在压电棒的轴向上，因此获得的传感器信号也具有方向正交性，因此有利于把多输入输出(MIMO)控制问题转化成单输入输出(SISO)控制问题。

9、本发明的主动隔振平台由于六个压电棒在结构上的对称性，因此各压电棒上将平均分配负载力。从控制的角度分析，可以认为压电棒上具有相同的权值，因此能简化控制方法的设计。

10、由于采用了立方体Stewart平台的结构，具有对称性，两个相邻的压电棒是互相垂直的，因此能实现在三个轴线方向上的解耦，某一轴线上的运动可以由两个压电棒上的运动来决定，因此，本发明的主动隔振平台简化了压电棒和平台位姿之间的运动学关系及各压电棒上的承载力与平台上载荷的关系。

11、本发明的主动隔振平台在单频扰动下具有25dB以上的衰减，对于随机扰动也有8dB的衰减。

12、本发明的主动隔振平台由于使用了压电棒，可以有效的提高控制精度和反应速度。

13、本发明的主动隔振平台采用立方体结构的Stewart平台，可以实现机构运动学方面的解耦。

14、本发明的主动隔振平台是一种简单、高效、灵活、高精度的主动隔振平台设计，通过该隔振平台，可以有效的对中低频内的微振动进行控制，并且可以根据实际情况，进行等比例的放大尺寸来承载不同重量的设备。

附图说明

图1为本发明的主动隔振平台的结构示意图；

图2为本发明的上弹性铰的结构示意图；

图3为本发明的上连接块的结构示意图；

图4为本发明的下连接块的结构示意图；

图5为本发明的下弹性铰的结构示意图；

图6为载荷平台和基础平台的坐标示意图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。为了使本领域的技术人员能够清楚、完整的知晓本发明的内容并可以实施本发明的技术方案，实施例中公开了大量的细节。但是，很显然地，没有这些细节本领域的技术人员也能够实施本发明的技术方案，达到本发明的目的，实现本发明的效果。这些细节是发明人经过大量的实验而选择的最优的实施方式，并不用来限制本发明的保护范围。本发明的保护范围以权利要求书的内容为准，本领域的技术人员根据本申请文件公开的内容无需创造性劳动而得到的技术方案也在本发明的保护范围内。

实施例1

请参阅图1，一种高精度的Stewart主动隔振平台，包括载荷平台1、基础平台2、若干上连接块3、若干下连接块4、若干上弹性铰5、若干下弹性铰6和若干压电棒7，其中，

所述载荷平台1与所述基础平台2平行设置；

所述上连接块3均匀分布于所述载荷平台1的底面；

所述下连接块4均匀分布于所述基础平台2的顶面；

每一上连接块3上连接有两个所述上弹性铰5，与同一上连接块3相连的两个所述上弹性铰5的轴线相互垂直；

每一下连接块4上连接有两个所述下弹性铰6，与同一下连接块4相连的两个所述下弹性铰6的轴线相互垂直；

所述压电棒7的一端与所述上弹性铰5连接，另一端与所述下弹性铰6连接，任意相邻的两个压电棒7的轴线相互垂直。

本发明的主动隔振平台通过压电棒的伸缩来控制载荷平台的姿态变化从而达到主动控制隔离微小振动的目的，该主动隔振平台的灵敏度和灵活度都较高，具备高精度的特点，且结构简单。

所述下弹性铰6的下部设有外螺纹，所述下连接块4设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述下弹性铰6的下部与所述下连接块4螺接，如图4、5所示。

所述下弹性铰6的上端中心设有螺纹孔，所述压电棒7的下端中心设有螺纹孔，所述下弹性铰6与所述压电棒7通过紧定螺钉连接。

所述压电棒7的上部设有外螺纹，所述上弹性铰5的下端中心设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述压电棒7与所述上弹性铰5螺接。

所述上弹性铰5的上部设有外螺纹，所述上连接块3设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述上弹性铰5的上部与所述上连接块3螺接，如图2、3所示。

所述上连接块3通过两个螺钉与所述载荷平台1固定连接，所述下连接块4通过两个螺钉与所述基础平台2固定连接。

所述上连接块3和所述下连接块4均为3个，所述3个上连接块3均匀分布于同一圆周上，所述3个下连接块4均匀分布于同一圆周上；所述上弹性铰5、所述下弹性铰6和所述压电棒7均为6个。

为了方便主动隔振平台与其他设备的安装和固定，在所述基础平台2上设有固定结构，所述固定结构包括均匀设置在所述基础平台2上的六个键槽、三个定位孔和六个光孔。六个键槽均匀设置在所述基础平台2上；三个定位孔均匀设置在所述基础平台2上；六个光孔均匀设置在所述基础平台2上。

所述压电棒7为压电陶瓷。

所述上弹性铰5和所述下弹性铰6均为圆柱形，所述上弹性铰5和所述下弹性铰6的中部均设有切槽。

工作时，将Stewart主动隔振平台通过4个支腿插入充满沙子的箱体中来隔离来自地面的振动，载荷平台上放置需要的质量或者设备。数据采集仪器(LMS)主要用于采集平台各方向的振动加速度信号，同时也用于微振动干扰源的信号频率和幅值的控制。加速度计信号先通过电荷放大器调理，然后分别由数据采集仪器和上位机接受，上位机对控制目标信号进行处理，并通过NI控制板卡发出控制信号，经过滤波器和功率放大器，推动隔振平台的6个压电棒产生运动。为了更好地隔离来自地面的振动，可以将整个Stewart隔振平台放到一个装满细沙的长方体玻璃容器中，同时在容器下端放置了橡胶减震器。

下面对Stewart主动隔振平台的运动学进行解释。如图6所示，在载荷平台与基础平台上选择O_p和O_b作为参考点，并以这两个参点分别建立笛卡尔坐标系{P}和{B}，并认为坐标系{B}是固定不动的，其它坐标都可以表示在该固定坐标系下的矢量。t表示从坐标系{B}的原点O_b到坐标系{P}的原点O_p的矢量，t＝(x,y,z)，{P}相对{B}的欧拉角θ＝(α,β,γ)。设从O_p到载荷平台与各压电棒的连接点的矢量为p_i,从O_b到基础平台与各压电棒的连接点的各矢量为b_i,Stewart主动隔振平台的六个压电棒从与基础平台的连接点到与载荷平台的连接点的矢量为S_i，(i＝1,2,3,4,5,6),可以由下式表示

S_i＝Rp_i+t-b_i

R为旋转余弦矩阵，(i＝1,2,3,4,5,6)。

式中压电棒的长度

L_i＝‖S_i‖＝(Rp_i+t-b_i)/‖Rp_i+t-b_i‖

各压电棒的单位矢量可写成

s＝S_i/‖S_i‖＝(Rp_i+t-b_i)/‖Rp_i+t-b_i‖

雅克比矩阵与压电棒伸长速度和速度向量有关，v和w是载荷平台的姿态变量。由于载荷平台的姿态是关于(x,y,z,α,β,γ)的函数，并令

$\mathrm{\ω}=\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}},v=\stackrel{\·}{t},\stackrel{\·}{\mathrm{\χ}}={\left(v^T{\mathrm{\ω}}^T\right)}^T,q_i={\mathrm{Rp}}_i$

各压电棒的滑动速度为:

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{S}}_i=s_i\left(v+\mathrm{\ω}\×q_i\right)={s_i}^{T}v+{s_i}^T\left(\mathrm{\ω}\×q_i\right)\\ ={s_i}^{T}v+{\left(q_i\×s_i\right)}^T\mathrm{\ω}=\left({s_i}^T{\left(q_i\×s_i\right)}^T\right)\left(\begin{array}{c}v\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right)=J\stackrel{\·}{\mathrm{\χ}}\end{array}$

一般雅克比矩阵可写为

J＝(s_i ^T(q_i×s_i)^T)

建立坐标系，垂直于纸面方向的为z轴，x和y轴方向在图中标出，图中标出6个杆的位置和标号。分别以基础平台和载荷平台的几何中心为原点，建立静坐标系O_b-xyz，和载荷平台动坐标系O_p-xyz。其中，静坐标系O_b-xyz的xy轴方向与O_p-xyz一致。这样，旋转矩阵R＝diag(1,1,1)即单位矩阵，位移向量t＝(0,0,Z_r)。为上下平台在z轴上的距离。b₁₂，b₃₄，b₅₆为压电棒下端在静坐标系Ob-xyz的坐标，p₁₆，p₂₃，p₄₅为压电棒上端在静坐标系O_b-xyz的坐标。根据式(6)可得立方体Stewart的雅克比矩阵J，其中L为压电棒的长度

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔL}}_1\\ {\mathrm{\ΔL}}_2\\ {\mathrm{\ΔL}}_3\\ {\mathrm{\ΔL}}_4\\ {\mathrm{\ΔL}}_5\\ {\mathrm{\ΔL}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}-0.8165& 0& 0.5774& -0.4082& 0.2357& -0.5774\\ 0.4082& 0.7071& 0.5774& 0& -0.2722& 0.3333\\ 0.4082& -0.7071& 0.5774& 0& -0.2722& -0.3333\\ -0.8165& 0& 0.5774& 0.4082& 0.2357& 0.5774\\ 0.4082& 0.7071& 0.5774& 0.4082& 0.2357& -0.5774\\ 0.4082& -0.7071& 0.5774& -0.4082& 0.2357& 0.5774\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ L\mathrm{\α}\\ L\mathrm{\β}\\ L\mathrm{\γ}\end{array}\right]$

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (12)

1.一种高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，包括载荷平台、基础平台、若干上连接块、若干下连接块、若干上弹性铰、若干下弹性铰和若干压电棒，其中，

所述上连接块均匀分布于所述载荷平台的底面；

所述下连接块均匀分布于所述基础平台的顶面；

每一上连接块上连接有两个所述上弹性铰，与同一上连接块相连的两个所述上弹性铰的轴线相互垂直；

每一下连接块上连接有两个所述下弹性铰，与同一下连接块相连的两个所述下弹性铰的轴线相互垂直；

所述压电棒的一端与所述上弹性铰连接，另一端与所述下弹性铰连接，任意相邻的两个压电棒的轴线相互垂直。

2.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述下弹性铰的下部设有外螺纹，所述下连接块设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述下弹性铰的下部与所述下连接块螺接。

3.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述下弹性铰的上端中心设有螺纹孔，所述压电棒的下端中心设有螺纹孔，所述下弹性铰与所述压电棒通过紧定螺钉连接。

4.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述压电棒的上部设有外螺纹，所述上弹性铰的下端中心设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述压电棒与所述上弹性铰螺接。

5.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述上弹性铰的上部设有外螺纹，所述上连接块设有与所述外螺纹相配合的螺纹孔，所述上弹性铰的上部与所述上连接块螺接。

6.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述上连接块通过螺钉与所述载荷平台连接，所述下连接块通过螺钉与所述基础平台连接。

7.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述上连接块和所述下连接块均为3个，所述3个上连接块均匀分布于同一圆周上，所述3个下连接块均匀分布于同一圆周上；所述上弹性铰、所述下弹性铰和所述压电棒均为6个。

8.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述基础平台上设有固定结构。

9.如权利要求8所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述固定结构包括均匀设置在所述基础平台上的六个键槽、三个定位孔和六个光孔。

10.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述压电棒为压电陶瓷。

11.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述载荷平台与所述基础平台平行设置。

12.如权利要求1所述的高精度的Stewart主动隔振平台，其特征在于，所述上弹性铰和所述下弹性铰均为圆柱形，所述上弹性铰和所述下弹性铰的中部均设有切槽。