CN105204543A - 一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，包括依次连接的基础平台、三个下部连接块、六个支腿、三个上部连接块和载荷平台，其特征在于，所述支腿包括力传感器和音圈作动器，其中，所述力传感器一端与所述下部连接块相连，另一端与所述音圈作动器相连，用以检测所述支腿上作用力的大小；所述音圈作动器一端与所述上部连接块相连，另一端与所述力传感器相连，用以根据外部振源扰动产生不同的位移伸长量，从而对系统振动进行主动控制。本发明主要实现被动隔离高频，主动隔离中低频，通过音圈作动器产生的位移来控制上平台的姿态从而达到主动控制隔离微小振动的目的，具备有电磁驱动可实现超低频控制的特点。

Description

一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台

技术领域

本发明属于微振动主动控制和减振领域，具体涉及一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台。

背景技术

当前航天技术已经对社会、经济、军事以及政治产生重要的影响，随着社会发展、国家安全和经济建设等需求的不断增加，同时，卫星的作用无可替代，因此各界对于卫星指向稳定性和观测分辨率要求也不断升级，卫星姿态振荡、星上回转或往复运动部件对于卫星平台的微振动干扰正逐渐成为制约高敏感度有效载荷使用的瓶颈。

微振动是航天器在轨运行期间，由于搭载设备的正常运作而造成的。如动量轮、控制力矩陀螺等部件的转动，太阳翼驱动机构等的步进运动，推力器的开启或关闭，相机摆镜等的摆动等。显然微振动将会对航天器工作造成不利的影响，尤其是在微重力的情况下，因此必须对其进行振动控制以消除不利影响。

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(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。

总之，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，因此采用主动控制来实现中低频段高精度的控制。而主被动混合控制，结合在高频段采用被动控制，在中低频段采用主动控制的方法，实现对振源的有效隔振。

现有技术的缺陷是：该类应用在国内文献以及专利当中较为少见，现有结构存在以下缺点，灵活度不高，结构较为繁杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台。

一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，包括依次连接的基础平台、三个下部连接块、六个支腿、三个上部连接块和载荷平台，所述支腿包括力传感器和音圈作动器，其中，

所述力传感器一端与所述下部连接块相连，另一端与所述音圈作动器相连，用以检测所述支腿上作用力的大小；

所述音圈作动器一端与所述上部连接块相连，另一端与所述力传感器相连，用以根据外部振源扰动产生不同的位移伸长量，从而对系统振动进行主动控制。

进一步的，三个所述下部连接块和三个所述上部连接块均为球铰结构。

进一步的，其中，

与同一所述下部连接块相连的两个所述力传感器之间沿轴线方向相互垂直；

与同一所述上部连接块相连的两个所述音圈作动器之间沿轴线方向相互垂直。

进一步的，其中，

三个所述下部连接块的底端各开设有两个第一螺纹孔，通过六个所述第一螺纹孔使得三个所述下部连接块与所述基础平台相连接，三个所述下部连接块均匀的分布在所述基础平台的上端面；

三个所述上部连接块的顶端各开设有两个第一螺纹孔，通过六个所述第一螺纹孔使得三个所述上部连接块与所述载荷平台相连接，三个所述上部连接块均匀的分布在所述载荷平台的下端面。

进一步的，三个所述下部连接块和三个所述上部连接块相同，每个所述下部连接块和上部连接块均包括底座、球头轴、环状的端盖和铜套，所述铜套通过所述环状的端盖固定于所述底座内，且所述铜套的开口通过所述端盖的中空区域朝向外侧，所述球头轴一端连接所述力传感器或音圈作动器，另一端穿过所述铜套的开口以及所述端盖的中空区域，使得该端的球头部卡接于所述铜套内。

优选的，其中，

每个所述力传感器的下端中心均攻有第二螺纹孔，所述球头轴上设有与所述第二螺纹孔匹配的外螺纹，所述球头轴与所述力传感器之间通过所述第二螺纹孔与外螺纹匹配连接；

每个所述音圈作动器的上端中心均攻有第二螺纹孔，所述球头轴上设有与所述第二螺纹孔匹配的外螺纹，所述球头轴与所述音圈作动器之间通过所述第二螺纹孔与外螺纹匹配连接。

进一步的，所述力传感器的上端中心设有第二螺纹孔，所述音圈作动器的下端中心设有与所述第二螺纹孔相对应的外螺纹，所述力传感器和所述音圈作动器之间通过所述第二螺纹孔与所述第二螺纹孔相对应的外螺纹相连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明中采用立方体结构的Stewart平台，任意两个支腿是互相垂直的，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支腿上的运动来决定，而与其它四个支腿的运动无关；

2.各个支腿与平台之间采用球铰的连接方式，润滑良好，提供三个方向的转动，保证了平台的位姿调整功能；

3.各支腿长度相等，因此有利于各支腿上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；

4.主动元件采用的就是音圈作动器，相比于其他主动元件，具有结构简单、重量轻、体积小、高加速度(达到20g以上)和速度、推力均匀、响应速度快(ms级)、精度高(1～5μm)的优点，应用前景良好。其额定输出力为60N，工作电流小于5A；

5.支腿和基础平台、载荷平台的六个连接点(每个连接点固定两条支腿)相互对称，并且基础平台、载荷平台互相平行，因此该机构模型便于承载负载物体；

6.各支腿上的传感器可以安装在沿支腿轴向上，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；

7.由于六个支腿在结构上的对称性，因此各支腿上将平均分配负载力。从控制的角度分析，可以认为支腿上相同的权值，因此能简化控制方法的设计；简化支腿和平台位姿之间的运动学关系，各支腿上的承载力与平台上载荷的关系；

8.本发明是一种简单、高效、灵活、高精度的主被动隔振平台设计。通过该隔振平台，不仅可以隔离高频振动，而且还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

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台的装配图；

图2为一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台的正视图；

图3为一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台的球铰结构连接块三维图；

图4为一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台的球铰结构连接块之底座三维示意图；

图5为球铰结构中上下部连接块正视图；

图6为球铰结构中上下部连接块左视图；

图7为球铰结构中上下部连接块C-C方向局部视图；

图8为载荷平台和基础平台坐标建立图。

符号说明：1-基础平台；2-下部连接块；3-力传感器；4-音圈作动器；5-上部连接块；6-载荷平台；7-底座；8-球头轴；9-端盖；10-铜套；11-石墨；12-第一螺纹孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-7所示，本发明公开了一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，包括依次连接的基础平台1、三个下部连接块2、六个支腿、三个上部连接块5和载荷平台6，每个所述支腿长度相等，且包括沿轴线连接的一个力传感器3和一个音圈作动器4，其中，所述力传感器3一端与所述下部连接块2相连，另一端与所述音圈作动器4相连，用以检测所述支腿上作用力的大小，此作用力主要为所述载荷平台6传到所述基础平台1的力；所述音圈作动器4一端与所述上部连接块5相连，另一端与所述力传感器3相连，用以根据外部振源扰动产生不同的位移伸长量，从而对系统振动进行主动控制。本发明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音圈作动器4的运动实现微小振动的隔离和一定范围的调姿功能。

优选实施例中，三个所述下部连接块2和三个所述上部连接块5均为球铰结构。即各个所述支腿与基础平台1和载荷平台6之间采用球铰的连接方式，润滑良好，可提供三个方向的转动，保证了平台的位姿调整功能。

进一步的，三个所述下部连接块2和三个所述上部连接块5相同，每个所述下部连接块2和上部连接块5均包括底座7、球头轴8、环状的端盖9和铜套10，所述铜套10通过所述环状的端盖9固定于所述底座7内，且所述铜套10的开口通过所述端盖9的中空区域朝向外侧，所述球头轴8进一步包括轴部和球头部，所述球头轴8的轴部一端连接所述力传感器3或音圈作动器4，另一端所述球头部穿过所述铜套10的开口以及所述端盖9的中空区域，使得该端的球头部卡接于所述铜套10内。其中，所述铜套10上进一步包括均匀分布的石墨11。上述所述下部连接块2和上部连接块5均位于所述基础平台1和载荷平台6连接的接触面之外的任意两个侧面上。

其中，三个所述下部连接块2的底端各开设有两个第一螺纹孔12，通过六个所述第一螺纹孔12使得三个所述下部连接块2与所述基础平台1相连接，且每个所述力传感器3的下端中心均攻有第二螺纹孔，所述球头轴8上设有与所述第二螺纹孔匹配的外螺纹，所述球头轴8与所述力传感器3之间通过所述第二螺纹孔与外螺纹匹配连接。三个所述下部连接块2均匀的分布在所述基础平台1的上端面。此外，每个所述下部连接块2固定连接任意两个所述力传感器3，与同一所述下部连接块2相连的两个所述力传感器3之间沿轴线方向相互垂直。

其中，三个所述上部连接块5的顶端各开设有两个第一螺纹孔12，通过六个所述第一螺纹孔12使得三个所述上部连接块5与所述载荷平台6相连接，且每个所述音圈作动器4的上端中心均攻有第二螺纹孔，所述球头轴8上设有与所述第二螺纹孔匹配的外螺纹，所述球头轴8与所述音圈作动器4之间通过所述第二螺纹孔与外螺纹匹配连接。三个所述上部连接块5均匀的分布在所述载荷平台6的下端面。此外，每个所述上部连接块5固定连接任意两个所述音圈作动器4，与同一所述上部连接块5相连的两个所述音圈作动器4之间沿轴线方向相互垂直。

本实施例中，所述第一螺纹孔12为M6型螺纹孔，所述第二螺纹孔为M12型螺纹孔。

进一步的，所述力传感器3的上端中心设有第二螺纹孔，所述音圈作动器4的下端中心设有与所述第二螺纹孔相对应的外螺纹，所述力传感器3和所述音圈作动器4之间通过所述第二螺纹孔与所述第二螺纹孔相对应的外螺纹相连接。

优选实施例中，任意两个所述支腿之间互相垂直。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支腿上的运动来决定，而与其它四个支腿的运动无关。所述基础平台1和所述载荷平台6相互平行，便于承载负载物体，通过六个所述音圈作动器4的长度的改变来控制所述载荷平台6的姿态，得以主动减小微小振动。

此外，本发明还对主被动隔振平台的运动学原理进行解释。如图8所示，在负载平台和基础平台上选择O_S和O_R作为参考点，并以这两个参点分别建立笛卡尔坐标系{S}和{R}，并认为坐标系{R}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{R}的原点O_R到坐标系{S}的原点O_S的矢量，t＝(x,y,z)，{S}相对{R}的欧拉角θ＝(α,β,γ)。设从O_S到载荷平台与各支腿的连接点的矢量为S_i,从O_R到基础平台与各支腿的连接点的各矢量为R_i,Stewart平台的六个支腿从与基础平台的连接点到与载荷平台的连接点的矢量为L_i，(i＝1,2,3,4,5,6),可以由下式表示

L_i＝TS_i+t-R_i

T为旋转余弦矩阵，(i＝1,2,3,4,5,6)。

式中支腿的长度

LL_i＝||L_i||＝||TS_i+t-R_i||

各支腿的单位矢量可写成

l＝L_i/||L_i||＝(TS_i+t-R_i)/||TS_i+t-R_i||

雅克比矩阵与支腿伸长速度和速度向量有关，由于载荷平台的姿态是关于(x,y,z,α,β,γ)的函数，并令

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

各支腿的滑动速度为:

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

一般雅克比矩阵可写为

J＝(s_i ^T(q_i×l_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_R-xyz，和载荷平台动坐标系O_S-xyz。其中静坐标系O_R-xyz的xy轴方向与O_S-xyz一致。这样，旋转矩阵T＝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。R₁₂，R₃₄，R₅₆为支腿下端在静坐标系OR-xyz的坐标，S₁₆，S₂₃，S₄₅为支腿上端在静坐标系O_R-xyz的坐标。根据式(6)可得立方体Stewart的雅克比矩阵

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

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，包括依次连接的基础平台、三个下部连接块、六个支腿、三个上部连接块和载荷平台，其特征在于，所述支腿包括力传感器和音圈作动器，其中，

所述力传感器一端与所述下部连接块相连，另一端与所述音圈作动器相连，用以检测所述支腿上作用力的大小；

所述音圈作动器一端与所述上部连接块相连，另一端与所述力传感器相连，用以根据外部振源扰动产生不同的位移伸长量，从而对系统振动进行主动控制。

2.如权利要求1所述的电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，其特征在于，三个所述下部连接块和三个所述上部连接块均为球铰结构。

3.如权利要求1或2所述的电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，其特征在于，其中，

与同一所述下部连接块相连的两个所述力传感器之间沿轴线方向相互垂直；

与同一所述上部连接块相连的两个所述音圈作动器之间沿轴线方向相互垂直。

4.如权利要求1或2所述的电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，其特征在于，其中，

三个所述下部连接块的底端各开设有两个第一螺纹孔，通过六个所述第一螺纹孔使得三个所述下部连接块与所述基础平台相连接，三个所述下部连接块均匀的分布在所述基础平台的上端面；

三个所述上部连接块的顶端各开设有两个第一螺纹孔，通过六个所述第一螺纹孔使得三个所述上部连接块与所述载荷平台相连接，三个所述上部连接块均匀的分布在所述载荷平台的下端面。

5.如权利要求1或2所述的电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，其特征在于，三个所述下部连接块和三个所述上部连接块相同，每个所述下部连接块和上部连接块均包括底座、球头轴、环状的端盖和铜套，所述铜套通过所述环状的端盖固定于所述底座内，且所述铜套的开口通过所述端盖的中空区域朝向外侧，所述球头轴一端连接所述力传感器或音圈作动器，另一端穿过所述铜套的开口以及所述端盖的中空区域，使得该端的球头部卡接于所述铜套内。

6.如权利要求5所述的电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，其特征在于，其中，

每个所述力传感器的下端中心均攻有第二螺纹孔，所述球头轴上设有与所述第二螺纹孔匹配的外螺纹，所述球头轴与所述力传感器之间通过所述第二螺纹孔与外螺纹匹配连接；

每个所述音圈作动器的上端中心均攻有第二螺纹孔，所述球头轴上设有与所述第二螺纹孔匹配的外螺纹，所述球头轴与所述音圈作动器之间通过所述第二螺纹孔与外螺纹匹配连接。

7.如权利要求1或2所述的电磁驱动的Stewart主被动一体隔振平台，其特征在于，所述力传感器的上端中心设有第二螺纹孔，所述音圈作动器的下端中心设有与所述第二螺纹孔相对应的外螺纹，所述力传感器和所述音圈作动器之间通过所述第二螺纹孔与所述第二螺纹孔相对应的外螺纹相连接。