CN107240328B - 三自由度运动平台、控制力矩陀螺仪和飞行器用起降平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供的三自由度运动平台，包括工作台、基座、沿基座周向均匀分布的三组支撑装置和驱动装置，支撑装置连接工作台和基座。每组支撑装置包括二转动自由度的支承关节、第一推杆、第二推杆和推臂；支承关节的上端固定在工作台上；第一推杆的上端与支承关节的下端的外侧铰接；第二推杆的上端与支承关节的下端的内侧铰接；第一推杆的下端与推臂的外侧铰接；第二推杆的下端与推臂的内侧铰接；推臂可旋转的安装在基座上，驱动装置通过驱动推臂旋转控制支承关节的升降。增强结构强度和扩大调节平衡范围。

Description

三自由度运动平台、控制力矩陀螺仪和飞行器用起降平台

技术领域

本发明涉及一种并联机构，尤其涉及一种三自由度运动平台，控制力矩陀螺仪和飞行器用起降平台。

背景技术

近几十年来，并联运动模拟台中被研究最多、产品最多的就是六自由度并联平台，尤其是著名的Stewart 平台，但是在很多情况下，车辆、舰船等的模拟并不需要六自由度，往往只需要三到四个自由度便可以满足要求，此时采用六自由度运动平台便造成了不必要的浪费。空间少自由度并联平台与传统的六自由度并联平台相比，具有驱动元件少、结构简单、设计制造和控制的成本相对较低等优点。

三自由度运动平台的运动主要是运动平台绕X/Y轴转动，且沿Z轴上下滑动。传统的三自由度运动平台主要是使用电缸或液压作为支撑驱动机构，虽然承载能力强，但响应速度慢，耗能大；也存在使用连杆支撑驱动，但承载能力不强，结构强度低，如中国发明专利CN201210135821.7 提出一种具有高灵活性的三自由度并联机构，能够实现两维转动和一维移动，但是其不足在于三个驱动分支不对称布置，结构的受力性能不好，不能承受很大的负载。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种响应速度快且结构强度高的三自由度运动平台。

本发明的第二目的在于提供一种结构强度高，安全可靠的控制力矩陀螺仪。

本发明的第三目的在于提供一种高稳定性的飞行器用起降平台。

为实现上述目的，本发明提供的三自由度运动平台，包括工作台、基座、沿基座周向均匀分布的三组支撑装置和驱动装置，支撑装置连接工作台和基座。每组支撑装置包括二转动自由度的支承关节、第一推杆、第二推杆和推臂；支承关节的上端固定在工作台上；第一推杆的上端与支承关节的下端的外侧铰接；第二推杆的上端与支承关节的下端的内侧铰接；第一推杆的下端与推臂的外侧铰接；第二推杆的下端与推臂的内侧铰接；推臂可旋转的安装在基座上，驱动装置通过驱动推臂旋转控制支承关节的升降。

由此可见，推臂通过第一推杆和第二推杆与支承关节铰接利用第一推杆和第二推杆的双推杆结构，增强了支撑装置的结构强度，提高运动平台的承受能力。三组支撑装置沿基座周向均匀分布，进一步增强三自由度运动平台的结构的受力性能。驱动装置通过驱动推臂旋转控制支承关节的升降，没有滑动连接，有利于提高三自由运动平台的可靠性和安全性。

进一步方案为，驱动臂可旋转地安装在基座上，由驱动装置驱动；第三推杆，其下端与驱动臂的外侧铰接，其上端与推臂的外侧铰接；第四推杆，其下端与驱动臂的内侧铰接，其上端与推臂的内侧铰接；第三推杆与第四推杆下端的铰接轴距大于二者上端的铰接轴距。由此可见，第三推杆与第四推杆上下端的差异铰接轴距的设置使驱动臂进行小幅度偏转，控制三自由度运动平台做出较大的调整姿势，从而提高三自由度运动平台调节平衡的响应速度。

进一步方案为，带传动装置包括皮带、第一轮和第二轮；第一轮可旋转的安装在基座上，由驱动装置驱动；第二轮固定在推臂上；第一轮和第二轮通过皮带传动。第一轮和第二轮之间的传动能缓和载荷冲击且运行平稳、低噪音、低振动简单，调整方便。

另一种方案为，带传动装置包括皮带、第一轮和第二轮；第一轮可旋转的安装在基座上，由驱动装置驱动；第二轮可旋转的安装在推臂上；第一轮和第二轮通过皮带传动；第二轮的两侧分别固定有第一齿轮和第二齿轮；推臂上通过单向轴承可旋转地安装有位于外侧的第三齿轮和内侧的第四齿轮；第三齿轮与第一齿轮啮合，第四齿轮与第二齿轮啮合；第三齿轮上升时，其对应的单向轴承阻止其相对其对应的所述推臂转动；第四齿轮上升时，其对应的单向轴承阻止其相对其对应的推臂转动。推臂和齿轮同时进行动力传输，大大增加传动载荷，降低传动磨损，有效地提高传动效率，保证传动比的精确性，利于能量最大化利用。

进一步方案为，驱动臂固定在第一轮上，由驱动装置驱动；第三推杆，其下端与驱动臂的外侧铰接，其上端与推臂的外侧铰接；第四推杆，其下端与驱动臂的内侧铰接，其上端与推臂的内侧铰接；第三推杆与第四推杆下端的铰接轴距大于二者上端的铰接轴距。由此可见，第三推杆、第四推杆和带传动装置形成并联机构，进一步地提高支撑装置对平台的支承强度，大大增加传动载荷，降低传动磨损，提高传动效率。

进一步方案为，基座下安装有缓冲件，有利于降低三自由度运动平台所受到的刚性冲击。

优选的，缓冲件为气垫。可以根据不同的环境需求，调节气垫内的气压，使三自由度运动平台在冲击力的作用保持平稳，减缓冲击力对三自由度运动平台损坏。设置有气垫的三自由度运动平台尤其适合安装在船舶上，气垫可有效消减船舶和三自由度运动平台之间的冲击，利于三自由度运动平台的稳定控制。

进一步方案为，气垫包括沿基座的周向均布的第一气垫部、第二气垫部和第三气垫部。第一气垫部、第二气垫部和第三气垫部的均匀分布，有利于传动装置在基座上获得均匀的受力点，保证三自由度运动平台的稳定稳定性，降低气垫制造成本。

为实现第二目的，本发明提供的控制力矩陀螺仪，具有上述方案中的三自由度运动平台。由此方案可见，控制力矩陀螺安装在三自由度运动平台上，形成控制力矩陀螺仪。控制力矩陀螺体积小而动量矩大，从具有该陀螺的控制力矩陀螺仪也可体积较小而定轴性强。用于飞行器、船、无人车等行驶装置，以向其提供充分的稳定性。而且，控制力矩陀螺仪具有不受电磁环境干扰的优点，即使遇到突发状况时，也能及时稳定行驶装置，确保安全，能满足恶劣的环境下对稳定性的需求。也可以通过主动改变三自由度运动平台的工作台的绕X/Y轴转动的倾斜角度，改变控制力矩陀螺仪的控制力矩陀螺的姿态，增强行驶装置的行驶的灵活性，本方案的三自由度运动平台结构强度高，安全可靠性高，尤其适合用于传递控制力矩，而且无需液压系统，降低系统重量。

为实现第三目的，本发明提供的飞行器起降平台，具有上述的三自由度运动平台。本发明的三自由度运动平台结构强度高，尤其适合用于传递控制力矩，而且无需液压系统，降低系统重量。三自由度运动平台充当飞行器起降平台，由三自由度运动平台的工作台绕X/Y轴转动，沿Z轴滑动，可有效保持预定的姿态角度，且三自由度运动平台的支撑装置可使平台倾转较大角度，在较大震动的环境下为飞行器提供安全的起降平台。

附图说明

图1是三自由度运动平台实施例的立体图；

图2是三自由度运动平台实施例的轴销缓冲机构示意图；

图3是控制力矩陀螺仪实施例的立体图；

图4是图3的局部剖切图；

图5是飞行器起降平台的附加平台的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例并对照附图对本发明进行说明。

三自由度运动平台实施例

如图1所示，三自由度运动平台100包括工作台110、基座120、沿基座周向均匀分布的三组支撑装置130和驱动装置140，支撑装置130连接工作台110和基座120。每组支撑装置130包括二转动自由度的支承关节131、第一推杆132、第二推杆133和推臂134；支承关节131的上端固定在平台110上；第一推杆132的上端与支承关节131的下端的外侧铰接；第二推杆133的上端与支承关节131的下端的内侧铰接；第一推杆132的下端与推臂134的外侧铰接；第二推杆133的下端与推臂134的内侧铰接；推臂134可旋转的安装在基座120上，驱动装置140通过驱动推臂134旋转控制支承关节131的升降。

其中，二转动自由度的支承关节的机构可以是球铰、万向节和其它二转动自由度连接机构，本发明选用虎克铰作为转动自由度的支撑关节。支承关节的内、外侧是相对于三自由度运动平台的方位描述，即，靠近三自由度运动平台中心的一侧为支承关节的内侧，远离三自由度运动平台中心的一侧为支承关节的外侧。

推臂 134通过第一推杆132和第二推杆133与支承关节131铰接，利用第一推杆132和第二推杆133的双推杆结构，增强支撑装置130的结构强度，提高运动平台110的承受能力。三组支撑装置130沿基座120周向均匀分布，进一步增强三自由度运动平台100的结构的受力性能。驱动装置140通过驱动推臂130旋转控制支承关节131的升降，没有滑动连接，有利于提高三自由运动平台的可靠性和安全性。

驱动臂135可旋转地安装在基座120上，由驱动装置140驱动；第三推杆136，其下端与驱动臂135的外侧铰接，其上端与推臂134的外侧铰接；第四推杆137，其下端与驱动臂135的内侧铰接，其上端与推臂134的内侧铰接；第三推杆136与第四推杆137下端的铰接轴距大于二者上端的铰接轴距。由此可见，第三推杆136与第四推杆137上下端的差异铰接轴距的设置，使驱动臂135进行小幅度偏转，间接控制三自由度运动平台做出较大的调整姿势，从而提高三自由度运动平台调节平衡的响应速度。

带传动装置138包括皮带1381、第一轮1382和第二轮1383；第一轮1382可旋转的安装在基座120上，由驱动装置140驱动；第二轮1383可旋转的安装在推臂134上；第一轮1382和第二轮1383通过皮带1381传动；第二轮1383的两侧分别固定有第一齿轮1384和第二齿轮1385，固定安装可通过焊接、粘结、一体成型等方式实现；推臂134上通过单向轴承（未示出）可旋转地安装有位于外侧的第三齿轮1386和内侧的第四齿轮1387；第三齿轮1386与第一齿轮1384啮合，第四齿轮1387与第二齿轮1385啮合；第三齿1386轮上升时，其对应的单向轴承阻止其相对其对应的所述推臂134转动；第四齿轮1387上升时，其对应的单向轴承阻止其相对其对应的推臂134转动。推臂134和齿轮同时进行动力传输，大大增加传动载荷，降低传动磨损，有效地提高传动效率，保证传动比的精确性，利于能量最大化利用。

优选的，第三推杆、第四推杆和带传动装置形成并联机构，进一步地提高支撑装置对平台的支承强度，大大增加传动载荷，降低传动磨损，提高传动效率。

可选的，三自由度运动平台100的驱动传动不限于以上的传动方式，还可以仅带传动装置和推杆一起驱动推杆转动。

优选的，单向轴承可旋转地支承在推杆与推臂之间的铰轴上。

在三自由度运动平台100底部安装缓冲件，降低三自由度运动平台所受到的刚性冲击，为工作台提供良好的缓冲。

优选的，缓冲件为气垫，可以根据不同的环境需求，调节气垫内的气压，使三自由度运动平台在冲击力的作用保持平稳，减缓冲击力对三自由度运动平台损坏。设置有气垫的三自由度运动平台尤其适合安装在船舶上，气垫可有效消减船舶和三自由度运动平台之间的冲击，利于三自由度运动平台的稳定控制。

气垫包括沿基座的周向均布的第一气垫部201、第二气垫部202和第三气垫部203。一气垫部201、第二气垫部202和第三气垫部203的均匀分布，有利于传动装置在基座上获得均匀的受力点，保证三自由度运动平台的稳定稳定性，降低气垫制造成本。

可选的，气垫的第一气垫部201、第二气垫部202和第三气垫部203可通过连接部连为整体。作为一种改进，第一气垫部201、第二气垫部202、第三气垫部203和连接部分别由独立气舱组成，这样有利于防止气体互窜，避免气垫局部垮塌。

优选的，第一推杆132和第二推杆133的下端与推臂134铰链链接，第三推杆136和第四推杆137下端与驱动臂135铰链链接，优选的，铰链连接的销轴上设有缓冲结构，如图2所示。弹簧2直径大的一端固定在销轴座1上，弹簧4直径大的一端固定在销轴座5上，弹簧2和弹簧4直径小的一端固定在中间轴承上。利用中间轴承，有效减少推臂与推杆之间的摩擦。优选的，弹簧设有预紧力，当受到刚性冲击时，弹簧吸收冲击力发生形变，减弱冲击力对三自由度运动平台的损坏。

控制力矩陀螺仪实施例

如图3所示，控制力矩陀螺仪包括控制力矩陀螺301和三自由度运动平台302。控制力矩陀螺301通过工作台303固定在三自由度运动平台302上。本实施例的三自由度运动平台302与前述实施例中的三自由度运动平台的区别在于工作台303的结构。如图4所示，工作台303内设置有容纳控制力矩陀螺301的内腔， 控制力矩陀螺301中部与工作台303相连接，控制力矩陀螺301四周悬空不与工作台303发生接触，有利于控制力矩陀螺定轴性的发挥。控制力矩陀螺体积小而动量矩大，从具有该陀螺的控制力矩陀螺仪也可体积较小而定轴性强。用于飞行器、船、无人车等行驶装置，以向其提供充分的稳定性。而且，控制力矩陀螺仪具有不受电磁环境干扰的优点，即使遇到突发状况时，也能及时稳定行驶装置，确保安全，能满足恶劣的环境下对稳定性的需求。也可以通过主动改变三自由度运动平台的工作台的绕X/Y轴转动的倾斜角度，改变控制力矩陀螺仪的控制力矩陀螺的姿态，增强行驶装置的行驶的灵活性，本方案的三自由度运动平台结构强度高，尤其适合用于传递控制力矩，而且无需液压系统，降低系统重量。

控制力矩陀螺固定在三自由度运动平台上，三自由度运动平台的基座可不安装缓冲装置，直接与所需控制的对象如行驶装置进行连接。

飞行器起降平台实施例

本发明提供的飞行器起降平台，具有三自由度运动平台实施例中所述的三自由度运动平台。三自由度运动平台结构强度高，尤其适合用于传递控制力矩，而且无需液压系统，降低系统重量。三自由度运动平台充当飞行器起降平台，由三自由度运动平台的工作台绕X/Y轴转动，沿Z轴滑动，可有效保持预定的姿态角度，且三自由度运动平台的支撑装置可使平台倾转较大角度，在较大震动的环境下，为飞行器提供安全起降的平台。

优选的，三自由度运动平台作为飞行器起降平台时，在工作台上还可安装附加的平台401，满足不同飞行器的需要，如图5所示。

当三自由运动平台的基座底部的缓冲件为气垫时，该飞行器起降平台尤其适合安装在船舶上，气垫可有效消减船舶和三自由度运动平台之间的冲击，利于三自由度运动平台的稳定控制。

以上是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.三自由度运动平台，包括工作台、基座、沿所述基座周向均匀分布的三组支撑装置和驱动装置，所述支撑装置连接所述平台和所述基座，其特征在于：

每组所述支撑装置包括二转动自由度的支承关节、第一推杆、第二推杆和推臂；

所述支承关节的上端固定在所述工作台上；

靠近所述三自由度运动平台中心的一侧为所述支承关节的内侧，远离所述三自由度运动平台中心的一侧为所述支承关节的外侧；

所述第一推杆的上端与所述支承关节的下端的外侧铰接；

所述第二推杆的上端与所述支承关节的下端的内侧铰接；

所述第一推杆的下端与所述推臂的外侧铰接；

所述第二推杆的下端与所述推臂的内侧铰接；

所述推臂可旋转的安装在所述基座上，所述驱动装置通过驱动所述推臂旋转控制所述支承关节的升降。

2.根据权利要求1所述三自由度运动平台，其特征在于：

驱动臂，可旋转地安装在所述基座上，由所述驱动装置驱动；

第三推杆，其下端与所述驱动臂的外侧铰接，其上端与所述推臂的外侧铰接；

第四推杆，其下端与所述驱动臂的内侧铰接，其上端与所述推臂的内侧铰接；

所述第三推杆与所述第四推杆下端的铰接轴距大于二者上端的铰接轴距。

3.根据权利要求1所述三自由度运动平台，其特征在于：

带传动装置，包括皮带、第一轮和第二轮；

第一轮可旋转的安装在所述基座上，由所述驱动装置驱动；

所述第二轮固定在所述推臂上；

所述第一轮和所述第二轮通过所述皮带传动。

4.根据权利要求1所述三自由度运动平台，其特征在于：

带传动装置，包括皮带、第一轮和第二轮；

第一轮可旋转的安装在所述基座上，由所述驱动装置驱动；

所述第二轮可旋转的安装在所述推臂上；

所述第一轮和所述第二轮通过所述皮带传动；

所述第二轮的两侧分别固定有第一齿轮和第二齿轮；

所述推臂上通过单向轴承可旋转地安装有位于外侧的第三齿轮和内侧的第四齿轮；

所述第三齿轮与所述第一齿轮啮合，所述第四齿轮与所述第二齿轮啮合；

所述第三齿轮上升时，其对应的所述单向轴承阻止其相对其对应的所述推臂转动；

所述第四齿轮上升时，其对应的所述单向轴承阻止其相对其对应的所述推臂转动。

5.根据权利要求4所述三自由度运动平台，其特征在于：

驱动臂，固定在所述第一轮上，由所述驱动装置驱动；

第三推杆，其下端与所述驱动臂的外侧铰接，其上端与所述推臂的外侧铰接；

第四推杆，其下端与所述驱动臂的内侧铰接，其上端与所述推臂的内侧铰接；

所述第三推杆与所述第四推杆下端的铰接轴距大于二者上端的铰接轴距。

6.根据权利要求1至5任一所述三自由度运动平台，其特征在于：

所述基座下安装有缓冲件。

7.根据权利要求6所述三自由度运动平台，其特征在于：

所述缓冲件为气垫。

8.根据权利要求7所述三自由度运动平台，其特征在于：

所述气垫包括沿所述基座的周向均布的第一气垫部、第二气垫部和第三气垫部。

9.三自由度控制力矩陀螺仪，包括控制力矩陀螺和支承所述控制力矩陀螺仪的运动平台，所述运动平台为权利要求1至8任一所述三自由度运动平台。

10.飞行器用起降平台，包括用于飞行器起降的运动平台，所述运动平台为权利要求1至8任一所述三自由度运动平台。