CN109318210B - 十三自由度主被动柔顺调姿对接平台及其柔性对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，包括移动平台、主动调姿平台、被动柔顺平台和承载动平台四部分，移动平台位于底部的导轨上，主动调姿平台位于移动平台上，且其上平台机架二与被动柔顺平台串联，被动柔顺平台的上平台机架三与承载动平台相连。移动平台底部设有V型滚轮和普通平轮，主动调姿平台与被动柔顺平台均为六自由度并联机构，主动调姿平台通过电动推杆实现机架二的六自由度位置姿态的主动调整，被动柔顺平台各支腿设有弹簧与传感器，实现对接过程的柔顺运动和微动检测，承载动平台能固定承载舱段。本发明的装置及其柔性对接方法具有检测精度高、对接效率高、控制精细、智能化程度高、内应力控制响应快的特点。

Description

十三自由度主被动柔顺调姿对接平台及其柔性对接方法

技术领域

本发明涉及航空技术领域，具体涉及一种十三自由度主被动柔顺调姿对接平台及其柔性对接方法。

背景技术

随着航天、军工的日益发展，对于火箭、导弹等舱段的工装需求不断增加。但由于这些设备普遍体型庞大，重量大，工装精度要求高，不允许较大的内应力出现，导致工装过程中，舱段对接操作十分困难。目前，传统的借助吊具手工装配的方法，虽然能够有效减小装配内应力，但效率低、劳动强度大，无法保证批量装配性能均一性。较先进的对接方式，一般采用主动柔顺与被动柔顺两种柔顺机构解决内应力较大问题，但普遍通过控制及算法实现，响应速度慢，可靠性不足，控制复杂，柔顺机构刚度保持不足，控制精度偏低。例如，授权公告号为CN106826179A的中国专利公开了一种气浮式柔性牵引对接装配平台，公开了一种气浮式柔性牵引对接装配平台,它涉及柔性装配技术领域。该发明为解决现有对接装配平台存在柔性适应性差、机构复杂、对接柔顺程度差的问题。该发明包括前对接牵引托架、后对接牵引托架、柔性牵引机构和气浮平台，前对接牵引托架和后对接牵引托架沿长度方向设置在气浮平台的上端面上，柔性牵引机构的一端设置在气浮平台的上端面上，柔性牵引机构的另一端设置在后对接牵引托架上，前对接牵引托架实现对第一对接组件俯仰角度的调整，后对接牵引托架实现对第二对接组件滚转角度和高度的调整,柔性牵引机构实现对第一对接组件和第二对接组件之间的牵引对接，该发明用于产品的柔性对接装配。该发明的柔顺机构采用气浮平台，与本专利采用的Stewart柔顺平台不同，且其柔顺机构不具有可测性。

再例如专利号为CN107139165A的中国专利公开了一种混联的六自由度空间对接机构，包括自下而上的二维平移台、并联抬升机构和并联调整平台，二维移动平台提供X、Y方向上的移动自由度；所述的并联抬升机构为超静定结构，通过四条RPR支链实现Z方向的移动自由度，不仅增加机构的刚度和稳定性，而且能在一定程度上提高抬升的速度分辨率；所述的并联调整平台有沿X、Y、Z的旋转自由度，中间的球铰连接增加安装调整平台的承载能力，同时减轻其它四条驱动支链的负载。相比于传统的并联调整平台，该发明通过分层驱动策略将移动与转动完全解耦。该发明采用分层驱动策略，与本发明中双Stewart平台串联不同，且不具备柔顺机构。这类对接平台在对接调姿阶段不具有可测性，机构布置复杂，要么承载能力差，要么柔顺能力差，且柔顺运动过程模糊。

发明内容

为了克服现有舱段对接出现较大内应力，对接效率低，检测精度低，对接调姿过程模糊，定位操作复杂。本发明旨在提供一种具有检测精度高、对接效率高、控制精细、智能化程度高、内应力控制响应快的十三自由度主被动柔顺调姿对接平台。

本发明采用的技术方案是：一种十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，包括移动平台、主动调姿平台、被动柔顺平台和承载动平台，所述移动平台的机架一为矩形框架，所述机架一的底部设有两个V型滚轮和两个平轮，所述V型滚轮相邻设置，所述平轮与小导轮呈上下结构连接，所述平轮与所述小导轮中间设有工字导轨，以实现对接平台的快速移动；所述主动调姿平台为六自由度并联机构，所述机架一同时为所述主动调姿平台的静平台，所述主动调姿平台还包括设于所述机架一上表面的电动推杆支撑座，与所述电动推杆支撑座相连的电动推杆虎克铰，与所述电动推杆虎克铰相连的电动推杆，与所述电动推杆相连的机架二，所述机架二为所述主动调姿平台的动平台；所述被动柔顺平台为六自由度并联机构，所述机架二同时为所述被动柔顺平台的静平台，所述被动柔顺平台还包括六个双弹簧柔顺支腿，所述各支腿均中包含虎克铰链U副、移动副P副和球副S副三个运动副，所述机架二的上表面设有所述U副，所述U副与支腿套筒相连，所述支腿套筒与弹簧推杆同轴线连接形成P副，所述弹簧推杆通过S副与所述承载动平台中的机架三相连，所述机架三为所述被动柔顺平台的动平台；所述承载动平台还包括舱段环形支撑架、配重块、配重块滑道和靶标，所述舱段环形支撑架与所述滑道设于矩形框架结构的机架三的上表面，所述配重块安装于所述配重块滑道上，所述配重块滑道分设于所述机架三的两侧长边上，以实现对舱段调姿过程中质心位置调整，所述舱段环形支撑架与被调姿舱段相连，所述舱段的端面设有靶标。

优选地，所述两个V型滚轮分设于所述靶标下方的所述机架一底部的两端，所述V型滚轮和所述平轮相配合以实现所述移动平台的导向和防止倾覆的作用，所述移动平台处于非工作态时，所述V型滚轮静止锁定。

优选地，所述电动推杆支撑座、所述电动推杆虎克铰和所述电动推杆的数量为均六个，所述电动推杆通过第一球副与所述机架二连接，所述机架二的内部为空心圆柱，所述机架二的外形为与所述机架一的形状尺寸相等的矩形，所述六个电动推杆支撑座与所述六个第一球副电动推杆的位置一一上下对应。

优选地，所述U副连接在所述机架二的支撑座上，其安装点位于所述机架二空心圆柱凸台的底圆下端，所述支腿套筒的内部设有两个弹簧，所述两个弹簧由所述弹簧推杆的中部凸台隔开，通过两个弹簧的拉压变形，实现变刚度，以实现所述双弹簧柔顺支腿的柔顺功能，所述支腿套筒的外部设有位移传感器，以实现对所述弹簧推杆的微动检测。

优选地，所述移动平台能为对接平台提供运输导向和安装基准，并起承载与固定作用，所述电动推杆以所述机架一为基准及支撑，通过所述电动推杆的长度变化实现所述机架二的位置姿态调整。

一种基于十三自由度主被动柔顺调姿对接平台的柔性对接方法，包括以下步骤：

S1，利用所述移动平台将固定有被调姿舱段的对接平台运输到对接工位，通过激光跟踪仪对所述靶标进行标定；

S2，根据标定结果，由所述主动调姿平台驱动被调姿舱段开始对接操作，利用所述被动柔顺调姿平台进行随动，通过六个双弹簧柔顺支腿的微动完成对接过程中定位销内应力数值的自动调节；

S4，通过所述位移传感器将所述支腿推杆的位移信息传递给计算机，将计算机计算所获得的调姿信息传递给所述主动调姿平台的六个电动推杆，以实现对接过程中的主动补偿；

S5，根据所述支腿推杆的位移信息计算受力信息，实现整个舱段对接过程的的实时监测，完成一次性对接的目标。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明中被动柔顺平台六个调姿腿采用双弹簧移动副、均安装位移传感器，在实现柔顺随动的过程中时，可对微小位移和内力均可实时监测，集微位移被动补偿、位移检测、力检测于一体，便于实现任何轨迹、实时自主标定与补偿；

(2)配重块的位置分布设计可以实现调姿过程中质心位置的自动调整；

(3)力信息用于配装过程中对位误差所产生的销孔间的干涉内力控制，实现一次精确定位，且仅需一次测量即可完成调姿对接，准确快捷；

(4)主动调姿平台根据被动柔顺平台提供的力信息，对对接过程中出现的微位移提供主动补偿，进而提高对接效率以及对接精度。

附图说明

图1为本发明十三自由度主被动柔顺调姿对接平台整体效果图；

图2为本发明十三自由度主被动柔顺调姿对接平台的主视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本发明被动柔顺平台支腿的左视图；以及

图5为图4被动柔顺平台支腿的B-B剖视图。

主要附图标记：

机架一1；电动推杆2；机架二3；机架三4；舱段5；环形架6；靶标7；支撑架8；滑块9；配重块滑道10；配重块11；V型滚轮12；电动推杆支撑座13；支腿套筒14；弹簧推杆15；电动推杆虎克铰16；小导轮17；平轮18；弹簧推杆虎克铰19；弹簧推杆安装座20；弹簧21；位移传感器22。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

如图1～图5所示，一种十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，包括移动平台、主动调姿平台、被动柔顺平台和承载动平台，移动平台设于导轨上，移动平台的机架一1为矩形框架，以图1中Y轴为分界线，在机架一1底部的四个角分布两组轮，其中X轴正向的两个滚轮为V型滚轮12，X轴负向的两个滚轮为平轮18，平轮18带有一个小导轮17，平轮18与小导轮17呈上下结构连接，平轮18与小导轮17中间设有工字导轨，以实现对接平台的快速移动，移动平台为整个对接设备提供运输导向和安装基准。

主动调姿平台为六自由度并联机构，属于典型的Stewart机构，包含六条位于机架一1与机架二3之间的分支，机架一1同时也作为主动调姿平台的静平台，机架二3为主动调姿平台的动平台，各分支包括设于机架一1上表面的电动推杆支撑座13，与电动推杆支撑座13相连的电动推杆虎克铰16，与电动推杆虎克铰16相连的电动推杆2，通过球副与电动推杆2相连的机架二3，其中，电动推杆支撑座13分布在矩形机架一的四个边框上，其中，短边各分布一个电动推杆支撑座13，长边各分布两个电动推杆支撑座13由于机架二3为外边框也为矩形，内部为空心圆柱凸台的统一构件，且其矩形边与机架一1的形状尺寸近似，故电动推杆2的球副连接点与电动推杆支撑座13对应。电动推杆2以机架一1为基准及支撑，通过电动推杆2的长度变化实现机架二3的六自由度位置姿态调整。

被动柔顺平台为六自由度并联机构，也属于典型的Stewart机构，机架二3同时为被动柔顺平台的静平台，被动柔顺平台还包括六个双弹簧柔顺支腿，各支腿均中包含虎克铰链U副、移动副P副和球副S副三个运动副，机架二3的上表面设有U副，其安装点位于机架二3空心圆柱凸台的底圆下端，承载动平台与机架二3距离较小，主要为支腿柔顺调姿过程提供移动空间，U副与支腿套筒14相连，支腿套筒14与弹簧推杆15同轴线连接形成P副，使该推杆可以随着所受压力沿支腿套筒移动，通过上下弹簧拉压变形，实现变刚度，从而完成支腿的柔顺功能。弹簧推杆15通过S副与承载动平台中的机架三4相连，机架三4为被动柔顺平台的动平台；其中，每个支腿安装位移传感器，从而实现柔顺过程中，对支腿推杆的微动检测。

承载动平台包括舱段5环形支撑架8、配重块11、配重块滑道10和靶标7，舱段5环形支撑架8与滑道设于矩形框架结构的机架三4的上表面，配重块11安装于配重块滑道10上，配重块滑道10分设于机架三4的两侧长边上，以实现对舱段5调姿过程中质心位置调整，舱段5环形支撑架8与被调姿舱段5相连，舱段5的端面设有靶标7，从而为标定提供设备准备。

电动推杆支撑座13、电动推杆虎克铰16和电动推杆的数量为均六个，电动推杆通过第一球副与机架二3连接，机架二3的内部为空心圆柱，机架二3的外形为与机架一1的形状尺寸相等的矩形，六个电动推杆支撑座13与六个第一球副电动推杆的位置一一上下对应。

一种基于十三自由度主被动柔顺调姿对接平台的柔性对接方法，包括以下步骤：

S1，利用移动平台将固定有被调姿舱段5的对接平台运输到对接工位，通过激光跟踪仪对靶标7进行标定，完成初始标定；

S2，根据初始标定结果，由主动调姿平台驱动被调姿舱段5开始对接操作，利用被动柔顺调姿平台的六个双弹簧柔顺支腿的微动自动调节对接过程中定位销的内应力数值；

S3，通过位移传感器22将支腿推杆的位移信息传递给计算机，将计算机计算所获得的调姿信息传递给主动调姿平台的六个电动推杆，以实现对接过程中的主动补偿；

S4，根据支腿推杆的位移信息计算受力信息，实现整个舱段5对接过程的的实时监测，完成一次性对接的目标。

以下结合实施例对本发明进一步描述：

如图1、图2所示，本发明采用的技术方案是：一种十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，由移动平台、主动调姿平台、被动柔顺平台、承载动平台四部分组成。其中，移动平台位于底部，安放在导轨上；主动调姿平台位于移动平台上，且其上平台机架二3串联被动柔顺平台；被动柔顺平台的上平台机架三4连接承载动平台。移动平台为整个对接设备提供运输导向和安装基准，在工作时提供承载与固定的作用，非工作态时快速移动。机架一1由钢型材焊接而成的矩形框架，以Y轴为分界线，在矩形框架四个角分布两组轮，其中X轴正向的两个滚轮为V型滚轮12，X轴负向的两个滚轮为平轮18，且带有一个小导轮17，呈上下分布，平轮18与小导轮17中间夹着工字导轨的上端面。工作时，由牵引车引导设备进入对接工位，两组轮配合实现导向和防止倾覆的作用。

如图1、图2、图3所示，主动调姿平台，属于典型的Stewart机构，主要包括六个电动推杆2、移动平台机架一1、被动柔顺平台的机架二3构成。其中，机架二3位于下方，机架一1位于上方，六个电动推杆2位于机架一1与机架二3中间。机架一1的电动推杆支撑座13分布在矩形机架一1的四个边框上，其中，短边各分布一个电动推杆支撑座13，长边各分布两个电动推杆支撑座13。电动推杆2通过电动推杆虎克铰16与电动推杆支撑座13连接，然后通过球副与机架二3连接。由于机架二3为外边框为矩形，内部为空心圆柱凸台的统一构件，且其矩形边与机架一1的形状尺寸近似，故电动推杆2的球副连接点与电动推杆支撑座13对应。电动推杆2以机架一1为基准及支撑，通过电动推杆2的长度变化实现机架二3的六自由度位置姿态调整。

如图3、图4、图5所示，被动柔顺平台，属于典型的Stewart机构，主要包括六个双弹簧柔顺支腿，其中每个支腿由下到上分别是U副、P副和S副，即UPS分支。其中，每个支腿的球副连接承载动平台机架三4，U副由弹簧推杆虎克铰19与连接在被动柔顺平台机架二3的弹簧推杆安装座20构成，其安装点位于机架二3空心圆柱凸台的底圆下端，承载动平台与机架二3距离较小，主要为支腿柔顺调姿过程提供移动空间。其中P副是由两个弹簧21共同作用一个弹簧推杆15，使该弹簧推杆15可以随着所受压力沿支腿套筒14移动，通过上下弹簧21拉压变形，实现变刚度，从而完成支腿的柔顺功能。其中，每个支腿安装位移传感器22，从而实现柔顺过程中，对弹簧推杆15的微动检测。

如图1、图2、图3所示，承载动平台，主要包括机架三4、舱段5环形支撑组、配重块11及配重块滑道10、靶标7组成。其中，机架三4为钢型材焊接的矩形框架，负责承载舱段5环形支撑组与配重块11及配重块滑道10。其中，配重块11安装在配重块滑道上，分布于矩形机架三4长边两侧，实现对舱段5调姿过程中质心位置调整。其中，舱段5环形支撑组主要由两个支撑架8与环形架6螺接而成，负责固定承载舱段5。其中，工作时，舱段5安装在舱段5环形支撑架8内并固定，将靶标7安装在舱段5对接圆面的两端，从而为标定提供设备准备。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，十三自由度主被动柔顺调姿对接平台先由移动平台运输到对接工位，然后通过激光跟踪仪对靶标7进行标定，完成初始标定。其中，主要由主动调姿平台驱动实现对接操作，由于对接精度要求较高，对接过程中会造成定位销产生较大内应力，因此，采用被动柔顺调姿平台通过六个双弹簧柔顺支腿的微动实现自动调节对接内应力。其中，再通过双弹簧柔顺支腿的位移传感器22将弹簧推杆15的位移信息传递给计算机，再将调姿信息传递给主动调姿平台的六个电动推杆2，从而实现对接过程中主动补偿。同时根据位移信息也可以间接测出力信息，进而实现完整的实时监测检测，最终完成一次性对接。

以上是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，其特征在于，包括移动平台、主动调姿平台、被动柔顺平台和承载动平台，

所述移动平台的机架一为矩形框架，所述机架一的底部设有两个V型滚轮和两个平轮，所述V型滚轮相邻设置，所述平轮与小导轮呈上下结构连接，所述平轮与所述小导轮中间设有工字导轨，以实现对接平台的快速移动；

所述主动调姿平台为六自由度并联机构，所述机架一同时为所述主动调姿平台的静平台，所述主动调姿平台还包括设于所述机架一上表面的电动推杆支撑座、与所述电动推杆支撑座相连的电动推杆虎克铰、与所述电动推杆虎克铰相连的电动推杆、与所述电动推杆相连的机架二，所述机架二为所述主动调姿平台的动平台；

所述被动柔顺平台为六自由度并联机构，所述机架二同时为所述被动柔顺平台的静平台，所述被动柔顺平台还包括六个双弹簧柔顺支腿，所述各支腿中均包含虎克铰链U副、移动副P副和球副S副，所述机架二的上表面设有所述U副，所述U副与支腿套筒相连，所述U副连接在所述机架二的支撑座上，其安装点位于所述机架二空心圆柱凸台的底圆下端，所述支腿套筒与弹簧推杆同轴线连接形成P副，所述弹簧推杆通过S副与所述承载动平台中的机架三相连，所述机架三为所述被动柔顺平台的动平台；所述支腿套筒的内部设有两个弹簧，所述两个弹簧由所述弹簧推杆的中部凸台隔开，通过两个弹簧的拉压变形，实现变刚度，以实现所述双弹簧柔顺支腿的柔顺功能，所述支腿套筒的外部设有位移传感器，以实现对所述弹簧推杆的微动检测；

所述主动调姿平台能实现对接操作，由于对接精度要求较高，对接过程中会造成定位销产生较大内应力，因此，采用被动柔顺调姿平台通过六个双弹簧柔顺支腿的微动实现自动调节对接内应力；其中，再通过双弹簧柔顺支腿的位移传感器将弹簧推杆的位移信息传递给计算机，再将调姿信息传递给主动调姿平台的六个电动推杆，从而实现对接过程中主动补偿；同时根据位移信息也可以间接测出力信息，进而实现完整的实时监测检测，最终完成一次性对接；

所述承载动平台还包括舱段环形支撑架、配重块、配重块滑道和靶标，所述舱段环形支撑架与所述滑道设于矩形框架结构的机架三的上表面，所述配重块安装于所述配重块滑道上，所述配重块滑道分设于所述机架三的两侧长边上，以实现对舱段调姿过程中质心位置调整，所述舱段环形支撑架与被调姿舱段相连，所述舱段的端面设有靶标。

2.根据权利要求1所述的十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，其特征在于，所述两个V型滚轮分设于所述靶标下方的所述机架一底部的两端，所述V型滚轮和所述平轮相配合以实现所述移动平台的导向和防止倾覆的作用，所述移动平台处于非工作态时，所述V型滚轮静止锁定。

3.根据权利要求2所述的十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，其特征在于，所述电动推杆支撑座、所述电动推杆虎克铰和所述电动推杆的数量均为 六个，所述电动推杆通过第一球副与所述机架二连接，所述机架二的内部为空心圆柱，所述机架二的外形为与所述机架一的形状尺寸相等的矩形，所述六个电动推杆支撑座与所述六个电动推杆的位置一一上下对应。

4.根据权利要求3所述的十三自由度主被动柔顺调姿对接平台，其特征在于，所述移动平台能为对接平台提供运输导向和安装基准，并起承载与固定作用，所述电动推杆以所述机架一为基准及支撑，通过所述电动推杆的长度变化实现所述机架二的位置姿态调整。

5.一种利用权利要求1-4之一所述十三自由度主被动柔顺调姿对接平台的柔性对接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用所述移动平台将固定有被调姿舱段的对接平台运输到对接工位，通过激光跟踪仪对所述靶标进行标定；

S2，根据标定结果，由所述主动调姿平台驱动被调姿舱段开始对接操作，利用所述被动柔顺调姿平台进行随动，通过六个双弹簧柔顺支腿的微动完成对接过程中定位销内应力数值的自动调节；

S4，通过所述位移传感器将弹簧推杆的位移信息传递给计算机，将计算机计算所获得的调姿信息传递给所述主动调姿平台的六个电动推杆，以实现对接过程中的主动补偿；

S5，根据所述弹簧推杆的位移信息计算受力信息，实现整个舱段对接过程的实时监测，完成一次性对接的目标。

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