CN109723945A - 一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，属于精密指向平台领域，解决了现有的精密柔性指向平台缺乏有效的指向运动导向机构，致使其输出平台转动中心发生漂移、驱动器没有对有害的横向运动进行有效隔离的问题。本发明的基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，包括：基座组件、输出平台组件、外套筒、平行四边形旋转导向机构、转接座组件、压电陶瓷驱动器和预紧组件。本发明的精密指向平台采用柔性平行四边形机构进行旋转导向且输入端设置凸圆接触台，输出平台具有固定的转动中心。本发明实现了输出平台的转动中心不发生漂移，从而确保稳定的指向精度，输入端设置凸圆接触台可以减少横向载荷对压电陶瓷驱动器的不利影响。

Description

一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台

技术领域

本发明涉及精密指向领域，尤其涉及一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台。

背景技术

精密指向平台广泛应用于空间激光通信、精密捕获、瞄准和跟踪、对地天文观测及天文望远镜等领域，用于实现对承载设备的小范围、快速精密指向定位。指向平台在机构设计上可以采用刚性机构和柔性机构(compliant mechanism)两种设计方式。刚性指向平台的运动关节多为传统的刚性运动副，如齿轮、轴承、虎克铰、球铰等，多用于大角度偏转的场合，如天线指向机构、武器系统火控、侦察平台等。但刚性运动副存在固有的摩擦、回程间隙等非线性问题，这导致传统的刚性指向平台指向精度均不高。与刚性机构不同，柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递运动、力或能量的新型机构。柔性机构具有加工简单、无机械摩擦、无间隙、高精度和免于装配等优点。采用柔性机构作为支撑结构，可以给指向平台带来更高的指向精度和更快的响应速度。

基于柔性机构的精密指向平台，其常用的驱动方式一般包括：压电陶瓷驱动、音圈电机驱动、磁致伸缩驱动和形状记忆合金驱动等。其中，压电陶瓷驱动器(PZT)应用最为广泛。压电陶瓷驱动器通过对压电材料施加电压以获取机械变形，它具有分辨率高、响应快速、驱动力大等优点。因此，压电陶瓷驱动器非常适合作为精密指向平台的驱动器选用，以满足系统的高精度、快速响应需求。

精密指向平台一般具有空间二维偏转两个自由度，其驱动结构形式可以分为两点并联、三点并联或四点并联驱动几种。两点并联驱动结构采用两个垂直布置的驱动器进行驱动，这种驱动结构形式简单，但结构的不对称会导致驱动器预紧力不平衡，使得平台在预紧时产生不必要的偏转。此外，柔性铰链的不对称布置会使指向平台产生温度漂移误差，降低指向精度。三点并联驱动结构采用三个驱动器呈120°对称布置，这种驱动结构解决了两点并联驱动结构存在的预紧偏转问题，并且消除了温度漂移误差。但三点并联驱动结构的三路驱动输入相互耦合，需要通过坐标变换进行解算，系统控制较为复杂。四点并联驱动结构采用四个驱动器相互呈90°对称布置，通过控制两个相对的驱动器进行差动输入实现某一偏转自由度的调整。四点并联驱动结构同样可以避免预紧偏转和温度漂移问题，并且相比于三点并联驱动结构，其输入控制更为简便。

但是，现有的精密柔性指向平台，其柔性支撑结构多采用简单的多轴铰链关节(如全向缺口式铰链或串联簧片式铰链)，指向运动的旋转导向仅仅依靠控制驱动器的伸长或缩短实现，指向平台的输出平台会出现不必要的轴向和侧向寄生运动。其原因是指向平台的输出平台缺乏固定的转动中心，转动中心受驱动输入变化影响会发生漂移。此外，由于压电陶瓷驱动器直接与多轴铰链关节固联，随着输出平台转动角度的增加，驱动器的横向受力会越来越大，很容易超出其横向剪切受力极限，对驱动器造成破坏。归根结底，现有的精密柔性指向平台缺乏有效的指向运动导向机构，致使其输出平台转动中心发生漂移、驱动器没有对有害的横向运动进行有效隔离。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于柔性平行四边形旋转导向机构的精密指向平台，该指向平台的输出平台具有固定的转动中心，转动中心不会随驱动器的输入变化而漂移，并且在旋转导向机构的几何约束下，对驱动器有害的横向运动可以被有效隔离。

本发明提供一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，包括：基座组件、输出平台组件、外套筒、平行四边形旋转导向机构、转接座组件、压电陶瓷驱动器和预紧组件。

输出平台组件中间为精密指向平台的输出平台，输出平台通过全向直角缺口型铰链与转接杆连接；

转接杆上设有平台螺纹孔，并通过平台螺钉组与平行四边形旋转导向机构固定连接。

平行四边形旋转导向机构包括四条支链，各支链两两垂直分布且结构相同；支链为柔性铰链，柔性铰链用于构成具有旋转导向功能的柔性平行四边形结构。

平行四边形旋转导向机构各支链下端设有凸圆接触台，凸圆接触台与压电陶瓷驱动器接触，传递压电陶瓷驱动器的位移输入。

平行四边形旋转导向机构中心为固定座；固定座底部有导向机构螺纹孔与转接座组件中心的第二组转接座螺纹孔相对应，并通过第二组转接座螺钉将平行四边形旋转导向机构的固定座与转接座组件固定连接。

转接座组件与基座组件上设有对应的第一组转接座螺纹孔和第二组基座螺纹孔，并通过第一组转接座螺钉将转接座组件与基座组件固定连接；

转接座组件上开有四个对称分布的通孔，为压电陶瓷驱动器提供安装空间。

基座组件和外套筒上设有对应的第一组基座螺纹孔和外套筒螺纹孔，并通过基座螺钉组将基座组件和外套筒固定连接；

基座组件上部开有对称分布的四个盲孔腔，盲孔腔为压电陶瓷驱动器和预紧组件提供安装空间。

基座组件的盲孔腔和转接座组件的通孔均与平行四边形旋转导向机构的凸圆接触台在垂直方向上相对应；压电陶瓷驱动器安装在基座组件的盲孔腔与转接座组件的通孔之间；

精密指向平台采用4个对称分布的压电陶瓷驱动器作为驱动输入，并通过凸圆接触台驱动平行四边形旋转导向机构。

预紧组件包括预紧螺钉，预紧螺钉安装在基座组件盲孔腔的第三组基座螺纹孔中，通过调节预紧螺钉调节压电陶瓷驱动器的预紧力。

外套筒顶部设有中心通孔，为输出平台提供安装空间。

采用上述技术方案的有益效果是：

1)本发明的精密指向平台采用柔性平行四边形机构进行旋转导向，输出平台具有固定的转动中心，输出平台的转动中心不会因输入的变化发生漂移，从而确保精密指向平台具有稳定的指向精度。

2)本发明的柔性旋转导向机构在离面方向具有很大的刚度，可以大大减小另一偏转自由度造成的横向位移传递，从而有效隔离对压电陶瓷驱动器有害的横向载荷。同时，通过在旋转导向机构的输入端设置凸圆接触台，可以进一步降低横向载荷对压电陶瓷驱动器的不利影响。

3)本发明的精密指向平台采用四点并联驱动方式，其结构布局对称，能够有效避免预紧偏转和温度漂移误差。

4)本发明的精密指向平台的柔性旋转导向机构采用一体化结构设计及加工，运用线切割加工工艺，避免了多个零部件安装所带来的装配误差。另外，压电陶瓷驱动器整体固定于基座的盲孔腔内，指向平台整体结构简洁、紧凑。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为精密指向平台整体外观；

图2为精密指向平台结构组成(去除外套筒)；

图3为精密指向平台正向视图和剖视图(去除外套筒)；

图4为基座组件详细视图；

图5为输出平台组件详细视图；

图6为外套筒详细视图；

图7为平行四边形旋转导向机构详细视图；

图8为转接座详细视图；

图9为平行四边形机构旋转导向示意图；

图10为平行四边形机构变形示意图。

附图标记：

1-基座组件；1A-基座螺钉；1B-盲孔腔；1C-第一组基座螺纹孔；1D-第二组基座螺纹孔；1E-第三组基座螺纹孔；

2-输出平台组件；2A-平台螺钉；2B-全向直角缺口型铰链；2C-平台螺纹孔；2D-输出平台；2E-转接杆；

3-外套筒；3A-外套筒螺纹孔；3B-中心通孔；

4-平行四边形旋转导向机构；41-第一支链；42-第二支链；43-第三支链；44-第四支链；4A-凸圆接触台；4B-固定座；4C-导向机构螺纹孔；

5-转接座；5A-第一组转接座螺钉；5B-第二组转接座B组螺钉；5C-第一组转接座螺纹孔；5D-第二组转接座螺纹孔；

6-压电陶瓷驱动器；7-预紧组件；7A-预紧螺钉；P1-柔性平行四边形结构；P2-虚拟平行四边形结构；M-虚拟转动中心。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的目的是提供一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台装置。该精密指向平台装置能完成空间的二维偏转功能。本发明采用压电陶瓷驱动器作为驱动输入，通过构建柔性平行四边形旋转导向机构实现指向运动导向。指向平台四个平行四边形支链呈90°对称分布，构成四点并联驱动构型，可以有效降低预紧偏转和温度漂移误差。两个相对支链的压电陶瓷驱动器采用差动输入方式驱动指向平台实现二维偏转，控制简单。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，包括：基座组件1、输出平台组件2、外套筒3、平行四边形旋转导向机构4、转接座组件5、压电陶瓷驱动器6和预紧组件7。

图5为输出平台组件的详细视图，可以看出，输出平台组件2中间为精密指向平台的输出平台2D，输出平台2D通过全向直角缺口型铰链2B与转接杆2E连接。通过转接杆2E和全向直角缺口型铰链2B带动输出平台2D转动。

具体地，转接杆2E上设有平台螺纹孔2C，并通过平台螺钉组2A与平行四边形旋转导向机构的支链末端固定连接。由于转接杆2E与平行四边形旋转导向机构支链末端固定连接，可以将平行四边形旋转导向机构各支链的位移传递给全向直角缺口型铰链，进一步带动输出平台2D发生偏转运动。

图7为平行四边形旋转导向机构详细视图，可以看出，平行四边形旋转导向机构含有对称分布的四条支链且每条支链结构相同，支链为圆形缺口形铰链，且各支链下端设有凸圆接触台4A。

具体地，凸圆接触台4A与压电陶瓷驱动器6接触，传递压电陶瓷驱动器6的位移输入，同时减小压电陶瓷驱动器6的横向受力。由于，凸圆接触台4A与压电陶瓷驱动器6的接触类型始终为点接触，可以传递压电陶瓷驱动器6竖直方向的力和位移到平行四边形旋转导向机构4，同时，减小平行四边形旋转导向机构4传递给压电陶瓷驱动器6的横向载荷，有效隔离对压电陶瓷驱动器有害的横向载荷。

具体地，平行四边形旋转导向机构中心为固定座4B，固定座4B底部的导向机构螺纹孔4C与转接座组件5中心的第二组转接座螺纹孔5D相对应，并通过第二组转接座螺钉5B将平行四边形旋转导向机构的固定座4B与转接座组件5固定连接。

图8为转接座组件5的详细视图，可以看到，转接座组件5上设有与基座组件1上的第二组基座螺纹孔1D对应的第一组转接座螺纹孔5C，并通过第一组转接座螺钉5A将转接座组件5与基座组件1固定连接。

具体地，转接座组件5上开有4组通孔5E，通孔5E为压电陶瓷驱动器6提供安装空间。同时，方便压电陶瓷驱动器6与平行四边形旋转导向机构4的凸圆接触台4A接触进一步传递位移输入。

图6为外套筒详细视图，外套筒3上设有与基座组件1上的第一组基座螺纹孔1C对应的外套筒螺纹孔3A，并通过基座螺钉组1A将外套筒3和基座组件1固定连接。

图4为基座组件1详细视图，基座组件1上部开有对称分布的四组盲孔腔1B，盲孔腔1B为压电陶瓷驱动器6和预紧组件7提供安装空间。

如图3所示，压电陶瓷驱动器6安装在基座组件1的盲孔腔1B转接座组件5的四组通孔5E之间。精密指向平台采用四个对称分布的压电陶瓷驱动器6作为驱动输入，压电陶瓷驱动器6可以完成伸缩运动，进一步，通过凸圆接触台4A驱动平行四边形旋转导向机构。

具体地，预紧组件7包括预紧螺钉7A，预紧螺钉7A安装在基座组件1盲孔腔的第三组基座螺纹孔1E中，预紧螺钉7A用于对压电陶瓷驱动器6进行预紧力调节。预紧螺钉7A和压电陶瓷驱动器6之间设置有垫片，缓冲预紧螺钉7A给压电陶瓷驱动器6的预紧力并均匀的传递到压电陶瓷驱动器6，防止预紧螺钉7A对压电陶瓷驱动器6造成破坏。

图1为精密指向平台的整体外观，外套筒3顶部设有中心通孔3B，为输出平台2D提供安装空间。

图2为本发明的精密指向平台的结构组成，为了方便观察平台的内部结构，图2不包括外套筒。图3为本发明所述的基于柔性平行四边形机构的精密指向平台的正向视图及剖视图，进一步展示了平台各个部件的连接关系。

下面介绍本发明所述的基于平行四边形机构的精密指向平台的工作原理：

精密指向平台的指向运动原理如图9所示。其中，输出平台组件2与平行四边形旋转导向机构4通过转接杆2E固联，平行四边形旋转导向机构各个支链均为圆形缺口型铰链4D且结构相同，四个圆形缺口型铰链4D的四个变形中心点构成了四组柔性平行四边形结构P₁。此外，输出平台组件2的全向直角缺口型铰链2B的变形中心、圆形缺口型铰链4D的上部两个柔性变形中心及输出平台2D的中心M构成了另外一组虚拟平行四边形结构P₂。在压电陶瓷驱动器6的驱动输入下，四个圆形缺口型铰链4D构成的柔性平行四边形P₁结构产生如图10所示的变形运动。在这一过程中，全向直角缺口型铰链2B受虚拟平行四边形结构P₂的约束，其变形中心点将围绕输出平台2D的中心M做旋转运动，输出平台2D的中心即为精密指向平台的虚拟转动中心M。由于平行四边形旋转导向机构4的四个支链结构相同且两两垂直分布，在四个压电陶瓷驱动器6的差动输入下，输出平台2D将围绕以其中心为坐标原点的y轴(即离面方向轴)和x轴做空间二维偏转运动。

如图10所示，压电陶瓷驱动器6对平行四边形旋转导向机构4左侧支链输入向上的位移输入时，左侧支链的铰链变形中心发生变形，柔性平行四边形P₁向上旋转偏移一定角度。

具体地，圆形缺口型铰链4D的四个铰链变形中心构成的柔性平行四边形结构P₁的上下两条边分别以与固定座4B相连的上下两个铰链变形中心为旋转中心向上旋转一定角度。进一步地，带动转接杆2E向上偏移，由于虚拟平行四边形P₂的约束作用，进一步地，通过全向直角缺口型铰链2B带动输出平台2D顺时针偏转。

进一步地，通过调节四个对称分布的压电陶瓷驱动器6的位移输入，在四个压电陶瓷驱动器6的差动输入下，输出平台2D可以发生绕y轴和绕x轴两个方向的偏转运动，图9所示为输出平台2D以y轴为旋转轴进行顺时针偏转运动时压电陶瓷驱动器6的位移输入状态。

值得注意的是：

1)压电陶瓷驱动器6驱动输出平台2D偏转运动过程中，平行四边形旋转导向机构4中间的固定座4B固定不动，因此与固定座4B相连的铰链变形中心也不发生位移。考虑到平行四边行旋转导向机构4、全向缺口型铰链2B和输出平台2D构成的四个对称的虚拟平行四边形结构对输出平台2D的约束作用，输出平台2D的中心即虚拟转动中心M在输出平台转动过程中也固定不动。保证输出平台的转动中心不会因输入的变化发生漂移，从而确保精密指向平台具有稳定的指向精度。

2)图9所示输出平台2D以y轴为旋转轴进行偏转运动时，输出平台2D沿y轴顺时针旋转，相应的y轴对应的两个全向直角缺口型铰链2B发生顺时针方向的扭转运动。由于平行四边形旋转导向机构4的各支链具有较大的扭转刚度，即平行四边形旋转导向机构的各支链不易发生扭转变形(铰链变形中心为弯曲变形)，因此全向直角缺口型铰链2B扭转产生的横向载荷不会传递到压电陶瓷驱动器6，避免了压电陶瓷驱动器6因横向载荷发生破坏。

需要说明的是，本发明中构成柔性平行四边形结构P₁的圆弧缺口型铰链(4D)也可以用其它类型铰链代替，如椭圆缺口型、抛物线缺口型、双曲线缺口型、圆角直梁型等。此外，本发明中输出平台组件2的全向直角缺口型铰链(2B)同样可以用其它类型的多轴铰链代替，如圆柱型铰链、串联双轴铰链及双曲线多轴铰链等。

与现有技术相比，本实施例提供的基于柔性平行四边形旋转导向机构的精密指向平台将现有倾斜式平行四边形机构的杆间夹角调整为直角，并且通过对称垂直布置四个支链，使平行四边形机构的虚拟转动中心M在输出平台2D的中心处重合，从而确保指向平台能够绕输出平台的中心进行转动。

本发明的平行四边形旋转导向机构具有较高的转动输出精度和较大的扭转刚度，能够保证指向平台具有较高的偏转精度。此外，通过在旋转导向机构输入端设置凸圆接触台，可以有效减少横向载荷对压电陶瓷驱动器的不利影响。

本发明的精密指向平台装置，其四个支链的平行四边形机构输出杆通过全向直角缺口形铰链与输出平台连接，可以实现指向平台两个偏转自由度方向的解耦。

本发明的平行四边形旋转导向机构采用一体化结构设计及加工，运用线切割加工工艺，从而避免了多个零部件安装所带来的装配误差。压电陶瓷驱动器整体固定于基座的盲孔腔内，并通过底部垫片实现预紧，指向平台整体结构简洁、紧凑。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，包括：基座组件(1)、输出平台组件(2)、外套筒(3)、平行四边形旋转导向机构(4)、转接座组件(5)、压电陶瓷驱动器(6)和预紧组件(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述输出平台组件(2)中间为精密指向平台的输出平台(2D)，输出平台(2D)通过全向直角缺口型铰链(2B)与转接杆(2E)连接；

所述转接杆(2E)上设有平台螺纹孔(2C)，并通过平台螺钉组(2A)与平行四边形旋转导向机构(4)固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述平行四边形旋转导向机构(4)包括四条支链，所述四条支链呈十字型分布且结构相同；所述支链为柔性铰链，所述柔性铰链用于构成具有旋转导向功能的柔性平行四边形结构(P₁)。

4.根据权利要求3所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述平行四边形旋转导向机构(4)各支链下端设有凸圆接触台(4A)，凸圆接触台(4A)与压电陶瓷驱动器(6)接触，传递压电陶瓷驱动器(6)的位移输入。

5.根据权利要求4所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述平行四边形旋转导向机构(4)中心为固定座(4B)；固定座(4B)底部有导向机构螺纹孔(4C)与转接座组件(5)中心的第二组转接座螺纹孔(5D)相对应，并通过第二组转接座螺钉(5B)将所述平行四边形旋转导向机构(4)的固定座(4B)与转接座组件(5)固定连接。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述转接座组件(5)与基座组件(1)上设有对应的第一组转接座螺纹孔(5C)和第二组基座螺纹孔(1D)，并通过第一组转接座螺钉(5A)将所述转接座组件(5)与基座组件(1)固定连接；

所述转接座组件(5)上开有四个对称分布的通孔(5E)，为压电陶瓷驱动器(6)提供安装空间。

7.根据权利要求6所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述基座组件(1)和外套筒(3)上设有对应的第一组基座螺纹孔(1C)和外套筒螺纹孔(3A)，并通过基座螺钉组(1A)将基座组件(1)和外套筒(3)固定连接；

所述基座组件(1)上部开有对称分布的四个盲孔腔(1B)，所述盲孔腔(1B)为压电陶瓷驱动器(6)和预紧组件(7)提供安装空间。

8.根据权利要求7所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述基座组件(1)的盲孔腔(1B)和转接座组件(5)的通孔(5E)均与凸圆接触台(4A)在竖直方向上相对应；所述压电陶瓷驱动器(6)安装在盲孔腔(1B)与转接座组件(5)的通孔(5E)之间；

所述精密指向平台采用4个对称分布的压电陶瓷驱动器(6)作为驱动输入，并通过凸圆接触台(4A)驱动平行四边形旋转导向机构(4)。

9.根据权利要求8所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述预紧组件(7)包括预紧螺钉(7A)，预紧螺钉(7A)安装在基座组件(1)盲孔腔(1B)的第三组基座螺纹孔(1E)中，通过调节所述预紧螺钉(7A)调节压电陶瓷驱动器(6)的预紧力。

10.根据权利要求2-9任一项所述的一种基于柔性平行四边形机构的精密指向平台，其特征在于，所述外套筒(3)顶部设有中心通孔(3B)，为所述输出平台(2D)提供安装空间。