CN109760859B - 一种柔性结构的主动振动抑制执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大型柔性结构的主动振动抑制执行机构方案，该执行机构主要由上平台、下平台、直线式驱动器、万向节、楔形滑块、换向支撑块以及配套导轨等部件构成，利用楔形机构传动原理，将楔形滑块的直线运动转换为换向支撑块的垂直方向运动，带动上下平台实现二自由度的相对转动和力矩输出。该执行机构通过上下平台与柔性结构相连，在结构连接方向上所占空间小，适用于安装空间有限的大型可展开柔性结构的子结构连接处，通过调节直线式驱动器的控制指令进行结构的主动振动控制，并且能够在外载荷作用下实现自锁以保持执行机构的稳定，具有原理简单，力矩输出能力大，易于实现等优点。

Description

一种柔性结构的主动振动抑制执行机构

技术领域

本发明涉及结构设计和柔性结构的振动控制技术，是一种用于大型柔性结构连接的主动振动抑制执行机构，尤其适用于具有单方向紧凑空间安装要求、具有角度调整与振动控制要求的大型柔性结构连接。

背景技术

空间结构的大型化和轻质化要求导致了柔性结构的大量使用，而柔性结构在外载荷、热交变环境等因素作用下极易发生振动，且不易快速衰减，从而严重影响整体结构的性能。为了解决这一问题，国内外研究者提出了很多振动控制手段，大体上可分为被动振动控制与主动振动控制两大类。其中被动振动控制主要是通过对振动能量的转移吸附、振动运动的隔离、或者振动运动的被动阻尼来实现对振动的抑制；主动振动控制主要是通过引入合适的信号反馈并据此以给定的方式向系统注入能量来实现振动抑制。相比于被动方式，主动振动控制对结构特定部位、特定频率的振动往往具有较强的针对性和适应性，因而控制效果也更为明显。一般而言，主动振动控制需要采用适合于被控对象的敏感器来测量振动信息，以及相应的作动执行机构(也称为作动器)来向结构施加控制作用。

对于大型空间结构来说，由于发射条件的尺寸限制，多采用展开或组装式结构，对于结构之间的连接部分往往具有严格的尺寸要求。另外，由于空间环境的特殊性以及严格的振动控制要求，需要作动器具有多维、大力/力矩输出能力，这使得很多传统的振动作动器不再适用。目前，传统的作动器主要有电动(电磁)作动器、气动作动器和液压作动器，这一类作动器一般受尺寸、动力源或密封性限制不适合航天应用。对于大型空间柔性结构的主动振动抑制来说，目前较为常见的作动执行机构主要有基于功能材料的作动器和绳索式作动器。前者通常采用压电陶瓷、磁致伸缩材料、形状记忆合金等功能材料，以表面粘附或嵌入式作动杆的形式安装于柔性结构上。贴于结构表面形式的压电作动器一般驱动力小，控制能力较弱；嵌入式作动杆由于所占空间不可压缩，在可展开结构中会影响结构收拢状态下的体积，且由于只能进行轴向直线运动，难以实现多向控制力和力矩的输出。绳索单元在柔性结构中较常用于形状保持控制，只能输出拉力，控制能力较弱，以静态和低频控制为主。另外，还有少数研究采用并联机构进行柔性结构的振动抑制，如使用主动式Stewart平台安装于空间桁架结构的根部进行振动控制，属于较新的控制方案。但是其结构复杂，空间尺寸较大，不适合于大型结构的分布式主动振动控制。

因此，需要提出一种能够同时满足空间尺寸要求，具有较大的多维力/力矩输出能力并适合于航天应用的柔性结构振动控制执行机构。

发明内容

针对现有技术的不足，本技术发明提出一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，利用一般的机电元件和楔形传动原理组成作动器，用于大型柔性结构子结构之间的连接，可依据指令输出控制力矩，实现柔性结构的主动振动抑制，具有空间尺寸小、输出力矩大、结构简单、可靠性高等优点。

为了实现上述性能，本发明采用了如下设计：一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，用于大型柔性结构子结构之间的连接，可依据指令输出控制力矩，实现柔性结构的主动振动抑制，其特征在于，包括：上平台、下平台、直线式驱动器、万向节、楔形滑块、换向支撑块及配套导轨，利用楔形机构的传动原理，将楔形滑块的直线运动转换为换向支撑块的垂直方向运动，带动上下平台实现二自由度的相对转动和力矩输出。

进一步，所述上平台、下平台分别与柔性结构的两个子结构相连接，上平台、下平台之间通过万向节相连接，可实现一定范围内的两自由度相对转动；所述直线式驱动器安装于下平台，输出端连接有楔形滑块，用于驱动楔形滑块实现其在下平台平面内的直线运动；所述换向支撑块在楔形滑块的驱动下沿垂直于下平台平面的导轨滑动，实现运动换向，同时其顶端与上平台相接触，驱动上平台实现绕万向节的转动。

进一步，所述左楔形滑块为单叉形对称结构，每根叉齿的底面上有凸块，可令楔形滑块沿下平台上的x方向导槽滑动；每根叉齿上有两个斜面，两根叉齿上同一位置的斜面构成一组，两组斜面的倾斜方向相反，每组斜面与一个换向支撑块相匹配；左楔形滑块的x方向运动，可令沿x方向分布的两个换向支撑块产生z方向上的反向运动，带动上平台绕y轴方向的转动。

进一步，所述右楔形滑块为双叉形对称结构，每个叉形结构底面有凸块，可令楔形滑块沿下平台上的x方向导槽滑动；每个叉形结构的两根叉齿的同一位置上有相同的斜面，构成一组斜面，与一个换向支撑块相匹配，两组斜面的倾斜方向相反；右楔形滑块的x方向运动，可令沿y方向分布的两个换向支撑块产生z方向上的反向运动，带动上平台绕x轴方向的转动。

进一步，所述换向支撑块的主体为圆柱形结构，底部钻有盲孔，与导轨相配合，使其能沿导轨上下滑动；顶部为球冠面，用于支撑上平台，支撑块顶部与上平台之间为接触连接，非固定连接；支撑块两侧中间至底面的部分被削去，形成两个斜截面，与楔形滑块的一组斜面相匹配；执行机构中共有4个换向支撑块，沿x方向的两个构成一组，沿y方向的两个构成一组，分别用于使上平台产生绕y轴和绕x轴的转动；4根换向支撑块导轨垂直固定于下平台台面，为换向支撑块提供z方向运动的导引；下平台台面上有4条导槽，为楔形滑块提供x方向运动的导引；

进一步，利用楔形传动原理实现运动换向，可通过楔形滑块与换向支撑块的斜面角度设计有效压缩执行机构在结构连接方向z方向上的尺寸，满足紧凑空间的安装要求。

进一步，所述通过设计楔形滑块与换向支撑块的斜面倾斜角度，以及选择材料参数，可有效放大直线驱动器的输出推力，从而实现执行机构的大力矩输出或在同等力矩输出下降低对驱动器的输出要求。

进一步，所述通过设计楔形滑块与换向支撑块的斜面倾斜角度，以及合理选择材料参数，可实现执行机构在驱动方向x方向的自由驱动，以及外力方向z方向的运动自锁，即执行机构在直线驱动器的驱动作用下可自由运动，在来自柔性结构的外载荷作用下不会发生运动。

相比于现有技术，本技术发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明具有较小的空间尺寸。利用楔形传动原理实现运动换向，可通过楔形滑块与换向支撑块的斜面角度设计有效压缩执行机构在结构连接方向(z方向)上的尺寸，满足紧凑空间的安装要求。

(2)本发明可实现多自由度的大力矩输出。通过设计楔形滑块与换向支撑块的斜面倾斜角度，以及选择材料参数，可有效放大直线驱动器的输出推力，从而实现执行机构的大力矩输出或在同等力矩输出下降低对驱动器的输出要求。

(3)本发明以简单机构将驱动与自锁功能融为一体。通过设计楔形滑块与换向支撑块的斜面倾斜角度，以及合理选择材料参数，可以实现执行机构在驱动方向(x方向)的自由驱动，以及外力方向(z方向)的运动自锁，即执行机构在直线驱动器的驱动作用下可自由运动，但在来自柔性结构的外载荷作用下不会发生运动，从而保证了执行机构自身的稳定。

除此之外，本发明还具有结构简单、可靠性高的优点，尤其适用于具有单方向紧凑空间安装要求、具有角度调整与振动控制要求的大型柔性结构主动振动控制。

附图说明

图1为本发明所述的柔性结构主动振动抑制执行机构的整体俯视图。其中，编号1为上平台，编号2为下平台，编号3为左直线式驱动器，编号4为左楔形滑块，编号5为右楔形滑块，编号6为右直线式驱动器，编号7为换向支撑块(共计4个，匹配有4根圆柱形导轨)，编号8为万向节。图中还用点划线表示出了下平台上的4根x方向直线导槽。

图2为左楔形滑块的俯视、正视及实体图。

图3为左楔形滑块在执行机构中的安装示意图，表示出了楔形滑块与换向支撑块之间的匹配关系。

图4为右楔形滑块的俯视、正视及实体图。

图5为右楔形滑块在执行机构中的安装示意图，表示出了楔形滑块与换向支撑块之间的匹配关系。

图6为换向支撑块的三视图及其与导轨、楔形滑块之间的装配关系。

图7为执行机构驱动过程的局部受力分析图。

图8为执行机构在外载荷作用下实现自锁的局部受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式和功能原理做进一步的详细说明。

如图1所示，该执行机构由上平台、下平台、直线式驱动器、万向节、楔形滑块、换向支撑块及配套导轨等部件组成，利用楔形机构的传动原理，将楔形滑块在平台平面内的x方向直线运动转换为换向支撑块在垂直于平台平面的z方向上的直线运动，实现上下平台之间的二自由度相对转动以及控制力矩输出。

其中：

上平台(图1中编号1)、下平台(图1中编号2)分别与柔性结构的两个子结构相连接，上、下平台之间通过万向节(图1中编号8)相连接，可实现一定范围内的绕x、绕y方向两自由度相对转动；

直线式驱动器(图1中编号3、6)安装于下平台，输出端分别连接有左右两个楔形滑块(图1中编号4、5)，用于驱动楔形滑块实现其在下平台平面内的x方向直线运动；

左楔形滑块为单叉形对称结构，如图2所示，每根叉齿的底面上有凸块，可令楔形滑块沿下平台上的x方向导槽滑动；每根叉齿上有两个斜面，两根叉齿上同一位置的斜面构成一组，两组斜面的倾斜方向相反，每组斜面与一个换向支撑块(图1中编号7)相匹配；左楔形滑块的x方向运动，可令沿x方向分布的两个换向支撑块产生z方向上的反向运动，带动上平台绕y轴方向的转动，如图3的执行机构侧视图所示；

右楔形滑块为双叉形对称结构，如图4所示，每个叉形结构底面有凸块，可令楔形滑块沿下平台上的x方向导槽滑动；每个叉形结构的两根叉齿的同一位置上有相同的斜面，构成一组斜面，与一个换向支撑块相匹配，两组斜面的倾斜方向相反；右楔形滑块的x方向运动，可令沿y方向分布的两个换向支撑块产生z方向上的反向运动，带动上平台绕x轴方向的转动，如图5的执行机构测试图所示；

换向支撑块的结构如图6所示，主体为圆柱形结构，底部钻有盲孔，与导轨相配合，使其能沿导轨上下滑动；顶部为球冠面，用于支撑上平台，支撑块顶部与上平台之间为接触连接，非固定连接；支撑块两侧中间至底面的部分被削去，形成两个斜截面，与楔形滑块的一组斜面相匹配；执行机构中共有4个换向支撑块，沿x方向的两个构成一组，沿y方向的两个构成一组，分别用于使上平台产生绕y轴和绕x轴的转动；换向支撑块与导轨和楔形滑块的装配关系可以参见图6中的右图；

4根换向支撑块导轨垂直固定于下平台台面，为换向支撑块提供z方向运动的导引；下平台台面上有4条导槽，为楔形滑块提供x方向运动的导引。

本发明所述的柔性结构主动振动抑制执行机构，其具体实施方式为：

首先将本执行机构与柔性结构进行连接，其中上平台、下平台分别与两个子结构相连。一般来说，两个子结构之间的连接件有严格的尺寸限制。本发明通过合理设计，可将连接方向(图1中z方向)的尺寸控制在5cm以下。

在此基础上，将执行机构与结构上的振动测量单元和控制单元进行组合，共同构成柔性结构的主动振动抑制系统。

完成本发明在柔性结构上的安装后，当结构发生振动时，振动测量单元将敏感到的振动信息传递给控制单元，控制单元依据相应的控制律生成具体的控制指令，发送给作动器，即本发明所述的振动抑制执行机构，通过执行机构的上下平台运动施加控制力矩给柔性结构，从而实现对柔性振动的主动抑制。

直线式驱动器根据控制指令驱动楔形滑块进行x方向的直线运动。由于楔形滑块上的两组联动斜面的倾斜角度相同，方向相反，当滑块相对下平台台面发生x方向运动时，与之相配合的两个换向支撑块会沿z方向导轨产生一上一下的等大反向运动。同时，换向支撑块与上平台相接触，进而会带动上平台发生绕万向节的角度偏转。

为了保证上平台绕万向节的转动自由度，换向支撑块与上平台之间没有采用固定连接或铰接(这样会产生过约束，使上平台无法转动)，而是采用接触连接方式。同时考虑到接触点的位置变化，换向支撑块的接触面采用了球冠面设计。

基于上述说明可知，通过设计驱动器控制指令，可以精确控制上平台绕x方向和绕y方向的偏转角度，实现对柔性子结构的精确角度调整；或者通过驱动器的输出力控制，向结构施加指定大小的绕x方向和绕y方向的控制力矩，实现主动振动抑制。

本发明的技术优势之一是对直线式驱动器的输出力具有明显的放大作用，可实现大力矩输出。下面结合图7和受力分析进行详细说明。

图7展示的是执行机构在驱动状态下的局部受力关系。如图所示，楔形滑块在直线驱动器的推力作用下发生水平方向的运动，通过倾角为θ的斜面推动换向支撑块沿导轨进行竖直方向的运动。分别对二者进行受力分析。

楔形滑块受到的力包括：直线驱动器推力F_a，换向支撑块压力F_N，下平台支持力F_N1，楔形滑块与支撑块之间的斜面摩擦力f，以及楔形滑块与下平台之间的摩擦力f₁，这些力满足以下平衡关系：

其中，f＝μF_N，f₁＝μ₁F_N1，μ和μ₁分别为楔形滑块与换向支撑块、楔形滑块与下平台之间的(动)摩擦系数。由上式可以推出，换向支撑块所受压力大小为

通常，楔形滑块与下平台台面之间的摩擦系数μ₁很小，可以忽略，则上式可以近似为

换向支撑块受到的力包括：楔形滑块压力F_N，支撑块与楔形滑块之间的斜面摩擦力f，垂直于支撑块运动方向的导轨支持力F_N2，支撑块与导轨之间的摩擦力f₂，以及上平台与支撑块之间的接触力F_b。上述力满足以下平衡关系：

其中，f＝μF_N，f₂＝μ₂F_N2，μ₂为支撑块与导轨之间的(动)摩擦系数。由上式可以推出，上平台与换向支撑块之间的接触力大小为

F_b＝[cosθ-μsinθ-μ₂(sinθ+μcosθ)]F_N (5)

将F_N代入，有

其中，k为执行机构的力放大系数。在摩擦系数μ₁、μ₂较小的情况下，k可以近似为

若要保证在驱动情况下换向支撑块可以沿导轨上下滑动不发生自锁，则需要满足F_b＞0，即

cosθ-μsinθ-μ₂(sinθ+μcosθ)＞0 (8)

解得

忽略μ₂，有

μ＜cotθ (10)

根据式(6)、(7)，换向支撑块对上平台的推力满足F_b＝kF_a，即可以对直线驱动器的输出力进行k倍的放大；通过选择斜面倾角θ和摩擦系数μ，可以调节k的大小，结合执行机构中换向支撑块的间距设计，可实现大力矩输出。根据式(10)，为了保证执行机构不发生驱动自锁，楔形滑块与换向支撑块之间的摩擦系数需要满足μ＜cotθ。

本发明的技术优势之二是当执行机构受到来自垂直方向的外载荷作用时，可以实现自锁。下面结合图8和受力分析进行详细说明。

图8展示的是执行机构在外载荷作用下的局部受力关系。如图所示，支撑块受到来自上平台的垂直向接触压力F_b′作用，同时受到楔形滑块的斜面正压力F_N′与静摩擦力f′，根据受力平衡关系，有

f′＝F_N′tanθ＜μF_N′ (11)

即

μ＞tanθ (12)

此时，楔形滑块受到的换向支撑块的正压力F_N′及摩擦力f′作用，其合力方向垂直于下平台台面，因而楔形滑块不会发生水平方向运动。

根据式(10)和(12)可知，当摩擦系数μ与斜面倾角θ之间满足以下关系时，可以实现执行机构在垂直方向自锁，同时保证水平方向上自由驱动。

tanθ＜μ＜cotθ (13)

以上所述仅为本发明的基本组成和实施方式，对本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，或者对其中部分特征进行等同替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，用于大型柔性结构子结构之间的连接，依据指令输出控制力矩，实现柔性结构的主动振动抑制，其特征在于，包括：上平台、下平台、直线式驱动器、万向节、楔形滑块、换向支撑块及配套导轨，利用楔形机构的传动原理，将楔形滑块的直线运动转换为换向支撑块的垂直方向运动，带动上下平台实现二自由度的相对转动和力矩输出；

上平台、下平台分别与柔性结构的两个子结构相连接，上平台、下平台之间通过万向节相连接，实现一定范围内的两自由度相对转动；

直线式驱动器安装于下平台，输出端连接有楔形滑块，用于驱动楔形滑块实现其在下平台平面内的直线运动；

换向支撑块在楔形滑块的驱动下沿垂直于下平台平面的导轨滑动，实现运动换向，同时换向支撑块顶端与上平台相接触，驱动上平台实现绕万向节的转动。

2.如权利要求1所述的一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，其特征在于，所述楔形滑块分为左、右两个，分别与左、右两个直线式驱动器相连；其中左楔形滑块为单叉形对称结构，每根叉齿的底面上有凸块，令楔形滑块沿下平台上的x方向导槽滑动，每根叉齿上有两个斜面，两根叉齿上同一位置的斜面构成一组，两组斜面的倾斜方向相反，每组斜面与一个换向支撑块相匹配；左楔形滑块的x方向运动，令沿x方向分布的两个换向支撑块产生z方向上的反向运动，带动上平台绕y轴方向的转动。

3.如权利要求1所述的一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，其特征在于，所述楔形滑块分为左、右两个，分别与左、右两个直线式驱动器相连；其中右楔形滑块为双叉形对称结构，每个叉形结构底面有凸块，令楔形滑块沿下平台上的x方向导槽滑动；每个叉形结构的两根叉齿的同一位置上有相同的斜面，构成一组斜面，与一个换向支撑块相匹配，两组斜面的倾斜方向相反；右楔形滑块的x方向运动，令沿y方向分布的两个换向支撑块产生z方向上的反向运动，带动上平台绕x轴方向的转动。

4.如权利要求1所述的一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，其特征在于，所述换向支撑块的主体为圆柱形结构，底部钻有盲孔，与导轨相配合，使其能沿导轨上下滑动；顶部为球冠面，用于支撑上平台，支撑块顶部与上平台之间为接触连接，非固定连接；支撑块两侧中间至底面的部分被削去，形成两个斜截面，与楔形滑块的一组斜面相匹配；执行机构中共有4个换向支撑块，沿x方向的两个构成一组，沿y方向的两个构成一组，分别用于使上平台产生绕y轴和绕x轴的转动；4根换向支撑块导轨垂直固定于下平台台面，为换向支撑块提供z方向运动的导引；下平台台面上有4条导槽，为楔形滑块提供x方向运动的导引。

5.如权利要求1所述的一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，其特征在于，利用楔形传动原理实现运动换向，通过楔形滑块与换向支撑块的斜面角度设计有效压缩执行机构在结构连接方向z方向上的尺寸，满足紧凑空间的安装要求。

6.如权利要求1所述的一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，其特征在于，通过设计楔形滑块与换向支撑块的斜面倾斜角度，以及选择材料参数，可有效放大直线驱动器的输出推力，从而实现执行机构的大力矩输出或在同等力矩输出下降低对驱动器的输出要求。

7.如权利要求1所述的一种柔性结构的主动振动抑制执行机构，其特征在于，通过设计楔形滑块与换向支撑块的斜面倾斜角度，以及选择材料参数，可实现执行机构在驱动方向x方向的自由驱动，以及外力方向z方向的运动自锁，即执行机构在直线驱动器的驱动作用下可自由运动，在来自柔性结构的外载荷作用下不会发生运动。

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