CN110296312B - 一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，解决现有相机调整机构存在驱动轴累计误差，导致机构运动精度下降的问题。该装置中，动平台组件包括动平台和旋转支架，动平台的上表面用于安装密封相机，旋转支架设置在动平台的下表面上；中间约束支链的一端与旋转支架铰接，另一端与固定支架固定连接；固定支架与安装基板固定连接；第一驱动支链和第二驱动支链结构相同，其一端与旋转支架铰接，另一端与固定支架形成移动副；第三驱动支链和第四驱动支链结构相同，其一端与动平台铰接，另一端与固定支架形成移动副；第一电机组件、第二电机组件、第二电机组件、第四电机组件结构相同，用于驱动移动副运动。

Description

一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置

技术领域

本发明涉及相机调整机构，具体涉及一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，可实现相机两自由度转动，便于调整相机的姿态，实现对目标物的清晰拍摄。

背景技术

用相机进行拍摄时，往往由于其视场有限，需要利用相机调整机构或相机调整平台来调节相机姿态，现有的相机调整机构大多采用串联机构，由于串联机构是由若干单自由度机构依次顺序连接而成，每一个前置机构的输出运动是其后置机构的输入，因此每个单自由度机构的输出运动误差都会累计到串联机构末端，导致串联机构的运动精度下降，进而影响高精度的相机姿态调节。

发明内容

本发明的目的是解决现有相机姿态调整机构存在驱动轴累计误差，导致其整体运动精度下降的问题，提供一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，能够实现相机两个自由度的高精度姿态调节。此外，可结合多自由度直线滑台模组，广泛应用于机器视觉领域。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，包括动平台组件、第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链、第四驱动支链、中间约束支链、固定支架、安装基板、第一电机组件、第二电机组件、第三电机组件和第四电机组件；所述动平台组件包括动平台和旋转支架，所述动平台的上表面用于安装密封相机，定义动平台下表面为X-Y平面，所述旋转支架设置在动平台的下表面上，并可绕其轴线转动；所述中间约束支链的一端与旋转支架铰接，另一端与固定支架固定连接；所述固定支架与安装基板固定连接；所述第一驱动支链和第二驱动支链结构相同，其一端与旋转支架铰接，另一端与固定支架形成移动副，所述第一驱动支链、第二驱动支链与旋转支架的铰接点位于旋转支架的两端，且铰接点的连线与X方向平行；所述第三驱动支链和第四驱动支链结构相同，其一端与动平台铰接，另一端与固定支架形成移动副，所述第三驱动支链、第四驱动支链与动平台下表面的铰接点位于旋转支架的两侧，且铰接点的连线与Y方向平行；所述第一电机组件、第二电机组件、第二电机组件、第四电机组件结构相同，其输出端分别与第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链、第四驱动支链的移动副连接，用于驱动移动副运动。

进一步地，所述第一驱动支链包括第一关节轴承、第一中间杆件、第二关节轴承、第一中间方管、第一支链双侧面导轨和第一驱动滑块；所述第一中间杆件的一端通过第一关节轴承与旋转支架铰接，另一端通过第二关节轴承与第一中间方管铰接，所述第一支链双侧面导轨设置在第一中间方管的两侧面，所述第一驱动滑块与固定支架固定连接，且与第一支链双侧面导轨配合，形成移动副。

进一步地，所述第三驱动支链包括第一关节球轴承、第三中间杆件、第二关节球轴承、第三中间方管、第三支链双侧面导轨和第三驱动滑块；所述第三中间杆件的一端通过第一关节球轴承与动平台铰接，另一端通过第二关节球轴承与第三中间方管铰接，所述第三支链双侧面导轨设置在第三中间方管的两侧面，所述第三驱动滑块与固定支架固定连接，且与第三支链双侧面导轨配合，形成移动副。

进一步地，所述第一电机组件包括第一转动电机、第一电机安装座、第一曲柄、第一连杆、第一转动杆、第一电机滑块安装座和第一移动杆；所述第一电机安装座固定设置在安装基板上，所述第一电机滑块安装座固定设置在第一电机安装座上，且设置有约束孔，所述第一转动电机设置在第一电机安装座上，其输出轴与第一曲柄的一端连接，驱动第一曲柄转动，所述第一曲柄的另一端与第一连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与第一转动杆的一端铰接，所述第一转动杆的另一端与第一移动杆的一端固定连接，第一移动杆的另一端穿过第一电机滑块安装座上的约束孔，用于驱动第一驱动支链的移动副移动。

进一步地，所述第一驱动支链还包括第一钢丝绳连接件，所述第一钢丝绳连接件与第一中间方管固连；所述第三驱动支链还包括第三钢丝绳连接件，所述第三钢丝绳连接件与第三中间方管固连；所述第一电机组件还包括第一电机钢丝绳连接座，所述第一电机钢丝绳连接座与第一移动杆固连；所述第一钢丝绳连接件通过钢丝与第一电机钢丝绳连接座连接，所述第三钢丝绳连接件通过钢丝与第三电机组件中的第三电机钢丝绳连接座连接。

进一步地，还包括设置在安装基板上的第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮，分别用于对与第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链、第四驱动支链连接的钢丝进行导向。

进一步地，所述固定支架上设置有第一方形槽、第二方形槽、第三方形槽和第四方形槽，所述第一方形槽与第一驱动支链的第一驱动滑块固连，所述第二方形槽与第二驱动支链的第二驱动滑块固连，所述第三方形槽与第三驱动支链的第三驱动滑块固连，所述第四方形槽与第四驱动支链的第四驱动滑块固连。

进一步地，所述中间约束支链包括中间关节轴承和中间杆件，所述中间杆件一端通过中间关节轴承与旋转支架铰接，另一端通过螺钉与固定支架固连。

进一步地，所述动平台组件还包括第三驱动支链安装座、第四驱动支链安装座、右侧轴承安装座和左侧轴承安装座，所述旋转支架通过右侧轴承安装座和左侧轴承安装座安装在动平台的下表面，所述第三驱动支链通过第三驱动支链安装座与动平台铰接，所述第四驱动支链通过第四驱动支链安装座与动平台铰接。

进一步地，所述密封相机通过固定卡箍设置在动平台上。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、现有相机姿态调整机构大多是串联机构，存在累计运动误差，本发明的相机姿态调整装置采用并联机构形式，其动平台和定平台之间通过独立的四个驱动支链和一个约束支链连接，是以并联方式驱动的一种闭环机构，不易有动态误差，微动精度高，便于高精度调节相机姿态，其广泛应用于机器视觉领域。

2、本发明提出的并联机构是解耦机构，两个转动自由度的运动互相独立，且都是通过移动副驱动，降低了对高精度姿态调节的控制系统的要求和难度。

3、本发明基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置基于并联机构，扩展了相机的两自由度姿态调整机构，便于调整相机的姿态，实现对目标物的清晰拍摄，使其可应用于机器视觉领域。

附图说明

图1为本发明基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置的结构示意图；

图2为本发明装置中动平台组件的结构示意图；

图3为本发明装置中第一驱动支链的结构示意图；

图4为本发明装置中第三驱动支链的结构示意图；

图5为本发明装置中中间约束支链和固定支架的结构示意图；

图6为本发明装置中第一电机组件的结构示意图；

图7本发明的基于双目视觉的实施例的示意图。

附图标记：1-密封相机，2-固定卡箍，3-动平台组件，4-第一驱动支链，5-第二驱动支链，6-第三驱动支链，7-第四驱动支链，8-中间约束支链，9-固定支架，10-第一电机组件，11-第一滑轮，12-第三电机组件，13-第三滑轮，14-第二电机组件，15-第二滑轮，16-第四电机组件，17-第四滑轮，18-安装基板，21-第一调整机构，22-第二调整机构，23-单自由度直线导轨滑台，24-水池，31-动平台，32-第三驱动支链安装座，33-第四驱动支链安装座，34-右侧轴承安装座，35-左侧轴承安装座，36-旋转支架，37-右侧孔，38-左侧孔，39-中间孔，41-第一关节轴承，42-第一中间杆件，43-第二关节轴承，44-关节轴承安装座，45-第一安装座过渡件，46-第一中间方管，47-第一支链双侧面导轨，48-第一驱动滑块，49-第一钢丝绳连接件，61-第一关节球轴承，62-第三中间杆件，63-第二关节球轴承，64-第三关节球轴承安装座，65-第三安装座过渡件，66-第三中间方管，67-第三支链双侧面导轨，68-第三驱动滑块，69-第三钢丝绳连接件，81-中间关节轴承，82-中间杆件，91-第三方形槽，92-第二方形槽，93-第四方形槽，94-第一方形槽，101-第一转动电机，102-第一电机安装座，103-第一曲柄，104-第一连杆，105-第一转动杆，106-第一电机滑块安装座，108-第一移动杆，109-第一电机钢丝绳连接座。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，可实现相机两自由度转动，便于调整相机的姿态，实现对目标物的清晰拍摄。此外，可根据实际应用需求，搭配现有的XYZ直线导轨滑台实现相机的5个自由度调整，从而实现XYZ三个方向的大范围推扫式拍摄，使其广泛应用于机器视觉领域。

如图1至图6所示，本发明基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置包括固定卡箍2、动平台组件3、第一驱动支链4、第二驱动支链5、第三驱动支链6、第四驱动支链7、中间约束支链8、固定支架9、第一电机组件10、第一滑轮11、第二电机组件14、第二滑轮15、第三电机组件12、第三滑轮13、第四电机组件16、第四滑轮17、安装基板18。

如图2所示，动平台组件3包括动平台31、旋转支架36、第三驱动支链安装座32、第四驱动支链安装座33、右侧轴承安装座34和左侧轴承安装座35。动平台31的上表面用于安装密封相机1，密封相机1具体通过固定卡箍2设置在动平台31上表面。定义动平台31下表面为X-Y平面。旋转支架36具体可通过右侧轴承安装座34和左侧轴承安装座35安装在动平台31的下表面上，右侧轴承安装座34和左侧轴承安装座35内设置有轴承，因此，旋转支架36可绕其轴线进行转动。第三驱动支链安装座32用于第三驱动支链6与动平台31铰接，第四驱动支链安装座33用于第四驱动支链7与动平台31铰接。

第一驱动支链4与第二驱动支链5结构和功能完全相同，第一驱动支链4的一端与旋转支架36铰接，另一端与固定支架9形成移动副，第一驱动支链4、第二驱动支链5与旋转支架36的铰接点位于旋转支架36的两端，且铰接点的连线与X方向平行，下面以第一驱动支链4为例展开详细说明。

如图3所示，第一驱动支链4包括第一关节轴承41、第一中间杆件42、第二关节轴承43、关节轴承安装座44、第一安装座过渡件45、第一中间方管46、第一支链双侧面导轨47、第一驱动滑块48、第一钢丝绳连接件49。第一中间杆件42的一端通过第一关节轴承41与旋转支架36的右侧孔37铰接，另一端通过第二关节轴承43与第一中间方管46铰接。类似地，第二驱动支链5通过其上端关节轴承与旋转支架36的左侧孔38连接。第一支链双侧面导轨47设置在第一中间方管46的两侧面，第一驱动滑块48与固定支架9固定连接，且与第一支链双侧面导轨47配合，形成移动副，第一钢丝绳连接件49与第一中间方管46下端固连。

第一中间杆件42的具体连接关系如下：第一中间杆件42一端与第一关节轴承41通过螺纹连接，第一关节轴承41又与旋转支架36的右侧孔37连接，从而实现铰接。第一中间杆件42的另一端与第二关节轴承43固连，第二关节轴承43与关节轴承安装座44铰接，第一安装座过渡件45通过螺钉与关节轴承安装座44固连，并与第一中间方管46上端固连。

第三驱动支链6与第四驱动支链7结构和功能完全相同，第三驱动支链6和第四驱动支链7结构相同，其一端与动平台31铰接，另一端与固定支架9形成移动副，第三驱动支链6、第四驱动支链7与动平台31下表面的铰接点位于旋转支架36的两侧，且铰接点的连线与Y方向平行。下面以第三驱动支链6为例展开详细说明。

如图4所示，第三驱动支链6包括第一关节球轴承61、第三中间杆件62、第二关节球轴承63、第三关节球轴承安装座64、第三安装座过渡件65、第三中间方管66、第三支链双侧面导轨67、第三驱动滑块68、第三钢丝绳连接件69。第三中间杆件62的一端通过第一关节球轴承61与第三驱动支链安装座32铰接，另一端通过第二关节球轴承63与第三中间方管66铰接，类似地，第四驱动支链7通过其上端的关节球轴承与第四驱动支链安装座33连接。第三支链双侧面导轨67设置在第三中间方管66的两侧面，第三驱动滑块68与固定支架9固定连接，且与第三支链双侧面导轨67配合，形成移动副。第三钢丝绳连接件69与第三中间方管66下端固连。

第三中间杆件62的具体连接如下，第三中间杆件62一端与第一关节球轴承61通过螺纹连接，另一端与第二关节球轴承63固连，第二关节球轴承63与第三关节球轴承安装座64铰接。第三安装座过渡件65通过螺钉与第三关节球轴承安装座64连接，并与第三中间方管66上端固连。

如图5所示，中间约束支链8包括中间关节轴承81和中间杆件82组成，中间杆件82一端通过螺纹与中间关节轴承81连接，中间关节轴承81与旋转支架36的中间孔39连接，中间杆件82的另一端通过螺钉与固定支架9固连，固定支架9通过底部安装孔与安装基板18固接。

固定支架9上设置有第一方形槽94、第二方形槽92、第三方形槽91和第四方形槽93，第一驱动支链4中的第一驱动滑块48分别通过螺钉与固定支架9上的第一方形槽94的两侧面相连接，类似地，第二驱动支链5上的第二驱动滑块分别通过螺钉与第二方形槽92的两侧面相连接，第三驱动支链6中的第三驱动滑块68别通过螺钉与第三方形槽91的两侧面相连接，第四驱动支链7上的第四驱动滑块分别通过螺钉与第四方形槽93的两侧面相连接。

第一电机组件10、第二电机组件14、第二电机组件14、第四电机组件16的结构和功能完全相同，其输出端分别与第一驱动支链4、第二驱动支链5、第三驱动支链6、第四驱动支链7的移动副连接，用于驱动移动副运动，下面以第一电机组件10展开阐述。

如图6所示，第一电机组件10包括第一转动电机101、第一电机安装座102、第一曲柄103、第一连杆104、第一转动杆105、第一电机滑块安装座106、第一移动杆108、第一电机钢丝绳连接座109。第一电机安装座102固定设置在安装基板18上，第一转动电机101通过螺钉固定在第一电机安装座102上，第一转动电机101的输出轴与第一曲柄103一端连接，驱动第一曲柄103转动，第一曲柄103的另一端与第一连杆104的一端铰接，第一连杆104的另一端与第一转动杆105的一端铰接，第一转动杆105的另一端与第一移动杆108的一端固定连接，第一移动杆108的另一端与第一电机钢丝绳连接座109固连。第一电机滑块安装座106通过螺钉与第一电机安装座102的侧面固连，第一移动杆108穿过第一电机滑块安装座106的约束孔，使其只能做直线运动，第一电机组件10采用曲柄滑块机构将转动副驱动变为移动副驱动。

第一钢丝绳连接件49通过钢丝与第一电机钢丝绳连接座109连接，类似的，第二钢丝绳连接件通过钢丝与第二电机钢丝绳连接座连接，第三钢丝绳连接件69通过钢丝与第三电机组件12中的第三电机钢丝绳连接座连接，第四钢丝绳连接件通过钢丝与第四电机钢丝绳连接座连接。第一滑轮11、第二滑轮15、第三滑轮13和第四滑轮17设置在安装基板18上，分别用于对与第一驱动支链4、第二驱动支链5、第三驱动支链6、第四驱动支链7连接的钢丝进行导向。

本发明基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置通过四个电机组件冗余驱动，并通过钢丝绳连接各驱动支链。各电机组件独立运动，钢丝绳一端连接各驱动支链末端的钢丝绳连接件，再通过各个滑轮，连接于各电机组件的钢丝绳连接座，电机转动带动移动杆移动从而带动各驱动支链运动，最终使机构动平台的姿态发生改变。

本发明基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置在使用时，可结合实际需求和机器视觉要求，搭配现有的XYZ直线导轨滑台扩展相机的可调整自由度。此外，也可同时安装多组多台基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，此调整机构也可用于浅水机器视觉领域，如进行水下双目视觉应用时，可安装两个调整机构，如图7所示。第一调整机构21和第二调整机构22分别固定在单自由度直线导轨滑台23上，单自由度直线导轨滑台23两端分别与水池24固定，水池24内的水面需不超过电机组件。两台水下密封相机1分别固定在第一调整机构21和第二调整机构22的动平台31上，通过多自由的调整便于水下双目机器视觉的应用。

Claims (9)

1.一种基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：包括动平台组件(3)、第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)、第三驱动支链(6)、第四驱动支链(7)、中间约束支链(8)、固定支架(9)、安装基板(18)、第一电机组件(10)、第二电机组件(14)、第三电机组件(12)和第四电机组件(16)；

所述动平台组件(3)包括动平台(31)和旋转支架(36)，所述动平台(31)的上表面用于安装密封相机(1)，定义动平台(31)下表面为X-Y平面，所述旋转支架(36)设置在动平台(31)的下表面上，并可绕其轴线进行转动；

所述中间约束支链(8)的一端与旋转支架(36)铰接，另一端与固定支架(9)固定连接；所述固定支架(9)与安装基板(18)固定连接；

所述第一驱动支链(4)和第二驱动支链(5)结构相同，其一端与旋转支架(36)铰接，另一端与固定支架(9)形成移动副，所述第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)与旋转支架(36)的铰接点位于旋转支架(36)的两端，且铰接点的连线与X方向平行；

所述第三驱动支链(6)和第四驱动支链(7)结构相同，其一端与动平台(31)铰接，另一端与固定支架(9)形成移动副，所述第三驱动支链(6)、第四驱动支链(7)与动平台(31)下表面的铰接点位于旋转支架(36)的两侧，且铰接点的连线与Y方向平行；

所述第一电机组件(10)、第二电机组件(14)、第三电机组件(12)、第四电机组件(16)结构相同，其输出端分别与第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)、第三驱动支链(6)、第四驱动支链(7)的移动副连接，用于驱动移动副运动；

所述第一电机组件(10)包括第一转动电机(101)、第一电机安装座(102)、第一曲柄(103)、第一连杆(104)、第一转动杆(105)、第一电机滑块安装座(106)和第一移动杆(108)；

所述第一电机安装座(102)固定设置在安装基板(18)上，所述第一电机滑块安装座(106)固定设置在第一电机安装座(102)上，且设置有约束孔，所述第一转动电机(101)设置在第一电机安装座(102)上，其输出轴与第一曲柄(103)的一端连接，驱动第一曲柄(103)转动，所述第一曲柄(103)的另一端与第一连杆(104)的一端铰接，所述第一连杆(104)的另一端与第一转动杆(105)的一端铰接，所述第一转动杆(105)的另一端与第一移动杆(108)的一端固定连接，第一移动杆(108)的另一端穿过第一电机滑块安装座(106)上的约束孔，用于驱动第一驱动支链(4)的移动副移动。

2.根据权利要求1所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：所述第一驱动支链(4)包括第一关节轴承(41)、第一中间杆件(42)、第二关节轴承(43)、第一中间方管(46)、第一支链双侧面导轨(47)和第一驱动滑块(48)；

所述第一中间杆件(42)的一端通过第一关节轴承(41)与旋转支架(36)铰接，另一端通过第二关节轴承(43)与第一中间方管(46)铰接，所述第一支链双侧面导轨(47)设置在第一中间方管(46)的两侧面，所述第一驱动滑块(48)与固定支架(9)固定连接，且与第一支链双侧面导轨(47)配合，形成移动副。

3.根据权利要求2所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：所述第三驱动支链(6)包括第一关节球轴承(61)、第三中间杆件(62)、第二关节球轴承(63)、第三中间方管(66)、第三支链双侧面导轨(67)和第三驱动滑块(68)；

所述第三中间杆件(62)的一端通过第一关节球轴承(61)与动平台(31)铰接，另一端通过第二关节球轴承(63)与第三中间方管(66)铰接，所述第三支链双侧面导轨(67)设置在第三中间方管(66)的两侧面，所述第三驱动滑块(68)与固定支架(9)固定连接，且与第三支链双侧面导轨(67)配合，形成移动副。

4.根据权利要求3所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：所述第一驱动支链(4)还包括第一钢丝绳连接件(49)，所述第一钢丝绳连接件(49)与第一中间方管(46)固连；所述第三驱动支链(6)还包括第三钢丝绳连接件(69)，所述第三钢丝绳连接件(69)与第三中间方管(66)固连；

所述第一电机组件(10)还包括第一电机钢丝绳连接座(109)，所述第一电机钢丝绳连接座(109)与第一移动杆(108)固连；

所述第一钢丝绳连接件(49)通过钢丝与第一电机钢丝绳连接座(109)连接，所述第三钢丝绳连接件(69)通过钢丝与第三电机组件(12)中的第三电机钢丝绳连接座连接。

5.根据权利要求4所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：还包括设置在安装基板(18)上的第一滑轮(11)、第二滑轮(15)、第三滑轮(13)和第四滑轮(17)，分别用于对与第一驱动支链(4)、第二驱动支链(5)、第三驱动支链(6)、第四驱动支链(7)连接的钢丝进行导向。

6.根据权利要求5所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：所述固定支架(9)上设置有第一方形槽(94)、第二方形槽(92)、第三方形槽(91)和第四方形槽(93)，所述第一方形槽(94)与第一驱动支链(4)的第一驱动滑块(48)固连，所述第二方形槽(92)与第二驱动支链(5)的第二驱动滑块固连，所述第三方形槽(91)与第三驱动支链(6)的第三驱动滑块(68)固连，所述第四方形槽(93)与第四驱动支链(7)的第四驱动滑块固连。

7.根据权利要求1至6任一所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：所述中间约束支链(8)包括中间关节轴承(81)和中间杆件(82)，所述中间杆件(82)一端通过中间关节轴承(81)与旋转支架(36)铰接，另一端通过螺钉与固定支架(9)固连。

8.根据权利要求7所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：所述动平台组件(3)还包括第三驱动支链安装座(32)、第四驱动支链安装座(33)、右侧轴承安装座(34)和左侧轴承安装座(35)，所述旋转支架(36)通过右侧轴承安装座(34)和左侧轴承安装座(35)安装在动平台(31)的下表面，所述第三驱动支链(6)通过第三驱动支链安装座(32)与动平台(31)铰接，所述第四驱动支链(7)通过第四驱动支链安装座(33)与动平台(31)铰接。

9.根据权利要求8所述基于并联机构两自由度冗余驱动的相机调整装置，其特征在于：所述密封相机(1)通过固定卡箍(2)设置在动平台(31)上。

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