CN111806641A

CN111806641A - 一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台

Info

Publication number: CN111806641A
Application number: CN202010702739.2A
Authority: CN
Inventors: 唐刚; 黎辅荣; 胡超; 鲁鹏; 胡雄
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2020-10-23

Abstract

本发明涉及一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其包括基座，四个机械臂单元，尺寸调节单元以及动平台。所述的基座安装于受海洋环境影响的船舶或者海洋平台上，所述的动平台用于放置需要补偿的机械设备，所述的机械臂单元用于连接尺寸调节单元以及动平台。所述的尺寸调节单元用于调节机械臂单元的布置位置，进而可以调整该平台的工作空间。本发明可以进行升沉、横摇以及纵摇方向三个自由度的运动补偿，针对不同的工况可以调节不同的工作空间，拥有更高的承载能力、更好的动态响应性能以及响应精度，具有良好的发展前景。

Description

一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台

技术领域

本发明涉及波浪补偿设备领域，具体涉及一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台。

背景技术

船舶或者海洋平台在海洋环境中受到风、波浪、海流等海洋载荷的作用会产生空间多自由度的复杂运动，而船舶的运动会对其上的设备和人员的安全产生显著的影响，因此适用于陆地上的工程机械将不再适合于海上。例如在海上船舶过驳时，便会由于船舶的相对运动而导致在过驳的过程中发生货物的碰撞，造成一定的经济损失以及安全隐患。

发明专利CN109625177B公开了一种三自由度的波浪补偿平台，其通过液压缸驱动三个升降装置来使得动平台进行三自由度的补偿，由于其结构采用的是类似于剪刀臂的结构，因此导致这个平台的工作空间会受到底部升降装置的尺寸的限制，且动态响应性能不是很好。CN106882344A公开了一种波浪补偿测量装置、方法及其使用的海洋平台，其主要是依托于底部经典的Stewart平台。该类平台主要由底部交叉分布的伺服缸作为驱动，但该类并联平台的工作空间有限且加工精度要求高。在论文耦合型3自由度并联稳定平台机构及其运动特征中，提到了一种3SRR/SRU的机构，这种机构采用的是连杆分支的冗余驱动，但存在工作空间固定，难以适用于多种类型的工况。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，该波浪补偿平台可以调整其工作空间以适用于不同类型的工况，采用冗余驱动获得更高的承载能力、采用电机控制拥有更好的动态响应性能以及响应精度，可在升沉、横摇、纵摇三自由度方向上进行运动补偿。

本发明是通过以下的技术方案实现的：一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台包括：基座、四个机械臂单元、尺寸调节单元以及动平台。所述的基座安装在船舶或者海洋平台的甲板上；所述的机械臂单元是用来连接尺寸调节单元与动平台，共有四个：分别为机械单元一、机械臂单元二、机械臂单元三、机械臂单元四。以机械臂单元一为例，该单元包括下臂一、上臂一、电机一、减速齿轮一，其中上臂一与下臂一通过铰链一连接，电机一安装在上臂一处，减速齿轮一安装在下臂一且与铰链一的旋转轴同轴，由所述的电机一带动减速齿轮一转动从而改变上臂一与下臂一的夹角，控制机械臂单元一的运动。所述机械臂二单元与机械臂一单元类似，机械臂二单元包含下臂二、上臂二、电机二、减速齿轮二，其中上臂二与下臂二通过铰链二连接，电机二安装在上臂二处，减速齿轮二安装在下臂二且与铰链二的旋转轴同轴，由所述的电机二带动减速齿轮二转动从而改变上臂二与下臂二的夹角，控制机械臂单元二的运动。所述的机械臂单元三与机械臂单元四均与机械臂单元一以及机械臂单元二的构造类似，在这里不重复赘述。所述的机械臂一单元上端采用球铰一与动平台相连接，下端采用虎克铰一与尺寸调节单元相连接；所述的机械臂二单元上端采用铰链五与动平台相连接，下端采用虎克铰二与尺寸调节单元相连接；所述的机械臂三单元上端采用球铰二与动平台相连接，下端采用虎克铰三与尺寸调节单元相连接；所述的机械臂四单元上端采用铰链六与动平台相连接，下端采用虎克铰四与尺寸调节单元相连接。通过所述的四个机械臂单元的协同合作，进而通过上部的球铰一、球铰二、铰链五、铰链六将运动传递给动平台。

所述的尺寸调节单元包括四个滑块、齿轮转盘，小齿轮，端盖以及电机五。所述的四个机械臂单元均安装在滑块上，所述的齿轮转盘在其外圈分布齿轮，其端面分布由涡状线的轨道；所述的四个滑块在一端面拥有与该涡状线的轨道相匹配的凹槽；所述的端盖表面开了四个开口，分别用于放置四个滑块，用于限制滑块的转动；所述的电机五用于带动小齿轮的运动；所述的小齿轮与齿轮转盘是相互配合的。根据不同的工况，所述的电机五控制小齿轮运动，进一步的带动齿轮转盘运动，由于所述的滑块与齿轮转盘是按照涡状线凹槽安装的，且两端被端盖限制了转动，故滑块只能实现径向的运动。进而改变各个机械臂在基座上的布置位置，进一步的针对不同工况调整该平台的工作空间。

上述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其中所述的四个机械臂单元在初始位置是以90°的方位角间隔分布。

上述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其中所述的机械臂单元上臂与下臂的旋转角度范围在30°～120°。

上述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其中所述的四个虎克铰是按照90°方位角分布。

上述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台在初始状态为平行的，且均为圆台结构。

上述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其中所述四个滑块一端开有涡状线凹槽，该涡状线凹槽与齿轮转盘上涡状线轨道相匹配。

上述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其中所述端盖表面有四个开口，这四个开口用于限制滑块的转动。

对于现有技术，本发明具有的有益效果：

(1)通过控制机械臂单元的旋转角度来控制平台，可以获得比普通并联机构更大的工作空间；

(2)采用冗余驱动的方式，三个自由度使用是四个电机驱动，因此该平台所承受的载荷要比非冗余驱动所承受的多；

(3)通过改变机械臂单元在底部的布置位置进而改变平台的工作空间，使得该平台可以适用于多种类型的工况。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例的立体结构图；

图2为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例的斜侧视图；

图3为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例的尺寸调节单元的结构图；

图4为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例的齿轮转盘以及滑块的结构图；

图5为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例在机械臂单元的两种不同布置情况下的最低位姿；

图6为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例在机械臂单元的两种不同布置情况下的最高位姿；

图7为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例在机械臂单元第一种布置情况下的工作空间；

图8为本发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台一实施例在机械臂单元第二种布置情况下的工作空间。

1、基座，2、机械臂单元一，21、虎克铰一，22、下臂一，23、减速齿轮一，24、电机一，25、铰链一，26、上臂一，27、球铰一，3、机械臂单元二，31、虎克铰二，32、下臂二，33、减速齿轮二，34、电机二，35、铰链二，36、上臂二，37、铰链五，4、机械臂单元三，41、虎克铰三，42、下臂三，43、减速齿轮三，44、电机三，45、铰链三，46、上臂三，47、球铰二 5、机械臂单元四，51、虎克铰四，52、下臂四，53、减速齿轮四，54、电机四，55、铰链四，56、上臂四，57、铰链六，6、尺寸调节单元，61、滑块一， 62、滑块二，63、滑块三，64、滑块四，65、端盖，66、齿轮转盘，67、小齿轮，68、电机五，7、动平台，A1、机械臂单元第一种布置情况下平台最低位姿，A2、机械臂单元第一种布置情况下平台最高位姿，B1、机械臂单元第二种布置情况下平台最低位姿，B2、机械臂单元第二种布置情况下平台最高位姿。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并允以实施，但所举实例不作为对本发明的限定。

参阅图1、图2以及图3，本发明提供一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其包括：基座1、机械臂单元一2、机械臂单元二3、机械臂单元三4、机械臂单元四5、尺寸调节单元6、动平台7。

所述的基座1安装于受海浪等海洋环境影响的船舶或者海洋平台上，所述的动平台7用于放置需要进行补偿的机械设备。在实施例中，所述的基座与动平台在初始状态为平行设置的，且均为圆台结构。所述的四个机械臂单元用于连接尺寸调节单元6和动平台7。

所述的四个机械臂单元分别为机械臂单元一2、机械臂单元二3、机械臂单元三4、机械臂单元四5，机械臂单元一2中包括上臂一26、减速齿轮一 23、电机一24、下臂一22，并且四个机械臂单元均拥有以上的零件。所述的机械臂一2的上端通过球铰一27与动平台连接，下端通过虎克铰一21与尺寸调节单元6中的滑块一61相连接；所述的机械臂单元二3的上端通过铰链五37与动平台7连接，下端通过虎克铰二31与尺寸调节单元6中的滑块二 62相连接；所述的机械臂单元三4的上端通过球铰二47与动平台7连接，下端通过虎克铰三41与尺寸调节单元6中的滑块三63相连接；所述的机械臂单元四5的上端通过铰链六57与动平台7连接，下端通过虎克铰四51与尺寸调节单元6中的滑块四64相连接。所述的滑块一61、滑块二62、滑块三63、滑块四64在尺寸调节单元6是按照90°方位角分布的，其一端面开有涡状线的凹槽，所述的的四个机械臂单元的上臂与下臂分别通过铰链一25、铰链二35、铰链三45、铰链四55连接。以机械臂单元一2为例，所述的电机一24安装在上臂一26处，而减速齿轮一24安装在下臂一22且与铰链一 25的旋转轴同轴处，所述的减速齿轮一23与电机一24的输出轴连接，目的在于降低电机输出的速度并且提高电机的转矩，其余三个减速齿轮均与减速齿轮一23一样分布在四个机械臂单元上，并且承担同样的作用。在工作时通过给定电机一24的输出，通过减速齿轮一23将运动传递到机械臂单元二2上，进而通过控制上臂一26与下臂一22的夹角，来控制上臂二26的一个运动，上臂二26的运动则通过球铰27把运动传递到动平台7之上。机械臂单元二3、机械臂三单元4、机械臂单元四5的控制方法均是如此。通过几个机械臂单元的协同合作，可以实现动平台7在三个自由度方向的运动。

参阅图3以及图4，其中展示的为发明一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台的尺寸调节单元6，其中尺寸单元6由以下部件组成：滑块一61、滑块二62、滑块三63、滑块四64、端盖65、齿轮转盘66、小齿轮67、电机五 68组成。所述的机械臂单元一2安装在滑块一61上，所述的机械臂单元二3安装在滑块二62上；所述的机械臂单元三4安装在滑块三63上；所述的机械臂单元四5安装在滑块四64上；所述的四个滑块其一端面布置了涡状线的凹槽；所述的齿轮转盘66在其外圈分布齿轮，其端面分布有涡状线的轨道，该轨道与四个滑块的凹槽相互匹配；所述的端盖65表面开了四个开口，分别用于放置四个滑块，并且用于限制滑块的转动。根据不同类型的工况，所述的电机五68控制小齿轮67运动，进一步的带动齿轮转盘66运动，由于所述的滑块一61、滑块二62、滑块三63、滑块四64与齿轮转盘66是按照涡状线凹槽安装的，且两端被端盖65限制了转动，故滑块只能实现径向的运动，进而带动滑块上端的机械臂单元一61、机械臂单元二62、机械臂单元三63、机械臂单元四64运动，进而针对不同工况调整该平台的工作空间，防止机构的关节由于长时间在某一特定的区域运动而造成磨损。参阅图5以及图6，图5中分别展示的是在图3以及图4两种机械臂单元布置情况下平台的最低位姿，其中 A1的实线代表着第一种机械臂单元布置情况下平台最低位姿，B1的虚线代表着第二种机械臂单元布置情况下平台最低位姿；图6中分别展示的是在图3以及图4两种机械臂单元布置情况下平台的最高位姿，其中A2的实线代表着第一种机械臂单元布置情况下平台最高位姿，B1的虚线代表着第二种机械臂单元布置情况下平台最高位姿。因此可以看出调整该平台的机械臂单元位置起到了减小平台极限位姿的目的，进而达到了可变工作空间。

参阅图7以及图8，该两张图是利用该平台一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台的运动学反解来搜索该平台的工作空间，图7展示的结果为图3 中第一种机械臂单元布置位置下的工作空间，图8展示的结果为图4中第二种机械臂单元布置位置下的工作空间，对比分析可以看出图8是略小于图7的。

具体的实施例如下，将一种可变工作空间的三自由度平台安装于船舶的甲板上，首先确定该平台的使用工况，并确定该平台所需要的工作空间。进而通过底部的尺寸调节单元6调节该平台工作空间。通过电机五68控制小齿轮67运动，进一步的带动齿轮转盘66运动，由于所述的滑块一61、滑块二 62、滑块三63、滑块四64与齿轮转盘66是按照涡状线凹槽安装的，且两端被端盖65限制了转动，故滑块只能实现径向的运动，进而带动滑块上端的机械臂单元一61、机械臂单元二62、机械臂单元三63、机械臂单元四64的下部布置位置发生变化，因此获得不同的工作空间。在获得到基座1的运动信号之后，电机一24、电机二34、电机三44、电机四54分别带动机械臂单元一2、机械臂单元二3、机械臂单元三4、机械臂单元四5运动，并将运动通过球铰一27、铰链五37、球铰二47、铰链六57传递给动平台7，进而补偿由于基座1的运动而导致的动平台7的运动，从而使得动平台7上的机械设备能保持一定的平稳。当其中四个电机进行同步运动，动平台补偿升沉方向的运动，当电机一24与电机四54不动，电机二34与电机三44做相反的运动，动平台补偿横摇方向的运动，当电机二34与电机三44不动，电机一24与电机四54做相反的运动动平台补偿纵摇方向的运动。从驱动的角度考虑，该平台只有三个自由度，但存在四个驱动装置，四个驱动装置的目的在于提高该三自由度平台的承载能力。

综上所述本发明提供了一种可边工作空间的三自由度波浪补偿平台，可以针对不同的工况改变其自身的工作空间，并且可以补偿升沉、横摇以及纵摇方向的运动，由于采用机械臂的结构，故可以获得更大的工作空间，并且增加驱动的数量提高了平台的承载能力，采用电机控制的方法，提高了平台的响应速度以及响应精度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选的实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为使对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此本发明的保护范围应由所附的权利要求书来限定。

Claims

1.一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其特征在于，包括：基座，四个机械臂单元，尺寸调节单元以及动平台；

所述的基座安装于受海洋环境影响的船舶或者海洋平台上，所述的动平台用于放置需要补偿的机械设备，所述的机械臂单元用于连接尺寸调节单元以及机械臂；每个机械臂单元均包括：上臂、下臂、电机、减速齿轮；所述的机械臂单元一上端通过球铰一与动平台连接，下端通过虎克铰一与尺寸调节单元连接；所述的机械臂单元二上端通过铰链五与动平台连接，下端通过虎克铰二与尺寸调节单元连接；所述的机械臂单元三上端通过球铰二与动平台连接，下端通过虎克铰三与尺寸调节单元相连接；所述的机械臂四上端通过铰链六与动平台连接，下端通过虎克铰四与尺寸调节单元连接；

所述的四个电机安装在上臂处，所述的减速齿轮安装在下臂处且与铰链的旋转轴同轴；通过电机经过减速齿轮的转动，进而改变机械臂的夹角，进而把运动通过铰链传递到动平台上，通过四个机械臂的协同合作进而可以补偿三自由度的运动；

所述的尺寸调节单元包括：四个滑块、端盖、齿轮转盘、小齿轮、电机五；所述的机械臂单元均是安装在四个滑块上的，电机五的转动带动小齿轮把运动传递给齿轮转盘，所述的滑块由于其一端面的涡状线凹槽也会产生相应的运动，但由于两端被端盖限制，故滑块只能实现径向的移动，进而改变了机械臂单元的安装位置，进一步的改变了该并联平台的工作空间。

2.如权利要求1所述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其特征在于，所述的虎克铰一、虎克铰二、虎克铰三、虎克铰四分别安装在滑块一、滑块二、滑块三、滑块四上，并且是按照90°的方位角进行分布。

3.如权利要求1所述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台其特征在于，所述的基座和动平台在初始位置是平行布置的，且均为圆台结构。

4.如权利要求1所述的三自由度波浪补偿平台，其特征在于，所述的减速齿轮与铰链安装的下端处同轴心，用于带动机械臂的运动。

5.如权利要求1所述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台其特征在于，所述的四个机械臂中，机械臂单元一、机械臂单元三的上端与动平台使用球铰连接，机械臂二、机械臂四的上端与动平台使用的是铰链连接。

6.如权利要求1所述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台其特征在于，所述的四个机械臂单元的下端与尺寸调节单元使用虎克铰相连接。

7.如权利要求1所述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其特征在于，每个机械臂单元上臂与下臂之间的旋转角度范围在30°～120°。

8.如权利要求1所述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台其特征在于，所述的滑块与齿轮转盘是通过涡状线的凹槽与轨道配合安装的。

9.如权利要求1所述的一种可变工作空间的三自由度波浪补偿平台，其特征在于，所述的端盖开有四个与滑块同等宽度的开口，用于限制滑块的转动。