CN111814277B - 一种隔振平台设备及其动力学模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔振平台及其动力学模型构建方法。其中，本发明提供的隔振平台，采用仿生抗冲击结构与传统Stewart平台进行耦合设计，充分考虑上下平台的运动，结合Stewart平台的多方向隔振优势和仿生抗冲击结构的仿生抗冲击特性实现了对非合作目标的柔顺抓捕。相较于经典隔振平台，本发明提供的隔振平台在高频周期激励作用下具有更低的位移传递率和角度传递率；在冲击激励作用下速度和角速度衰减得更快，振荡次数更少，加速度和角加速度极值更低，大大降低了抓捕过程中对服务航天器的冲击。

Description

一种隔振平台设备及其动力学模型构建方法

技术领域

本发明涉及航天领域的空间非合作目标抓捕过程中的被动隔振技术领域，特别是涉及一种隔振平台及其动力学模型构建方法。

背景技术

空间非合作目标的类型多种多样，主要包括故障航天器和空间碎片。随着人类航天活动的增加，此类目标急剧增多，占据宝贵轨道资源，迫切需要对其进行在轨维护及维修。然而在抓捕过程中，非合作目标存在不确定性扰源会对服务航天器产生不良振动。若无法对这种振动进行隔离将对服务航天器上的组件造成干扰，甚至造成精密仪器的失效。

为实现对非合作目标的安全柔顺抓捕，必须采取合适的隔振措施。非合作目标抓捕过程中，它和服务航天器之间存在相对运动，如果二者视为连接将导致非合作目标上的扰源极大，影响服务航天器的正常运行。因此，充分考虑非合作目标和服务航天器的相对运动，采取合适的隔振技术对于非合作目标的安全柔顺抓捕至关重要。

对于非合作目标抓捕存在的扰源，可以分为高频周期激励和冲击激励。周期激励可以分为干扰力和干扰力矩，冲击激励分为对心碰撞和非对心碰撞。这些干扰将给服务航天器造成冲击，在对非合作目标抓捕后组合航天器的运动情况分析中，目前的研究中通常将它们视为连接，未考虑它们之间的相对运动，在这样假设的基础上进行的动力学建模，不利于进行科学的仿真与分析，非合作目标的扰源也不利于组合航天器的稳定。目前对非合作目标抓捕的隔振研究主要考虑二自由度仿生抗冲击隔振机构，该机构具有优良的隔振性能，只能实现轴向隔振，无法满足多方向的隔振需求，特别是非合作目标抓捕过程中经常遇到的非对心碰撞问题。同时现有仅考虑上平台运动的Stewart隔振平台，实现多方向的隔振需求，缺乏对下平台运动分析的考虑，无法模拟非合作目标抓捕过程中的隔振。

虽然目前广泛研究的Stewart平台具有高结构刚度、高精度、高承载等特点，能实现多方向隔振，但是，由于其高刚度这一特性，导致其对冲击载荷的隔振效果不佳，无法满足非合作目标柔顺抓捕的要求。虽然目前的研究中通常将下平台视为固定平台，但缺乏对下平台的运动分析，无法模拟非合作目标的抓捕。仿生抗冲击结构作为隔振平台的隔振器，它启发于动物奔跑过程中的腿部运动结构，该结构由连杆、线性阻尼弹簧组成，利用自身的结构性质，由结构非线性产生整个机构的非线性刚度和非线性阻尼，它的结构参数可以根据不同的隔振需求进行调整，但是该结构的研究以二自由度的轴向隔振为主，无法实现多方向隔振。

发明内容

本发明的目的是提供一种隔振平台及其动力学模型构建方法，以能够在实现对非合作目标的柔顺抓捕的同时，降低抓捕过程中对服务航天器的冲击。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种隔振平台，包括：上平台、下平台和仿生抗冲击结构；

所述上平台和所述下平台均包括球铰组；所述仿生抗冲击结构包括第一端部球铰和第二端部球铰；

所述第一端部球铰与所述上平台的球铰组连接；所述第二端部球铰与所述下平台的球铰组连接。

优选的，所述上平台的球铰组包括：第一球铰组、第二球铰组和第三球铰组；

所述第一球铰组、所述第二球铰组和所述第三球铰组均设置于所述上平台的下端面，且所述第二球铰组的布设位置为所述第一球铰组的布设位置绕第一垂直线逆时针旋转第一设定角度后的位置，所述第三球铰组的布设位置为所述第二球铰组的布设位置绕第一垂直线逆时针旋转第一设定角度后的位置；所述第一垂直线为垂直于所述上平台且过所述上平台的质心的轴线；所述布设位置即为铰点位置。

优选的，所述下平台的球铰组包括：第四球铰组、第五球铰组和第六球铰组；

所述第四球铰组、所述第五球铰组和所述第六球铰组均设置于所述下平台的上端面，且所述第五球铰组的布设位置为所述第四球铰组的布设位置绕第二垂直线顺时针旋转第一设定角度后的位置，所述第六球铰组的布设位置为所述第五球铰组的布设位置绕第二垂直线顺时针旋转第一设定角度后的位置；所述第二垂直线为垂直于所述下平台且过所述下平台的质心的轴线；所述布设位置即为铰点位置。

优选的，所述第一设定角度为120°。

优选的，所述第四球铰组、所述第五球铰组和所述第六球铰组均包括第一球铰和第二球铰；

所述第二球铰的位置为所述第一球铰的位置绕第二垂直线顺时针旋转第二设定角度后的位置。

优选的，所述仿生抗冲击结构还包括：弹性机构、第一可变层机构、第二可变层机构和第三可变层机构；

所述第一端部球铰设置在所述第一可变层机构的第一连接端；所述弹性机构的一端与所述第一可变层机构的第二连接端连接；所述第一可变层机构的第三连接端与所述第二可变层机构的第一连接端连接；所述弹性机构的另一端与所述第一可变层机构的第四连接端连接；所述第二可变层机构的第三连接端与所述第三可变层机构的第一连接端连接；所述第二端部球铰设置所述第三可变层机构的第三连接端。

优选的，所述第一可变层机构、所述第二可变层机构和所述第三可变层机构均包括四根连接杆；

两两连接杆间均通过连接铰链连接，以形成菱形结构。

优选的，所述弹性机构为线性阻尼弹簧。

一种隔振平台的动力学模型构建方法，所述隔振平台为上述的隔振平台；所述动力学模型构建方法包括：

获取隔振平台的结构参数和球铰位置矢量；所述结构参数包括：上平台的质量、上平台绕自身体坐标轴的转动惯量、上平台的半径、下平台的质量、下平台绕自身体坐标轴的转动惯量、下平台的半径、连杆杆长、连杆间的初始安装角、连杆间的铰链摩擦系数、线性阻尼弹簧的刚度和可变层机构的层数；所述球铰位置矢量包括：上平台的球铰在上平台体坐标系中的位置矢量，以及下平台的球铰在下平台体坐标系中的位置矢量；

根据所述球铰位置矢量确定参考坐标系中上下平台铰点之间的位置矢量；

根据所述上下平台铰点之间的位置矢量、所述可变层机构的层数、所述连杆杆长和所述连杆间的初始安装角，确定所述仿生抗冲击结构中可变层机构的结构变化模型；所述结构变化模型包括：形状变化模型和角度变化模型；

根据所述可变层机构的结构变化模型和所述结构参数确定隔振平台在平动方向上的动力学模型，记为第一动力学模型；

根据所述第一动力学模型和所述结构参数确定隔振平台在转动方向上的动力学模型，记为第二动力学模型。

优选的，还包括：

根据所述第一动力学模型确定上下平台的加速度的仿真曲线；

根据所述第二动力学模型确定上下平台的角加速度的仿真曲线；

根据所述加速度的仿真曲线和角加速度的仿真曲线修正所述隔振平台的结构参数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的隔振平台，采用仿生抗冲击结构与传统Stewart平台进行耦合设计，充分考虑上下平台的运动，结合Stewart平台的多方向隔振优势和仿生抗冲击结构的仿生抗冲击特性实现了对非合作目标的柔顺抓捕。相较于经典隔振平台，本发明提供的隔振平台在高频周期激励作用下具有更低的位移传递率和角度传递率；在冲击激励作用下速度和角速度衰减得更快，振荡次数更少，加速度和角加速度极值更低，大大降低了抓捕过程中对服务航天器的冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的隔振平台的结构示意图；

图2为本发明提供的隔振平台的主视图；

图3为本发明实施例中上平台的结构简图；

图4为本发明实施例中下平台的结构简图；

图5为本发明实施例中三层仿生抗冲击结构的结构示意图；

图6为本发明实施例中仿生抗冲击结构的结构示意图；

图7为本发明提供的隔振平台的动力学模型构建方法的流程图；

图8为本发明实施例中上下平台不同方向上的Adams仿真和理论仿真的结果对比图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种隔振平台及其动力学模型构建方法，以能够在实现对非合作目标的柔顺抓捕的同时，降低抓捕过程中对服务航天器的冲击。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的隔振平台的结构示意图，图2为本发明提供的隔振平台的主视图，如图1和图2所示，本发明提供的隔振平台，包括：上平台1、下平台2和仿生抗冲击结构3。

所述上平台1和所述下平台2均包括球铰组4。所述仿生抗冲击结构3包括第一端部球铰9和第二端部球铰8。

所述第一端部球铰9与所述上平台1的球铰组连接。所述第二端部球铰8 与所述下平台2的球铰组连接。

其中，上述上平台1的球铰组包括：第一球铰组、第二球铰组和第三球铰组。

如图3所示，所述第一球铰组、所述第二球铰组和所述第三球铰组均设置于所述上平台的下端面，且所述第二球铰组的布设位置为所述第一球铰组的布设位置绕第一垂直线逆时针旋转第一设定角度后的位置，所述第三球铰组的布设位置为所述第二球铰组的布设位置绕第一垂直线逆时针旋转第一设定角度后的位置。所述第一垂直线为垂直于所述上平台且过所述上平台的质心的轴线。所述布设位置即为铰点位置。第一设定角度优选为120°。

如图4所示，下平台2的球铰组包括：第四球铰组、第五球铰组和第六球铰组。

所述第四球铰组、所述第五球铰组和所述第六球铰组均设置于所述下平台的上端面，且所述第五球铰组的布设位置为所述第四球铰组的布设位置绕第二垂直线顺时针旋转第一设定角度后的位置，所述第六球铰组的布设位置为所述第五球铰组的布设位置绕第二垂直线顺时针旋转第一设定角度后的位置。所述第二垂直线为垂直于所述下平台且过所述下平台的质心的轴线。所述布设位置即为铰点位置。

第四球铰组、所述第五球铰组和所述第六球铰组均包括第一球铰和第二球铰。

所述第二球铰的位置为所述第一球铰的位置绕第二垂直线顺时针旋转第二设定角度后的位置。

如图5和图6所示，所述仿生抗冲击结构3还包括：弹性机构5、第一可变层机构、第二可变层机构和第三可变层机构。

所述第一端部球铰9设置在所述第一可变层机构的第一连接端。所述弹性机构5的一端与所述第一可变层机构的第二连接端连接。所述第一可变层机构的第三连接端与所述第二可变层机构的第一连接端连接。所述弹性机构5的另一端与所述第一可变层机构的第四连接端连接。所述第二可变层机构的第三连接端与所述第三可变层机构的第一连接端连接。所述第二端部球铰8设置所述第三可变层机构的第三连接端。所述弹性机构优选为线性阻尼弹簧。

优选的，所述第一可变层机构、所述第二可变层机构和所述第三可变层机构均包括四根连接杆。

两两连接杆间均通过连接铰链7连接，以形成菱形结构。

具体而言，本发明提供的隔振平台，在上平台1的下端面分布着六个球铰，下平台2的上端面对应也分布着六个球铰，上下平台的球铰关于过上下平台质心的轴线旋转对称分布，上下平台的球铰之间存在一定的初始安装角以避免仿生抗冲击结构的重合和交叉，球铰之间通过六个仿生抗冲击结构3进行连接。

具体的，上下平台中球铰的分布设置为：球铰1-1、球铰1-2和质心连线之间的初始安装角1-7为第一设定角度，其中，球铰1-3和球铰1-5分别由球铰1-1绕垂直于上平台过质心的轴线逆时针旋转120°和240°得到。球铰1-4和球铰1-6分别由球铰1-2绕垂直于上平台过质心的轴线顺时针旋转120°和240°得到。球铰2-1、球铰2-2和质心连线之间的初始安装角2-7也为第一设定角度，球铰2-3和球铰2-5分别由球铰2-1绕垂直于上平台过质心的轴线逆时针旋转120°和240°得到。球铰2-4和球铰2-6分别由球铰2-2绕垂直于上平台过质心的轴线顺时针旋转120°和240°得到。

对于仿生抗冲击结构3的上端有一线性阻尼弹簧，线性阻尼弹簧通过铰点和两个连杆6相连。

上平台1相对参考坐标系有三个平动自由度和三个转动自由度，下平台2 相对参考坐标系有三个平动自由度和三个转动自由度。当上平台1受到周期激励或者冲击激励时，隔振平台的六个仿生抗冲击结构3发生形变，仿生抗冲击结构3通过自身的仿生抗冲击特性实现对周期激励和冲击激励的隔振，实现对下平台的保护。

下面基于本发明提供的隔振平台，建立隔振平台的理论动力学模型并与 Adams仿真结果进行对比验证理论建模正确性。

如图7所示，本发明基于上述提供的隔振平台，对应提供了一种隔振平台的动力学模型构建方法。该动力学模型构建方法包括：

步骤100：获取隔振平台的结构参数和球铰位置矢量。所述结构参数包括：上平台的质量、上平台绕自身体坐标轴的转动惯量、上平台的半径、下平台的质量、下平台绕自身体坐标轴的转动惯量、下平台的半径、连杆杆长、连杆间的初始安装角、连杆间的铰链摩擦系数、线性阻尼弹簧的刚度和可变层机构的层数。所述球铰位置矢量包括：上平台的球铰在上平台体坐标系中的位置矢量，以及下平台的球铰在下平台体坐标系中的位置矢量。

具体为：定义隔振平台的参数。上平台质量为m_a，上平台绕自身体坐标轴的转动惯量为J_ax,J_ay,J_az，上平台半径为r_a，球铰之间的初始安装角为α。下平台质量为m_b，J_bx,J_by,J_bz分别代表下平台绕自身体坐标轴的转动惯量，下平台半径为r_b，球铰之间的初始安装角为β。由于仿生抗冲击结构的连杆质量远小于上下平台的质量，可以忽略不计。连杆之间通过铰链进行连接，连杆杆长为l，杆与杆之间的初始安装角为θ₀，杆与杆之间的铰链摩擦系数为c，线性阻尼弹簧刚度为k，仿生抗冲击结构层数为n，体坐标系中上下平台铰点的位置矢量分别为a_i和b_i。

步骤101：根据所述球铰位置矢量确定参考坐标系中上下平台铰点之间的位置矢量。

该过程具体包括：

将上下平台铰点的位置矢量由体坐标系转化到参考坐标系中，参考坐标系中上下平台铰点的位置矢量为：

式中：a_i为上平台球铰i(i＝1,2,3,4,5,6)在上平台体坐标系中的位置矢量，b_i为下平台球铰i(i＝1,2,3,4,5,6)在下平台体坐标系中的位置矢量，R_a为上平台体坐标系到参考坐标系的转换矩阵，R_b为下平台体坐标系到参考坐标系的转换矩阵， a_i'为位置矢量a_i在参考坐标系中的表示，b_i'为位置矢量b_i在参考坐标系中的表示。

根据参考坐标系中的参考坐标系中上下平台铰点的位置矢量确定上下平台铰点之间的位置矢量为：

L_i＝b′_i-a′_i-h。

由L_i求得上下平台铰点之间的距离，该距离即为仿生抗冲击结构3的具体长度。

步骤102：根据所述上下平台铰点之间的位置矢量、所述可变层机构的层数、所述连杆杆长和所述连杆间的初始安装角，确定所述仿生抗冲击结构中可变层机构的结构变化模型。所述结构变化模型包括：形状变化模型和角度变化模型。

该步骤具体包括：

对于仿生抗冲击结构而言，根据L_i、杆与杆之间的初始安装角为θ₀确定仿生抗冲击结构3运动后单层结构的形状变化模型为：

式中：h_i为变化后单层结构的垂直高度，l_i变化后单层结构的长度。

其中，单层结构的形状变化如图6(b)部分所示。

进一步根据单层结构的形状变化模型可以确定得到单层机构两连杆之间的角度变化模型为：

步骤103：根据所述可变层机构的结构变化模型和所述结构参数确定隔振平台在平动方向上的动力学模型，记为第一动力学模型。

步骤104：根据所述第一动力学模型和所述结构参数确定隔振平台在转动方向上的动力学模型，记为第二动力学模型。

其中，第一动力学模型和第二动力学模型是基于拉格朗日方程构建得到的。

其中，考虑仿生抗冲击结构的形变建立欠约束状态下的该隔振平台平动方向的动力学模型(第一动力学模型)为：

式中：x,y,z分别代表上下平台的广义坐标，

分别代表上平台的三个平动方向的速度，

分别代表上平台三个平动方向的加速度，

分别代表下平台的三个平动方向的速度，

分别代表下平台三个平动方向的加速度，c_d代表m_a和m_b相对摩擦系数，F_x(t),F_y(t),F_z(t)分别代表非合作目标x,y,z三个平动方向的周期激励力。

同理可以得到隔振平台转动方向的动力学模型(第二动力学模型)为：

式中：

γ分别代表上下平台绕参考坐标轴的转动角度。

分别代表上平台三个转动方向的角速度，

分别代表上平台三个转动方向的角加速度。

分别代表下平台三个转动方向的角速度，

分别代表下平台三个转动方向的角加速度，

T_γ(t)分别代表非合作目标

γ三个转动方向的周期激励力矩。

在研究隔振平台某一方向的隔振性能时，假设其他方向变量为0。对于平动方向，推导发现由于对称导致x y方向的隔振性能一致，考虑三个平动方向的动力学建模相似，初步的仿真对比发现它们的动力学响应类似，为了简化分析，因此仅对z方向的隔振性能进行研究。转动方向的动力学建模涉及到坐标转换，由于对称导致

方向的隔振性能一致，因此有必要对隔振平台

γ方向的隔振性能进行研究。

在进行理论建模的正确性验证的过程中，首先在Adams里搭建仿生抗冲击Stewart隔振平台模型。Adams仿真和理论仿真的初始条件设置为：对于平动方向，设置上平台的初始速度为v₀，下平台的初始速度为0，进行仿真，将 Adams仿真结果和理论仿真结果进行对比，对比二者上下平台的速度仿真结果，从速度仿真曲线的变化趋势、极值点和终值三个方面进行对比，如果三个方面的对比结果都相同则验证了平动方向理论建模的正确性。其中，上下平台不同方向上的Adams仿真和理论仿真的结果对比图如图8(a)到图8(f)部分所示。

转动方向理论动力学模型验证，Adams仿真和理论仿真的初始条件设置为：对于

方向，设置上平台有一初始角速度

对于γ方向，设置上平台有一初始角速度

下平台的初始角速度为0。将Adams仿真结果和理论仿真结果进行对比，对比二者上下平台的角速度仿真结果，从角速度仿真曲线的变化趋势、极值点和终值三个方面进行对比，如果三个方面的对比结果都相同则验证了转动方向理论建模的正确性。

基于上述理论，在得到的动力学模型基础上研究非合作目标产生周期激励作用时本发明所提供的隔振平台的隔振性能。

首先，考虑到隔振平台x y方向、

方向的隔振性能一致，因此根据上述动力学模型进行推导可以得到隔振平台受周期激励力时的动力学模型分别为：

在研究周期激励力作用下的隔振性能时，仅考虑周期激励力的影响，将上下平台的初始速度，角速度设置为0。

为了便于分析周期激励力作用下的隔振性能，对于平动方向，引入位移传递率T_p作为平动方向的隔振性能指标，它代表了服务航天器m_b的振幅和非合作目标m_a的振幅之比，为：

式中：A_bp代表m_b的振幅。A_ap代表m_a的振幅。

周期激励力设置为：

式中：a_y,a_z分别代表y,z方向周期激励力的振幅，w代表周期激励力的频率。

研究的参数包括隔振器参数c,k,l,θ₀,n，隔振平台参数m_a,m_b，α,β,r_b,r_a，参数的定义在步骤一已经给出，运用matlab对

进行仿真。当研究某参数变化对隔振性能的影响时，输入该参数的不同值得到相应的位移传递率仿真曲线。通过比较该参数不同值对应的位移传递率仿真曲线对该参数进行测试，对比相应的位移传递率仿真曲线在高频范围的位移传递率大小，若某个参数值对应的仿真曲线在高频范围的位移传递率低则该参数值有利于提升高频隔振性能，进而得到该参数变化对周期激励力作用下的平动方向的隔振性能影响。

对于转动方向，引入角度传递率T_z作为转动方向的隔振性能指标，它代表了服务航天器m_b的角度振幅和非合作目标m_a的角度振幅之比，为：

式中：A_bz代表m_b的角度振幅，A_az代表m_a的角度振幅。

周期激励力矩设置为：

式中：

a_γ分别代表

γ方向周期激励力矩的振幅。w代表周期激励力矩的频率。

研究的参数包括隔振器参数c,k,l,θ₀,n，隔振平台参数J_bz,J_by,J_az,J_ay,α,β,r_b,r_a，参数的定义在步骤一已经给出，运用matlab对

进行仿真。当研究某参数变化对隔振性能的影响时，输入该参数的不同值得到相应的角度传递率仿真曲线。通过比较该参数不同值对应的角度传递率仿真曲线对该参数进行测试，对比相应的角度传递率仿真曲线在高频范围的角度传递率大小，若某个参数值对应的仿真曲线在高频范围的角度传递率低则该参数值有利于提升高频隔振性能，进而得到该参数变化对周期激励力矩作用下的转动方向的隔振性能影响。

深入研究隔振器参数以及隔振平台参数对隔振平台受冲击激励的隔振性能影响。

首先，考虑到隔振平台x y方向，

方向的隔振性能一致，根据上述第一动力学模型和第二动力学模型得到研究冲击激励的隔振平台动力学模型，分别为：

在研究冲击激励作用下的隔振性能时，仅考虑碰撞造成的冲击激励的影响，将上平台的外力和外力矩设置为0。对于冲击激励作用下的隔振性能研究，主要关注冲击作用下m_a,m_b的加速度和角加速度的变化。

对于平动方向，为了模拟非合作目标的对心碰撞造成的冲击激励，对于z 方向，设置上平台有一初始速度

研究的参数包括隔振器参数c,k,l,θ₀,n，隔振平台参数m_a,m_b,α,β,r_b,r_a，运用matlab对

进行仿真，得到上下平台的加速度仿真结果。当研究某参数变化对隔振性能的影响时，输入该参数的不同值得到相应的上下平台的加速度仿真曲线。通过比较该参数不同值对应的加速度仿真曲线对该参数进行测试，对比相应的加速度仿真曲线的绝对值最大值，若某个参数值对应的加速度仿真曲线的加速度的绝对值最大值最小则该参数值有利于提升冲击激励作用下的隔振性能，进而得到该参数变化对冲击激励作用下的平动方向的隔振性能影响。

对于转动方向，为了模拟非合作目标的非对心碰撞造成的冲击激励，对于

方向，设置上平台有一初始角速度

对于γ方向，设置上平台有一初始角速度

研究的参数包括隔振器参数c,k,l,θ₀,n，隔振平台参数 J_bz,J_by,J_az,J_ay,α,β,r_b,r_a，运用matlab对

进行仿真，得到上下平台的角加速度仿真结果。

当研究某参数变化对隔振性能的影响时，输入该参数的不同值得到相应的上下平台的角加速度仿真曲线。通过比较该参数不同值对应的角加速度仿真曲线对该参数进行测试，对比相应的角加速度仿真曲线的绝对值最大值，若某个参数值对应的角加速度仿真曲线的角加速度的绝对值最大值最小则该参数值有利于提升冲击激励作用下的隔振性能，进而得到该参数变化对冲击激励作用下的转动方向的隔振性能影响。

根据模拟结果，对隔振平台的结构参数进行合理设计，从而实现更好的隔振效果。

下面对隔振平台在不同工况下的隔振性能进行分析，分别设非合作目标存在高频周期激励以及抓捕过程中存在冲击激励，在这两种外激励作用下，研究仿生抗冲击Stewart隔振平台的转动隔振性能。在研究某方向的隔振性能时，可以将其他方向的变量设置为0，同时考虑对称方向的隔振性能一致，仅对隔振平台y z方向以及

γ方向的隔振性能进行研究，具体包括：

步骤一：基于拉格朗日方程建立欠约束状态下仿生抗冲击Stewart隔振平台的理论动力学模型。搭建隔振平台的Adams模型，并假设平台受一冲击激励，进行仿真计算并且将仿真结果和理论仿真结果进行对比，从而验证理论建模的正确性。

步骤二：隔振平台受周期激励时的隔振性能研究，包括和经典隔振平台的隔振性能对比以及隔振器参数和隔振平台参数变化对隔振性能的影响。平动方向的周期激励力设置为：

转动方向的周期激励力矩设置为：

考虑非合作目标上的周期激励为高频激励，设置w∈[1rad,10rad]。

步骤三：隔振平台受冲击激励时的隔振性能研究，通过和经典隔振平台的隔振性能进行对比实现，主要对比在冲击激励作用下两个隔振平台的加速度和角加速度变化。对于平动方向，两隔振平台在相同初始条件下进行仿真，设置两种隔振平台的上平台在z方向的初始速度为0.2m/s，对比两种隔振平台受该冲击激励时上下平台的加速度的极值，衰减快慢进行隔振性能对比。对于转动方向也是类似，设置上平台

方向的初始角速度为0.05rad/s，γ方向的初始角速度为0.05rad/s，对两种隔振平台的上下平台的角加速度极值和衰减快慢进行对比从而进行隔振性能对比。

步骤四：研究隔振器参数和隔振平台参数对隔振平台受冲击激励的隔振性能影响。研究的参数包括：隔振器参数c,k,l,θ₀,n，对于平动方向隔振平台参数为m_a,m_b,α,β,r_b,r_a。对于转动方向研究的隔振平台参数J_bz,J_by,J_az,J_ay,α,β,r_b,r_a。在研究某参数对隔振性能的影响时，只考虑该参数的变化，其他参数保持不变，对比该参数变化得到的不同仿真结果。对于平动方向的隔振性能研究则进行加速度对比，对于转动方向则进行角加速度对比，从而得到该参数对冲击激励作用下的隔振性能影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种隔振平台设备，其特征在于，包括：上平台、下平台和仿生抗冲击结构；

所述上平台和所述下平台均包括球铰组；所述仿生抗冲击结构包括第一端部球铰和第二端部球铰；

所述第一端部球铰与所述上平台的球铰组连接；所述第二端部球铰与所述下平台的球铰组连接；

所述上平台的球铰组包括：第一球铰组、第二球铰组和第三球铰组；

所述第一球铰组、所述第二球铰组和所述第三球铰组均设置于所述上平台的下端面，且所述第二球铰组的布设位置为所述第一球铰组的布设位置绕第一垂直线逆时针旋转第一设定角度后的位置，所述第三球铰组的布设位置为所述第二球铰组的布设位置绕第一垂直线逆时针旋转第一设定角度后的位置；所述第一垂直线为垂直于所述上平台且过所述上平台的质心的轴线；

所述下平台的球铰组包括：第四球铰组、第五球铰组和第六球铰组；

所述第四球铰组、所述第五球铰组和所述第六球铰组均设置于所述下平台的上端面，且所述第五球铰组的布设位置为所述第四球铰组的布设位置绕第二垂直线顺时针旋转第一设定角度后的位置，所述第六球铰组的布设位置为所述第五球铰组的布设位置绕第二垂直线顺时针旋转第一设定角度后的位置；所述第二垂直线为垂直于所述下平台且过所述下平台的质心的轴线；所述布设位置即为铰点位置；

所述仿生抗冲击结构还包括：弹性机构、第一可变层机构、第二可变层机构和第三可变层机构；

所述第一端部球铰设置在所述第一可变层机构的第一连接端；所述弹性机构的一端与所述第一可变层机构的第二连接端连接；所述第一可变层机构的第三连接端与所述第二可变层机构的第一连接端连接；所述弹性机构的另一端与所述第一可变层机构的第四连接端连接；所述第二可变层机构的第三连接端与所述第三可变层机构的第一连接端连接；所述第二端部球铰设置所述第三可变层机构的第三连接端。

2.根据权利要求1所述的隔振平台设备，其特征在于，所述第一设定角度为120°。

3.根据权利要求1所述的隔振平台设备，其特征在于，所述第四球铰组、所述第五球铰组和所述第六球铰组均包括第一球铰和第二球铰；

所述第二球铰的位置为所述第一球铰的位置绕第二垂直线顺时针旋转第二设定角度后的位置。

4.根据权利要求1所述的隔振平台设备，其特征在于，所述第一可变层机构、所述第二可变层机构和所述第三可变层机构均包括四根连接杆；

两两连接杆间均通过连接铰链连接，以形成菱形结构。

5.根据权利要求1所述的隔振平台设备，其特征在于，所述弹性机构为线性阻尼弹簧。

6.一种隔振平台设备的动力学模型构建方法，其特征在于，所述隔振平台设备为上述权利要求1-5任意一项所述的隔振平台设备；所述动力学模型构建方法包括：

获取隔振平台设备的结构参数和球铰位置矢量；所述结构参数包括：上平台的质量、上平台绕自身体坐标轴的转动惯量、上平台的半径、下平台的质量、下平台绕自身体坐标轴的转动惯量、下平台的半径、连杆杆长、连杆间的初始安装角、连杆间的铰链摩擦系数、线性阻尼弹簧的刚度和可变层机构的层数；所述球铰位置矢量包括：上平台的球铰在上平台体坐标系中的位置矢量，以及下平台的球铰在下平台体坐标系中的位置矢量；

根据所述球铰位置矢量确定参考坐标系中上下平台铰点之间的位置矢量；

根据所述上下平台铰点之间的位置矢量、所述可变层机构的层数、所述连杆杆长和所述连杆间的初始安装角，确定所述仿生抗冲击结构中可变层机构的结构变化模型；所述结构变化模型包括：形状变化模型和角度变化模型；

根据所述可变层机构的结构变化模型和所述结构参数确定隔振平台设备在平动方向上的动力学模型，记为第一动力学模型；

根据所述第一动力学模型和所述结构参数确定隔振平台设备在转动方向上的动力学模型，记为第二动力学模型。

7.根据权利要求6所述的隔振平台设备的动力学模型构建方法，其特征在于，还包括：

根据所述第一动力学模型确定上下平台的加速度的仿真曲线；

根据所述第二动力学模型确定上下平台的角加速度的仿真曲线；

根据所述加速度的仿真曲线和角加速度的仿真曲线修正所述隔振平台设备的结构参数。

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