CN113002698A - 具有双动平台的五自由度并联机构及舰载稳定平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双动平台的五自由度并联机构及基于该并联机构的六自由度舰载稳定平台。该舰载稳定平台包括具有双动平台的五自由度并联机构和转台系统，该并联机构包括底座、动平台和连接动平台和底座间的三个分支机构，第一分支包括子动平台和完全相同且中心旋转对称分布于子动平台布置的三个子分支机构，第二分支和第三分支对称于动平台布置，该并联机构可实现三个移动自由度和两个转动自由度，该转台系统安装在动平台上，转台具有竖向转动的自由度，从而实现舰载稳定平台的三维移动和三维转动，进而实现对舰艇受风浪影响而产生的六自由度颠簸运动的补偿，具有姿态空间大、刚度高、承载能力强、精度高等优点，可以满足各种舰载稳定需求。

Description

具有双动平台的五自由度并联机构及舰载稳定平台

技术领域

本发明涉及海上风力发电、海上人员物资运输、海上观测、海上医疗技术领域，尤其涉及一种具有双动平台的五自由度并联机构及舰载稳定平台。

背景技术

在航行过程中由于受风、浪、流、潮等恶劣环境和船体自身特性的影响，无法保持平衡，会不可避免地产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡六个自由度的无规则随机运动。尤其是在恶劣海况下，船体的运动会干扰舰载设备的正常工作。舰载稳定平台能够使被稳定对象在干扰作用下，隔离舰艇运动和姿态的影响，保持被控物体的稳定性，使其相对地球坐标系保持稳定。舰载稳定平台在离岸风力发电机组的运营与维护、远洋船舰之间的人员转移与物资补给、舰船精密装备仪器的稳定等方面均具有十分重要的作用。

现有的舰载姿态瞄准机构也是一种舰载稳定平台，但是这些姿态瞄准系统主要采用2-3轴的串联机构，存在刚度低、负载能力差等问题，还不能实现对稳定平台位置和姿态的完整控制，更不适用于承载重的场合。相对于串联机构，并联机构具有刚度高、承载大的优点，利用并联机构开发重型舰船稳定平台具有较大的优势，目前利用并联机构开发的舰载稳定平台还很少，主要是基于Stewart等多支链六自由度机构，仍存在连接同一动平台的支链数多导致的支链间易干涉、姿态空间小等缺点。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有双动平台的五自由度并联机构及基于该并联机构的六自由度舰载稳定平台，其中，舰载稳定平台结构简单、刚度高、承重大、精度高，具备更全面、更均衡的六自由度补偿能力，能够适应于各级海况。

根据本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构，包括：

一个底座；

一个动平台，所述动平台有间距地设置于所述底座的上方；

三个分支，所述三个分支分别为第一分支、第二分支和第三分支；其中，

所述第一分支包括一个子动平台、连接所述子动平台和所述动平台之间的第一球副、连接所述子动平台和所述底座之间的第一子分支、第二子分支和第三子分支；所述第一子分支、所述第二子分支和所述第三子分支的结构完全相同且相对于所述子动平台呈中心旋转对称分布；所述第一子分支包括第一虎克铰、第一伸缩杆和第二虎克铰；所述第一虎克铰连接所述第一伸缩杆的下端和所述底座，所述第一虎克铰与所述底座连接的转动轴方向平行于所述第二子分支和第三子分支分别与所述底座相连的连接部位中心的连线方向，所述第一虎克铰与所述第一伸缩杆连接的转动轴方向垂直于所述第一伸缩杆以及垂直于所述第一虎克铰与所述底座连接的转动轴方向；所述第二虎克铰连接所述第一伸缩杆的上端和所述子动平台，所述第二虎克铰与所述子动平台连接的转动轴方向平行于所述第二子分支和所述第三子分支分别与所述子动平台相连的连接部位中心的连线方向，所述第二虎克铰与所述第一伸缩杆连接的转动轴方向垂直于所述第一伸缩杆以及垂直于所述第二虎克铰与所述子动平台连接的转动轴方向；

所述第二分支和所述第三分支结构完全相同且相对于所述动平台对称布置；所述第二分支包括第三虎克铰、第二伸缩杆和第四虎克铰，所述第三虎克铰连接所述第二伸缩杆的下端和所述底座，所述第三虎克铰与所述底座连接的转动轴方向平行于所述第一子分支的所述第一虎克铰与所述底座连接的转动轴方向，且所述第三虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转动轴方向垂直于所述第二伸缩杆以及垂直于所述第三虎克铰与所述底座连接的转动轴方向；所述第四虎克铰连接所述第二伸缩杆的上端和所述动平台，所述第四虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转轴方向平行与所述第三虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转轴方向，所述第四虎克铰与所述动平台连接的转动轴方向垂直于所述第二伸缩杆以及垂直于所述第四虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转动轴方向。

根据本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构，通过三个分支、底座和动平台构成使动平台实现三个移动自由度和两个转动自由度的空间并联机构，具有如下优点：第一、姿态空间大。由于本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构具有双动平台结构，连接于动平台上的支链数不超过三个，从而弥补支链数多导致的支链间易干涉、姿态空间小等缺点。第二、刚度高、承载能力强、精度高，适用于更高质量需求的稳定。动平台通过三个分支进行支撑，三个分支大幅度提高了本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构的刚度和承载能力，保持并联机构所具有的刚度高、承载大、精度高等优点。第三、位置和姿态解耦，运动学简单，易于控制，通过第一分支的三个伸缩杆改变确定动平台的位置，通过第二分支、第三分支改变动平台的姿态。第四、结构简单、模块化程度高、分支间结构类似。

进一步的，所述第一伸缩杆包括第一连杆、第二连杆和第一移动副，所述第一连杆的下端与所述第一虎克铰连接，所述第二连杆的上端与所述第二虎克铰相连，所述第二连杆通过所述第一移动副沿所述第一连杆移动；

所述第二伸缩杆包括第三连杆、第四连杆、第二移动副，所述第三连杆的下端与所述第三虎克铰连接，所述第四连杆的上端与所述第四虎克铰连接，所述第四连杆通过所述第二移动副沿所述第三连杆移动。

在一些实施例中，所述子动平台、所述第一子分支、所述第二子分支、所述第三子分支替换为具有纯平动三自由度的其余3-UPU构型。

根据本发明第二方面实施例的舰载稳定平台，包括：

根据本发明第一方面任意一个实施例的所述的具有双动平台的五自由度并联机构；

转台系统，所述转台系统包括转台座和转台，所述转台座安装在所述动平台上，所述转台可旋转地安装在所述转台座的上表面上。

根据本发明第二方面实施例的舰载稳定平台，具有如下的优点，第一、姿态空间大。由于本发明第二方面实施例的舰载稳定平台，采用了具有双动平台的五自由度并联机构，具有双动平台结构，连接于动平台上的支链数不超过三个，从而弥补支链数多导致的支链间易干涉、姿态空间小等缺点。第二、刚度高、承载能力强，适用于更高质量需求的稳定。动平台通过三个分支进行支撑，三个分支大幅度提高了舰载稳定平台的刚度和承载能力，保持并联机构所具有的刚度高、承载大、精度高等优点。第三、精度高，具有更精确运动补偿的能力。第四、位置和姿态解耦，运动学简单，易于控制，通过第一分支的三个伸缩杆改变确定舰载稳定平台的位置，通过第二分支、第三分支及转台7系统改变舰载稳定平台的姿态。第五，由于舰载稳定平台动态性能好，刚度高、承载大，使得舰载稳定平台能够搭载舷梯、吊车等重型设备，例如，如图2所示，在舰载稳定平台的转台上安装有吊车，通过舰载稳定平台使吊车相对于地球坐标系保持静止，从而可以平稳地运输物资。第六、适用于海上风力发电设备维护、海上人员物资运输、海上观测、海上医疗等多种应用场景。第七、结构简单、模块化程度高、分支间结构类似。

进一步的，所述转台座的上表面上设有环形滑轨，所述转台可沿所述环形滑轨转动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的舰载稳定平台的结构示意图。

图2为本发明的舰载稳定平台搭载吊车的应用场景示意图。

附图标记：

具有双动平台的五自由度并联机构1000

舰载稳定平台2000

底座1

动平台2

第一分支3 子动平台31 第一球副32 第一子分支33 第一虎克铰331

第一伸缩杆332 第一连杆3321 第二连杆3322 第一移动副3323

第二虎克铰333 第二子分支34 第三子分支35

第二分支4 第三虎克铰41 第二伸缩杆42 第三连杆421 第四连杆422

第二移动副423 第四虎克铰43

第三分支5

转台座6

转台7

吊车8

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图2来描述根据本发明实施例的具有双动平台的五自由度并联机构1000及舰载稳定平台2000。

如图1所示，本发明第一方面提出一种具有双动平台的五自由度并联机构1000。

根据本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构1000，包括一个底座1、一个动平台2和三个分支。

动平台2有间距地设置于底座1的上方，也就是说，动平台2可以位于底座1的上方，动平台2和底座1之间有间距，可以为三个分支的设置提供安装空间。

三个分支分别为第一分支3、第二分支4和第三分支5；其中，第一分支3包括一个子动平台31、连接子动平台31和动平台2之间的第一球副32、连接子动平台31和底座1之间的第一子分支33、第二子分支34和第三子分支35；第一子分支33、第二子分支34和第三子分支35的结构完全相同且相对于子动平台31呈中心旋转对称分布；第一子分支33包括第一虎克铰331、第一伸缩杆332和第二虎克铰333；第一虎克铰331连接第一伸缩杆332的下端和底座1，第一虎克铰331与底座1连接的转动轴方向平行于第二子分支34和第三子分支35分别与底座1相连的连接部位中心的连线方向，第一虎克铰331与第一伸缩杆332连接的转动轴方向垂直于第一伸缩杆332以及垂直于第一虎克铰331与底座1连接的转动轴方向；第二虎克铰333连接第一伸缩杆332的上端和子动平台31，第二虎克铰333与子动平台31连接的转动轴方向平行于第二子分支34和第三子分支35分别与子动平台31相连的连接部位中心的连线方向，第二虎克铰333与第一伸缩杆332连接的转动轴方向垂直于第一伸缩杆332以及垂直于第二虎克铰333与子动平台31连接的转动轴方向；第二分支4和第三分支5结构完全相同且相对于动平台2对称布置；第二分支4包括第三虎克铰41、第二伸缩杆42和第四虎克铰43，第三虎克铰41连接第二伸缩杆42的下端和底座1，第三虎克铰41与底座1连接的转动轴方向平行于第一子分支33的第一虎克铰331与底座1连接的转动轴方向，且第三虎克铰41与第二伸缩杆42连接的转动轴方向垂直于第二伸缩杆42以及垂直于第三虎克铰41与底座1连接的转动轴方向；第四虎克铰43连接第二伸缩杆42的上端和动平台2，第四虎克铰43与第二伸缩杆42连接的转轴方向平行与第三虎克铰41与第二伸缩杆42连接的转轴方向，第四虎克铰43与动平台2连接的转动轴方向垂直于第二伸缩杆42以及垂直于第四虎克铰43与第二伸缩杆42连接的转动轴方向。

根据本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构1000，通过三个分支、底座1和动平台2构成使动平台2实现三个移动自由度和两个转动自由度的空间并联机构，具有如下优点：第一、姿态空间大。由于本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构1000具有双动平台结构，连接于动平台2上的支链数不超过三个，从而弥补支链数多导致的支链间易干涉、姿态空间小等缺点。第二、刚度高、承载能力强、精度高，适用于更高质量需求的稳定。动平台2通过三个分支进行支撑，三个分支大幅度提高了本发明第一方面实施例的具有双动平台的五自由度并联机构1000的刚度和承载能力，保持并联机构所具有的刚度高、承载大、精度高等优点。第三、位置和姿态解耦，运动学简单，易于控制，通过第一分支3的三个伸缩杆改变确定动平台2的位置，通过第二分支4、第三分支5改变动平台2的姿态。第四、结构简单、模块化程度高、分支间结构类似。

进一步的，第一伸缩杆332包括第一连杆3321、第二连杆3322和第一移动副3323，第一连杆3321的下端与第一虎克铰331连接，第二连杆3322的上端与第二虎克铰333相连，第二连杆3322通过第一移动副3323沿第一连杆3321移动；由此，第一伸缩杆332有利于提高并联机构的刚度、承载力以及运动精度。

第二伸缩杆42包括第三连杆421、第四连杆422、第二移动副423，第三连杆421的下端与第三虎克铰41连接，第四连杆422的上端与第四虎克铰43连接，第四连杆422通过第二移动副423沿第三连杆421移动。由此，第二伸缩杆42有利于提高并联机构的刚度、承载力以及运动精度。

本发明第二方面提出了一种舰载稳定平台2000。

根据本发明第二方面实施例的舰载稳定平台2000，包括根据本发明第一方面任意一个实施例的具有双动平台的五自由度并联机构1000以及转台7系统，其中，转台7系统包括转台座6和转台7，转台座6安装在动平台2上，转台7可旋转地安装在转台座6的上表面上，这样转台7具有竖直方向的转动自由度且工作空间大，能够弥补六自由度驱动冗余并联机构在竖直转动方向补偿能力的不足，实现恶劣海况下舰载稳定平台2000竖直转动方向的补偿，也就是说，通过转台7系统提高了装置对舰艇艏摇运动的补偿能力。

根据本发明第二方面实施例的舰载稳定平台2000，工作过程如下，五自由度并联机构的第一子分支33、第二子分支34、第三子分支35以及第二分支4和第三分支5可以实现动平台2两个方向的转动和三个方向的移动，转台7系统通过转台座6固定在并联机构的动平台2上，并通过转台7相对于转台座6旋转，实现舰载稳定平台2000的三个移动自由度和三个转动自由度的六自由度运动，从而实现对舰艇受风浪影响而产生的六自由度颠簸运动的补偿，具有姿态空间大、刚度高、承载能力强、精度高等优点，可以满足远洋船舰间人员转移与物资补给、舰船精密装备仪器稳定等各种舰载稳定需求。

根据本发明第二方面实施例的舰载稳定平台2000，具有如下的优点，第一、姿态空间大。由于本发明第二方面实施例的舰载稳定平台2000，采用了具有双动平台的五自由度并联机构1000，具有双动平台结构，连接于动平台2上的支链数不超过三个，从而弥补支链数多导致的支链间易干涉、姿态空间小等缺点。第二、刚度高、承载能力强，适用于更高质量需求的稳定。动平台2通过三个分支进行支撑，三个分支大幅度提高了舰载稳定平台2000的刚度和承载能力，保持并联机构所具有的刚度高、承载大、精度高等优点。第三、精度高，具有更精确运动补偿的能力。第四、位置和姿态解耦，运动学简单，易于控制，通过第一分支3的三个伸缩杆改变确定舰载稳定平台2000的位置，通过第二分支4、第三分支5及转台7系统改变舰载稳定平台2000的姿态。第五，由于舰载稳定平台2000动态性能好，刚度高、承载大，使得舰载稳定平台2000能够搭载舷梯、吊车8等重型设备，例如，如图2所示，在舰载稳定平台2000装置的转台7上安装有吊车8，通过舰载稳定平台2000使吊车8相对于地球坐标系保持静止，从而可以平稳地运输物资。第六、适用于海上风力发电设备维护、海上人员物资运输、海上观测、海上医疗等多种应用场景。第七、结构简单、模块化程度高、分支间结构类似。

进一步的，转台座6的上表面上设有环形滑轨(图中未示出)，转台7可沿环形滑轨转动。可以理解的是，通过设置环形滑轨，有利转台7平稳地转动。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选构型，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，如将子动平台31、第一子分支33、第二子分支34、第三子分支35替换为具有纯平动三自由度的其余3-UPU构型均应包含在本发明的保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种具有双动平台的五自由度并联机构，其特征在于，包括：

一个底座；

一个动平台，所述动平台有间距地设置于所述底座的上方；

三个分支，所述三个分支分别为第一分支、第二分支和第三分支；其中，

所述第一分支包括一个子动平台、连接所述子动平台和所述动平台之间的第一球副、连接所述子动平台和所述底座之间的第一子分支、第二子分支和第三子分支；所述第一子分支、所述第二子分支和所述第三子分支的结构完全相同且相对于所述子动平台呈中心旋转对称分布；所述第一子分支包括第一虎克铰、第一伸缩杆和第二虎克铰；所述第一虎克铰连接所述第一伸缩杆的下端和所述底座，所述第一虎克铰与所述底座连接的转动轴方向平行于所述第二子分支和第三子分支分别与所述底座相连的连接部位中心的连线方向，所述第一虎克铰与所述第一伸缩杆连接的转动轴方向垂直于所述第一伸缩杆以及垂直于所述第一虎克铰与所述底座连接的转动轴方向；所述第二虎克铰连接所述第一伸缩杆的上端和所述子动平台，所述第二虎克铰与所述子动平台连接的转动轴方向平行于所述第二子分支和所述第三子分支分别与所述子动平台相连的连接部位中心的连线方向，所述第二虎克铰与所述第一伸缩杆连接的转动轴方向垂直于所述第一伸缩杆以及垂直于所述第二虎克铰与所述子动平台连接的转动轴方向；

所述第二分支和所述第三分支结构完全相同且相对于所述动平台对称布置；所述第二分支包括第三虎克铰、第二伸缩杆和第四虎克铰，所述第三虎克铰连接所述第二伸缩杆的下端和所述底座，所述第三虎克铰与所述底座连接的转动轴方向平行于所述第一子分支的所述第一虎克铰与所述底座连接的转动轴方向，且所述第三虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转动轴方向垂直于所述第二伸缩杆以及垂直于所述第三虎克铰与所述底座连接的转动轴方向；所述第四虎克铰连接所述第二伸缩杆的上端和所述动平台，所述第四虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转轴方向平行与所述第三虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转轴方向，所述第四虎克铰与所述动平台连接的转动轴方向垂直于所述第二伸缩杆以及垂直于所述第四虎克铰与所述第二伸缩杆连接的转动轴方向。

2.根据权利要求1所述的具有双动平台的五自由度并联机构，其特征在于，所述第一伸缩杆包括第一连杆、第二连杆和第一移动副，所述第一连杆的下端与所述第一虎克铰连接，所述第二连杆的上端与所述第二虎克铰相连，所述第二连杆通过所述第一移动副沿所述第一连杆移动；

所述第二伸缩杆包括第三连杆、第四连杆、第二移动副，所述第三连杆的下端与所述第三虎克铰连接，所述第四连杆的上端与所述第四虎克铰连接，所述第四连杆通过所述第二移动副沿所述第三连杆移动。

3.根据权利要求1所述的具有双动平台的五自由度并联机构，其特征在于，

所述子动平台、所述第一子分支、所述第二子分支、所述第三子分支替换为具有纯平动三自由度的其余3-UPU构型。

4.一种舰载稳定平台，其特征在于，包括：

根据权利要求1至3中任意一项所述的具有双动平台的五自由度并联机构；

转台系统，所述转台系统包括转台座和转台，所述转台座安装在所述动平台上，所述转台可旋转地安装在所述转台座的上表面上。

5.根据权利要求4所述的舰载稳定平台，其特征在于，所述转台座的上表面上设有环形滑轨，所述转台可沿所述环形滑轨转动。

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