CN114726123A - 一种多自由度吊舱直驱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度吊舱直驱系统，属于运动系统及光电平台领域。包括：定子以及设置在所述定子内部的转子、设备安装平台、永磁体及电磁线圈；所述转子固定在所述设备安装平台上，所述电磁线圈和永磁体分别相对的设置在所述定子的内表面和转子的外表面。本发明通过定子上的电磁线圈和转子上的永磁体之间的电磁作用力直接驱动转子相对定子旋转运动，相比传统的通过电机驱动输出轴，再通过输出轴带动转子转动的方式，本发明的这种直接驱动方式，控制速度更快，控制精度更高，并且能够实现多自由度旋转控制。
Description
技术领域
本发明属于运动系统及光电平台领域，更具体地，涉及一种多自由度吊舱直驱系统。
背景技术
光电吊舱是一种集光电探测器、图像处理器和伺服稳定平台于一体的光、机电装置，它具备在惯性空间保持稳定、空域侦查探测、目标自动跟踪等功能。根据内框架搭载设备的功能，光电吊舱可分为瞄准吊舱、电子干扰吊舱、红外测量吊舱和导航吊舱等，在军民用领域有广泛的应用。随着机载平台作战需求的提高以及作战模式的改变，未来吊舱开始向精准化、小型化和智能化的方向发展。
当前的吊舱系统通常采用框架式平台，如常见的两轴两框架和两轴四框架系统等，以两轴四框架系统为例，需要控制四个电机分别驱动四个框架，以达到整体多自由度旋转运动。这种驱动方式是通过电机内部的线圈和永磁体驱动输出轴，进而带动吊舱系统转动，控制精度及速度不够；同时这种驱动方式还存在吊舱平台在内环与外环处于同一平面时，出现框架自锁现象，进而会导致奇异点，失去自由度的问题，故为了弥补失去的自由度，需要额外的装置来调整吊舱平台上的光路结构，使得结构复杂，设备笨重、昂贵。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多自由度吊舱直驱系统，其目的在于提升吊舱系统的控制精度和控制速度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多自由度直驱吊舱系统，包括：定子以及设置在所述定子内部的转子、设备安装平台、永磁体及电磁线圈；
所述转子固定在所述设备安装平台上，所述电磁线圈和永磁体分别相对的设置在所述定子的内表面和转子的外表面。
进一步地，还包括转子支撑轴，所述转子支撑轴两端固定在所述定子上，且所述转子支撑轴与述设备安装平台通过滚动部件进行滚动连接。
进一步地，所述滚动部件为轴承座和关节球构成的球关节轴承，所述轴承座与设备安装平台固定连接，所述关节球与所述转子支撑轴固定连接。
进一步地，所述转子支撑轴为两端对称支撑。进一步地，所述轴承座和关节球之间嵌有滚珠。
进一步地，所述定子为球形。
进一步地，所述电磁线圈分组对称分布在所述定子的内表面，所述转子的外球面与所述定子相对应的位置设置有相同组数的永磁体。
进一步地，每组电磁线圈或永磁体为多个。
进一步地，还包括设置在设备安装平台上的光电视觉传感器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的多自由度直驱吊舱系统，通过在定子的内表面设置电磁线圈，在转子的外表面设置永磁体，当电磁线圈中通入了一定的电流时，通过定子上的电磁线圈和转子上的永磁体之间的电磁作用力直接驱动转子相对定子旋转运动，相比传统的通过电机驱动输出轴，再通过输出轴带动转子转动的方式，本发明的这种直接驱动方式，控制速度更快，控制精度更高。并且，本发明不需要多个电机驱动，只需要通过增减电磁线圈和永磁体的数量即可实现合适的驱动力，可解决传统系统多个电机不同步造成的控制精度问题，进一步提升控制精度；同时，还能够减小整个吊舱系统的质量，具有更广的应用场景。
(2)作为优选，本发明通过使设备安装平台与转子支撑轴之间通过球关节轴承滚动连接，使得转子相对定子能够进行三个自由度的转动，相比两轴四框架等框架式吊舱系统，多了一个自由度，球关节支撑连接方式可解决框架自锁和奇异点等问题不需要额外的调整装置调整光路，结构更简单；同时，进一步减小了系统总质量。
(3)作为优选，转子支撑轴为两端对称支撑结构，提高了系统刚度和强度，降低驱动产生的振动。
(4)本发明中采用的球关节轴承滚动连接方式产生的摩擦力为滚动摩擦，相比现有技术中的滑动摩擦，具有更小的摩擦力。
(5)相比现有的框架式吊舱系统，本发明的驱动结构位于球面，距离旋转中心更远，电磁驱动力臂大，节省了位于框架外侧的直驱电机等设备的质量，且对称分布，使得系统质量分布更均匀集中，转动惯量小，响应灵活，易于实现快速精准的多自由度控制。
总而言之，本发明的多自由度直驱吊舱系统能够提升吊舱系统的控制精度和控制速度，实现多自由度旋转控制。
附图说明
图1为本发明的多自由度直驱吊舱系统的剖面图。
图2为本发明的多自由度直驱吊舱系统的外形示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1是定子，2是转子，3是转子支撑轴，4是设备安装平台，5是轴承座，6是关节球，7是永磁体，8是电磁线圈，9是光电视觉传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，本发明的多自由度直驱吊舱系统，主要包括：定子1、转子2、设备安装平台4、永磁体7及电磁线圈8；
其中，在定子1内部设置设备安装平台4，转子2固定在设备安装平台4上，用于给转子2提供支撑，同时固定定子1；在定子1的内表面设置有电磁线圈8，在转子2的外表面设置有永磁体7。
工作时，定子1和外部框架连接，用于实现吊舱系统的俯仰转动和方位转动；当电磁线圈8中通入了一定的电流时，通过定子上的电磁线圈8和转子2上的永磁体7之间的电磁力作用，即可实现转子相对定子旋转。
作为优选方案，本发明的吊舱系统还包括转子支撑轴3，转子支撑轴3的两端固定在定子1上，用于给转子2提供支撑，同时固定定子1，且转子支撑轴3与设备安装平台4之间通过滚动部件进行滚动连接。本实施例中，滚动部件为轴承座5和关节球6构成的球关节轴承，其中，轴承座5和设备安装平台4固定连接，关节球6与转子支撑轴3固定连接，转子支撑轴为两端对称支撑结构。
轴承座5和关节球6构成的球关节轴承，关节球6作为轴承内圈，轴承座5是轴承外圈，轴承座5的内表面也为球面，轴承座5和关节球6之间通过保持架嵌有滚珠，使得轴承座5可以绕关节球6的球面转动。
关节球6设置在转子支撑轴3的中间，使转子支撑轴以两端对称支撑形式固定在定子1上。球关节轴承在旋转时，带动转子2随轴承座5做3自由度的旋转运动，即球关节轴承在支撑转子2的同时，让转子2绕旋转中心转动。
作为优选，关节球6与转子支撑轴3之间通过过盈配合和螺纹连接。
作为优选，定子1为球形。
作为优选，电磁线圈8分组对称分布在定子的内表面，每组有多个电磁线圈8；转子的外球面与定子相对应的位置设置有相同组数的永磁体7，每组有多个永磁体7。本实施例中，电磁线圈8分4组对称布置在定子的内球面，每组布置有5个电磁线圈8；转子2的外球面与定子上的线圈组相对应的位置布置了4组永磁体7，每组包含4个永磁体。
光电视觉传感器安装在设备安装平台4上，可以随着吊舱系统的多自由度旋转进行拍摄。
本发明的多自由度直驱吊舱系统，通过在定子的内表面设置电磁线圈，在转子的外表面设置永磁体，当电磁线圈中通入了一定的电流时，通过定子上的电磁线圈和转子上的永磁体之间的电磁作用力直接驱动转子相对定子旋转运动，相比传统的通过电机驱动输出轴，再通过输出轴带动转子转动的方式，本发明的这种直接驱动方式，控制速度更快，控制精度更高。并且，本发明不需要多个电机驱动，只需要通过增减电磁线圈和永磁体的数量即可实现合适的驱动力，可解决传统系统多个电机不同步造成的控制精度问题，同时减小整个吊舱系统的质量和惯量，具有更广的应用场景。
进一步地，本发明通过使设备安装平台与转子支撑轴之间通过球关节轴承滚动连接，使得转子相对定子能够进行三个自由度的转动，相比两轴四框架等框架式吊舱系统，多了一个自由度，球关节支撑方式可解决框架自锁和奇异点等问题，对称支撑提高了系统刚度和强度，驱动产生的振动降低，不需要额外的调整装置调整光路，同时进一步减小了整个吊舱系统的总质量。
同时，本发明中采用的球关节轴承滚动连接方式产生的摩擦力为滚动摩擦，相比现有技术中的滑动摩擦，具有更小的摩擦力。
并且，相比现有的框架式吊舱系统，本发明的驱动结构位于球面，距离旋转中心更远，电磁驱动力臂大；节省了位于框架外侧的直驱电机等设备的质量，且对称分布，使得系统质量分布更均匀集中，转动惯量小，响应灵活，易于实现快速精准的多自由度控制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多自由度直驱吊舱系统，其特征在于，包括：定子(1)以及设置在所述定子(1)内部的转子(2)、设备安装平台(4)、永磁体(7)及电磁线圈(8)；
所述转子(2)固定在所述设备安装平台(4)上，所述电磁线圈(8)和永磁体(7)分别相对的设置在所述定子(1)的内表面和转子(2)的外表面。
2.根据权利要求1所述的吊舱系统，其特征在于，还包括转子支撑轴(3)，所述转子支撑轴(3)两端固定在所述定子(1)上，且所述转子支撑轴(3)与述设备安装平台(4)通过滚动部件进行滚动连接。
3.根据权利要求2所述的吊舱系统，其特征在于，所述滚动部件为轴承座(5)和关节球(6)构成的球关节轴承，所述轴承座(5)与设备安装平台(4)固定连接，所述关节球(6)与所述转子支撑轴(3)固定连接。
4.根据权利要求3所述的吊舱系统，其特征在于，所述转子支撑轴(3)为两端对称支撑。
5.根据权利要求4所述的吊舱系统，其特征在于，所述轴承座(5)和关节球(6)之间嵌有滚珠。
6.根据权利要求5所述的吊舱系统，其特征在于，所述定子(1)为球形。
7.根据权利要求6所述的吊舱系统，其特征在于，所述电磁线圈(8)分组对称分布在所述定子(1)的内表面，所述转子(2)的外球面与所述定子相对应的位置设置有相同组数的永磁体(7)。
8.根据权利要求7所述的吊舱系统，其特征在于，每组电磁线圈(8)或永磁体(7)为多个。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的吊舱系统，其特征在于，还包括设置在设备安装平台(4)上的光电视觉传感器(9)。
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