CN114833803B - 基于3pss-s并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于3PSS‑S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法，包括平台机架、虎克铰主轴组件和上平台组件，机架底座的安装端通过连接臂和圆环吊台连接，圆环吊台的中心设有中心球头。底座的第一安装端和长立板连接，底座的第二安装端和直线导轨连接，底座的第三安装端和滚珠丝杠连接，丝杠滑块的安装端和球铰铰座的第一端连接，球铰铰座的第二端通过球铰球窝和二球头杆的第一安装端连接。调姿板的中心通过中心球窝和中心球头连接，调姿板的安装端通过球铰铰座和边缘球窝的第一端连接，边缘球窝的第二端和二球头杆的第二安装端连接。本发明降低了上平台组件因转动引起的不平衡力矩，驱动与自由度约束分离，避免了运动中的干涉。

Description

基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿 方法

技术领域

本发明涉及稳定平台技术领域，特别涉及一种基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法。

背景技术

随着我国航空航天科学技术水平的创新发展，诸如航空运输、高空扫描与探测等科学技术被赋予了更高的设计要求与期望，国家航空航天科技事业获得了更具创新意义的研究使命。

航空机械及其挂载设备在航行的过程中难免受到高速气流的扰动，且在飞行过程中，为适应航线变化而产生的主动控制也会使得机体发生姿态变化。这些姿态变化使得机舱内难以获得平稳的工作区域，对于部分航空人工作业，特殊物资运输以及高精密仪器来说都会产生一定的影响，甚至危及到部分人身与财产安全。

鉴于上述实际问题与技术要求，设计了一种基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，在航空机械的航行过程中提供一个持续稳定的工作区域，隔离机体的姿态扰动，为包括但不限于上文所述的航空作业解决相关干扰问题，该设计具有显著的科技应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法，主要是利用虎克铰主轴组件中的丝杠滑块沿直线导轨的滑动、中心球头在中心球窝的转动以及二球头杆在球铰球窝和边缘球窝的转动，构成无冗余约束的全向转动三自由度并联调姿平台，使驱动控制与自由度约束相互分离，运动流畅，减少结构运动中的冲突。

本发明提供了一种基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，其包括平台机架、虎克铰主轴组件和上平台组件，所述平台机架通过虎克铰主轴组件和所述上平台组件连接。所述平台机架，其包括机架底座、长立板、短立板、支撑立柱、圆环吊台、连接臂和中心球头，所述机架底座的第一安装端和第二安装端分别与所述长立板和所述短立板的第一安装端固连，相邻两个长立板和短立板之间通过支撑立柱固连，所述机架底座的第三安装端和所述连接臂的第一安装端连接，所述连接臂的第二安装端和所述圆环吊台的第一安装端连接，所述圆环吊台的中心设有中心球头。所述虎克铰主轴组件，其包括驱动电机、联轴器、底座、丝杠滑块、直线导轨、滚珠丝杠、球铰铰座、球铰球窝和二球头杆，所述驱动电机的输出端通过联轴器和所述滚珠丝杠的输入端连接，所述底座的第一安装端和所述长立板的第二安装端固定连接，所述底座的第二安装端和所述直线导轨的固定端连接，所述底座的第三安装端和所述滚珠丝杠的支撑端连接，所述丝杠滑块的第一安装端和第二安装端分别与所述直线导轨和所述滚珠丝杠的滑动端连接，所述丝杠滑块的第三安装端和所述球铰铰座的第一端连接，所述球铰铰座的第二端通过球铰球窝和所述二球头杆的第一安装端连接。所述上平台组件，其包括调姿板、球铰铰座、边缘球窝和中心球窝，所述调姿板的中心和所述中心球窝的第一端固连，所述中心球窝的第二端和所述中心球头连接，所述调姿板的安装端和所述球铰铰座的第一端固连，所述球铰铰座的第二端和所述边缘球窝的第一端连接，所述边缘球窝的第二端和所述二球头杆的第二安装端连接。

可优选的是，所述虎克铰主轴组件的数量为三个，所述虎克铰主轴组件呈正三角形方向布置，以120°分布在所述平台机架中机架底座上。

可优选的是，所述连接臂的外形为悬臂支撑结构，所述连接臂的数量为三个，所述连接臂沿着垂直于所述机架底座中心的轴线以120°间隔分布。

可优选的是，所述圆环吊台的外形为圆环结构，所述圆环吊台所在的平面和所述机架底座的平面平行。

可优选的是，所述机架底座、所述连接臂、所述圆环吊台、所述中心球头的球心、所述调姿板和所述中心球窝的球心在同一条直线上。

可优选的是，所述球铰铰座和所述边缘球窝的数量相等，均为三个，所述球铰铰座和所述边缘球窝沿着所述调姿板中心的垂线以120°的间隔分布。

本发明的另外一方面，提供一种基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台的调姿方法，其包括以下步骤：

S1、将惯导的外壳固定在与调姿板固连的中心球窝的第二侧，将惯导的输出端通过信号线和控制器连接；

S2、将三自由度稳定平台的平台机架通过螺栓挂在需要测量飞机的底部，保证三自由度稳定平台和飞机的姿态相同；

S3、通过惯导实时采集飞机在航行过程中姿态的数据，将采集的数据传回控制器，控制器将采集的数据和理想状态进行对比；

S4、在步骤S3的基础上，对三自由度稳定平台中三个虎克铰主轴组件中驱动电机的驱动器下达不同的运动指令，实时调整调姿板在三个方向的旋转姿态，使其一直保持与飞机的底部保持平行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明将末端平台沉降到平台机架的底面，降低了重心高度，从而减少了末端平台因转动引起的不平衡力矩。

2、本发明的中心球头与中心球窝构成的中心球副限制了三个平移自由度，使得上平台组件只能发生转动，而无约束的驱动分支未能对上平台组件做出任何约束，却可以控制上平台组件的三个转动自由度，实现了驱动分支控制与自由度约束的相互分离，使得机构运动流畅，避免了运动过程中机构结构间的相互冲突。

3、本发明为无冗余约束的全向转动三自由度并联调姿平台，驱动控制与自由度约束相互分离，运动流畅，不存在结构运动相互冲突的隐患；同时中心球头与中心球窝构成的中心球副承受主要机构负载，而驱动分支不承受机构载荷，有利于提高机构的运动精度。

4、本发明结构紧凑，具有高度的结构对称性，易于实现加工制造。

附图说明

图1为本发明基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法的第一等轴测图；

图2为本发明基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法的第二等轴测图；

图3为本发明基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法的俯视图；

图4为本发明基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法中平台机架的结构图；

图5为本发明基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法中虎克铰主轴组件的结构图；

图6为本发明基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法中上平台组件的结构图。

主要附图标记：

平台机架1，机架底座11，支撑立柱12，圆环吊台13，连接臂14，中心球头15，长立板16，短立板17，虎克铰主轴组件2，驱动电机21，联轴器22，底座23，丝杠滑块24，直线导轨25，滚珠丝杠26，球铰铰座27，球铰球窝28，二球头杆29，上平台组件3，调姿板31，球铰铰座32，边缘球窝33，中心球窝34。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，如图1至3所示，包括平台机架1、虎克铰主轴组件2和上平台组件3，平台机架1通过虎克铰主轴组件2和上平台组件3连接。

平台机架1为空间中绝对静止的结构，如图4所示，包括机架底座11、长立板16、短立板17、支撑立柱12、圆环吊台13、连接臂14和中心球头15，机架底座11位于最下方，并水平放置，机架底座11的第一安装端和第二安装端分别与长立板16和短立板17的第一安装端固连，相邻两个长立板16和短立板17之间通过支撑立柱12的第一安装端固连，支撑立柱12的数量为六个，均布在机架底座11边角的六个位置，支撑立柱12的第二安装端与机架底座11固连接触，竖直放置；机架底座11的第三安装端和连接臂14的第一安装端连接，连接臂14的第二安装端和圆环吊台13的第一安装端连接，圆环吊台13的中心设有中心球头16。

具体而言，连接臂14的外形为悬臂支撑结构，连接臂14的数量为三个，连接臂14沿着垂直于机架底座11中心的轴线以120°间隔分布，且与机架底座11共有竖直的中心轴线。圆环吊台13的外形为圆环结构，圆环吊台13所在的平面和机架底座11的平面平行。

虎克铰主轴组件2，如图5所示，包括驱动电机21、联轴器22、底座23、丝杠滑块24、直线导轨25、滚珠丝杠26、球铰铰座27、球铰球窝28和二球头杆29，驱动电机21的输出端通过联轴器22和滚珠丝杠26的输入端连接，底座23的第一安装端和长立板16的第二安装端固定连接，底座23的第二安装端和直线导轨25的固定端连接，底座23的第三安装端和滚珠丝杠26的支撑端连接，丝杠滑块24的第一安装端和第二安装端分别与直线导轨25和滚珠丝杠26的滑动端连接，丝杠滑块24的第三安装端和球铰铰座27的第一端连接，丝杠滑块24在直线导轨25上作为移动副运动，依靠驱动电机21的转动输出扭矩带动滚珠丝杠26转动，从而使丝杠滑块24直线运动，球铰铰座27跟随丝杠滑块24运动，球铰铰座27的第二端通过球铰球窝28和二球头杆29的第一安装端连接。

在本发明的一个优选实施例中，虎克铰主轴组件2的数量为三个，结构均相同，虎克铰主轴组件2呈正三角形方向水平布置，以120°分布在平台机架1中机架底座11上，三个虎克铰主轴组件2对应正三角形的三条等长边。

上平台组件3沉降到平台机架1的底面，从而降低了装置的整体重心高度和因上平台组件3转动引起的不平衡力矩，如图6所示，包括调姿板31、球铰铰座32、边缘球窝33和中心球窝34，调姿板31的中心和中心球窝34的第一端固连，中心球窝34的第二端和中心球头16连接，调姿板31的安装端和球铰铰座32的第一端固连，球铰铰座32的第二端和边缘球窝33的第一端连接，边缘球窝33的第二端和二球头杆29的第二安装端连接。

具体而言，球铰铰座32和边缘球窝33的数量相等，均为三个；球铰铰座32和边缘球窝33沿着调姿板31中心的垂线以120°的间隔分布。

进一步地，为了保证装个装置运行的流畅性和灵活性，机架底座11、连接臂14、圆环吊台13、中心球头16的球心、调姿板31和中心球窝34的球心在同一条直线上。

以下结合实施例对本发明一种基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台及其调姿方法做进一步描述：

本发明三自由度稳定平台的具体安装过程如下：

安装平台机架1，首先将机架底座11水平放置在最下方，并将机架底座11的安装端依次与长立板16和短立板17进行连接，相邻两个长立板16和短立板17之间通过支撑立柱12固连；然后依次安装连接臂14、圆环吊台13和中心球头16，安装过程中要保证机架底座11、连接臂14、圆环吊台13和中心球头16的球心在同一条直线上。

安装虎克铰主轴组件2，将三个结构相同的虎克铰主轴组件2中底座23的第一安装端和位于平台机架1中的长立板16的第二安装端进行连接，以120°分布在平台机架1中机架底座11上；虎克铰主轴组件2中丝杠滑块24依靠驱动电机21的转动输出扭矩在滚珠丝杠26上螺旋移动，从而满足三自由度稳定平台的水平移动(P副)；将虎克铰主轴组件2中球铰铰座27通过球铰球窝28和二球头杆29的第一安装端连接，从而满足三自由度稳定平台的水平移动(S副)，将二球头杆29的第二安装端与上平台组件3的边缘球窝33连接，从而满足三自由度稳定平台的水平移动(S副)，并将上平台组件3的中心球窝34与平台机架1的中心球头16通过球副连接，从而满足三自由度稳定平台的水平移动(S副)。

本发明三自由度稳定平台的具体调姿方法如下：

S1、将惯导的外壳固定在与上平台组件3的调姿板31固连的中心球窝34的第二侧，将惯导的输出端通过信号线和控制器连接。

S2、将三自由度稳定平台的平台机架通过螺栓挂在需要测量飞机的底部，保证三自由度稳定平台和飞机的姿态相同。

接着给位于调姿板31上的航空器机舱部位进行气流的干扰，气流的干扰将会使航空器机舱部位发生俯仰，横滚和偏航的姿态变化，此时整个三自由度稳定平台跟随航空器机舱部位发生姿态变化，为了通过整个三自由度稳定平台来维持航空器机舱部位的稳定性，需要通过调整三自由度稳定平台的三个结构相同的虎克铰主轴组件2来使航空器机舱部位维持目前的稳定状态。

S3、在上述的干扰过程中，通过惯导实时采集飞机在航行过程中姿态的数据，将采集的数据传回控制器，控制器将采集的数据和理想状态进行对比，实时对三自由度稳定平台进行调整。

若气流的干扰使航空器机舱部位在俯仰方向发生1°的偏转，在横滚方向发生2°的偏转，在偏航方向发生1.4°的偏转，此时根据各个方向的角度值通过相关的计算，分别驱动三个结构相同的虎克铰主轴组件2。

S4、在步骤S3的基础上，对三自由度稳定平台中三个虎克铰主轴组件中驱动电机的驱动器下达不同的运动指令，实时调整调姿板在三个方向的旋转姿态，使其一直保持与飞机的底部保持平行。

第一个虎克铰主轴组件2中的丝杠滑块24在驱动电机21的带动下，沿着直线导轨25和滚珠丝杠26的正向移动(默认滚珠丝杠26沿驱动电机21引动的方向为正向)，正向移动的距离为14.01mm；第二个虎克铰主轴组件2中的丝杠滑块24在驱动电机21的带动下，沿着直线导轨25和滚珠丝杠26的反向移动，反向移动的距离为6.43mm；第三个虎克铰主轴组件2中的丝杠滑块24在驱动电机21的带动下，沿着直线导轨25和滚珠丝杠26的正向移动，正向移动的距离为7.9mm，同时在二球头杆29两侧的球副以及中心球副的共同作用下，能够消除三个虎克铰主轴组件2在移动过程中不同步给整个装置造成的误差，从而保证上平台组件3的调姿板31的稳定性和安全性，最终通过三自由度稳定平台仍然保持航空器机舱部位在未发生姿态变化前的姿态。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，其包括平台机架、虎克铰主轴组件和上平台组件，所述平台机架通过虎克铰主轴组件和所述上平台组件连接，其特征在于，

所述平台机架，其包括机架底座、长立板、短立板、支撑立柱、圆环吊台、连接臂和中心球头，所述机架底座的第一安装端和第二安装端分别与所述长立板和所述短立板的第一安装端固连，相邻两个长立板和短立板之间通过支撑立柱固连，所述机架底座的第三安装端和所述连接臂的第一安装端连接，所述连接臂的第二安装端和所述圆环吊台的第一安装端连接，所述圆环吊台的中心设有中心球头；

所述虎克铰主轴组件，其包括驱动电机、联轴器、底座、丝杠滑块、直线导轨、滚珠丝杠、第一球铰铰座、球铰球窝和二球头杆，所述驱动电机的输出端通过联轴器和所述滚珠丝杠的输入端连接，所述底座的第一安装端和所述长立板的第二安装端固定连接，所述底座的第二安装端和所述直线导轨的固定端连接，所述底座的第三安装端和所述滚珠丝杠的支撑端连接，所述丝杠滑块的第一安装端和第二安装端分别与所述直线导轨和所述滚珠丝杠的滑动端连接，所述丝杠滑块的第三安装端和所述第一球铰铰座的第一端连接，所述第一球铰铰座的第二端通过球铰球窝和所述二球头杆的第一安装端连接；

所述上平台组件，其包括调姿板、第二球铰铰座、边缘球窝和中心球窝，所述调姿板的中心和所述中心球窝的第一端固连，所述中心球窝的第二端和所述中心球头连接，所述调姿板的安装端和所述第二球铰铰座的第一端固连，所述第二球铰铰座的第二端和所述边缘球窝的第一端连接，所述边缘球窝的第二端和所述二球头杆的第二安装端连接。

2.根据权利要求1所述的基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，其特征在于，所述虎克铰主轴组件的数量为三个，所述虎克铰主轴组件呈正三角形方向布置，以120°分布在所述平台机架中机架底座上。

3.根据权利要求1所述的基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，其特征在于，所述连接臂的外形为悬臂支撑结构，所述连接臂的数量为三个，所述连接臂沿着垂直于所述机架底座中心的轴线以120°间隔分布。

4.根据权利要求1所述的基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，其特征在于，所述圆环吊台的外形为圆环结构，所述圆环吊台所在的平面和所述机架底座的平面平行。

5.根据权利要求1、3或者4所述的基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，其特征在于，所述机架底座、所述连接臂、所述圆环吊台、所述中心球头的球心、所述调姿板和所述中心球窝的球心在同一条直线上。

6.根据权利要求1所述的基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台，其特征在于，所述第二球铰铰座和所述边缘球窝的数量相等，均为三个，所述第二球铰铰座和所述边缘球窝沿着所述调姿板中心的垂线以120°的间隔分布。

7.一种根据权利要求1-6之一所述的基于3PSS-S并联机构的箱体式三自由度稳定平台的调姿方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、将惯导的外壳固定在与调姿板固连的中心球窝的第二侧，将惯导的输出端通过信号线和控制器连接；

S2、将三自由度稳定平台的平台机架通过螺栓挂在需要测量飞机的底部，保证三自由度稳定平台和飞机的姿态相同；

S3、通过惯导实时采集飞机在航行过程中姿态的数据，将采集的数据传回控制器，控制器将采集的数据和理想状态进行对比；

S4、在步骤S3的基础上，对三自由度稳定平台中三个虎克铰主轴组件中驱动电机的驱动器下达不同的运动指令，实时调整调姿板在三个方向的旋转姿态，使其一直保持与飞机的底部保持平行。