CN116117775A - 一种多自由度波浪补偿并联平台及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度波浪补偿并联平台，包括基座、刚性约束组件、运动平台、控制器一、控制器二、陀螺仪、位姿传感器、缓冲单元、柔性牵引组件，每条支链由固定平台到运动平台均由电机、减速器和绳索、定滑轮组成。并公开了其工作方法。该并联平台采用绳牵引刚柔式驱动，这样既有传统刚性并联机构的刚度大且精度高的优点，又兼具绳驱动并联机构的低惯量且大工作空间的优点。并联平台采用缓冲结构，能够有效的降低风浪载荷对平台的冲击。本发明采用绳牵引刚柔式驱动，结构简单，能够有效的实现波浪补偿工作。

Description

一种多自由度波浪补偿并联平台及其工作方法

技术领域

本发明涉及船载装备技术领域，尤其是涉及一种多自由度波浪补偿并联平台及其工作方法。

背景技术

海洋中拥有丰富的资源，国家对海洋资源的开发越来越重视。起重船作为最主要的起吊设备之一，其在海上作业时时常受到海浪的干扰，使得作业时不能准确地将物品起吊到准确的位置，补偿平台可以补偿船舶在海浪中的颠簸，使得在动平台上的设备保持稳定工作。

波浪对起重船的冲击可分解为六种运动，分别为：横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。其中，横荡、纵荡和艏摇运动可以通过船舶动力定位系统实现补偿，而横摇、纵摇、垂荡却难以补偿。目前，大部分多自由度波浪补偿技术主要是依靠纯刚性或者绳驱动并联机构来实现。纯刚性并联机构波浪补偿装置承载能力大、精度高，但工作空间小、质量和惯量大、液压驱动响应慢。与纯刚性并联机构相比，绳驱动波浪补偿装置可以减少驱动器的重量和惯性，使得补偿装置具有较高的动态性、快速的响应性和较大的工作空间，但是，绳驱动波浪补偿装置的承载能力小，同时绳子与绳子之间也可能存在干涉。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种多自由度波浪补偿并联平台，使得并联平台兼具传统刚性并联机构以及绳驱动柔性并联机构的优点。并提供了其工作方法。

技术方案：一种多自由度波浪补偿并联平台，包括基座、刚性约束组件、运动平台、控制器一、控制器二、陀螺仪、位姿传感器、缓冲单元、柔性牵引组件，基座安装于船体上，运动平台间隔设置于基座上方，两者之间设有刚性约束组件，刚性约束组件的下端与基座固定，上端与运动平台铰接，运动平台的外周间隔设有多个柔性牵引组件，柔性牵引组件安装于运动平台的外侧面上并与基座连接，缓冲单元在基座的外圈间隔设有多个，缓冲单元安装于船体上并与运动平台的底部连接，控制器一、陀螺仪分别安装于基座上，控制器二、位姿传感器分别安装于运动平台上，刚性约束组件、陀螺仪分别与控制器一信号连接，位姿传感器、柔性牵引组件分别与控制器二信号连接。

进一步的，柔性牵引组件包括绳索、电机、减速器、定滑轮，电机与减速器连接并分别安装于运动平台上，定滑轮安装于运动平台周侧面上，绳索绕于定滑轮上，其一端与减速器连接，另一端与基座连接，电机与控制器二信号连接。

进一步的，缓冲单元包括上连杆、下连杆、空心外套杆、伸缩杆，上连杆和下连杆竖直间隔设置，上连杆的上端与运动平台的底部固定，下连杆设置于上连杆外侧，其下端与船体的甲板固定，伸缩杆一端自空心外套杆的一端插入其内部并与其内壁滑动连接，伸缩杆的另一端与上连杆的下端铰接，空心外套杆的另一端与下连杆的上端铰接。

进一步的，本平台还包括虎克铰，刚性约束组件为电动伸缩杆，其伸缩端通过虎克铰与运动平台底面的中心连接，其下端与基座上表面的中心固定且两者之间设有加强筋。

最佳的，柔性牵引组件与缓冲单元一一对应设置，缓冲单元和柔性牵引组件的数量均为三个。

最佳的，基座和运动平台均为正六边形结构，初始状态时，基座与运动平台平行间隔设置。

最佳的，多个柔性牵引组件在运动平台的外周等间隔安装且其与基座的连接点呈等间距周向排列。

一种上述的多自由度波浪补偿并联平台的工作方法，包括以下步骤：

步骤一：基座与甲板固定，当船体发生横摇、纵摇运动时，位姿传感器检测动平台的位姿信息并将检测的信息传递给控制器二，控制器二控制柔性牵引组件伸出和/或回缩，配合缓冲单元进而保持运动平台的稳定；

步骤二：当船体发生垂荡运动时，陀螺仪检测基座的位姿信息并将信息传递给控制器一，控制器一控制刚性约束组件运动，使得多个柔性牵引组件同步伸出或回缩，进而保持运动平台的稳定。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：通过刚性约束组件的刚性驱动与多个柔性牵引组件的柔性驱动的相互配合，达到刚柔式绳驱动的目的，使得本并联平台既有传统刚性并联机构的刚度大且精度高的优点，又兼具绳驱动并联机构的惯量低且工作空间大的优点；设置缓冲单元，能够有效的降低风浪载荷对平台的冲击，使得平台的承载能力更大，从而该平台可以适用于多种类型的工况；采用位姿传感器，陀螺仪和控制部件，使得本平台的精度更高。

附图说明

图1为本发明的立视结构示意图；

图2为本发明的正体结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为刚性约束组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种多自由度波浪补偿并联平台，如图1～4所示，包括基座1、刚性约束组件2、运动平台3、控制器一401、控制器二402、陀螺仪5、位姿传感器6、缓冲单元7、虎克铰8、柔性牵引组件9。

基座1安装于船体上，运动平台3间隔设置于基座1上方，两者之间设有刚性约束组件2，基座1和运动平台3均为正六边形结构，初始状态时，基座1与运动平台3平行间隔设置。刚性约束组件2为电动伸缩杆，其伸缩端通过虎克铰8与运动平台3底面的中心连接，其下端与基座1上表面的中心固定且两者之间设有加强筋。

运动平台3的外周间隔设有多个柔性牵引组件9，柔性牵引组件9安装于运动平台3的外侧面上并与基座1连接，多个柔性牵引组件9在运动平台3的外周等间隔安装且其与基座1的连接点呈等间距周向排列。柔性牵引组件9包括绳索901、电机911、减速器921、定滑轮931，电机911与减速器921连接并分别安装于运动平台3上，定滑轮931安装于运动平台3周侧面上，绳索901绕于定滑轮931上，其一端与减速器921连接，另一端与基座1连接。

缓冲单元7在基座1的外圈间隔设有多个，缓冲单元7安装于船体上并与运动平台3的底部连接。缓冲单元7包括上连杆701、下连杆702、空心外套杆703、伸缩杆704，上连杆701和下连杆702竖直间隔设置，上连杆701的上端与运动平台3的底部固定，下连杆702设置于上连杆701外侧，其下端与船体的甲板固定，伸缩杆704一端自空心外套杆703的一端插入其内部并与其内壁滑动连接，伸缩杆704的另一端与上连杆701的下端铰接，空心外套杆703的另一端与下连杆702的上端铰接。

当电机911正转时，绳索901经过减速器921做缩回运动，这时缓冲单元7的上连杆701、下连杆702通过铰链连接，伸缩杆704缩回空心外套杆703内部，反之当电机911反转时，绳索901经过减速器921做伸出运动，这时缓冲单元7的上连杆701、下连杆702通过铰链连接，伸缩杆704从空心外套杆703内部伸出。

柔性牵引组件9与缓冲单元7一一对应设置，缓冲单元7和柔性牵引组件9的数量均为三个，形成三条支链。

控制器一401、陀螺仪5分别安装于基座1上，控制器二402、位姿传感器6分别安装于运动平台3上，刚性约束组件2、陀螺仪5分别与控制器一401信号连接，位姿传感器6、电机911分别与控制器二402信号连接。

需要说明的是，当船体受到波浪侵袭的时候，连接在甲板上的并联平台会有位姿的变化，本发明可以通过位姿的变化在三个自由度上对船体的运动进行补偿，以保持平台稳定。

电机的正反转可以控制对应绳索的伸出和缩回，包括三条支链的绳索全部伸出或回缩以及三条支链中的部分绳索伸出或回缩。当基座发生横摇或纵摇运动时，即绕X轴或Y轴偏转时，对应电机通过控制部分支链的绳索伸出或回缩以补偿基座的移动。当基座发生垂荡运动时，即沿Z轴下沉时，三条支链的绳索全部伸出，同时被动刚性约束组件2伸出以补偿基座1的下沉移动，反之当基座沿Z轴上升时，三条支链的绳索全部缩回，同时被动刚性约束组件2缩回以补偿基座1的上升移动。由此，此波浪补偿并联平台拥有3个自由度的运动。

陀螺仪用于检测基座的位姿信息，控制器一可根据陀螺仪的检测信息控制被动刚性约束组件伸出或回缩，从而控制运动平台对升沉运动的补偿。位姿传感器用于检测运动平台的位姿信息，控制器二与位姿传感器连接，可根据位姿传感器检测运动平台的位姿信息控制电机正转和反转，从而控制绳索的伸出和回缩，进而补偿X方向转动和Y方向转动的运动。

本并联平台采用绳牵引刚柔式驱动，既有传统刚性并联机构的刚度大且精度高的优点，又兼具绳驱动并联机构的低惯量且大工作空间的优点。并联平台采用缓冲单元，能够有效的降低风浪载荷对平台的冲击。本发明采用绳牵引刚柔式驱动，结构简单，能够有效的实现波浪补偿工作。

本波浪补偿并联平台的工作方法为：

基座与甲板固定。当船体发生横摇、纵摇和垂荡运动时，位姿传感器检测动平台的位姿信息并将检测的信息传递给控制器二，控制电机从而控制绳索的伸出和回缩，配合缓冲单元进而保持运动平台的稳定；当船体发生垂荡运动时，陀螺仪检测基座的位姿信息并将信息传递给控制器一，从而控制被动刚性约束组件运动，此时三条绳索同时伸出或回缩，进而保持运动平台的稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多自由度波浪补偿并联平台，其特征在于：包括基座(1)、刚性约束组件(2)、运动平台(3)、控制器一(401)、控制器二(402)、陀螺仪(5)、位姿传感器(6)、缓冲单元(7)、柔性牵引组件(9)，基座(1)安装于船体上，运动平台(3)间隔设置于基座(1)上方，两者之间设有刚性约束组件(2)，刚性约束组件(2)的下端与基座(1)固定，上端与运动平台(3)铰接，运动平台(3)的外周间隔设有多个柔性牵引组件(9)，柔性牵引组件(9)安装于运动平台(3)的外侧面上并与基座(1)连接，缓冲单元(7)在基座(1)的外圈间隔设有多个，缓冲单元(7)安装于船体上并与运动平台(3)的底部连接，控制器一(401)、陀螺仪(5)分别安装于基座(1)上，控制器二(402)、位姿传感器(6)分别安装于运动平台(3)上，刚性约束组件(2)、陀螺仪(5)分别与控制器一(401)信号连接，位姿传感器(6)、柔性牵引组件(9)分别与控制器二(402)信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪补偿并联平台，其特征在于：柔性牵引组件(9)包括绳索(901)、电机(911)、减速器(921)、定滑轮(931)，电机(911)与减速器(921)连接并分别安装于运动平台(3)上，定滑轮(931)安装于运动平台(3)周侧面上，绳索(901)绕于定滑轮(931)上，其一端与减速器(921)连接，另一端与基座(1)连接，电机(911)与控制器二(402)信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪补偿并联平台，其特征在于：缓冲单元(7)包括上连杆(701)、下连杆(702)、空心外套杆(703)、伸缩杆(704)，上连杆(701)和下连杆(702)竖直间隔设置，上连杆(701)的上端与运动平台(3)的底部固定，下连杆(702)设置于上连杆(701)外侧，其下端与船体的甲板固定，伸缩杆(704)一端自空心外套杆(703)的一端插入其内部并与其内壁滑动连接，伸缩杆(704)的另一端与上连杆(701)的下端铰接，空心外套杆(703)的另一端与下连杆(702)的上端铰接。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪补偿并联平台，其特征在于：还包括虎克铰(8)，刚性约束组件(2)为电动伸缩杆，其伸缩端通过虎克铰(8)与运动平台(3)底面的中心连接，其下端与基座(1)上表面的中心固定且两者之间设有加强筋。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪补偿并联平台，其特征在于：柔性牵引组件(9)与缓冲单元(7)一一对应设置，缓冲单元(7)和柔性牵引组件(9)的数量均为三个。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪补偿并联平台，其特征在于：基座(1)和运动平台(3)均为正六边形结构，初始状态时，基座(1)与运动平台(3)平行间隔设置。

7.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪补偿并联平台，其特征在于：多个柔性牵引组件(9)在运动平台(3)的外周等间隔安装且其与基座(1)的连接点呈等间距周向排列。

8.一种如权利要求1～7任一所述的多自由度波浪补偿并联平台的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：基座(1)与甲板固定，当船体发生横摇、纵摇运动时，位姿传感器(6)检测动平台的位姿信息并将检测的信息传递给控制器二(402)，控制器二(402)控制柔性牵引组件(9)伸出和/或回缩，配合缓冲单元(7)进而保持运动平台(3)的稳定；

步骤二：当船体发生垂荡运动时，陀螺仪(5)检测基座(1)的位姿信息并将信息传递给控制器一(401)，控制器一(401)控制刚性约束组件(2)运动，使得多个柔性牵引组件(9)同步伸出或回缩，进而保持运动平台(3)的稳定。

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