CN215433663U

CN215433663U - 一种姿态调节装置

Info

Publication number: CN215433663U
Application number: CN202120531233.XU
Authority: CN
Inventors: 刘正和; 卫威
Original assignee: Shanghai Jinwei Optoelectronic Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Jinwei Optoelectronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2022-01-07
Anticipated expiration: 2031-03-12

Abstract

本申请公开了一种姿态调节装置，包括：顶板、运动臂、底板以及三维运动机构，所述运动臂的一端与所述顶板连接，所述运动臂的另一端与所述底板的第一面连接，所述三维运动机构安装在所述底板的第二面上，其中，所述运动臂设置有多个。本申请结构刚度高、稳定可靠，其采用串联和并联组合、逐层搭建的“塔式”结构，多个运动臂并联成一个子系统，再搭载在三维运动机构之上。相比于现有技术，该装置采用的“塔式”结构紧凑，解决了运动副过多的问题，降低了整体结构的高度和重心，提升了刚度和稳定性。

Description

一种姿态调节装置

技术领域

本申请属于空间工作位置自动调节技术领域，具体涉及一种姿态调节装置。

背景技术

如图1所示，其为现有技术六自由度空间位置调节机构的结构示意图。其由动平台、静平台及三条支链组成。动平台、静平台均为正三角形，P、 O分别为其型心；动平台、静平台之间通过三条支链连接，每条支链由三个构件AiBi、BiCi、CiDi，通过三个转动副和一个球面副连接而成，且每条支链始终保持在一个平面AiBiCiDi内绕Ai处的转动副整体转动；动平台、静平台上PDi，OAi(其中，i＝1,2,3)分别互成120°。

由上述结构分析可知，每个支链可绕着静平台上的转动副实现空间任意角度的旋转，同时利用三个构件之间的转动副和球面副，拉着动平台上的铰接点跟随升降、偏转、平移，从而实现空间六自由度的位置调节。

但是上述结构还存在以下问题：(1)结构刚度低，稳定性差；多个转动副、球面副串联组合成一个支链，再将三个支链并联在动平台、静平台之间，可发生相对运动的关节过多，会降低结构的刚性与稳定性。(2)结构复杂，拆卸、维护不便；由于连接过渡关节过多，在安装、拆卸时会耗费大量时间，出现故障时，也需要大量时间去排查故障的位置。(3)调节精度差；每个运动副发生相对运动时，都伴随着非线性摩擦的发生，降低机械传动效率，影响整个机构的位置调节精度，并且运动副越多，调节精度越低。

实用新型内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种姿态调节装置。

为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：

本申请一方面提出了一种姿态调节装置，包括：顶板、运动臂、底板以及三维运动机构，所述运动臂的一端与所述顶板连接，所述运动臂的另一端与所述底板的第一面连接，所述三维运动机构安装在所述底板的第二面上，其中，所述运动臂设置有多个。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述运动臂包括：球铰接机构、线型滑台以及升降滑台，其中，所述球铰接机构的上端与所述顶板连接，所述球铰接机构的下端与所述线型滑台连接，所述线型滑台还与所述升降滑台连接。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述球铰接机构包括：安装板、球头杆、旋转套以及底座，所述球头杆的一端与所述安装板连接，所述球头杆的另一端插入所述旋转套的内孔设置，所述旋转套的外球体插入所述底座设置。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述球头杆采用阶梯型结构，所述球头杆的一端具有螺纹结构，所述球头杆的另一端具有圆形球头结构。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述球铰接机构还包括压板，所述压板设置在所述旋转套上方，并通过螺栓与所述底板固定连接。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述线型滑台包括：第一固定座和第一滑动体，所述第一固定座上设有滑槽，所述第一滑动体上设有与所述滑槽匹配连接的滑块，通过所述滑槽与所述滑块使得所述第一固定座与所述第一滑动体滑动连接；或者，所述第一固定座上设有滑块，所述第一滑动体上设有与所述滑块匹配连接的滑槽，通过所述滑块与所述滑槽使得所述第一固定座与所述第一滑动体滑动连接。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述升降滑台包括：第二固定座、第二滑动体以及驱动机构，所述第二固定座与所述第二滑动体滑动连接，所述第二滑动体上还连接有所述驱动机构。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述三维运动机构包括：顶层平台、中层平台、底层平台及固定底座，其中，所述顶层平台、所述中层平台、所述底层平台及所述固定底座自上而下依次设置；所述底层平台与所述固定底座沿X轴方向滑动连接；所述中层平台与所述底层平台沿Y轴方向滑动连接；所述顶层平台与所述中层平台沿Z轴方向转动连接。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述运动臂沿周向均匀设置。

进一步地，上述的姿态调节装置，其中，所述顶板和所述底板上均设有多个工艺孔。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

本申请结构刚度高、稳定可靠，其采用串联和并联组合、逐层搭建的“塔式”结构，多个运动臂并联成一个子系统，再搭载在三维运动机构之上。相比于现有技术，该装置采用的“塔式”结构紧凑，解决了运动副过多的问题，降低了整体结构的高度和重心，提升了刚度和稳定性。

本申请结构简单，安装拆卸、维护方便，本申请中连接过渡关节(如运动臂)均设置在结构的外侧或可轻易接触到的位置，使用常规工具便可快速的安装与拆卸。同时，本申请采用标准的滑台产品配合三个球铰接机构实现位置调节功能。标准滑台产品技术成熟，故障率低。即使发生故障，也可利用经验，快速准确的找到故障位置和原因，提升了维护效率。

本申请具备互换性与通用性，其采用三个相同的运动臂作为传动关节。每个运动臂使用的升降滑台、球铰接机构等元件完全相同，安装过程时可以任意的互换、方便快捷。同时，该装置采用多个标准的滑台产品输出不同自由度的独立运动。只要安装接口方式一致，便可被更换成其它型号的滑台。每个滑台的性能指标均不同，例如：运动范围、精度及承载能力。从而，根据实际情况的需要，选择更换不同性能的滑台产品，实现不同运动精度、不同空间范围的位置调节，灵活多变、通用性强。

本申请传动效率高，位置调节精确高，其选择通用的标准滑台作为传递运动的基本单元，相比于现有技术中连杆铰链结构形式，它配备高精度的丝杠、轴承与导轨，成熟的装配工艺，具有输出高精度运动的优点；本申请将标准滑台集成到一起，组合成一个串联、并联混合结构的传动系统；整体装置的运动调节精度得到保证，性能优越。同时，最大程度地降低非线性摩擦对运动精度的影响，提升机械传动效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1：现有技术中六自由度调节结构的示意图；

图2：本申请一实施例姿态调节装置的立体图；

图3：本申请一实施例中顶板的结构示意图；

图4：本申请一实施例中球铰接机构的立体图；

图5：本申请一实施例中球铰接机构的剖视图；

图6：本申请一实施例中线型滑台的结构示意图；

图7：本申请一实施例中升降滑台的结构示意图；

图8：本申请一实施例中底板的结构示意图；

图9：本申请一实施例中三维运动机构的结构示意图；

图10：本申请一实施例中绕Z轴升降的工作原理图；

图11：本申请一实施例中绕X轴旋转的工作原理图一；

图12：本申请一实施例中绕X轴旋转的工作原理图二；

图13：本申请一实施例中绕Y轴旋转的工作原理图一；

图14：本申请一实施例中绕Y轴旋转的工作原理图二。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图2所示，在本申请的其中一个实施例中，一种姿态调节装置，包括：顶板1、运动臂、底板5以及三维运动机构6，所述运动臂的一端与所述顶板1连接，所述运动臂的另一端与所述底板5的第一面连接，所述三维运动机构6安装在所述底板5的第二面上，其中，所述运动臂设置有多个。在本实施例中，所述顶板1、所述运动臂、所述底板5以及所述三维运动机构6 在设置方向上按照从上到下依次布设为例，进行阐述说明。其中，所述顶板 1设置在最上方，所述顶板1的上方用于放置或安装需要调节姿态的物品M。

本实施例通过输出六自由度的空间运动，精确调节放置其上物品M的空间姿态，广泛应用于科研实验、工业自动化生产领域。例如：被调节的物品 M可以是光学实验中的反射镜/折射镜，将其精确调节到搭建实验光路中的理想位置；也可以是工业自动化生产线的零件，将其与参照物的空间工作位置精确对准，实现加工、装配、定位及检测等功能。

在本实施例中，如图3所示，所述顶板1优选地采用圆形结构，其中心及圆周设置多个工艺孔101，起美观、减重的功能，所述工艺孔101的设置数量可以根据实际情况进行选择，如可以选择4个等。所述顶板1上还配有 12个螺纹孔102，每4个为一组，呈120°均布在圆周，所述螺纹孔102用于安装下文所述的3个运动臂；被调节的物品M搭载在顶板1的上方，用4 个螺纹孔102固定。这样，顶板1可将该装置输出的六维运动传递给物品M，实现物品M的空间姿态调节。

在本实施例中，所述运动臂以设置有3个为例，进行阐述说明。

可选地，所述运动臂包括：球铰接机构2、线型滑台3以及升降滑台4，其中，所述球铰接机构2的上端与所述顶板1连接，所述球铰接机构2的下端与所述线型滑台3连接，所述线型滑台3还与所述升降滑台4连接。

如图4和图5所示，所述球铰接机构2包括：安装板21、球头杆22、旋转套23以及底座24，所述球头杆22的一端与所述安装板21连接，所述球头杆22的另一端插入所述旋转套23的内孔设置，所述旋转套23的外球体插入所述底座24设置。

所述球头杆22采用阶梯型结构，所述球头杆22的一端具有螺纹结构，所述球头杆22的另一端具有圆形球头结构。

所述旋转套23采用球形结构，其内部空为心、上下两端具有开口。

所述底座24的中心设有球形孔，同时在圆周还设置4个通孔，通过螺栓可将所述底座24与线型滑台3相对固定。

所述安装板21的中心设置螺纹孔202，四周设置4个通孔201，使用螺栓可将所述安装板21安装在顶板1上。

其中，上述通孔的设置数量仅为举例说明，并不对本申请的保护范围进行限定，本领域技术人员可以根据实际需要对上述通孔的设置数量进行适当地增减设置。

进一步地，所述球铰接机构2还包括压板(图中未显示)，所述压板设置在所述旋转套23上方，并通过螺栓与所述底板5固定连接。

如图5所示，所述球头杆22上端的螺纹杆拧入到安装板21中心的螺纹孔202中，底部的球头插入到旋转套23的内孔，球头与内孔形成线接触，两者之间可实现空间360°的灵活相对转动、不会发生脱离。旋转套23的外球体插入到底座24中心的球形孔中，并使用压板扣在旋转套23上方，螺栓锁死，两者不会发生相对运动。

如图6所示，所述线型滑台3包括：第一固定座31和第一滑动体32，所述第一固定座31上设有滑槽，所述第一滑动体32上设有与所述滑槽匹配连接的滑块，通过所述滑槽与所述滑块使得所述第一固定座31与所述第一滑动体32滑动连接；或者，所述第一固定座31上设有滑块，所述第一滑动体 32上设有与所述滑块匹配连接的滑槽，通过所述滑块与所述滑槽使得所述第一固定座31与所述第一滑动体32滑动连接。其中，在本实施例中，所述线型滑台3优选地采用矩形体结构，其并未配置电机及传动元件。在滑槽和滑块的限制下，第一固定座31与第一滑动体32可实现灵活地相对直线移动。其中，所述线型滑台3可选用标准件。

进一步地，上述第一滑动体32表面设置螺纹孔301，可与球铰接机构2 的底板5对接；所述第一固定座31底部设置通孔(图中未显示)，所述通孔与升降滑台4对应设置并通过螺栓等组件实现固定连接。

在本实施例中，如图7所示，所述升降滑台4包括：第二固定座41、第二滑动体42、驱动机构43、丝杆、第二导轨以及轴承等元件，所述第二固定座41与所述第二滑动体42滑动连接，所述第二滑动体42上还连接有所述驱动机构43。其中，所述驱动机构43包括但不限于驱动电机、驱动气缸等。所述驱动机构43驱动丝杠旋转，在第二导轨的限制下，使第二滑动体42沿 Z轴方向相对于第二固定座41直线升降运动。其中，所述升降滑台4可选用标准件。

其中，在本实施例中，所述升降滑台4优选设置为3个。

如图8所示，在本实施例中，所述底板5采用圆形结构，中心通孔为工艺孔501，该工艺孔501起到减重、美观的作用。紧贴着中心孔、沿圆周均布的通孔502，通过螺栓与三维运动机构6相对固定。另外，还设置了12个螺纹孔503，每4个为一组，呈120°均布在圆周，用于安装上述3个升降滑台4。

如图9所示，所述三维运动机构6包括：包括顶层平台64、中层平台63、底层平台62及固定底座61，其中，所述顶层平台64、所述中层平台63、所述底层平台62及所述固定底座61自上而下依次设置；所述底层平台62与所述固定底座61沿X轴方向滑动连接；所述中层平台63与所述底层平台62 沿Y轴方向滑动连接；所述顶层平台64与所述中层平台63沿Z轴方向转动连接。上述顶层平台64、中层平台63、底层平台62的运动是相互独立的，可形成一套串联运动子系统。

其中，所述三维运动机构6可独立实现独沿X轴、Y轴的直线移动，以及绕Z轴的旋转功能。其中，所述三维运动机构6包括顶层平台64、中层平台63、底层平台62及固定底座61组成，同时配备三组电机65、丝杠、导轨等传动元件。三维运动机构6配置对应的电机，驱动滑台内部的丝杠旋转，在导轨、轴承等传动元件的导向下，底层平台62带动其以上的机械结构，相对于固定座实现沿X方向的直线往复移动。同样地，三维运动机构6的中层平台63可带动其以上的机械结构，相对于固定底座61及底层平台62实现沿 Y方向的直线往复移动。同样地，在三维运动机构6的顶层平台64的内部，配置了蜗杆、涡轮、轴承等传动元件，在对应电机的驱动下，顶层平台64可相对于其下方的结构实现绕Z轴的旋转运动。上述顶层平台64、中层平台63、底层平台62的运动是相互独立的，自上而下排列组合，可构成一套串联运动子系统。

如图10所示，对本实施例中沿Z轴的升降的工作原理进行描述：由上文可知，本实施例共有三个独立的运动臂，分别命名为运动臂A、运动臂B以及运动臂C，所述运动臂包括：球铰接机构2、线型滑台3、升降滑台4，其依次从上至下排列组成。同时对三组升降滑台4的驱动电机输入相等的同方向旋转脉冲信号，并在导轨、轴承等传动元件的导向下，使得它们沿Z轴输出同方向相等的直线位移量。这样，三个运动臂可同时、同向、同量的“伸缩”，带动顶板1及其上面的物品M，实现沿Z轴的升降功能。

如图11和图12所示，对本实施例中绕X轴的旋转的工作原理进行描述 (在此处3个升降滑台4依次命名为升降滑台A’、升降滑台B’、升降滑台 C’)：其中，升降滑台A’不动，升降滑台B’输出沿Z轴正方向的位移量，而升降滑台C’同步输出沿Z轴负方向相等的位移量。从而，运动臂B“伸长”，运动臂C“缩短”，顶板1绕着几何中心(球头中心)逐渐旋转。旋转角度θ可通过升降滑台4的位移量△Z、旋转臂长度L₀进行几何关系计算得出，即：θ＝arctan(△Z/L₀)。

在顶板1的旋转过程中，顶板1与球铰接机构2的底面由初始的平行状态变成相对倾斜，并且随着升降滑台4的位移量增大、倾斜角逐渐增大，从而迫使球头相对于旋转套23的内孔产生与倾斜角等量的旋转角度θ。同时，随着倾斜角(旋转角度)θ的增大，球铰接点到旋转中心的垂直距离由初始距离L₀减小到L₁，从而迫使线型滑台3的滑动体跟随球铰接点、相对于其底部的机械结构产生沿Y方向的直线位移量△Y，补偿球铰接点到旋转中心的垂直距离变化。几何关系式为△Y＝L₀-L₁＝L₀-L₀·Cosθ。

由以上分析可知，球铰接机构2与线型滑台3无自主运动能力，它们的旋转和直线运动属于“被迫式”运动，其作用是补偿机械结构发生运动所导致几何关系的变化量。

如图13和图14所示，对本实施例中绕Y轴的旋转的工作原理进行描述，在此处3个升降滑台4依次命名为升降滑台A’、升降滑台B’、升降滑台C’：以Z轴与球铰接点中心连线的交叉点为几何旋转中心，左侧为升降滑台A’，右侧的升降滑台B’和升降滑台C’绑定为一组，它们同步输出同方向并且相等的位移量。当升降滑台A’输出沿Z轴负方向的位移量时，升降滑台B’和升降滑台C’同步输出沿Z轴正方向相等的位移量。从而，运动臂A“缩短”，运动臂B和运动臂C“伸长”，顶板1绕着旋转中心逐渐旋转。旋转角度α可通过升降滑台4的位移量△Z、旋转臂长度L₀进行几何关系计算得出，α＝arctan(△Z/L₀)。

由上述图13、图14及其分析可知，同样地，在顶板1旋转过程中，球铰接机构2与线型滑台3同时“被迫”产生旋转和直线滑动，补偿机械结构几何关系变化所导致的运动量。

本申请采用一种串联、并联混合的“塔式”结构。具体地，所有机械结构部件从下至上搭建，最顶端是需要调节空间姿态的物品。通过三个运动臂的并联组合运动实现沿Z轴的升降、绕X轴的旋转、绕Y轴的旋转三种功能。同时，又与其下方的三维运动机构串联在一起。三维运动机构自身可实现沿 X轴的直线移动、沿Y轴的直线移动、沿Z轴的升降，并且，每一个运动自由度都是独立的。本申请采用的“塔式”结构紧凑，解决了运动副过多的问题，降低了整体结构的高度和重心，提升了刚度和稳定性。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。

Claims

1.一种姿态调节装置，其特征在于，包括：顶板、运动臂、底板以及三维运动机构，所述运动臂的一端与所述顶板连接，所述运动臂的另一端与所述底板的第一面连接，所述三维运动机构安装在所述底板的第二面上，其中，所述运动臂设置有多个。

2.根据权利要求1所述的姿态调节装置，其特征在于，所述运动臂包括：球铰接机构、线型滑台以及升降滑台，其中，所述球铰接机构的上端与所述顶板连接，所述球铰接机构的下端与所述线型滑台连接，所述线型滑台还与所述升降滑台连接。

3.根据权利要求2所述的姿态调节装置，其特征在于，所述球铰接机构包括：安装板、球头杆、旋转套以及底座，所述球头杆的一端与所述安装板连接，所述球头杆的另一端插入所述旋转套的内孔设置，所述旋转套的外球体插入所述底座设置。

4.根据权利要求3所述的姿态调节装置，其特征在于，所述球头杆采用阶梯型结构，所述球头杆的一端具有螺纹结构，所述球头杆的另一端具有圆形球头结构。

5.根据权利要求3所述的姿态调节装置，其特征在于，所述球铰接机构还包括压板，所述压板设置在所述旋转套上方，并通过螺栓与所述底板固定连接。

6.根据权利要求2至4任一项所述的姿态调节装置，其特征在于，所述线型滑台包括：第一固定座和第一滑动体，所述第一固定座上设有滑槽，所述第一滑动体上设有与所述滑槽匹配连接的滑块，通过所述滑槽与所述滑块使得所述第一固定座与所述第一滑动体滑动连接；或者，所述第一固定座上设有滑块，所述第一滑动体上设有与所述滑块匹配连接的滑槽，通过所述滑块与所述滑槽使得所述第一固定座与所述第一滑动体滑动连接。

7.根据权利要求2至4任一项所述的姿态调节装置，其特征在于，所述升降滑台包括：第二固定座、第二滑动体以及驱动机构，所述第二固定座与所述第二滑动体滑动连接，所述第二滑动体上还连接有所述驱动机构。

8.根据权利要求1至4任一项所述的姿态调节装置，其特征在于，所述三维运动机构包括：顶层平台、中层平台、底层平台及固定底座，其中，所述顶层平台、所述中层平台、所述底层平台及所述固定底座自上而下依次设置；所述底层平台与所述固定底座沿X轴方向滑动连接；所述中层平台与所述底层平台沿Y轴方向滑动连接；所述顶层平台与所述中层平台沿Z轴方向转动连接。

9.根据权利要求1至4任一项所述的姿态调节装置，其特征在于，所述运动臂沿周向均匀设置。

10.根据权利要求1至4任一项所述的姿态调节装置，其特征在于，所述顶板和所述底板上均设有多个工艺孔。