CN103317498B - 一种折叠式五自由度并联调姿平台 - Google Patents
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Abstract
一种折叠式五自由度并联调姿平台，其包括上平台、下平台以及连接这两个平台的六条分支，其中分布在周围的五条分支为结构相同的驱动分支，一条为中间约束分支。五条驱动分支中的第一万向铰与下平台连接，下连杆的一端与第一万向铰连接，其另一端通过转动副与上连杆的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰与上平台连接，电动缸的尾部与下连杆连接，该电动缸的伸缩杆与上连杆连接；中间约束分支的中间连杆为可伸缩杆，其一端通过第二万向铰与下平台连接，其另一端通过球铰与上平台连接。本发明结构简单、占用体积小、自身重量低、调姿空间大、易于安装和维护，能实现空间三维转动自由度和两向移动自由度。
Description
技术领域
本发明涉及一种并联机构，特别是一种并联调姿平台。
背景技术
随着社会的发展，科技在进步，人们开始不满足于陆地及海洋的探索，转而向往浩瀚的宇宙，而随着对宇宙的不断认识和了解，人们把资源开发从有限的地面转往广阔的空间，这时应运而生的航天技术成为了科技研究的新热点。而在航天技术中对地观测技术尤为重要（主要靠相机拍摄）。航天器的变姿具有六维耦合性，航天器在发生俯仰、偏航、滚转等姿态变化时会伴随相机发生除姿态变化外的进退、横移、升沉等位置变化，如果使用传统的串联式转台会增大机构的体积和质量、提高运载成本；并联机构相对于串联机构具有刚度大、结构稳定、承载能力强、精度高、运动惯量小、正解困难而反解容易、累计误差小、响应速度快、易于实现多轴耦合运动的特点，而被广泛应用。目前研究最多的是六自由度并联平台，但实际工作大多数不需要六个自由度。空间少自由度并联机构和传统的六自由度并联机构相比，具有驱动元件少，结构简单，工作空间大，设计制造和控制成本都相对较低的特点。但少自由度并联机构的研究极不平衡，其中二、三自由度的并联机构研究基本成熟，而四、五自由度的并联机构研究较复杂仍处于起步阶段，在一定程度上限制了该类并联机构的发展和应用。而四、五自由度并联机构用于调姿上的更是少之甚少，其性能还有待提高，并联调姿平台具有广阔的应用前景。
专利CN102773855A提出了一种四自由度并联调姿隔振平台，该发明具有结构简单、调姿空间大、动态响应快和易于控制的特点。其不足之处是：占用体积较大，自身重量较大不适用于空间环境；专利CN102601794A提出的具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，该发明具有刚度大、机构响应快的特点。其不足是：结构复杂、调姿空间小、精度较差且不易控制；专利CN1462672A提出了五自由度并联解耦机构，该发明能实现三自由度平动无条件解耦和两自由度转动有条件解耦，具有结构简单、工作空间大和易于控制的特点。其不足之处是：机构刚度小，同等工作空间下占用体积较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、可折叠，调姿空间大、能实现空间三维转动自由度和两向移动自由度的折叠式五自由度并联调姿平台。
本发明的技术方案如下：
本发明主要包括上平台、下平台以及连接这两个平台的六条分支，其中分布在周围的五条分支为结构相同的URS驱动分支，一条为US中间约束分支。五条驱动分支均由球铰、上连杆、转动副、电动缸、下连杆和第一万向铰组成，其驱动分支驱动形式为电动缸驱动转动副转动。该驱动分支中的下连杆的一端通过第一万向铰与下平台连接，其另一端通过转动副与上连杆的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰与上平台连接，电动缸的尾部通过驱动下转动副与上述下连杆连接，该电动缸的伸缩杆通过驱动上转动副与上述上连杆连接。五个第一万向铰在下平台上呈五边形布置，五个第一万向铰的转动中心分布在一个圆上，第二和第五分支的第一万向铰的点的连线与第三和第四分支的第一万向铰的中点的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，第一分支的第一万向铰的点不在垂线上；五个球铰点中心在上平台上为与第一万向铰相同的五边形布置；五个球铰的转动中心，分布在一个圆上，第二和第五分支球铰的点的连线与第三和第四分支球铰的点的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，第一分支球铰的点不在垂线上。中间约束分支的中间连杆为可伸缩杆，其一端通过第二万向铰与下平台连接，其另一端通过球铰与上平台连接。当处在非工作状态时可将其压缩到最低位，处于工作状态时中间连杆伸长到工作位后长度不再发生变化。
五个驱动分支的第二种连接方式：五个驱动分支的下连杆的一端通过第一万向铰与下平台连接，，其另一端通过转动副与上连杆的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰与上平台连接，上述第一万向铰设置在下平台的内圆上；电动缸的尾部通过第三万向铰与下平台连接，该电动缸的伸缩杆通过驱动上转动副与上述上连杆连接，上述第三万向铰与上述第一万向铰垂直设置在下平台的外圆上。
中间约束分支第二种连接方式：中间约束分支为RPS分支，其由第二转动副、移动副导轨、滑块、中间连杆和中间分支球铰组成。第二转动副是一个转盘设在下平台中心，转盘上固定一平行于下平台的移动副导轨，该导轨上设有滑块，中间连杆为可伸缩杆，其一端固定在滑块上垂直于导轨，其另一端通过球铰与上平台连接。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、机构结构简单，调姿空间大，能实现空间三个独立的转动自由度和两个伴随Z轴移动的移动自由度。
2、中间分支为可压缩杆，非工作位时中间分支可压缩使得机构处于折叠最低位，占用体积小，处于工作位时中间连杆伸长到工作位后不再变化，对机构起到一定的约束作用，提高机构的承载能力。
3、本发明为电动缸驱动，在其调姿空间内性能稳定，在承受负载时仍具有较高的动态响应，易于安装和维护。
4、五自由度并联机构，满足大多数工作的需求，在很多领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1立体示意简图；
图2为本发明实施例1压缩最低位示意图；
图3为本发明实施例2立体示意简图；
图4为本发明实施例3立体示意简图。
具体实施方式
实施例1
在图1所示的五自由度并联调姿平台示意图中，五条结构相同的URS驱动分支中的第一万向铰6与下平台7连接，下连杆5的一端与第一万向铰连接，其另一端通过转动副11与上连杆3的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰2与上平台1连接，上下连杆均为中空结构，电动缸4的尾部通过驱动下转动副13连接在下连杆内，该电动缸的伸缩杆通过驱动上转动副12与上连杆连接。五个第一万向铰在下平台上呈五边形布置，五个第一万向铰的转动中心分布在一个圆上，第二分支的第一万向铰的点A2和第五分支的第一万向铰的点A5的连线与第三分支的第一万向铰的中点A3和第四分支的第一万向铰的中点A4的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，第一分支的第一万向铰的点A1不在垂线上；五个球铰点中心在上平台上为与第一万向铰相同的五边形布置；五个球铰的转动中心，分布在一个圆上，第二分支球铰的点B2和第五分支球铰的点B5的连线与第三分支球铰的点B3和第四分支球铰的点B4的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，第一分支球铰的点B1不在垂线上。中间分支的中间连杆9为可伸缩杆，其一端通过第二万向铰8与下平台连接，其另一端通过球铰10与上平台连接。图1中，圆点O位于上平台中心，Z轴垂直于上平台，X轴在上平台平面上与A3A4连线及A2A5连线平行，Y轴符合右手法则。如图2所示，当处在非工作状态时可将其压缩到最低位，处于工作状态时中间连杆伸长到工作位后长度不再发生变化。
实施例2
在图3所示的一种五自由度并联调姿平台示意图中，五个驱动分支的第一万向铰6与下平台7连接，下连杆5的一端与第一万向铰连接，其另一端通过转动副11与上连杆3的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰2与上平台1连接，上述第一万向铰设置在下平台的内圆上；电动缸4的尾部通过第三万向铰14与下平台连接，该电动缸的伸缩杆通过驱动上转动副与上连杆连接，上述第三万向铰与上述第一万向铰垂直设置在下平台的外圆上。其它构件和连接关系与实施例1相同。
实施例3
在图4所示的一种五自由度并联调姿平台示意图中，中间分支为RPS分支，第二转动副15是一个转盘设在下平台中心，转盘上固定一平行于下平台的移动副导轨16，该导轨上设有滑块17，中间连杆9为可伸缩杆，其一端固定在滑块上垂直于导轨，其另一端通过球铰10与上平台连接。其它构件和连接关系与实施例1相同。
Claims (3)
1.一种折叠式五自由度并联调姿平台,包括上平台、下平台以及连接上平台和下平台的六条分支，其中分布在周围的五条分支为结构相同的URS驱动分支，一条为US中间约束分支，其特征在于：其驱动分支中的下连杆的一端通过第一万向铰与下平台连接，其另一端通过转动副与上连杆的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰与上平台连接，电动缸的尾部通过驱动下转动副与上述下连杆连接，该电动缸的伸缩杆通过驱动上转动副与上述上连杆连接；上述五个第一万向铰在下平台上呈五边形布置，五个第一万向铰的转动中心分布在一个圆上，第二和第五分支的第一万向铰的转动中心的连线与第三和第四分支的第一万向铰的转动中心的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，该垂线位于下平台，第一分支的第一万向铰的转动中心不在垂线上；五个球铰的转动中心在上平台上为与第一万向铰相同的五边形布置；五个URS驱动分支球铰的转动中心分布在一个圆上，第二和第五分支球铰的转动中心的连线与第三和第四分支球铰的转动中心的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，该垂线位于上平台，第一分支球铰的转动中心不在垂线上；中间分支的中间连杆为可伸缩杆，其一端通过第二万向铰与下平台连接，其另一端通过球铰与上平台连接。
2.一种折叠式五自由度并联调姿平台,包括上平台、下平台以及连接上平台和下平台的六条分支，其中分布在周围的五条分支为结构相同的URS驱动分支，一条为US中间约束分支，其特征在于：其驱动分支的下连杆的一端通过第一万向铰与下平台连接，其另一端通过转动副与上连杆的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰与上平台连接，上述第一万向铰设置在下平台的内圆上；电动缸的尾部通过第三万向铰与下平台连接，该电动缸的伸缩杆通过驱动上转动副与上述上连杆连接，上述第三万向铰与上述第一万向铰垂直设置在下平台的外圆上；上述五个分支的万向铰在下平台上呈五边形布置，其万向铰的转动中心分布在内外两个圆上，第二和第五分支的第一万向铰的转动中心的连线与第三和第四分支的第一万向铰的转动中心的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，该垂线位于下平台，第一分支的第一万向铰的转动中心不在垂线上；五个球铰的转动中心在上平台上为与第一万向铰相同的五边形布置；五个URS驱动分支球铰的转动中心分布在一个圆上，第二和第五分支球铰的转动中心的连线与第三和第四分支球铰的转动中心的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，该垂线位于上平台，第一分支球铰的转动中心不在垂线上；中间分支的中间连 杆为可伸缩杆，其一端通过第二万向铰与下平台连接，其另一端通过球铰与上平台连接。
3.一种折叠式五自由度并联调姿平台,包括上平台、下平台以及连接上平台和下平台的六条分支，其中分布在周围的五条分支为结构相同的URS驱动分支，一条为RPS中间约束分支，其特征在于：其驱动分支中的下连杆的一端通过第一万向铰与下平台连接，其另一端通过转动副与上连杆的一端连接，该上连杆的另一端通过球铰与上平台连接，电动缸的尾部通过驱动下转动副与上述下连杆连接，该电动缸的伸缩杆通过驱动上转动副与上述上连杆连接；上述五个第一万向铰在下平台上呈五边形布置，五个第一万向铰的转动中心分布在一个圆上，第二和第五分支的第一万向铰的转动中心的连线与第三和第四分支的第一万向铰的转动中心的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，该垂线位于下平台，第一分支的第一万向铰的转动中心不在垂线上；上述五个球铰的转动中心在上平台上为与第一万向铰相同的五边形布置；五个URS驱动分支球铰的转动中心分布在一个圆上，第二和第五分支球铰的转动中心的连线与第三和第四分支球铰的转动中心的连线平行，且对称分布于过圆心的垂线，该垂线位于上平台，第一分支球铰的转动中心不在垂线上；中间约束分支中的第二转动副是一个转盘设在下平台中心，转盘上固定一平行于下平台的移动副导轨，该导轨上设有滑块，中间连杆为可伸缩杆，其一端固定在滑块上垂直于导轨，其另一端通过球铰与上平台连接。
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