CN106125770B - 一种方位-俯仰运动两轴座架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方位‑俯仰两轴座架，所述方位‑俯仰两轴座架设置有圆形轨道，立柱的竖直轴线位于圆形轨道的圆心，立柱通过轴线水平的第一个转动副与转动平台相连，通过轴线竖直的第二个转动副连接到机架或地面上；两根连杆的上端通过胡克铰与转动平台相连，滑动机构与连杆的下端采用具有三转动自由度的复合铰相连接。本发明能够实现0‑90度俯仰运动、‑180—180度的方位运动；外部设备可以为雷达天线、天文射电望远镜、摄像机、日光反射镜、太阳能帆板等；结构简单，操作方便，较好地解决了传统的串联式方位‑俯仰座架存在对于质量庞大的大型仪器设备，结构非常笨重，驱动功率大，驱动关节误差累积的问题。

Description

一种方位-俯仰运动两轴座架

技术领域

本发明属于大型仪器座架技术领域，尤其涉及一种方位-俯仰运动两轴座架。

背景技术

目前，方位-俯仰座架是一种简单的两轴旋转机构，用以支撑各种仪器或设备并绕两个相互垂直的轴线(一个为竖直轴线，另一个为水平轴线)做旋转运动。绕竖直轴的旋转改变支撑设备的方向角，通常被称作方位运动；绕水平轴的旋转改变支撑对象的水平程度，通常被称为俯仰运动。传统的方位-俯仰座架通常采用如下成熟的结构形式:两个相互垂直并能主动控制的转轴(转动副)构成一个方位-俯仰座架。每个转轴关节采用伺服电机和减速齿轮系驱动。这种形式的两轴座架具有结构简单、易于控制的优点。然而对于质量庞大的大型仪器设备，这种座架形式的结构将会非常笨重。作为承载大型仪器设备的座架形式，另一种改进型方位-俯仰座架采用环形轨道及若干个在其上滑动的滑台装置，来分担设备的重量。但是，这种装置的方位轴驱动，仍然是采用电机和齿轮系施加在竖直轴上。驱动方式仍然是方位轴和俯仰轴的串联组合，所需驱动功率大。

总之，对于重型仪器设备十分有必要研究一种新型轻量化方位-俯仰座架。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方位-俯仰运动两轴座架，旨在解决传统的串联式方位-俯仰座架存在对于质量庞大的大型仪器设备，结构非常笨重，驱动功率大，驱动关节误差累积的问题。

本发明的目的旨在提供一种方位-俯仰两轴座架，所述方位-俯仰两轴座架设置有轨道，立柱的竖直轴线位于轨道的圆心，立柱通过轴线水平的第一个转动副与转动平台相连，立柱通过轴线竖直的第二个转动副连接到机架或地面上；两根连杆的上端通过胡克铰与转动平台相连，滑动机构与连杆的下端采用具有三个转动自由度的复合铰相连接；进一步，所述水平圆轨道的圆心位于立柱的投影点；

所述立柱的轴线垂直于第一个转动副的轴线；

所述三转动自由度复合铰具有轴线交汇于一点的三个转动副；

所述轨道为圆形或椭圆形。

进一步，所述滑动机构包括伺服电机、与伺服电机相连的减速机和齿轮副；

所述齿轮副设置有相互啮合的第一齿轮和第二齿轮。

进一步，所述圆形轨道的内侧制有齿条，齿轮副的第二齿轮与齿条相啮合，齿轮副位于立柱和齿条之间；齿轮副由伺服电机和减速机所驱动。

本发明的另一目的在于提供一种所述方位-俯仰两轴座架的姿态角调节方法，所述姿态角调节方法包括：

转动平台的极限俯仰角0度或90度，滑块的圆心角坐标θ₀和θ₁，确定环形轨道的半径R：

式中，d代表转动平台与连杆连接点和水平转动副的高差，为连杆连接点和水平转动副的高差角，R_p为转动平台的等效转动半径，2d₁为连杆与转动平台的两个连接点之间水平距离，H₀为立柱等效高度，以上均为结构参数。

计算出驱动分支中连杆的长度：

式中，其余参数前已述及；

转动平台的方位角为γ(-180≤γ≤180)，俯仰角为φ(0≤φ≤90)；滑动机构的圆心分别为θ₁和θ₂，则：

方位-俯仰座架的姿态逆解为：

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的天文射电望远镜。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的雷达天线。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的摄像机。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的日光反射镜。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的太阳能帆板。

本发明提供的并联式方位-俯仰两轴座架，能够实现0-90度俯仰运动、-180—180度的方位运动。外部设备可以为雷达天线、天文射电望远镜、摄像机、日光反射镜、太阳能帆板等，结构简单，操作方便，较好的解决了解决传统的方位-俯仰座架存在对于质量庞大的大型仪器设备，结构非常笨重，驱动功率大的问题。从机构学的角度看，本发明是一种并联机构，即该座架具有同时驱动转动平台的两个滑动机构，因此具有结构重量轻、指向精度高、驱动功率低的潜在优势。特别之处在于，两个驱动部件(伺服电机及减速机、齿轮副)装置在座架的底部，因此转动部分的重量降低；并联式驱动不仅降低了驱动功率，也平均分配了关节误差，提高了指向精度，可以实现0到90度的俯仰角和任意的方位角。

附图说明

图1是本发明实施例提供的方位-俯仰两轴座架的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的驱动分支连杆下端的三转动自由度复合铰链示意图。

图3是本发明实施例提供的滑动机构和其驱动原理的示意图。

图4是本发明实施例提供的环形轨道内侧的齿条示意图。

图5是本发明实施例提供的轨道为椭圆的方位-俯仰两轴座架的结构示意图。

图6是本发明实施例提供的转动平台的方位角γ＝0的情况下，θ₁和θ₂随俯仰角φ变化的曲线示意图。

图7是本发明实施例提供的转动平台的俯仰角φ＝20度情况下，θ₁和θ₂随方位角γ变化的曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的当滑动机构A的圆心角θ₂＝0时，转动平台的俯仰角φ和方位角γ随θ₁变化的曲线示意图。

图9是本发明实施例提供的当两滑动机构的圆心角满足θ₂＝-0.5θ₁时，转动平台的俯仰角φ和方位角γ随θ₁变化的曲线示意图。

图中：1、圆形轨道；2、滑动机构；3、三转动自由度复合铰；3a、第一转动副；3b、第二转动副；3c、第三转动副；4、胡克铰；5、第一转动副；6、连杆；7、转动平台；8、立柱；9、第二转动副；11、伺服电机；12、减速机；13、齿轮副；13a、第一齿轮；13b、第二齿轮；14、齿条。

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。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的方位-俯仰两轴座架包括：圆形轨道1、滑动机构2、三转动自由度复合铰3、胡克铰4、第一转动副5、连杆6、转动平台7、立柱8、第二个转动副9、伺服电机11、减速机12、齿轮副13、齿条14。

承载仪器或设备的转动平台的几何中心通过第一转动副5连接到竖直的立柱8上端，立柱8通过第二个轴线竖直的转动副9连接到机架或地面上；立柱8的竖直轴线位于圆形轨道1的圆心，即水平圆轨道1的圆心位于立柱8的投影点；两根连杆6的上端通过胡克铰4与转动平台相连，两根连杆6可以采用其他方式与转动平台相连；滑动机构2与连杆6的下端采用三转动自由度复合铰相连接；立柱8通过第二转动副9连接到地面或者外部基座，立柱8的轴线垂直与第一个转动副5的轴线；滑动机构2与连杆6的下端采用三转动自由度复合铰3相连接。

如图2所示，三转动自由度复合铰3具有交汇于一点的三个转动副3a,3b,3c，三转动自由度复合铰还可以视为一个胡克铰连接一个转动副。

如图3所示，滑动机构2包括伺服电机11、与伺服电机11相连的减速机12和齿轮副13，齿轮副13的第一齿轮13a、第二齿轮13b、可以相互啮合。

如图4所示，圆形轨道1的内侧制有齿条14，齿轮副13的第二齿轮13b可以与齿条14相啮合，齿轮副13位于立柱8和齿条14之间。齿轮副13由伺服电机11和减速机12所驱动。

转动平台7通过转动副5连接到立柱8的转动平台7；围绕立柱8的圆形轨道1，两根连杆6，两个滑动机构2。两连杆6通过第一个转动副5与转动平台7相连，两个滑动机构2分别与连杆6的下端相连。两个滑动机构2可以在圆形轨道1上滑动。

两根连杆如图5所示，本发明实施例1的轨道1的形状可以是圆形。围绕立柱8的轨道1的形状可以是椭圆形或其他形状。

水平轨道1的半径为R，轨道1的中心位于立柱8的在地面或外部机架上的投影点O。转动平台7通过两个相同的分支P₁A、P₁D与圆形轨道1相连。分支P₁A,、P₁D的每一条包括上端胡克铰4，固定长度为L的连杆6，下端三转动自由度复合铰3和滑动机构2。水平连杆P₁P₂的两端通过上端胡克铰4与连杆6的上端相连。水平连杆P₁P₂与转动平台7固连。连杆6与滑动机构2通过三转动自由度复合铰3相连接。

滑动机构2在轨道上最靠近的距离根据构件不干涉的条件确定，此时又分别对应转动平台7的极限俯仰角0度或90度，从而可得此种情况下滑块2的圆心角坐标θ₀和θ₁。并更一步按照下式确定环形轨道的半径R：

式中，d代表转动平台与连杆连接点和水平转动副的高差，为连杆连接点和水平转动副的高差角，R_p为转动平台的等效转动半径，2d₁为连杆与转动平台的两个连接点之间水平距离，H₀为立柱等效高度，以上均为结构参数。

进而再计算出驱动分支中连杆的长度：

式中，

假设转动平台的方位角为γ(-180≤γ≤180)，此时俯仰角为φ(0≤φ≤90)。滑动机构D和A的圆心分别为θ₁和θ₂，则：

因此，方位-俯仰座架的姿态逆解为：

θ₁＝γ+Δθ

θ₂＝γ-Δθ；

该结论可以用于控制滑动机构在轨道上的位置，从而实现将仪器设备支撑到期望的姿态角。

如图6所示，给出转动平台7的方位角γ＝0的情况下，θ₁和θ₂随俯仰角φ变化。如图7所示，给出转动平台7的俯仰角φ＝20度情况下，θ₁和θ₂随方位角γ的变化关系。

如下的姿态角正解结果解决了如何从滑动机构的圆心角θ₁和θ₂确定转动平台的方位和俯仰角，

式中，

如图8所示，表示当滑块A的圆心角θ₂＝0时，给出转动平台7的俯仰角φ和方位角γ随θ₁的变化关系。如图9所示，当两滑块的圆心角满足θ₂＝-0.5θ₁时，给出转动平台7的俯仰角φ和方位角γ随θ₁变化的曲线。

从机构学的角度看，该两轴座架是一种并联机构，即该座架具有同时驱动转动平台的两个滑动机构，因此具有结构重量轻、驱动功率低的潜在优势。特别之处在于，驱动器(伺服电机)装置在座架的底部，因此转动部分的重量降低。况且，并联机构的连杆相对较细、重量轻。连杆6的滑动运动引起转动平台7的俯仰-方位运动，可以实现0到90度的俯仰角和任意的方位角。

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 (6)

1.一种方位-俯仰两轴座架，其特征在于，所述方位-俯仰两轴座架设置有轨道，立柱的竖直轴线位于轨道的圆心，立柱通过轴线水平的第一个转动副与转动平台相连，通过轴线竖直的第二个转动副连接到机架或地面上；两根连杆的上端通过胡克铰与转动平台相连，滑动机构与连杆的下端采用三转动自由度复合铰相连接；

所述轨道的圆心位于立柱的投影点；

所述立柱的轴线垂直于第一个转动副的轴线；

所述三转动自由度复合铰具有轴线交汇于一点的三个转动副；

所述轨道为圆形或椭圆形；

所述滑动机构包括伺服电机、与伺服电机相连的减速机和齿轮副；

所述齿轮副设置有相互啮合的第一齿轮和第二齿轮；

所述轨道的内侧制有齿条，齿轮副的第二齿轮与齿条相啮合，齿轮副位于立柱和齿条之间；齿轮副由伺服电机和减速机所驱动；

所述方位-俯仰两轴座架的姿态角调节方法包括：

转动平台的极限俯仰角0度或90度，滑块的圆心角坐标θ₀和θ₁’，确定环形轨道的半径R：

式中，d代表转动平台与连杆连接点和水平转动副的高差，为连杆连接点和水平转动副的高差角，R_p为转动平台的等效转动半径，2d₁为连杆与转动平台的两个连接点之间水平距离，H₀为立柱等效高度；

计算出驱动分支中连杆的长度：

式中，

转动平台的方位角为γ,-180≤γ≤180，俯仰角为φ,0≤φ≤90；滑动机构的圆心分别为θ₁和θ₂，则：

方位-俯仰座架的姿态逆解为：

2.一种安装有权利要求1所述方位-俯仰两轴座架的天文射电望远镜。

3.一种安装有权利要求1所述方位-俯仰两轴座架的雷达天线。

4.一种安装有权利要求1所述方位-俯仰两轴座架的摄像机。

5.一种安装有权利要求1所述方位-俯仰两轴座架的日光反射镜。

6.一种安装有权利要求1所述方位-俯仰两轴座架的太阳能帆板。