CN114934974B - 大振幅水平二自由度隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大振幅水平二自由度隔振器。该隔振器包括：固定平台；内刚性铰支链，通过虎克铰连接于所述固定平台；运动控制平台，通过虎克铰连接所述内刚性铰支链；外刚性铰支链，铰接所述内刚性铰支链；负载平台，用于承载隔振物体，所述负载平台通过虎克铰连接所述外刚性铰支链。上述的大振幅水平二自由度隔振器形成两个串联的UU并联机构，这样，负载平台可以通过内刚性铰支链和外刚性铰支链在质心轴附近做准平面直线运动，整个隔振器形成单摆结构，实现最大限度的扩展隔振器的摆长，从而可以有效降低大振幅水平二自由度隔振器的自身固有频率。

Description

大振幅水平二自由度隔振器

技术领域

本公开涉及隔振技术领域，具体涉及一种大振幅水平二自由度隔振器。

背景技术

随着科学技术的不断发展需要，尤其是大量应用于动态环境中的高端精密仪器设备的减震隔振需求，人们对于振动控制的研究也愈发重视。隔振已经成为最有效最实用的方法之一，其中被动隔振的应用十分广泛。

振动有垂直和水平方向三个自由度，垂直方向振动是生活中最常见的振动，对此的隔振研究已经非常成熟，比如线性隔振、非线性主被动隔振器等等。但对于水平隔振机构的研究进展相对来说比较缓慢。常见的水平隔振机构都是基于单摆原理进行隔振，有折叠摆、圆锥摆、层合橡胶、三线摆、倒摆、正倒摆结合等形式，随着引力波研究的深入，又出现了将剪叉摆、折叠摆等多种摆组合起来的形式，其中层合橡胶因其固有特性，很难做到较低的固有频率。另外单摆相关机构固有频率均与摆长有关，固有频率降低意味着摆长必须增加，导致机构高度上升，机构尺寸过大。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种大振幅水平二自由度隔振器，旨在降低隔振器的固有频率。

为此，本发明提供了一种大振幅水平二自由度隔振器，包括：

固定平台；

内刚性铰支链，通过虎克铰连接于所述固定平台；

运动控制平台，通过虎克铰连接所述内刚性铰支链；

外刚性铰支链，铰接所述内刚性铰支链；

负载平台，用于承载隔振物体，所述负载平台通过虎克铰连接所述外刚性铰支链；所述负载平台位于所述固定平台的下方，所述内刚性铰支链的底部连接所述固定平台；所述外刚性铰支链的顶部通过球副连接所述内刚性铰支链的顶部，底部通过虎克铰连接所述负载平台。

优选地，所述内刚性铰支链的顶部通过球副或者虎克铰连接所述外刚性铰支链。

优选地，所述内刚性铰支链的数量为至少三个，沿所述固定平台的圆周方向均匀分布。

优选地，所述内刚性铰支链的尺寸、材质和质量相同。

优选地，所述外刚性铰支链包括水平连接部和竖直连接部，所述水平连接部沿水平方向延伸，一端通过球副连接于所述内刚性铰支链，另外一端连接于所述竖直连接部的顶部；所述竖直连接部沿竖直方向延伸，底部通过虎克铰连接所述负载平台。

优选地，所述外刚性铰支链的数量为至少三个，沿所述负载平台的圆周方向均匀分布。

优选地，所述外刚性铰支链的尺寸、材质和质量相同。

优选地，还包括质心调节平台，所述质心调节平台用于承载质量块，位于所述运动控制平台的上方，并且通过虎克铰连接所述外刚性铰支链的竖直连接部的顶部。

优选地，还包括卡座，所述卡座包括：

连接杆，连接于所述固定平台；

摆动组件，包括连接座、横向件和纵向件，所述连接座连接所述连接杆，所述横向件沿水平方向延伸并且转动地连接于所述连接座，所述纵向件沿水平方向延伸并且转动地连接于所述横向件；

固定支柱，沿竖直方向延伸，一端连接所述横向件，另外一端通过球副连接所述质心调节平台。

相较于现有技术，上述的大振幅水平二自由度隔振器的内刚性铰支链通过虎克铰连接固定平台和运动控制平台，外刚性铰支链通过虎克铰连接负载平台，并且通过虎克铰连接内刚性铰支链，形成两个串联的UU并联机构，这样，负载平台可以通过内刚性铰支链和外刚性铰支链在质心轴附近做准平面直线运动，整个隔振器形成单摆结构，实现最大限度的扩展隔振器的摆长，从而可以有效降低大振幅水平二自由度隔振器的自身固有频率。

附图说明

为了更清楚地说明具体实施方式，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是大振幅水平二自由度隔振器的结构示意图。

图2是虎克铰的结构示意图。

图3是固定平台、内刚性铰支链和运动控制平台的结构示意图。

图4是固定平台、卡座和质心调节平台的结构示意图。

图5是卡座与质心调节平台在分解状态下的结构示意图。

图6是固定平台、运动控制平台、内刚性铰支链和外刚性铰支链的结构示意图。

图7是质心调节平台、外刚性铰支链和负载平台的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本公开。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本公开进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，所描述的实施方式仅仅是本公开一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，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方式，都属于本公开保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。

在各实施例中，为了便于描述而非限制本公开，本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

图1是大振幅水平二自由度隔振器的结构示意图。如图1所示，大振幅水平二自由度隔振器包括固定平台10、内刚性铰支链20、运动控制平台21、卡座60、质心调节平台50、外刚性铰支链30和负载平台40。其中，固定平台10可以被放置于支撑台架或者其他物体上，用于通过内刚性铰支链20和外刚性铰支链30支撑质心调节平台50和负载平台40，卡座60限制质心调节平台50的运动趋势，负载平台40用于放置隔振物体81，使得负载平台40只能在水平方向内的两个方向移动，实现隔振物体81在大振幅振动和扰动下的隔振。

本实施方式中，内刚性铰支链20和外刚性铰支链30通过虎克铰90连接其他部件。虎克铰90是一种二自由度铰链，是U副连接的一种结构，广泛应用于机械臂、传动等领域，是各类运动机构不可缺少的一种传动部件。为了便于理解，作为示例性的，以下结合图2首先描述一种虎克铰90的结构。

图2是虎克铰90的结构示意图。如图2所示，虎克铰90通过转动轴92连接第一连接件91和第二连接件93。其中，第一连接件91通过沿X轴方向延伸的轴转动地连接于转动轴92，第二连接件93通过沿Y轴方向延伸的轴转动地连接于转动轴92，因此，第一连接件91可以相对第二连接件93绕X轴方向转动，同时，也可以相对第二连接件93绕Y轴转动，即，通过虎克铰90连接的两个部件可以同时实现两个自由度的转动(即U副连接)。

图3是固定平台10、内刚性铰支链20和运动控制平台21的结构示意图。如图3所示。固定平台10用于支撑整个大振幅水平二自由度隔振器。内刚性铰支链20是一种刚性连接结构，内刚性铰支链20的数量可以是三个或者多个，但每个内刚性铰支链20的尺寸、材料、质量等因素的偏差在预设范围内，优选采用完全一致的多个内刚性铰支链20。多个内刚性铰支链20沿圆周方向均匀分布，绕中心轴对称分布，底端通过虎克铰90连接于固定平台10。运动控制平台21大体为包围所述内刚性铰支链20的圆环。运动控制平台21位于固定平台10的上方，通过虎克铰90连接于内刚性铰支链20的中部位置，从而可以保持三个内刚性铰支链20的空间相对位置不变。

图4是固定平台10、卡座60和质心调节平台50的结构示意图。如图4所示，固定平台10的上方设置有质心调节平台50。本实施方式中，固定平台10通过卡座60连接于质心调节平台50。所述卡座60包括连接杆61、摆动组件62和固定支柱63。连接杆61的数量可以是多条，例如图4示出的四条，连接杆61的底部固定连接固定平台10，顶部连接摆动组件62。摆动组件62位于固定平台10的上方，功能与虎克铰90类似，用于实现两个自由度的摆动。固定支柱63沿竖直方向延伸，一端连接所述横向件622，另外一端通过球副70连接所述质心调节平台50。

图5是卡座60与质心调节平台50在分解状态下的结构示意图。如图5所示，摆动组件62包括连接座621、横向件622和纵向件64。连接座621固定连接于连接杆61的端部，四条连接杆61沿形成锥形结构连接于连接座621。连接座621上设有沿第一连接孔6211，第一连接孔6211的轴向为图5示出的X轴方向。横向件622具有与第一连接孔6211对应的连接轴6222，连接轴6222的轴向沿图5示出的X轴方向延伸，用于转动地插接于连接座621的第一连接孔6211内，实现横向件622相对连接座621绕图5示出的X轴的方向转动。此外，横向件622还设有沿图5示出的Y轴方向延伸的第二连接孔6221，对应的，纵向件64大体呈转轴结构，沿图5示出的Y轴方向延伸，用于转动地插接于第二连接孔6221内。固定支柱63固定连接于该纵向件64，通过纵向件64实现相对横向件622绕Y轴转动的功能。因此，通过摆动组件62，可以实现固定支柱63相对连接座621同时绕X轴方向转动和绕Y轴方向转动的功能。

请再次参阅图5，固定支柱63的底部通过纵向件64转动地连接于横向件622，顶部通过球副70连接于质心调节平台50。本实施方式中，作为示例性的，球副70还可以应用于本实施方式中其他结构。具体的，球副70包括球体72和用于收容该球体72的容腔71。球体72的一端连接固定支柱63的顶部，另外一端嵌入该容腔71内。本实施方式中，质心调节平台50的底面设有套筒51，容腔71设置于套筒51的朝向固定支柱63的端部。在使用时，球体72嵌入该套筒51的容腔71内，实现质心调节平台50相对固定支柱63的转动。

图6是固定平台10、运动控制平台21、内刚性铰支链20和外刚性铰支链30的结构示意图。如图6所示，固定平台10通过内刚性铰支链20和外刚性铰支链30连接负载平台40。内刚性铰支链20的顶部通过球副70或者虎克铰90连接于外刚性铰支链30。球副70的结构在图5部分展示，与连接固定支柱63的球副70结构类似，此处不再赘述。尽管图6示出的内刚性铰支链20通过球副70连接于外刚性铰支链30，但由于外刚性铰支链30的自由度被质心调节平台50所限制，内刚性铰支链20和外刚性铰支链30通过球副70的相对运动仅仅只有两个自由度，球副70的作用仅仅相当于虎克铰90。

所述内刚性铰支链20的数量为至少三个，沿所述固定平台10的圆周方向均匀分布，并且绕中心轴对称分布。每个外刚性铰支链30之间的尺寸、材质和质量的误差在预设范围内，优选各外刚性铰支链30之间完全一致，包括但不限于尺寸、材质和质量。

外刚性铰支链30是一种刚性连接结构，外刚性铰支链30的数量可以是三个或者多个，但每个外刚性铰支链30的尺寸、材料、质量等因素的偏差在预设范围内，优选采用完全一致的多个外刚性铰支链30。多个外刚性铰支链30沿圆周方向均匀分布，绕中心轴对称分布。本实施方式中，所述外刚性铰支链30包括水平连接部31和竖直连接部32。所述水平连接部31沿水平方向延伸，一端的底部通过球副70或者虎克铰90连接于所述内刚性铰支链20，另外一端固定连接于所述竖直连接部32的顶部。所述竖直连接部32沿竖直方向延伸，底部通过虎克铰90连接所述负载平台40的底面。

负载平台40大体呈平板状结构，用于承载隔振物体81。所述负载平台40位于所述固定平台10的下方，通过虎克铰90连接所述外刚性铰支链30。

图7是质心调节平台50、外刚性铰支链30和负载平台40的结构示意图。如图7所示，所述质心调节平台50用于承载质量块80，位于所述运动控制平台21的上方，并且通过虎克铰90连接所述外刚性铰支链30的竖直连接部32的顶部。具体的，外刚性铰支链30的水平连接部31的顶部通过虎克铰90连接于质心调节平台50的底面，外刚性铰支链30的竖直连接部32通过虎克铰90连接于负载平台40的底面。

请重新参阅图3和图7，固定支柱63作为质心调节平台50和固定平台10之间的连接件，可以限制质心调节平台50的运动趋势。当对应于不同质量的隔振物体81时，由于隔振物体81的质量的变化，会导致隔振器整体的质心位置发生变化。为此，可通过向外刚性铰支链30上附加质量块80，或改变质量块80的质量、形状，或者添加多个质量块80进行线性排列，使得隔振器的质心轴位置保持不变，隔振器始终处于准零度刚度平衡位置，此时隔振器接近准零刚度状态(即隔振器自身的固有频率接近于0)，从而通过简单操作即可适应不同质量的隔振物体81的目的。

整体而言，大振幅水平二自由度隔振器的固定平台10和运动控制平台21与多个内刚性铰支链20通过U副连接，构成一个3-UU并联机构；而多个外刚性铰支链30通过U副连接内刚性铰支链20和负载平台40，使得运动控制平台21和负载平台40构成另外一个3-UU并联机构，这两个3-UU并联机构通过外刚性铰支链30和内刚性铰支链20在U副连接下串联。这样，整个大振幅水平二自由度隔振器相当于两个3-UU并联机构的串联机构。本领域技术人员根据并联机构分析方法，可以得出负载平台40只能实现运动空间中2个方向的移动自由度移动，即沿水平面内的X轴方向和Y轴方向移动。此时，负载平台40不能参与转动运动，当受到外界任意方向的外界激励时，负载平台40只能沿水平面内的Y轴方向和Y轴方向做小范围的准平面直线运动，从而可以应对水平任意方向振动。因此，可以将隔振器大体视为一个单摆***，从而可以应用单摆原理来实现隔振器的水平隔振。

本领域技术人员知悉，根据隔振定义，当外界低频、超低频振动、扰动频率大于隔振器固有频率的倍时，可实现低频、超低频隔振，因此，要求隔振器具有较低的固有频率。本实施方式提供的隔振器利用单摆原理，具有以下公式：

其中，ω为隔振器的固有频率，g为重力加速度，l为单摆的摆长。

负载平台40负载隔振物体81在质心轴附近做准平面直线运动，由于单摆***的摆长最大，因此隔振器可以具有较低的固有频率，从而可以增加隔振器的带宽，实现低频或者超低频的振动隔振。而传统水平隔振器是通过增加高度和体积来增加摆长，所以所述隔振器减少了水平隔振器的高度、体积。

同时，由于大振幅水平二自由度隔振器通过多个外刚性铰支链30支撑一个负载平台40的缘故，其承载能力较强，可以在承受大振幅外力的同时保持稳定性，所以可以实现大振幅振动、扰动的隔振。因此，隔振器采用并联机构设计，增加了稳定性的同时提高了精确性，可同时适应大幅度与微小振动的情况，既可适用于大型装置的保护，也可适用于微小振动的环境状况。

当需要对隔振物体81进行隔振时，将固定平台10固定于振源的上方，以确定隔振器的空间位置，质量块80放置在质心调节平台50上。在隔振器空载时，调整内刚性铰支链20和外刚性铰支链30的尺寸、质量，以及质心调节平台50上的质量块80的数量、质量和排布方式，找到平衡位置，使得隔振器实现准零度刚度位置。

然后，将隔振物体81放置于负载平台40上，再通过调整质量块80的质量和布局，使隔振器的质心位置恢复到平衡位置，构成非线性准刚度机构。此时隔振器受到水平任意方向振动激励时，负载平台40的运动趋势接近准平面直线，这就极大的增加了摆线长度，降低了隔振器的固有频率，从而实现了低频、超低频隔振。

综上所述，一方面，上述的大振幅水平二自由度隔振器的内刚性铰支链20通过虎克铰90连接固定平台10和运动控制平台21，外刚性铰支链30通过虎克铰90连接负载平台40，并且通过虎克铰90连接内刚性铰支链20，形成两个串联的UU并联机构，这样，负载平台40可以通过内刚性铰支链20和外刚性铰支链30在质心轴附近做准平面直线运动，整个隔振器形成单摆结构，实现最大限度的扩展隔振器的摆长，从而可以有效降低大振幅水平二自由度隔振器的自身固有频率。

另一方面，当对应于不同质量的隔振物体81时，可在质心调节平台50上放置对应的质量块80，使得隔振器的质心轴位置保持不变，隔振器始终处于准零度刚度平衡位置，此时隔振器接近准零刚度状态，从而通过简单操作即可适应不同质量的隔振物体81的目的。

在本公开所提供的几个具体实施方式中，对于本领域技术人员而言，显然本公开不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本公开的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本公开。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本公开的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本公开内。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本公开的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，包括：

固定平台；

内刚性铰支链，通过虎克铰连接于所述固定平台；

运动控制平台，通过虎克铰连接所述内刚性铰支链；

外刚性铰支链，铰接所述内刚性铰支链；

负载平台，用于承载隔振物体，所述负载平台通过虎克铰连接所述外刚性铰支链；所述负载平台位于所述固定平台的下方，所述内刚性铰支链的底部连接所述固定平台；所述外刚性铰支链的顶部通过球副连接所述内刚性铰支链的顶部，底部通过虎克铰连接所述负载平台。

2.如权利要求1所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，所述内刚性铰支链的顶部通过球副或者虎克铰连接所述外刚性铰支链。

3.如权利要求2所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，所述内刚性铰支链的数量为至少三个，沿所述固定平台的圆周方向均匀分布。

4.如权利要求3所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，所述内刚性铰支链的尺寸、材质和质量相同。

5.如权利要求4所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，所述外刚性铰支链包括水平连接部和竖直连接部，所述水平连接部沿水平方向延伸，一端通过球副连接于所述内刚性铰支链，另外一端连接于所述竖直连接部的顶部；所述竖直连接部沿竖直方向延伸，底部通过虎克铰连接所述负载平台。

6.如权利要求5所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，所述外刚性铰支链的数量为至少三个，沿所述负载平台的圆周方向均匀分布。

7.如权利要求6所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，所述外刚性铰支链的尺寸、材质和质量相同。

8.如权利要求7所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，还包括质心调节平台，所述质心调节平台用于承载质量块，位于所述运动控制平台的上方，并且通过虎克铰连接所述外刚性铰支链的竖直连接部的顶部。

9.如权利要求8所述的大振幅水平二自由度隔振器，其特征在于，还包括卡座，所述卡座包括：

连接杆，连接于所述固定平台；

摆动组件，包括连接座、横向件和纵向件，所述连接座连接所述连接杆，所述横向件沿水平方向延伸并且转动地连接于所述连接座，所述纵向件沿水平方向延伸并且转动地连接于所述横向件；

固定支柱，沿竖直方向延伸，一端连接所述横向件，另外一端通过球副连接所述质心调节平台。