CN106641634A - 紧凑型云台机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型云台机构，包括基座和动平台，还包括：用于驱动所述动平台以第一方向摆动的第一驱动支链，其一端与所述基座连接于第一节点，另一端与所述动平台连接于第一动节点；用于驱动所述动平台以第二方向摆动的第二驱动支链，其一端与所述基座连接于第二节点，另一端与所述动平台连接于第二动节点；以及用于保持所述动平台在空间移动的第三支链，该第三支链的一端与所述基座固定连接于第三节点，另一端通过第三转动节点与所述动平台的中部连接，其中所述动平台设有扭矩动力源以驱动所述动平台上的转台转动。本发明显著提高平台负载能力和动态响应性能，同时又实现紧凑体积和高集成化。

Description

紧凑型云台机构
技术领域
本发明涉及云台机构，还涉及一种混联式旋转三自由度伺服稳定追踪的紧凑型平台，可应用于机器人、精密加工、特种设备和大众电子消费品等领域。
背景技术
传统的旋转三自由度伺服平台是一种十分重要的智能自动化设备，广泛应用于手持云台、机器人腕关节、导弹发射、航天航空、机床加工等领域。这类机构能够实现三个旋转自由度，通过控制算法能够实现定位、稳定、防抖、跟踪等功能。
这些传统的旋转三自由度伺服平台一般由三个旋转部件串联而成。如公开号为CN104633407的专利文献公开了一种三自由度旋转平台，包括：驱动旋转平台绕Z轴转动的Z轴驱动模块和Z轴传动模块；驱动旋转平台绕Y轴转动的Y轴驱动模块和Y轴传动模块；驱动旋转平台绕X轴转动的X轴驱动模块和X轴传动模块；以及承载各个驱动模块和传动模块的基座。但是这些纯串联式的三自由度旋转平台受传动方式和结构的限制，必然具有惯量大、负载能力低和动态性能差等缺点。
也有一些用并联机构实现的旋转三自由度伺服平台。如公开号为CN205343112U的专利文献公开了一种含可变角形分支的三自由度并联调姿隔振平台。但其只能实现三个自由度有限角度的旋转，无法满足需要有一个自由度无限旋转的应用，并且这类并联机构的负载全部都需驱动承担，降低了负载能力和动态性能。
在实际的应用中，比如在全景拍摄、旋转加工等应用场合，往往都是需要具有两个有限角度的旋转自由度和一个无限角度的旋转自由度。而且在一些对体积重量、响应速度和运动精度有严格要求的应用中，比如无人机云台、机器人关节等应用场合，对旋转三自由度伺服平台产生亟待解决的性能和结构问题。
发明内容
本发明通过提供一种高响应、体积紧凑和高集成化的三自由云台机构或度伺服平台，以解决上述技术问题。
本发明采用的技术方案为一种紧凑型云台机构，包括基座和动平台，还包括：用于驱动所述动平台以第一方向摆动的第一驱动支链，其一端与所述基座连接于第一节点，另一端与所述动平台连接于第一动节点；用于驱动所述动平台以第二方向摆动的第二驱动支链，其一端与所述基座连接于第二节点，另一端与所述动平台连接于第二动节点；以及用于保持所述动平台在空间移动的第三支链，该第三支链的一端与所述基座固定连接于第三节点，另一端通过第三转动节点与所述动平台的中部连接，其中所述动平台设有扭矩动力源以驱动所述动平台上的转台转动。
作为上述方案的进一步改进，所述第一驱动支链包括第一移动副构件、第一旋转副构件和第一万向连接副构件；所述第二驱动支链包括第二移动副构件、第二万向连接副构件和第三万向连接副构件。
作为一个优选的实施例：在所述第一驱动支链中，所述第一移动副构件的一端在所述第一节点与所述基座固定，另一端与所述第一旋转副构件连接，所述第一旋转副构件通过第一连杆连接至所述第一万向连接副构件，并且所述第一万向连接副构件在所述第一动节点与所述述动平台连接；在所述第二驱动支链中，所述第二移动副构件的一端在所述第二节点与所述基座固定，另一端与所述第二万向连接副构件连接，所述第二万向链接副构件通过第二连杆连接至所述第三万向连接副构件，并且所述第三万向连接副构件在所述第二动节点与所述述动平台连接。
作为另一个优选的实施例：在所述第一驱动支链中，所述第一旋转副构件与所述基座连接，所述第一移动副构件的一端与所述第一旋转副构件连接，另一端与所述第一万向连接副构件连接，并且所述第一万向连接副构件在所述第一动节点与所述述动平台连接；在所述第二驱动支链中，所述第二万向连接副构件与所述基座连接，所述第二移动副构件的一端与所述第二万向连接副构件连接，另一端与所述第三万向连接副构件连接，并且所述第三万向连接副构件在所述第二动节点与所述述动平台连接。
作为上述方案的进一步改进：所述第三支链(H)还包括设置在所述第三转动节点(U)位置的第四万向连接副构件；所述第四万向连接副构件的自由端直接固定至所述动平台(P)的基部；所述第四万向连接副构件的固定端由所述第二保持构件保持转动和保持支撑，所述扭矩动力源(t)的定子与所述动平台(P)的基部固定，所述扭矩动力源(t)的动子以传动的方式驱动所述转台(Q)或者直接带动所述转台(Q)。
优选地，所述第一万向连接副构件、第二万向连接副构件、第三万向连接副构件和第四万向连接副构件分别包含关节轴承、球铰或万向联轴器等。
进一步，所述第一节点、所述第二节点和所述第三节点组成一个非180度的夹角。
进一步，所述的混联三自由度云台机构，还包括：第一致动源，用于通过第一传动机构或者通过直接驱动的方式带动所述第一驱动支链内部的线性运动；第二致动源，用于通过第二传动机构或者通过直接驱动的方式驱动所述第二驱动支链内部的线性运动。
所述第一致动源和第二致动源分别包含旋转电机、直线电机、气缸、液压缸或致动器等；所述第一传动机构和第二传动机构分别包含丝杆螺母传动机构、齿轮传动机构或同步带传动机构等。
优选地，所述的混联三自由度云台机构还包括：第一传感器，用于反馈所述第一驱动支链中的运动位置；第二传感器，用于反馈所述第二驱动支链中的运动位置；或第三传感器，用于反馈所述转台的旋转运动位置。
本发明的有益效果为：实现了具有无限旋转自由度的混联三自由云台机构或度伺服平台，扩展了应用范围和提高了操控灵活性；显著提高平台负载能力和动态响应性能，同时又满足体积紧凑和高集成化的要求；本发明的结构还适用轻量化设计和高精度运动控制，应用前景广阔。
附图说明
图1所示为根据本发明的第一构型的原理图；
图2所示为根据本发明的第二构型的原理图；
图3所示为根据本发明的第一构型在一具体实施例中的立体图；
图4所示为图3的第一构型沿竖直方向的正视图，其中示出动平台的局部剖视图；
图5所示为图3的第一构型在一运动位置的立体图；
图6所示为根据本发明的第二构型在一具体实施例中的立体图；
图7所示为图6的第二构型在一运动位置的立体图；
图8a和8b分别所示为在一个实施例中的用于本发明的扭矩动力源的动子和定子。
具体实施方式
当结合附图参考详细说明书考虑时，本发明进一步的优势会变得显而易见。
图1所示为的根据本发明的混联三自由度云台机构第一构型的机构原理图。如图所示，此构型的云台机构主要包括基座(B-platform)、动平台(P-platform)和连接在基座和动平台之间的第一驱动支链A1B1C1、第二驱动支链A2B2C2和第三支链H。其中，第一驱动支链A1B1C1的一端与基座B连接于第一节点A1，另一端与动平台P连接于第一动节点B1；第二驱动支链A2B2C2的一端与基座B连接于第二节点A2，另一端与动平台P连接于第二动节点B2；第三支链H的一端与基座B固定连接于第三节点O；动平台P设有扭矩动力源t以通过第三转动节点U驱使动平台P上的转台Q转动。优选地，转台Q的几何中心位置延伸的轴穿过动平台，然后连接至第三转动节点U。第一节点A1、第二节点A2和第三节点O组成夹角aa，该夹角可以是180度以外的任意角，优选为90度。优选地，第一动节点B1、第二动节点B2和动平台P几何中心组成夹角bb基本上等于夹角aa。第一节点A1、第二节点A2和第三节点O可以是成形在基座B上的刚性节点，或者是通过结构件固定连接至基座B的节点。应理解到，在其它实施例中，夹角aa和bb可以变化或者不相等，第三节点O可以不位于基座B的中部，或者第三转动节点U不在动平台P的中部连接转台Q。
在本实施例中，第一驱动支链A1B1C1包括第一移动副构件、第一旋转副构件和第一万向连接副构件。第一移动副构件的一端在第一节点A1与基座B固定，另一端与第一旋转副构件连接，第一旋转副构件通过第一连杆连接至第一万向连接副构件，并且第一万向连接副构件在第一动节点B1与述动平台P连接。第二驱动支链A2B2C2包括第二移动副构件、第二万向连接副构件和第三万向连接副构件。第二移动副构件的一端在第二节点A2与基座B固定，另一端与第二万向连接副构件连接，万向连接副构件通过第二连杆连接至第三万向连接副构件，并且第三万向连接副构件在第二动节点B2与述动平台P连接。
图2所示为的根据本发明的混联三自由度云台机构第二构型的机构原理图。第二构型与上述第一构型的区别在于第一驱动支链A1B1C1和第二驱动支链A2B2C2中的移动副构件、旋转副构件和万向连接副构件彼此之间的布局方式不同。如图2所示，在第一驱动支链A1B1C1中，第一旋转副构件与基座B连接，第一移动副构件的一端与第一旋转副构件连接，另一端与第一万向连接副构件连接，并且第一万向连接副构件在第一动节点B1与述动平台P连接；在第二驱动支链A2B2C2中，第二万向连接副构件与基座B连接，第二移动副构件的一端与第二万向连接副构件连接，另一端与第三万向连接副构件连接，并且第三万向连接副构件在第二动节点B2与述动平台P连接。
可以理解到，在上述实施例中的旋转副构件可以包括旋转铰接结构、枢转结构或任意公知的单一转动结构/关节；移动副构件可以包括导轨结构、导槽结构、旋转-直线传动结构、直线-直线传动结构或者是引导活动件进行单一线性移动的任意公知结构；万向连接副构件可以包括关节轴承、球铰、万向联轴器或者任意公知的全向(universal)转动结构/关节。
图3-5所示为根据本发明的混联三自由度云台机构第一构型的具体实施例。
现参照图3和4。动平台P与连杆B1C1通过球关节连接于第一动节点B1处，第一连杆B1C1与第一滑块sb1连接于枢转部C1处。动平台P与第二连杆B2C2通过球关节连接于第二动节点B2处，第二连杆B2C2与第二滑块sb2通过球关节C2连接。滑块sb1、sb2由丝杆d2引导运动(在图示为上下运动)，丝杆d1、d2分别附属有丝杆导轨并安装于动平台P与基座B之间。丝杆d1、d2通过齿轮gr1、gr2传动的方式与固定安装于基座B上的电机M1、M2连接。应理解到，在其它实施例中，丝杆d1、d2可以通过同步带传动的方式与电机M1、M2连接。
现在参照图4。在动平台P中形成阶梯凹槽或其他合适结构，以接纳第一保持构件hd1，使得转台Q能够在第一保持构件hd1的约束下，在动平台P中自转。第一保持构件hd1可以包括轴承(比如，压力球轴承、深沟球轴承、直线轴承等)、弹簧卡环、挡圈、轴撑件、卡轴、或挡块等。设置在动平台P中的扭矩动力源t可以采用市售的直驱电机M3(比如丹纳赫公司的无框旋转直驱电机系列)，其定子框与所述动平台P的基部固定，而动子框直接带动所述转台Q。为了使结构更紧凑，扭矩动力源t还可以保护非标设计的动子和定子，从而更加适应动平台P和转台Q的尺寸。参照图8a和8b，其分别所示为用于本发明的扭矩动力源t的动子t1和定子t2。在一个实施例中，动子以永磁材料制成，采用四极内外径向间隔充磁方式：内侧的绕轴向0度位置为N极，90度为S极，180度为N极，270度为S极，而外侧则相反，所述前磁环11的外侧的绕轴向0度位置为S极，90度为N极，180度为S极，270度为N极。定子t2采用三相无齿槽绕组。在其它实施例中，动子t1和定子t2还可以采用其它同步或异步形式的励磁和绕组结构。
图6和7所示为根据本发明的混联三自由度云台机构第二构型的具体实施例。
参照图6，在此实施例中，第三支链H的布置方式与上述第一构型的方式大致相同，而不同点在于：动平台P与伸缩杆B1A1通过球关节连接于第一动节点B1处，伸缩杆B1A1与基座B通过旋转副连接于第一节点A1处，伸缩杆B1A1由线性致动器AT1驱动来改变长度并驱使动平台P旋转。动平台P与伸缩杆B2A2通过球关节连接于第二动节点B2处，伸缩杆B2A2与滑块sb2通过球关节连接于第二节点A2处，伸缩杆B2A2由线性致动器AT2驱动来改变长度并驱使动平台P旋转。
在上述实施例中，根据本发明的云台机构的一些以三自由度运动的位置可参见附图5和7。
在一些实施例中，可以在第一驱动支链、第二驱动支链和第三支链中分别设置位置传感器，用于反馈滑块sb1、sb2和转台Q的运动位置，还可以在电机M1、M2和M3中设置传感器或编码器，从而实现闭环或半闭环的运动控制。
在上述实施例中，第一和第二驱动支链的线性驱动方式不局限于电机-丝杆方式、直线致动器，还可以为直驱电机(比如，交流同步直线电机、直流音圈电机)方式、液压/气动方式等。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种紧凑型云台机构，包括基座(B)和动平台(P)，其特征在于，还包括：
用于驱动所述动平台(P)以第一方向摆动的第一驱动支链(A1B1C1)，其一端与所述基座(B)连接于第一节点(A1)，另一端与所述动平台(P)连接于第一动节点(B1)；
用于驱动所述动平台(P)以第二方向摆动的第二驱动支链(A2B2C2)，其一端与所述基座(B)连接于第二节点(A2)，另一端与所述动平台(P)连接于第二动节点(B2)；以及
用于维持所述动平台(P)在空间翻转的第三支链(H)，该第三支链(H)的一端与所述基座(B)固定连接于第三节点(O)，另一端通过第三转动节点(U)与所述动平台(P)的中部连接，
其中所述动平台(P)设有扭矩动力源(t)以驱动所述动平台(P)上的转台(Q)转动。
2.根据权利要求1所述的混联三自由度云台机构，其特征在于：
所述第一驱动支链(A1B1C1)包括第一移动副构件、第一旋转副构件和第一万向连接副构件；
所述第二驱动支链(A2B2C2)包括第二移动副构件、第二万向连接副构件和第三万向连接副构件。
3.根据权利要求2所述的混联三自由度云台机构，其特征在于：
在所述第一驱动支链(A1B1C1)中，
所述第一移动副构件的一端在所述第一节点(A1)与所述基座(B)固定，另一端与所述第一旋转副构件连接，
所述第一旋转副构件通过第一连杆连接至所述第一万向连接副构件，并且
所述第一万向连接副构件在所述第一动节点(B1)与所述述动平台(P)连接；
在所述第二驱动支链(A2B2C2)中，
所述第二移动副构件的一端在所述第二节点(A2)与所述基座(B)固定，另一端与所述第二万向连接副构件连接，
所述第二万向连接副构件通过第二连杆连接至所述第三万向连接副构件，并且
所述第三万向连接副构件在所述第二动节点(B2)与所述述动平台(P)连接。
4.根据权利要求2所述的混联三自由度云台机构，其特征在于：
在所述第一驱动支链(A1B1C1)中，
所述第一旋转副构件与所述基座(B)连接，
所述第一移动副构件的一端与所述第一旋转副构件连接，另一端与所述第一万向连接副构件连接，并且
所述第一万向连接副构件在所述第一动节点(B1)与所述述动平台(P)连接；
在所述第二驱动支链(A2B2C2)中，
所述第二万向连接副构件与所述基座(B)连接，
所述第二移动副构件的一端与所述第二万向连接副构件连接，另一端与所述第三万向连接副构件连接，并且
所述第三万向连接副构件在所述第二动节点(B2)与所述述动平台(P)连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的混联三自由度云台机构，其特征在于：
所述第三支链(H)还包括设置在所述第三转动节点(U)位置的第四万向连接副构件；
所述第四万向连接副构件的自由端直接固定至所述动平台(P)的基部；
所述第四万向连接副构件的固定端由所述第二保持构件保持转动和保持支撑，
所述扭矩动力源(t)的定子与所述动平台(P)的基部固定，所述扭矩动力源(t)的动子以传动的方式驱动所述转台(Q)或者直接带动所述转台(Q)。
6.根据权利要求5所述的混联三自由度云台机构，其特征在于，
所述第一万向连接副构件、第二万向连接副构件、第三万向连接副构件和第四万向连接副构件分别包含关节轴承、球铰或万向联轴器。
7.根据权利要求1所述的混联三自由度云台机构，其特征在于：
所述第一节点(A1)、所述第二节点(A2)和所述第三节点(O)组成一个非180度的夹角(aa)。
8.根据权利要求1所述的混联三自由度云台机构，其特征在于，还包括：
第一致动源，用于通过第一传动机构或者通过直接驱动的方式带动所述第一驱动支链(A1B1C1)内部的线性运动；
第二致动源，用于通过第二传动机构或者通过直接驱动的方式驱动所述第二驱动支链(A2B2C2)内部的线性运动。
9.根据权利要求8所述的混联三自由度云台机构，其特征在于：
所述第一致动源和第二致动源分别包含旋转电机、直线电机、气缸、液压缸或致动器；
所述第一传动机构和第二传动机构分别包含丝杆螺母传动机构、齿轮传动机构或同步带传动机构。
10.根据权利要求1所述的混联三自由度云台机构，其特征在于，还包括：
第一传感器(SE1)，用于反馈所述第一驱动支链(A1B1C1)中的运动位置；
第二传感器(SE2)，用于反馈所述第二驱动支链(A2B2C2)中的运动位置；或
第三传感器(SE3)，用于反馈所述转台(Q)的旋转运动位置。
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