本發(fā)明涉及混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)，還涉及混聯(lián)式旋轉(zhuǎn)三自由度伺服穩(wěn)定追蹤平臺，可應(yīng)用于機(jī)器人、精密加工、特種設(shè)備和大眾電子消費品等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)三自由度伺服平臺是一種十分重要的智能自動化設(shè)備，廣泛應(yīng)用于手持云臺、機(jī)器人腕關(guān)節(jié)、導(dǎo)彈發(fā)射、航天航空、機(jī)床加工等領(lǐng)域。這類機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自由度，通過控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)定位、穩(wěn)定、防抖、跟蹤等功能。

這些傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)三自由度伺服平臺一般由三個旋轉(zhuǎn)部件串聯(lián)而成。如公開號為CN104633407的專利文獻(xiàn)公開了一種三自由度旋轉(zhuǎn)平臺，包括：驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺繞Z軸轉(zhuǎn)動的Z軸驅(qū)動模塊和Z軸傳動模塊；驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺繞Y軸轉(zhuǎn)動的Y軸驅(qū)動模塊和Y軸傳動模塊；驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺繞X軸轉(zhuǎn)動的X軸驅(qū)動模塊和X軸傳動模塊；以及承載各個驅(qū)動模塊和傳動模塊的基座。但是這些純串聯(lián)式的三自由度旋轉(zhuǎn)平臺受傳動方式和結(jié)構(gòu)的限制，必然具有慣量大、負(fù)載能力低和動態(tài)性能差等缺點。

也有一些用并聯(lián)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)三自由度伺服平臺。如公開號為CN205343112U的專利文獻(xiàn)公開了一種含可變角形分支的三自由度并聯(lián)調(diào)姿隔振平臺。但其只能實現(xiàn)三個自由度有限角度的旋轉(zhuǎn)，無法滿足需要有一個自由度無限旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用，并且這類并聯(lián)機(jī)構(gòu)的負(fù)載全部都需驅(qū)動承擔(dān)，降低了負(fù)載能力和動態(tài)性能。

在實際的應(yīng)用中，比如在全景拍攝、旋轉(zhuǎn)加工等應(yīng)用場合，往往都是需要具有兩個有限角度的旋轉(zhuǎn)自由度和一個無限角度的旋轉(zhuǎn)自由度。而且在一些對體積重量、響應(yīng)速度和運動精度有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，比如無人機(jī)云臺、機(jī)器人關(guān)節(jié)等應(yīng)用場合，對旋轉(zhuǎn)三自由度伺服平臺產(chǎn)生亟待解決的性能和結(jié)構(gòu)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過提供一種高響應(yīng)、體積緊湊和高集成化的三自由云臺機(jī)構(gòu)或度伺服平臺，以解決上述技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)，包括基座和動平臺，還包括：用于驅(qū)動所述動平臺以第一方向擺動的第一驅(qū)動支鏈，其一端與所述基座連接于第一節(jié)點，另一端與所述動平臺連接于第一動節(jié)點；用于驅(qū)動所述動平臺以第二方向擺動的第二驅(qū)動支鏈，其一端與所述基座連接于第二節(jié)點，另一端與所述動平臺連接于第二動節(jié)點；用于保持所述動平臺在空間擺動的第三支鏈，該第三支鏈的一端與所述基座固定連接于第三節(jié)點，其中該第三支鏈設(shè)有扭矩動力源以在另一端通過第三轉(zhuǎn)動節(jié)點驅(qū)動所述動平臺上的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一驅(qū)動支鏈包括第一移動副構(gòu)件、第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件和第一萬向連接副構(gòu)件；所述第二驅(qū)動支鏈包括第二移動副構(gòu)件、第二萬向連接副構(gòu)件和第三萬向連接副構(gòu)件。

作為一個優(yōu)選的實施例：在所述第一驅(qū)動支鏈中，所述第一移動副構(gòu)件的一端在所述第一節(jié)點與所述基座固定，另一端與所述第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件連接，所述第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件通過第一連桿連接至所述第一萬向連接副構(gòu)件，并且所述第一萬向連接副構(gòu)件在所述第一動節(jié)點與所述述動平臺連接；在所述第二驅(qū)動支鏈中，所述第二移動副構(gòu)件的一端在所述第二節(jié)點與所述基座固定，另一端與所述第二萬向連接副構(gòu)件連接，所述第二萬向鏈接副構(gòu)件通過第二連桿連接至所述第三萬向連接副構(gòu)件，并且所述第三萬向連接副構(gòu)件在所述第二動節(jié)點與所述述動平臺連接。

作為另一個優(yōu)選的實施例：在所述第一驅(qū)動支鏈中，所述第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件與所述基座連接，所述第一移動副構(gòu)件的一端與所述第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件連接，另一端與所述第一萬向連接副構(gòu)件連接，并且所述第一萬向連接副構(gòu)件在所述第一動節(jié)點與所述述動平臺連接；在所述第二驅(qū)動支鏈中，所述第二萬向連接副構(gòu)件與所述基座連接，所述第二移動副構(gòu)件的一端與所述第二萬向連接副構(gòu)件連接，另一端與所述第三萬向連接副構(gòu)件連接，并且所述第三萬向連接副構(gòu)件在所述第二動節(jié)點與所述述動平臺連接。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)：所述動平臺包括第一保持構(gòu)件；所述第三支鏈還包括第二保持構(gòu)件和設(shè)置在所述第三轉(zhuǎn)動節(jié)點位置的第四萬向連接副構(gòu)件；所述第四萬向連接副構(gòu)件的輸出軸由所述第一保持構(gòu)件保持轉(zhuǎn)動，并且該輸出軸與所述轉(zhuǎn)臺連接；所述第四萬向連接副構(gòu)件的輸入軸由所述第二保持構(gòu)件保持轉(zhuǎn)動和保持支撐，并且該輸入軸與所述扭矩動力源直接連接或者通過扭矩傳動機(jī)構(gòu)連接。第一保持構(gòu)件和第二保持構(gòu)件可以包括軸承和支撐結(jié)構(gòu)件，用于支承所述動平臺或所述第四萬向連接副構(gòu)件同時保證其自身旋轉(zhuǎn)運動。

優(yōu)選地，所述第一萬向連接副構(gòu)件、第二萬向連接副構(gòu)件、第三萬向連接副構(gòu)件和第四萬向連接副構(gòu)件分別包含關(guān)節(jié)軸承、球鉸或萬向聯(lián)軸器等。

進(jìn)一步，所述第一節(jié)點、所述第二節(jié)點和所述第三節(jié)點組成一個非180度的夾角。

進(jìn)一步，所述的混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)，還包括：第一致動源，用于通過第一傳動機(jī)構(gòu)或者通過直接驅(qū)動的方式帶動所述第一驅(qū)動支鏈內(nèi)部的線性運動；第二致動源，用于通過第二傳動機(jī)構(gòu)或者通過直接驅(qū)動的方式驅(qū)動所述第二驅(qū)動支鏈內(nèi)部的線性運動。

所述第一致動源和第二致動源分別包含旋轉(zhuǎn)電機(jī)、直線電機(jī)、氣缸、液壓缸或致動器等；所述第一傳動機(jī)構(gòu)和第二傳動機(jī)構(gòu)分別包含絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)或同步帶傳動機(jī)構(gòu)等。

優(yōu)選地，所述的混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)還包括：第一傳感器，用于反饋所述第一驅(qū)動支鏈中的運動位置；第二傳感器，用于反饋所述第二驅(qū)動支鏈中的運動位置；或第三傳感器，用于反饋所述轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)運動位置。

本發(fā)明的有益效果為：實現(xiàn)了具有無限旋轉(zhuǎn)自由度的混聯(lián)三自由云臺機(jī)構(gòu)或度伺服平臺，擴(kuò)展了應(yīng)用范圍和提高了操控靈活性；顯著提高平臺負(fù)載能力和動態(tài)響應(yīng)性能，同時又滿足體積緊湊和高集成化的要求；本發(fā)明的結(jié)構(gòu)還適用輕量化設(shè)計和高精度運動控制，應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的第一構(gòu)型的原理圖；

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的第二構(gòu)型的原理圖；

圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的第一構(gòu)型在一具體實施例中的立體圖；

圖4所示為圖3的第一構(gòu)型沿豎直方向的剖視圖；

圖5所示為圖3的第一構(gòu)型在一運動位置的立體圖；

圖6所示為根據(jù)本發(fā)明的第二構(gòu)型在一具體實施例中的立體圖；

圖7所示為圖6的第二構(gòu)型在一運動位置的立體圖，其中隱藏了第三支鏈的結(jié)構(gòu)支撐件。

具體實施方式

當(dāng)結(jié)合附圖參考詳細(xì)說明書考慮時，本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)勢會變得顯而易見。

圖1所示為的根據(jù)本發(fā)明的混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)第一構(gòu)型的機(jī)構(gòu)原理圖。如圖所示，此構(gòu)型的云臺機(jī)構(gòu)主要包括基座(B-platform)、動平臺(P-platform)和連接在基座和動平臺之間的第一驅(qū)動支鏈A1B1C1、第二驅(qū)動支鏈A2B2C2和第三支鏈H。其中，第一驅(qū)動支鏈A1B1C1的一端與基座B連接于第一節(jié)點A1，另一端與動平臺P連接于第一動節(jié)點B1；第二驅(qū)動支鏈A2B2C2的一端與基座B連接于第二節(jié)點A2，另一端與動平臺P連接于第二動節(jié)點B2；第三支鏈H的一端與基座B固定連接于第三節(jié)點O，其中該第三支鏈H設(shè)有扭矩動力源t，以在另一端通過第三轉(zhuǎn)動節(jié)點U驅(qū)使動平臺P上的轉(zhuǎn)臺Q轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)臺Q的幾何中心位置延伸的軸穿過動平臺，然后連接至第三轉(zhuǎn)動節(jié)點U。第一節(jié)點A1、第二節(jié)點A2和第三節(jié)點O組成夾角aa，該夾角可以是180度以外的任意角，優(yōu)選為90度。優(yōu)選地，第一動節(jié)點B1、第二動節(jié)點B2和動平臺P幾何中心組成夾角bb基本上等于夾角aa。第一節(jié)點A1、第二節(jié)點A2和第三節(jié)點O可以是成形在基座B上的剛性節(jié)點，或者是通過結(jié)構(gòu)件固定連接至基座B的節(jié)點。應(yīng)理解到，在其它實施例中，夾角aa和bb可以變化或者不相等，第三節(jié)點O可以不位于基座B的中部，或者第三轉(zhuǎn)動節(jié)點U不在動平臺P的中部連接轉(zhuǎn)臺Q。

在本實施例中，第一驅(qū)動支鏈A1B1C1包括第一移動副構(gòu)件、第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件和第一萬向連接副構(gòu)件。第一移動副構(gòu)件的一端在第一節(jié)點A1與基座B固定，另一端與第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件連接，第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件通過第一連桿連接至第一萬向連接副構(gòu)件，并且第一萬向連接副構(gòu)件在第一動節(jié)點B1與述動平臺P連接。第二驅(qū)動支鏈A2B2C2包括第二移動副構(gòu)件、第二萬向連接副構(gòu)件和第三萬向連接副構(gòu)件。第二移動副構(gòu)件的一端在第二節(jié)點A2與基座B固定，另一端與第二萬向連接副構(gòu)件連接，萬向連接副構(gòu)件通過第二連桿連接至第三萬向連接副構(gòu)件，并且第三萬向連接副構(gòu)件在第二動節(jié)點B2與述動平臺P連接。

圖2所示為的根據(jù)本發(fā)明的混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)第二構(gòu)型的機(jī)構(gòu)原理圖。第二構(gòu)型與上述第一構(gòu)型的區(qū)別在于第一驅(qū)動支鏈A1B1C1和第二驅(qū)動支鏈A2B2C2中的移動副構(gòu)件、旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件和萬向連接副構(gòu)件彼此之間的布局方式不同。如圖2所示，在第一驅(qū)動支鏈A1B1C1中，第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件與基座B連接，第一移動副構(gòu)件的一端與第一旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件連接，另一端與第一萬向連接副構(gòu)件連接，并且第一萬向連接副構(gòu)件在第一動節(jié)點B1與述動平臺P連接；在第二驅(qū)動支鏈A2B2C2中，第二萬向連接副構(gòu)件與基座B連接，第二移動副構(gòu)件的一端與第二萬向連接副構(gòu)件連接，另一端與第三萬向連接副構(gòu)件連接，并且第三萬向連接副構(gòu)件在第二動節(jié)點B2與述動平臺P連接。

可以理解到，在上述實施例中的旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件可以包括旋轉(zhuǎn)鉸接結(jié)構(gòu)、樞轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)或任意公知的單一轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)/關(guān)節(jié)；移動副構(gòu)件可以包括導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)-直線傳動結(jié)構(gòu)、直線-直線傳動結(jié)構(gòu)或者是引導(dǎo)活動件進(jìn)行單一線性移動的任意公知結(jié)構(gòu)；萬向連接副構(gòu)件可以包括關(guān)節(jié)軸承、球鉸、萬向聯(lián)軸器或者任意公知的全向(universal)轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)/關(guān)節(jié)。

圖3-5所示為根據(jù)本發(fā)明的混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)第一構(gòu)型的具體實施例。

現(xiàn)在參照圖3和4。動平臺P與連桿B1C1通過球關(guān)節(jié)連接于第一動節(jié)點B1處，第一連桿B1C1與第一滑塊sb1連接于樞轉(zhuǎn)軸C1處。動平臺P與第二連桿B2C2通過球關(guān)節(jié)連接于第二動節(jié)點B2處，第二連桿B2C2與第二滑塊sb2通過球關(guān)節(jié)連接于節(jié)點C2處?；瑝Ksb1、sb2由絲桿d2引導(dǎo)運動(在圖示為上下運動)，絲桿d1、d2分別附屬有絲桿導(dǎo)軌并安裝于動平臺P與基座B之間。絲桿d1、d2通過齒輪gr1、gr2傳動的方式與固定安裝于基座B上的電機(jī)M1、M2連接。應(yīng)理解到，在其它實施例中，絲桿d1、d2可以通過同步帶傳動的方式與電機(jī)M1、M2連接。

用于帶動動平臺P旋轉(zhuǎn)的第三支鏈H主要包括設(shè)置在第三轉(zhuǎn)動節(jié)點U處的萬向節(jié)以及與萬向節(jié)一端連接的第三電機(jī)M3。第三支鏈H通過與基座B固定的結(jié)構(gòu)支撐件BR3以在空間中支承。萬向節(jié)的輸入端穿過設(shè)置在結(jié)構(gòu)支撐件BR3的軸承，然后連接于第三支鏈H；萬向節(jié)的輸出端穿過設(shè)置在動平臺P的軸承與轉(zhuǎn)臺Q固定連接。第三電機(jī)M3的輸出軸與萬向節(jié)輸入端連接。第三電機(jī)M3的本體與結(jié)構(gòu)支撐件BR3通過法蘭固定。

參照圖4，在動平臺P中形成階梯凹槽或其他合適結(jié)構(gòu)，以接納第一保持構(gòu)件hd1，使得轉(zhuǎn)臺Q能夠在第一保持構(gòu)件hd1的約束下，在動平臺P中自轉(zhuǎn)。同樣，在第三支鏈H的結(jié)構(gòu)支撐件BR3中形成階梯凹槽或其他合適結(jié)構(gòu)，以接納第二保持構(gòu)件hd2，使得第三支鏈H第三轉(zhuǎn)動節(jié)點U附近的支撐結(jié)構(gòu)(或者是萬向節(jié))在第二保持構(gòu)件hd2的約束和支撐下可以旋轉(zhuǎn)。第一和第二保持構(gòu)件hd1、hd2可以包括軸承(比如，壓力球軸承、深溝球軸承、直線軸承等)、彈簧卡環(huán)、擋圈、軸撐件、卡軸、或擋塊等。

參照圖5，電機(jī)M1、M2可以分別旋轉(zhuǎn)通過齒輪帶動絲桿d1、d2旋轉(zhuǎn)，繼而帶動滑塊sb1、sb2上下運動；同時滑塊sb1、sb2通過連桿B1C1、B2C2帶動動平臺P以兩個自由度翻轉(zhuǎn)。第三電機(jī)M3可以帶動萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)，繼而帶動轉(zhuǎn)臺Q旋轉(zhuǎn)。電機(jī)M1、M2和M3之間可以彼此獨立運動，從而實現(xiàn)動平臺P連同轉(zhuǎn)臺Q以兩個擺動自由度和一個自身無限旋轉(zhuǎn)的自由度的三自由度運動。

圖6和7所示為根據(jù)本發(fā)明的混聯(lián)三自由度云臺機(jī)構(gòu)第二構(gòu)型的具體實施例。

參照圖6，在此實施例中，第三支鏈H的布置方式與上述第一構(gòu)型的方式大致相同，不同點在于：動平臺P與伸縮桿B1A1通過球關(guān)節(jié)連接于第一動節(jié)點B1處，伸縮桿B1A1與基座B通過旋轉(zhuǎn)副構(gòu)件連接于第一節(jié)點A1處，伸縮桿B1A1由線性致動器AT1驅(qū)動來改變長度并驅(qū)使動平臺P旋轉(zhuǎn)。動平臺P與伸縮桿B2A2通過球關(guān)節(jié)連接于第二動節(jié)點B2處，伸縮桿B2A2與滑塊sb2通過球關(guān)節(jié)連接于第二節(jié)點A2處，伸縮桿B2A2由線性致動器AT2驅(qū)動來改變長度并驅(qū)使動平臺P旋轉(zhuǎn)。

參照圖7，線性致動器AT1驅(qū)動伸縮桿B1A1來改變長度并驅(qū)使動平臺P旋轉(zhuǎn)；線性致動器AT2驅(qū)動伸縮桿B2A2來改變長度并驅(qū)使動平臺P旋轉(zhuǎn)；電機(jī)M3帶動萬向節(jié)輸,旋轉(zhuǎn)，繼而帶動轉(zhuǎn)臺Q旋轉(zhuǎn)。線性致動器AT1、AT2和電機(jī)M3之間可以彼此獨立運動，從而實現(xiàn)動平臺P連同轉(zhuǎn)臺Q在兩個擺動自由度和一個自身無限旋轉(zhuǎn)的自由度的運動。

在一些實施例中，可以在第一驅(qū)動支鏈、第二驅(qū)動支鏈和第三支鏈中分別設(shè)置位置傳感器SE1、SE2、SE3，用于反饋滑塊sb1、sb2和轉(zhuǎn)臺Q的運動位置，還可以在電機(jī)M1、M2和M3中設(shè)置傳感器或編碼器，從而實現(xiàn)閉環(huán)或半閉環(huán)的運動控制。位置傳感器SE1、SE2、SE3包括旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)或直線光柵尺等。

在上述實施例中，第一和第二驅(qū)動支鏈的線性驅(qū)動方式不局限于電機(jī)-絲桿方式、直線致動器，還可以為直驅(qū)電機(jī)(比如，交流同步直線電機(jī)、直流音圈電機(jī))方式、液壓/氣動方式等。

以上所述，只是本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，只要其以相同的手段達(dá)到本發(fā)明的技術(shù)效果，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)其技術(shù)方案和/或?qū)嵤┓绞娇梢杂懈鞣N不同的修改和變化。