用固體潤滑材料制成，可使用PTFE (聚四氟乙烯)或者PEEK(聚醚醚酮)材料，本實施例使用聚四氟乙烯材料。
[0062]若上壓塊5未采用固體潤滑材料，則為了防止上壓塊5與轉(zhuǎn)動體I之間產(chǎn)生較大的摩擦力而影響轉(zhuǎn)動體I旋轉(zhuǎn)，可以在上壓塊5與轉(zhuǎn)動體I接觸的部位加裝防摩擦墊或防摩擦層，并將防摩擦墊或防摩擦層固定在上壓塊5上。
[0063]驅(qū)動電機7采用駐波型壓電陶瓷電機，其數(shù)量為四個，其中兩個以相對的方式在X方向上對稱布置于轉(zhuǎn)動體I兩側(cè)，另外兩個以相對的方式在Y方向上對稱布置于轉(zhuǎn)動體I兩側(cè)，四個驅(qū)動電機7圍繞轉(zhuǎn)動體I均勻分布且縱向布置，形成的相位角為90度，各驅(qū)動電機7的驅(qū)動端為直線驅(qū)動端，也就是只能夠進行直線驅(qū)動，其直線驅(qū)動端與轉(zhuǎn)動體I的摩擦球面直接接觸，形成與摩擦球面相切的磨擦傳動副，同一方向上的兩個驅(qū)動電機7的磨擦傳動副的回轉(zhuǎn)力矩方向相反，X軸方向上的兩個驅(qū)動電機7用于同時驅(qū)動轉(zhuǎn)動體I繞Y軸轉(zhuǎn)動，Y軸方向上的兩個驅(qū)動電機7用于同時驅(qū)動轉(zhuǎn)動體I繞X軸轉(zhuǎn)動。
[0064]具體地，驅(qū)動電機7可通過圖2中所示的電機安裝板8固定在球形凹座2的驅(qū)動電機安裝位上。
[0065]由于驅(qū)動電機7的直線驅(qū)動端為陶瓷頭，因此轉(zhuǎn)動體I亦優(yōu)選陶瓷轉(zhuǎn)動體，以便兩者形成較為理想的摩擦工作副。
[0066]角度傳感器6為MEMS角度傳感器，具體可使用MEMS陀螺或MEMS加速度計，其通過傳感器連接安裝板9安裝在轉(zhuǎn)動體I頂部的平面上，用于適時檢測轉(zhuǎn)動體I的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制單元，進而由控制單元根據(jù)所測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)動體I在兩個旋轉(zhuǎn)自由度(繞X軸旋轉(zhuǎn)和繞Y軸旋轉(zhuǎn))上的定向、穩(wěn)定進行控制和調(diào)整。
[0067]這里的定向指轉(zhuǎn)動體I及其上的負載始終指向或?qū)誓骋惶囟ǚ较蚧蛱囟繕?，穩(wěn)定指轉(zhuǎn)動體I及其上的負載始終保持設(shè)定的姿態(tài)，例如轉(zhuǎn)動體I的頂面始終保持水平等。
[0068]當(dāng)然，角度傳感器6也可以放置于球形轉(zhuǎn)動體I內(nèi)部，不論角度傳感器是內(nèi)置還是外置，均采用無線方式供電和無線方式傳輸測量數(shù)據(jù)。
[0069]工作時，驅(qū)動電機7通過壓電電機陶瓷頭與陶瓷球形轉(zhuǎn)動體I表面的摩擦傳遞力或力矩的，驅(qū)動電機7的陶瓷頭以超聲工作頻率和納米的振幅以摩擦的形式將力直接傳遞到陶瓷球形轉(zhuǎn)動體I表面，形成繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩。
[0070]對Y軸兩端縱向安裝的兩個驅(qū)動電機7進行反向激勵，將給陶瓷球形轉(zhuǎn)動體I施加一個繞X軸回轉(zhuǎn)的力矩；對另外一對驅(qū)動電機7進行反向激勵，將給陶瓷球形轉(zhuǎn)動體I施加一個繞Y軸回轉(zhuǎn)的力矩，從而實現(xiàn)繞X、Y軸兩個旋轉(zhuǎn)自由度的驅(qū)動。
[0071]這里給出的只是本實用新型的一種【具體實施方式】，此種方式可實現(xiàn)X、Y軸兩個旋轉(zhuǎn)自由度的驅(qū)動，但由于轉(zhuǎn)動體I為部分球體，因此不能進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)，對此，可以將轉(zhuǎn)動體I設(shè)計為完整的陶瓷球形轉(zhuǎn)動體，同時將角度傳感器6等放置于陶瓷球形轉(zhuǎn)動體I內(nèi)部，通過無線方式進行供電、傳輸測量數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)繞X、Y軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的無約束穩(wěn)定驅(qū)動，而對于旋轉(zhuǎn)范圍較小的應(yīng)用，轉(zhuǎn)動體I可設(shè)計為具有多個局部球面的虛擬球形轉(zhuǎn)動體。
[0072]如圖5所示，虛擬球形轉(zhuǎn)動體指多個局部球面1-1位于同一完整球面上，而外形上并不呈現(xiàn)為常規(guī)球形的轉(zhuǎn)動體。
[0073]上述實施例的四個驅(qū)動電機7縱向安裝在球形轉(zhuǎn)動體I的赤道面上，分布在X、Y軸的兩端，對于穩(wěn)定、調(diào)平響應(yīng)速度要求較低的應(yīng)用，可以在球形轉(zhuǎn)動體I的X、Y軸僅各安裝一個驅(qū)動電機7，另一端安裝與之相對的轉(zhuǎn)動支撐件即可。
[0074]此外，對于特殊應(yīng)用，驅(qū)動電機7可以不縱向安裝于球形轉(zhuǎn)動體I的赤道面，而是縱向安裝在球形轉(zhuǎn)動體I的任意水平截面上的相切位置。
[0075]上述內(nèi)容僅是本實用新型所提供雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的優(yōu)選方案，具體并不局限于此，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)實際需要作出具有針對性的調(diào)整，從而得到不同的實施方式。例如，將下支撐環(huán)4替換為環(huán)形分布的若干支撐塊，由支撐塊通過局部內(nèi)球面支撐轉(zhuǎn)動體I ;或者，驅(qū)動電機7的數(shù)量進一步增加或減少，設(shè)置三、五、六甚至更多個，并按照等分或不等分的相位角進行分布等等。由于可能實現(xiàn)的方式較多，這里就不再一一舉例說明。
[0076]本實用新型使用壓電陶瓷電機摩擦傳動特性和具有磨擦球面的轉(zhuǎn)動體相結(jié)合，借助MEMS傳感器實現(xiàn)雙自由度旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定驅(qū)動，可用于將負載始終穩(wěn)定的保持在水平位置或其他特定方位，在雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置的基礎(chǔ)上，將其底座3固定于Z向旋轉(zhuǎn)軸，或者在其球形旋轉(zhuǎn)體I中增加一個Z向旋轉(zhuǎn)軸，即可構(gòu)成單球三軸旋轉(zhuǎn)裝置，從而實現(xiàn)三旋轉(zhuǎn)自由度控制，可進一步擴大應(yīng)用范圍。
[0077]除了上述雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，本實用新型還提供一種應(yīng)用系統(tǒng)，包括驅(qū)動裝置及其上的工作單元，驅(qū)動裝置為上文所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，工作單元設(shè)于轉(zhuǎn)動體的負載安裝平臺。例如飛行器、高鐵、機動車等高速飛行、運行設(shè)備上的導(dǎo)航系統(tǒng)，或者測量、試驗、攝錄等設(shè)備中的精確運行系統(tǒng)，以實現(xiàn)定向指定、對準、校正、跟蹤等功能，其余結(jié)構(gòu)請參考現(xiàn)有技術(shù)，本文不再贅述。
[0078]以上對本實用新型所提供的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置及應(yīng)用系統(tǒng)進行了詳細介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，包括: 轉(zhuǎn)動體(I)，具有磨擦球面，其頂部或內(nèi)部設(shè)有負載安裝平臺； 固定支撐結(jié)構(gòu)，保持所述轉(zhuǎn)動體(I)，使其僅具有旋轉(zhuǎn)自由度； 驅(qū)動電機(7)，其驅(qū)動端與所述轉(zhuǎn)動體(I)的摩擦球面直接接觸，形成與所述摩擦球面相切的磨擦傳動副。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述驅(qū)動電機(7)的數(shù)量為四個，以90度相位角均勻分布于所述轉(zhuǎn)動體⑴外圍，其中相對的兩個所述驅(qū)動電機(7)的磨擦傳動副的回轉(zhuǎn)力矩方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述驅(qū)動電機(7)的數(shù)量為兩個，兩者的相位角為90度，各所述驅(qū)動電機(7)在所述轉(zhuǎn)動體(I)的另一側(cè)均設(shè)有與之相對的轉(zhuǎn)動支撐件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述驅(qū)動電機(7)為駐波型壓電陶瓷電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，各所述驅(qū)動電機(7)縱向布置于所述轉(zhuǎn)動體(I)周圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，還包括: 檢測單元，用于獲取并向控制單元傳輸所述轉(zhuǎn)動體(I)的姿態(tài)數(shù)據(jù)； 控制單元，用于接收所述檢測單元測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)包括所述姿態(tài)數(shù)據(jù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)對所述轉(zhuǎn)動體(I)在兩個旋轉(zhuǎn)自由度上的旋轉(zhuǎn)進行控制和調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動體(I)為完整球形轉(zhuǎn)動體、部分球形轉(zhuǎn)動體或者具有多個局部球面的虛擬球形轉(zhuǎn)動體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)動體(I)為陶瓷或金屬轉(zhuǎn)動體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述固定支撐結(jié)構(gòu)包括: 底座(3)，其上設(shè)有容納所述轉(zhuǎn)動體的球形凹座(2); 下支撐件，設(shè)于所述球形凹座(2)球形空間的底部，其支撐所述轉(zhuǎn)動體(I)具有旋轉(zhuǎn)自由度； 上壓塊(5)，分布于所述球形凹座(2)頂部，其將所述轉(zhuǎn)動體(I)向下保持在所述下支撐件上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述下支撐件為下支撐環(huán)(4)，其通過環(huán)帶形內(nèi)球面支撐所述轉(zhuǎn)動體(I);或者，所述下支撐件為環(huán)形分布的若干支撐塊，其通過局部內(nèi)球面支撐所述轉(zhuǎn)動體(I)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述下支撐環(huán)(4)或支撐塊為采用固體潤滑材料制成的支撐環(huán)或支撐塊。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述上壓塊為采用固體潤滑材料制成的上壓塊。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述球形凹座(2)呈開口向上的空心半球形，其外側(cè)設(shè)有局部平面，并在局部平面上開設(shè)槽口，形成驅(qū)動電機安裝位，相鄰的所述槽口之間形成異形支柱，所述上壓塊(5)安裝于所述異形支柱頂部。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13任一項所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，其特征在于，所述驅(qū)動電機(7)的驅(qū)動端與所述轉(zhuǎn)動體(I)的摩擦球面在赤道面或者任意水平截面位置直接接觸。
15.—種應(yīng)用系統(tǒng)，包括旋轉(zhuǎn)裝置及其上的工作單元，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)裝置為上述權(quán)利要求1至14任一項所述的雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置，所述工作單元設(shè)于所述轉(zhuǎn)動體(I)的負載安裝平臺。
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙自由度旋轉(zhuǎn)控制裝置及應(yīng)用系統(tǒng)，包括：轉(zhuǎn)動體(1)，具有磨擦球面，其頂部或內(nèi)部設(shè)有負載安裝平臺；固定支撐結(jié)構(gòu)，保持所述轉(zhuǎn)動體(1)，使其僅具有旋轉(zhuǎn)自由度；驅(qū)動電機(7)，為駐波型壓電陶瓷電機，各所述驅(qū)動電機(7)縱向布置于所述轉(zhuǎn)動體(1)周圍，其驅(qū)動端與所述轉(zhuǎn)動體(1)的摩擦球面直接接觸，形成與所述摩擦球面相切的縱向磨擦傳動副；控制單元，根據(jù)檢測單元測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)，對所述轉(zhuǎn)動體(1)在兩個旋轉(zhuǎn)自由度上的旋轉(zhuǎn)進行控制和調(diào)整。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能穩(wěn)定，且易于小型化、動態(tài)響應(yīng)更寬、功耗更小，可廣泛應(yīng)用于各種動態(tài)穩(wěn)定平臺和自動靜態(tài)定向/調(diào)平裝置。
【IPC分類】G05D3-12, F16M11-04
【公開號】CN204595622
【申請?zhí)枴緾N201520353879
【發(fā)明人】唐李征, 張地
【申請人】北京合眾思壯科技股份有限公司
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月27日