二转动自由度绳索驱动式并联机构.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112693630A(43)申请公布日2021.04.23(21)申请号202110097507.3(22)申请日2021.01.25(66)本国优先权数据202011244748.82020.11.10CN(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人张祥瑞张尧张景瑞陆栋宁郭子熙王有懿关新樊茂(74)专利代理机构北京正阳理工知识产权代理事务所(普通合伙)11639代理人邬晓楠(51)Int.Cl.B64G1/22(2006.01)B64G1/66(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图4页(54)发明名称二转动自由度绳索驱动式并联机构(57)摘要本发明涉及二转动自由度绳索驱动式并联机构，属于航天器载荷指向机构领域。本发明的机构包括上平台、下平台、三套绳驱动单元、一套中心刚性支撑单元。其中上平台为圆盘型，均布用于连接固定的螺纹孔，下表面均布3个金属绳索套环；下平台为圆盘型，均布用于连接固定的螺纹孔；每套绳驱动单元包括电机、电机固定挡板、绞盘、绞盘固定挡片、绳索；中心刚性支撑单元包括中心支撑杆和球铰，中心支撑杆上下端均钻制螺纹孔用于和球铰、下平台固定。本发明利用电机旋转控制绳索收放实现上平台的二自由度转动运动，具有工作空间大、指向速度快、精度高、结构简单成本低的特点，可应用于具有快速、大角度运动需求的星载敏感载荷的姿态指向与跟瞄。CN112693630ACN112693630A权利要求书1/2页1.二转动自由度绳索驱动式并联机构，其特征在于：包括上平台、下平台、多套绳索驱动单元和中心刚性支撑单元；通过三套对称均布的绳驱动单元，由电机旋转收放绳索，在保证每条绳索张紧的状态下，实现对上平台绕上平台表面正交两轴的二转动自由度运动；所述中心刚性支撑单元下端固定安装在下平台中心；上端活动连接在上平台中心位置，能够实现二自由度转动；所述绳索驱动单元包括：电机、绞盘和绳索；所述多个电机均匀布置，且固定在下平台上；所述绞盘固定安装在电机轴上；所述绳索一端固定在上平台，另一端缠绕在绞盘上。2.如权利要求1所述二转动自由度绳索驱动式并联机构，其特征在于：所述在保证每条绳索张紧的状态下，实现对上平台绕上平台表面正交两轴的二转动自由度运动的方式为：绳长和上平台角度的对应运动学正解公式：其中a表示上平台半径，b表示下平台半径，h表示整个平台的高度，α和β分别表示上平台绕上平台坐标系的x轴和y轴转动角度；l1、l2和l3分别表示三条绳索的当前长度；sβ和cβ分别表示sinβ和cosβ；绳长和上平台角度的对应运动学反解公式：上平台动力学表示式如下：其中表示结构雅可比矩阵；T表示绳索拉力值矩阵；表示绳索拉力对上平台产生的x轴和y轴力矩组成的力矩矩阵；Mx表示绳索拉力对上平台产生的x轴力矩；My表示绳索拉力对上平台产生的y轴力矩；R2×1表示2行1列的矩阵空间。并根据所选用的直流力矩电机，列写出电机动力学方程：其中，L表示电机回路电感；R表示电机回路电阻；Ce表示电机反电动势系数；Jm表示电机等效转动惯量；τ表示绳索拉力；Bm表示电机粘性摩擦系数；Cm表示电机力矩系数；θm表示电机转角；rm表示电机绞盘等效半径；I和U分别表示电机回路电流和电压。并将绳索视为“弹簧‑阻尼”模型：2CN112693630A权利要求书2/2页其中，K、C分别表示绳索的刚性系数和阻尼系数；Y＝rmθm表示绳索绕绞盘的牵引位移；Y0＝li0‑li表示绳索与上平台连接处的末端位移；li0为第i条绳索初始长度，li定义与公式(1)中相同，表示第i条绳索的当前长度；表示绳索绕绞盘的牵引速度；表示绳索与上平台连接处的末端速度。3.如权利要求1所述二转动自由度绳索驱动式并联机构，其特征在于：所述上平台为圆盘型，均布用于连接固定的螺纹孔，下表面均布3个金属绳索套环；下平台为圆盘型，均布用于连接固定的螺纹孔；中心刚性支撑单元包括中心支撑杆和球铰；所述活动连接方式包括：万向节、球铰。4.如权利要求1或3所述所述二转动自由度绳索驱动式并联机构，其特征在于：所述上平台沿圆周均布3组螺纹孔，每组螺纹孔含4个正方形分布螺纹孔，每组螺纹孔组成的方形面向上平台中心的底边与上平台中心到方形中心连线垂直，且所述连线过方形底边垂直中心线；所述下平台均布与上平台类似特征的螺纹孔，并在中心处钻制一定深度非贯通孔用于中心支撑杆与下平台固定时的垂直定位；并在此非贯通孔底面钻制沿圆周分布的4个孔，通过螺栓实现下平台和中心支撑杆固定；所述上平台中心钻制一沉头螺纹孔，用于和球铰或万向节进行连接固定；所述金属绳索套环通过均布沉头螺纹孔安装在上平台下表面，并通过螺纹孔安装，保证经过套环形成的半圆心并与套环形成的半圆平面