一种柔性自适应动态平衡装置的制作方法

本发明涉及动态平衡装置研究领域，更具体的说，尤其涉及一种柔性自适应动态平衡装置。

背景技术：

目前海上回收航天器的难度大，主要的原因是海面回收平台在动态冲击平衡性以及航天器下降的姿态难以保证。由于海面回收平台在海面不断移动摇晃，导致回收航天器的海回收平台非常容易倾斜摔倒，使航天器的回收任务失败。为了解决这一问题，现有的一些平台能够一定程度上解决该问题，例如申请号为201610843328.x的中国发明专利公开了可实现五自由度的手动调节机构，采用了手动调节机构，不仅能调节线位移而且还能实现角位移的调整，其结构简单，成本低且操作方便。但是该发明采用手动调节，精度不高而且效率低下。目前，多数动态平衡装置采用串联机构，具有工作空间大、运动灵活等优点，但存在结构复杂、承载能力小、惯性大、实时性差等问题。针对上述不足，需要设计和开发一种高精度柔性自适应动态平衡调节平台装置，能够补足上述各个缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有动态平衡装置需要手动调节，调节精度不高以及结构均以串联为主导致承载能力低、惯性大且不利于实时控制的缺点，提出了一种具有无自由度的并联式柔性自适应动态平衡装置，可以自动、高精度的调节动平台以实现其水平实时控制的要求。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种柔性自适应动态平衡装置，包括下底板、动平台、电机丝杆导轨模块、第一支链和第二支链，所述下底板固定于地面，所述电机丝杆导轨模块固定在下底板上，所述第一支链的一端通过球面副与电机丝杆导轨模块的滑块连接，第一支链的另一端通与动平台铰接；所述第二支链的一端通过球面副与下底板连接，第二支链的另一端与动平台铰接；所述第一支链设置有五条，对应的电机丝杆导轨设置有五组，所述第二支链设置有一条；

所述电机丝杆导轨模块包括丝杆电机、滑块、电机固定支架、联轴器、丝杆、轴承座、滑台和滑台支撑架，所述滑台支撑架固定在下底板上，滑台固定在所述滑台支撑架上，所述丝杆电机固定在电机固定支架上，所述电机固定支架固定在滑台上，所述丝杆电机的输出端通过联轴器连接丝杆的一端，所述丝杆通过两个固定在滑台上的轴承座支撑；所述滑块上设置有与丝杆相配合的螺纹孔，丝杆穿过滑块的螺纹孔且滑块套装在所述滑台上，丝杆电机运动时通过驱动所述丝杆转动带动滑块沿着所述滑台滑动；

所述第一支链包括球头支架、球头端盖、球头、固定推杆下连接件、固定推杆、固定推杆上连接件和第三虎克铰，所述球头支架固定在所述滑块上，球头配合安装在球头支架内，球头端盖通过螺栓固定在球头支架上且将限制球头仅能在球头支架内转动；所述固定推杆下连接件的一端与球头的轴端固定连接，固定推杆下连接件的另一端与固定推杆的一端连接，固定推杆的另一端连接固定推杆上连接件，所述固定推杆上连接件连接第三虎克铰，所述第三虎克铰固定在所述动平台上；

所述第二支链包括固定台、下端连接件、第一虎克铰、直线电机连接件、直线电机、直线推杆、推杆连接件、上端连接件和第二虎克铰，所述第二虎克铰包括第二虎克铰上连接件、第二虎克铰中间件和第二虎克铰下连接件，所述第一虎克铰包括第一虎克铰上连接件、第一虎克铰中间件和第一虎克铰下连接件；所述固定台固定在所述下底板上，所述下端连接件固定在所述固定台上，所述第一虎克铰下连接件与下端连接件固定连接，第一虎克铰下连接件通过第一虎克铰中间件连接第一虎克铰上连接件，所述第一虎克铰上连接件通过直线电机连接件连接直线电机的固定端，所述直线电机的活动端连接直线推杆的一端，所述直线推杆的另一端通过推杆连接件连接第二虎克铰下连接件，所述第二虎克铰下连接件通过第二虎克铰中间件连接第二虎克铰上连接件，所述第二虎克铰上连接件与上端连接件固定连接，所述上端连接件固定在动平台底部。

进一步的，所述固定台固定在所述下底板的中部，所述上端连接件固定在所述动平台的底部中心位置。

进一步的，所述第三虎克铰包括第三虎克铰上连接件、第三虎克铰中间件、第三虎克铰下连接件，所述第三虎克铰下连接件通过第三虎克铰中间件连接第三虎克铰上连接件，所述第三虎克铰上连接件固定在动平台上；所述第三虎克铰下连接件与第三虎克铰中间件过盈配合，所述第三虎克铰中间件与第三虎克铰上连接件过盈配合。

进一步的，所述第一虎克铰下连接件与第一虎克铰中间件过盈配合，所述第一虎克铰中间件与第一虎克铰上连接件过盈配合；所述第二虎克铰下连接件与第二虎克铰中间件过盈配合，所述第二虎克铰中间件与第二虎克铰上连接件过盈配合。

进一步的，所述滑台焊接在滑台支撑架上，所述滑台支撑架焊接在所述下底板上。

进一步的，所述下底板和动平台均是正五边形形状，五条第一支链的上端连接在动平台的五个顶点处。

进一步的，所述下底板上设置有五条均匀凸起的滑道，所述滑台支撑架底部设置有一条凹槽且该凹槽用来与下底板上凸起的滑道配合定位。

进一步的，所述动平台和下底板在初始装配时保持平行且动平台的边缘与下底板的边线相交成36度角。

进一步，所述滑台支撑架的纵向截面呈直角三角形形状，其斜边与直角边成30度，滑台支撑架的倾斜面朝向所述下底板的外侧。

进一步的，所述动平台上还设置有位置传感器和力传感器，所述位置传感器通过第一传感器固定板固定在动平台的底部，所述力传感器通过第二传感器固定板固定在动平台的底部。

本发明采用plc和六个伺服驱动器作为控制系统，五个丝杆电机和一个直线电机上均安装有编码器，控制器的输出端分别与六个伺服驱动器的输入端连接，五个丝杆电机和一个直线电机的输入端各自连接一个伺服驱动器的输出端，位置传感器和力传感器直接连接控制器并向控制器传输位置和受力状况。

控制器可以根据动平台的位置要求和受力要求，通过算法运算出五个丝杆电机和一个直线电机转角的最佳组合，再根据相应电机转角数据运算出相应电机的脉冲数和脉冲频率，由控制器将由脉冲数和脉冲信号组成的脉冲信号发送到对应的伺服驱动器上，伺服驱动器分别驱动对应的丝杆电机或直线电机运行；编码器用于采集丝杆电机或直线电机的转角和转速信息，并把采集的信息输送给伺服驱动器，伺服驱动器通过对比初始信息和反馈信息，从而调整相应的丝杆电机或直线电机转速和转角，确保丝杆电机或直线电机可以达到设定的转速和转角；动平台上的位置传感器和力传感器检测平台的位置和受力状况，并将测量值传输给控制器，控制器对比测量值和设定值是否一致，若是不一致则调整相应的丝杆电机或直线电机的转角及转速，从而使动平台达到给定的位置要求和受力平衡要求。

本发明的工作过程如下：当动平台受到外力的冲击时，原本水平的动平台受到外力干扰而发生了倾斜或者偏离了原点位置，位置传感器测量偏离距离以及角度并且把测量值传送给控制器，控制器接受到信息后通过伺服驱动器控制五个丝杆电机和一个直线电机的转角及转速；且力传感器将动平台受力状况传输到控制器中，根据动平台受力要求最平稳以及输出功率最小的原则合理的选择一组最佳电机的转角及转速进行输入，实现实时控制动平台的姿态。

本发明采用的柔性控制算法过程为在给定的动平台姿态的基础上，通过运动学逆解计算出关节转动的角速度，通过动力学计算出电机所需要的驱动力力矩，然后根据平均功率、平均功率偏差、平均力矩损耗三个能耗指标来确定理想输入位移及组合形式，然后根据位置及阻抗反馈控制得到实际位移量和修正偏差来实现现耗能低、高精准的最优输入组合。

本发明的有益效果在于：本发明充分了利用了并联机构承载能力强、结构紧凑、运动灵活、惯性小以及便于实时控制等优点，整体对称结构设设计具有结构简单紧凑，设计合理，加工和装配工艺良好；采用六个电机作为动力源，控制动平台五个自由度且通过算法选择最佳的一组电机转角和转速数据进行合理的输入，同时利用位置传感器和力传感器检测动平台的姿态，采用闭环控制系统确保平台运动的准确性，从而能够实现精确且实时的控制。

附图说明

图1是本发明一种柔性自适应动态平衡装置的整体结构示意图。

图2是本发明一种柔性自适应动态平衡装置的主视结构示意图。

图3是本发明第一支链的结构示意图。

图4是本发明第二支链的结构示意图。

图5是本发明动平台及其底部连接部件的结构示意图。

图中，1-下底板、2-滑台支撑架、3-滑台、4-丝杆电机、5-轴承座、6-滑块、7-球头支架、8-球头、9-固定推杆下连接件、10-固定推杆、11-固定推杆上连接件、12-动平台、13-直线推杆、14-直线电机、15-第一虎克铰上连接件、16-第一螺栓、17-固定台、18-第三虎克铰下连接件、19-第三虎克铰上连接件、20-小球、21-电机固定支架、22-联轴器、23-丝杆、24-球头端盖、25-第二螺栓、26-第一虎克铰下连接件、27-第三螺栓、28-直线电机连接件、29-推杆连接件、30-第二虎克铰下连接件、31-第二虎克铰中间件、32-第二虎克铰上连接件、33-第一传感器固定板、34-位置传感器、37-第二传感器固定板、38-力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～5所示，一种柔性自适应动态平衡装置，包括下底板1、动平台12、电机丝杆导轨模块、第一支链和第二支链，所述下底板1固定于地面，所述电机丝杆导轨模块固定在下底板1上，所述第一支链的一端通过球面副与电机丝杆导轨模块的滑块6连接，第一支链的另一端通与动平台12铰接；所述第二支链的一端通过球面副与下底板1连接，第二支链的另一端与动平台12铰接；所述第一支链设置有五条，对应的电机丝杆23导轨设置有五组，所述第二支链设置有一条。

所述电机丝杆导轨模块包括丝杆电机4、滑块6、电机固定支架21、联轴器22、丝杆23、轴承座5、滑台3和滑台支撑架2，所述滑台支撑架2固定在下底板1上，滑台3固定在所述滑台支撑架2上，所述丝杆电机4固定在电机固定支架21上，所述电机固定支架21固定在滑台3上，所述丝杆电机4的输出端通过联轴器22连接丝杆23的一端，所述丝杆23通过两个固定在滑台3上的轴承座5支撑；所述滑块6上设置有与丝杆23相配合的螺纹孔，丝杆23穿过滑块6的螺纹孔且滑块6套装在所述滑台3上，丝杆电机4运动时通过驱动所述丝杆23转动带动滑块6沿着所述滑台3滑动。

所述第一支链包括球头支架7、球头端盖24、球头8、固定推杆下连接件9、固定推杆10、固定推杆上连接件11和第三虎克铰，所述球头支架7固定在所述滑块6上，球头8配合安装在球头支架7内，球头端盖24通过第二螺栓25固定在球头支架7上且将限制球头8仅能在球头支架7内转动；所述固定推杆下连接件9的一端与球头8的轴端固定连接，固定推杆下连接件9的另一端与固定推杆10的一端连接，固定推杆10的另一端连接固定推杆上连接件11，所述固定推杆上连接件11连接第三虎克铰，所述第三虎克铰固定在所述动平台12上。

所述第二支链包括固定台17、下端连接件、第一虎克铰、直线电机连接件28、直线电机14、直线推杆13、推杆连接件29、上端连接件和第二虎克铰，所述第二虎克铰包括第二虎克铰上连接件32、第二虎克铰中间件31和第二虎克铰下连接件30，所述第一虎克铰包括第一虎克铰上连接件15、第一虎克铰中间件和第一虎克铰下连接件15；所述固定台17固定在所述下底板1上，固定台17与下底板1之间通过第一螺栓16固定连接；所述下端连接件固定在所述固定台17上，所述第一虎克铰下连接件15与下端连接件固定连接，第一虎克铰下连接件15通过第一虎克铰中间件连接第一虎克铰上连接件15，所述第一虎克铰上连接件15通过直线电机连接件28连接直线电机14的固定端，第一虎克铰上连接件15与直线电机连接件28之间通过第三螺栓27固定连接；所述直线电机14的活动端连接直线推杆13的一端，所述直线推杆13的另一端通过推杆连接件29连接第二虎克铰下连接件30，所述第二虎克铰下连接件30通过第二虎克铰中间件31连接第二虎克铰上连接件32，所述第二虎克铰上连接件32与上端连接件固定连接，所述上端连接件固定在动平台12底部。

所述固定台17固定在所述下底板1的中部，所述上端连接件固定在所述动平台12的底部中心位置。

所述第三虎克铰包括第三虎克铰上连接件19、第三虎克铰中间件、第三虎克铰下连接件18，所述第三虎克铰下连接件18通过第三虎克铰中间件连接第三虎克铰上连接件19，所述第三虎克铰上连接件19固定在动平台12上；所述第三虎克铰下连接件18与第三虎克铰中间件过盈配合，所述第三虎克铰中间件与第三虎克铰上连接件19过盈配合。

所述第一虎克铰下连接件15与第一虎克铰中间件过盈配合，所述第一虎克铰中间件与第一虎克铰上连接件15过盈配合；所述第二虎克铰下连接件30与第二虎克铰中间件31过盈配合，所述第二虎克铰中间件31与第二虎克铰上连接件32过盈配合。

所述滑台3焊接在滑台支撑架2上，所述滑台支撑架2焊接在所述下底板1上。

所述下底板1和动平台12均是正五边形形状，五条第一支链的上端连接在动平台12的五个顶点处。

所述下底板1上设置有五条均匀凸起的滑道，所述滑台支撑架2底部设置有一条凹槽且该凹槽用来与下底板1上凸起的滑道配合定位。

所述动平台12和下底板1在初始装配时保持平行且动平台12的边缘与下底板1的边线相交成36度角。

所述滑台支撑架2的纵向截面呈直角三角形形状，其斜边与直角边成30度，滑台支撑架2的倾斜面朝向所述下底板1的外侧。

所述动平台12上还设置有位置传感器34和力传感器36，所述位置传感器34通过第一传感器固定板33固定在动平台12的底部，所述力传感器36通过第二传感器固定板35固定在动平台12的底部。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。