用固体润滑材料制成，可使用PTFE (聚四氟乙烯)或者PEEK(聚醚醚酮)材料，本实施例使用聚四氟乙烯材料。
[0062]若上压块5未采用固体润滑材料，则为了防止上压块5与转动体I之间产生较大的摩擦力而影响转动体I旋转，可以在上压块5与转动体I接触的部位加装防摩擦垫或防摩擦层，并将防摩擦垫或防摩擦层固定在上压块5上。
[0063]驱动电机7采用驻波型压电陶瓷电机，其数量为四个，其中两个以相对的方式在X方向上对称布置于转动体I两侧，另外两个以相对的方式在Y方向上对称布置于转动体I两侧，四个驱动电机7围绕转动体I均匀分布且纵向布置，形成的相位角为90度，各驱动电机7的驱动端为直线驱动端，也就是只能够进行直线驱动，其直线驱动端与转动体I的摩擦球面直接接触，形成与摩擦球面相切的磨擦传动副，同一方向上的两个驱动电机7的磨擦传动副的回转力矩方向相反，X轴方向上的两个驱动电机7用于同时驱动转动体I绕Y轴转动，Y轴方向上的两个驱动电机7用于同时驱动转动体I绕X轴转动。
[0064]具体地，驱动电机7可通过图2中所示的电机安装板8固定在球形凹座2的驱动电机安装位上。
[0065]由于驱动电机7的直线驱动端为陶瓷头，因此转动体I亦优选陶瓷转动体，以便两者形成较为理想的摩擦工作副。
[0066]角度传感器6为MEMS角度传感器，具体可使用MEMS陀螺或MEMS加速度计，其通过传感器连接安装板9安装在转动体I顶部的平面上，用于适时检测转动体I的姿态数据，并将数据传输至控制单元，进而由控制单元根据所测量的姿态数据，对转动体I在两个旋转自由度(绕X轴旋转和绕Y轴旋转)上的定向、稳定进行控制和调整。
[0067]这里的定向指转动体I及其上的负载始终指向或对准某一特定方向或特定目标，稳定指转动体I及其上的负载始终保持设定的姿态，例如转动体I的顶面始终保持水平等。
[0068]当然，角度传感器6也可以放置于球形转动体I内部，不论角度传感器是内置还是外置，均采用无线方式供电和无线方式传输测量数据。
[0069]工作时，驱动电机7通过压电电机陶瓷头与陶瓷球形转动体I表面的摩擦传递力或力矩的，驱动电机7的陶瓷头以超声工作频率和纳米的振幅以摩擦的形式将力直接传递到陶瓷球形转动体I表面，形成绕X、Y轴旋转的驱动力矩。
[0070]对Y轴两端纵向安装的两个驱动电机7进行反向激励，将给陶瓷球形转动体I施加一个绕X轴回转的力矩；对另外一对驱动电机7进行反向激励，将给陶瓷球形转动体I施加一个绕Y轴回转的力矩，从而实现绕X、Y轴两个旋转自由度的驱动。
[0071]这里给出的只是本实用新型的一种【具体实施方式】，此种方式可实现X、Y轴两个旋转自由度的驱动，但由于转动体I为部分球体，因此不能进行连续旋转，对此，可以将转动体I设计为完整的陶瓷球形转动体，同时将角度传感器6等放置于陶瓷球形转动体I内部，通过无线方式进行供电、传输测量数据，从而实现绕X、Y轴连续旋转的无约束稳定驱动，而对于旋转范围较小的应用，转动体I可设计为具有多个局部球面的虚拟球形转动体。
[0072]如图5所示，虚拟球形转动体指多个局部球面1-1位于同一完整球面上，而外形上并不呈现为常规球形的转动体。
[0073]上述实施例的四个驱动电机7纵向安装在球形转动体I的赤道面上，分布在X、Y轴的两端，对于稳定、调平响应速度要求较低的应用，可以在球形转动体I的X、Y轴仅各安装一个驱动电机7，另一端安装与之相对的转动支撑件即可。
[0074]此外，对于特殊应用，驱动电机7可以不纵向安装于球形转动体I的赤道面，而是纵向安装在球形转动体I的任意水平截面上的相切位置。
[0075]上述内容仅是本实用新型所提供双自由度旋转控制装置的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，将下支撑环4替换为环形分布的若干支撑块，由支撑块通过局部内球面支撑转动体I ;或者，驱动电机7的数量进一步增加或减少，设置三、五、六甚至更多个，并按照等分或不等分的相位角进行分布等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。
[0076]本实用新型使用压电陶瓷电机摩擦传动特性和具有磨擦球面的转动体相结合，借助MEMS传感器实现双自由度旋转稳定驱动，可用于将负载始终稳定的保持在水平位置或其他特定方位，在双自由度旋转控制装置的基础上，将其底座3固定于Z向旋转轴，或者在其球形旋转体I中增加一个Z向旋转轴，即可构成单球三轴旋转装置，从而实现三旋转自由度控制，可进一步扩大应用范围。
[0077]除了上述双自由度旋转控制装置，本实用新型还提供一种应用系统，包括驱动装置及其上的工作单元，驱动装置为上文所述的双自由度旋转控制装置，工作单元设于转动体的负载安装平台。例如飞行器、高铁、机动车等高速飞行、运行设备上的导航系统，或者测量、试验、摄录等设备中的精确运行系统，以实现定向指定、对准、校正、跟踪等功能，其余结构请参考现有技术，本文不再赘述。
[0078]以上对本实用新型所提供的双自由度旋转控制装置及应用系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种双自由度旋转控制装置，其特征在于，包括: 转动体(I)，具有磨擦球面，其顶部或内部设有负载安装平台； 固定支撑结构，保持所述转动体(I)，使其仅具有旋转自由度； 驱动电机(7)，其驱动端与所述转动体(I)的摩擦球面直接接触，形成与所述摩擦球面相切的磨擦传动副。
2.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)的数量为四个，以90度相位角均匀分布于所述转动体⑴外围，其中相对的两个所述驱动电机(7)的磨擦传动副的回转力矩方向相反。
3.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)的数量为两个，两者的相位角为90度，各所述驱动电机(7)在所述转动体(I)的另一侧均设有与之相对的转动支撑件。
4.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)为驻波型压电陶瓷电机。
5.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，各所述驱动电机(7)纵向布置于所述转动体(I)周围。
6.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，还包括: 检测单元，用于获取并向控制单元传输所述转动体(I)的姿态数据； 控制单元，用于接收所述检测单元测量的姿态数据，并根据包括所述姿态数据在内的数据对所述转动体(I)在两个旋转自由度上的旋转进行控制和调整。
7.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述转动体(I)为完整球形转动体、部分球形转动体或者具有多个局部球面的虚拟球形转动体。
8.根据权利要求7所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述转动体(I)为陶瓷或金属转动体。
9.根据权利要求1所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述固定支撑结构包括: 底座(3)，其上设有容纳所述转动体的球形凹座(2); 下支撑件，设于所述球形凹座(2)球形空间的底部，其支撑所述转动体(I)具有旋转自由度； 上压块(5)，分布于所述球形凹座(2)顶部，其将所述转动体(I)向下保持在所述下支撑件上。
10.根据权利要求9所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述下支撑件为下支撑环(4)，其通过环带形内球面支撑所述转动体(I);或者，所述下支撑件为环形分布的若干支撑块，其通过局部内球面支撑所述转动体(I)。
11.根据权利要求10所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述下支撑环(4)或支撑块为采用固体润滑材料制成的支撑环或支撑块。
12.根据权利要求9所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述上压块为采用固体润滑材料制成的上压块。
13.根据权利要求9所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述球形凹座(2)呈开口向上的空心半球形，其外侧设有局部平面，并在局部平面上开设槽口，形成驱动电机安装位，相邻的所述槽口之间形成异形支柱，所述上压块(5)安装于所述异形支柱顶部。
14.根据权利要求1至13任一项所述的双自由度旋转控制装置，其特征在于，所述驱动电机(7)的驱动端与所述转动体(I)的摩擦球面在赤道面或者任意水平截面位置直接接触。
15.—种应用系统，包括旋转装置及其上的工作单元，其特征在于，所述旋转装置为上述权利要求1至14任一项所述的双自由度旋转控制装置，所述工作单元设于所述转动体(I)的负载安装平台。
【专利摘要】本实用新型公开了一种双自由度旋转控制装置及应用系统，包括：转动体(1)，具有磨擦球面，其顶部或内部设有负载安装平台；固定支撑结构，保持所述转动体(1)，使其仅具有旋转自由度；驱动电机(7)，为驻波型压电陶瓷电机，各所述驱动电机(7)纵向布置于所述转动体(1)周围，其驱动端与所述转动体(1)的摩擦球面直接接触，形成与所述摩擦球面相切的纵向磨擦传动副；控制单元，根据检测单元测量的姿态数据，对所述转动体(1)在两个旋转自由度上的旋转进行控制和调整。该装置结构简单、成本低、性能稳定，且易于小型化、动态响应更宽、功耗更小，可广泛应用于各种动态稳定平台和自动静态定向/调平装置。
【IPC分类】G05D3-12, F16M11-04
【公开号】CN204595622
【申请号】CN201520353879
【发明人】唐李征, 张地
【申请人】北京合众思壮科技股份有限公司
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月27日