一种空间复用的超薄五自由度对接平台的制作方法

本发明涉及一种五自由度对接平台，属于对接装校调整领域，特别涉及一种空间复用的超薄五自由度对接平台。

背景技术：

如今，许多工业对空间对接装校技术的要求越来越高，在装配中首先必须保证对接工件之间的准确对位。但由于装配、加工和物体自身楔形都会造成不平行，在对接装校的过程中则会出现对接体和对接腔体接触出现卡死的现象，那么，在对接装校过程中就要求对接体能实现自动调节，避免出现卡死现象。

现有的空间对接装校平台只能保证对接装校前对工件的准确对位，不能在对接装校过程中进行调节，一旦对接装校过程中出现卡死现象，就必须对接配体退出对接腔体，再重新进行对接装校。其缺点是：对接装校时没有自动调节的功能，不能保证对接装校成功。直接影响对接体与对接腔体的对接装校质量和对接装校效果。因此，本发明提供一种空间复用的超薄五自由度对接平台，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在空间对接装校的过程中对对接体的位置和角度进行调节的空间复用的超薄五自由度对接平台。

为了达到上述目的，本发明提供一种空间复用的超薄五自由度对接平台，其中该空间复用的超薄五自由度对接平台包括一个支撑平台、一个平面调节机构、一个工作平台以及一个水平调节机构，该平面调节机构包括三个平面调节组件，各个该平面调节组件分别设置于该支撑平台的三个不同位置，并且各个该平面调节组件分别连接于该工作平台的三个不同位置，以使各个该平面调节组件驱动该工作平台在X轴和Y轴方向移动以及在Z轴方向转动，该水平调节机构包·括一个第一水平平台、一个第二水平平台、一个第一转动调节组件以及一个第二转动调节组件，其中该第一转动调节组件设置于该支撑平台，该第一转动调节组件的上端部设置于该第一水平平台的一个端部，该第一水平平台的另一个端部轴连接于该工作平台，该第二转动调节组件设置于该支撑平台，该第二转动调节组件的上端部设置于该第二水平平台的一个端部，该第二水平平台的另一个端部轴连接于该第一水平平台的侧部，其中该第一水平平台的端部对应于该第二水平平台的侧部，该第一水平平台的侧部对应于该第二水平平台的端部，以藉由该第一转动调节组件和该第二转动调节组件分别驱动该第一水平平台和该第二水平平台转动，从而实现该第二水平平台在X轴和Y轴方向的转动。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，各个该平面调节组件呈三角形地布置在该支撑平台上。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，各个该平面调节组件分别设置在该支撑平台的三个侧部。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，各个该平面调节组件分别包括一个平面调节电机、一个减速器、一个联轴器、一个丝杆、一个螺母、一个第一方向滑轨、一个第二方向滑轨、一个活动座以及一个轴承，该平面调节电机、该减速器、该联轴器、该丝杆、该螺母、该第一方向滑轨、该第二方向滑轨分别设置于该支撑平台、该减速器设置于该平面调节电机、该联轴器的两端分别连接于该减速器和该丝杆，该螺母可移动地设置于该丝杆，并且该螺母固定于该活动座，该轴承设置于该活动座，并且该轴承连接于该工作平台，该第一方向滑轨和该第二方向滑轨呈十字形布置，该活动座能够分别被驱动以沿着该第一方向滑轨和该第二方向滑轨中的一个移动。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，该活动座的底面设有第一开槽，该第一方向滑轨设置于在该活动座的该第一开槽，以使该活动座能够沿着该第一方向滑轨滑动，该活动座的上面设有的第二开槽，该第二方向滑轨设置在该活动座的该第二开槽，以使该活动座能够沿着该第二方向滑轨滑动，该第一开槽的延伸方向和该第二开槽的延伸方向相互垂直。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，该第一转动调节组件包括一个第一驱动电机、一个第一升降机、一个第一转接件以及一个第一钢球，该第一驱动电机和该第一升降机相邻地设置于该支撑平台，并且该第一驱动电机能够驱动该第一升降机工作，该第一转接件设置于该第一升降机的上部，该第一钢球设置于该第一转接件的上端部，并且该第一钢球和该第一水平平台接触，该第二转动调节组件包括一个第二驱动电机、一个第二升降机、一个第二转接件以及一个第二钢球，该第二驱动电机和该第二升降机相邻地设置于该支撑平台，并且该第二驱动电机能够驱动该第二升降机工作，该第二转接件设置于该第二升降机的上部，该第二钢球设置于该第二转接件的上端部，并且该第二钢球和该第二水平平台接触。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，该第一转接件的上端部设有一个球窝，该第一钢球设置于该第一转接件的该球窝，该第二转接件的上端部设有一个球窝，该第二钢球设置于该第二转接件的该球窝。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，该第一水平平台的端部的两侧分别轴连接于该工作平台，该第二水平平台的端部的两侧分别轴连接于该第一水平平台的侧部。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，该第一水平平台的端部的两侧分别通过一个铰链轴连接于该工作平台，该第二水平平台的端部的两侧分别通过一个铰链轴连接于该第一水平平台的侧部。

作为对本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的进一步优选的实施例，该空间复用的超薄五自由度对接平台的调节范围是：

沿X轴方向的移动范围：±50mm；

沿Y轴方向的移动范围：±50mm；

绕X轴的转动范围：±5°；

绕Y轴的转动范围：±5°；

绕Z轴的转动范围：±5°。

本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台的优势在于：

本发明的该空间复用的超薄五自由度对接平台包括一个支撑平台、一个平面调节机构、一个工作平台以及一个水平调节机构，该平面调节机构驱动该工作平台在X轴和Y轴方向移动以及在Z轴方向转动，该水平调节机构的一个第一转动调节组件和一个第二转动调节组件分别驱动一个第一水平平台和一个第二水平平台转动，从而实现一个第二水平平台在X轴和Y轴方向的转动，并且该平面调节机构、该第一转动调节组件和该第二转动调节组件分别设置于该支撑平台，该空间复用的超薄五自由度对接平台能够实现五个自由度的转动，是一个自动调节平台，在参与对接装校的过程中能够检测对接体和对接腔体是否碰到，并能够对其及时进行调整，以保证对接体和对接腔体的对接装校质量和对接装校效果。

也就是说，该空间复用的超薄五自由度对接平台能够适用于对接装校过程中对接体姿态的实时调整。该空间复用的超薄五自由度对接平台的该支撑平台、该调节机构、该工作平台和该水平调节机构的相互配合关系使得该空间复用的五自由度超薄调节装置的结构紧凑、所占用的空间比较小，以利于扩大该空间复用的超薄五自由度对接平台的适用范围。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是该空间复用的超薄五自由度对接平台的一个视角的立体图。

图2是该空间复用的超薄五自由度对接平台的另一个视角的立体图。

图3是该空间复用的超薄五自由度对接平台的支撑平台和平面调节机构的关系示意图。

图4是该空间复用的超薄五自由度对接平台的平面调节机构的原理示意图。

图5是该空间复用的超薄五自由度对接平台的水平调节机构的钢球运动原理示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图5所示，依本发明的发明精神提供一种空间复用的超薄五自由度对接平台，其中该空间复用的超薄五自由度对接平台包括一个支撑平台10、一个平面调节机构20、一个工作平台30以及一个水平调节机构40，该支撑平台10、该平面调节机构20、该工作平台30和该水平调节机构40能够相互配合，以实现五个自由度的调节，并且使该空间复用的超薄五自由度对接平台的结构紧凑、空间布局合理，以利于扩大该空间复用的超薄五自由度对接平台的使用范围。

该平面调节机构20包括三个平面调节组件21，各个该平面调节组件21分别设置于该支撑平台10的三个不同位置，并且各个该平面调节组件21分别连接于该工作平台30的三个不同位置，以使各个该平面调节组件21驱动该工作平台30在X轴和Y轴方向移动以及在Z轴方向转动。该水平调节机构40包括一个第一水平平台41、一个第二水平平台42、一个第一转动调节组件43以及一个第二转动调节组件44，其中该第一转动调节组件43设置于该支撑平台10，该第一转动调节组件43的上端部设置于该第一水平平台41的一个端部，该第一水平平台41的另一个端部轴连接于该工作平台30，该第二转动调节组件44设置于该支撑平台10，该第二转动调节组件44的上端部设置于该第二水平平台42的一个端部，该第二水平平台42的另一个端部轴连接于该第一水平平台41的侧部，其中该第一水平平台41的端部对应于该第二水平平台42的侧部，该第一水平平台41的侧部对应于该第二水平平台42的端部，以藉由该第一转动调节组件43和该第二转动调节组件44驱动该第二水平平台42在X轴和Y轴方向的转动，从而实现该空间复用的超薄五自由度对接平台在各个自由度的自由调节，并且不会出现卡死的不良现象。该空间复用的超薄五自由度对接平台的调节范围是：沿X轴方向的移动范围：±50mm；沿Y轴方向的移动范围：±50mm；绕X轴的转动范围：±5°；绕Y轴的转动范围：±5°；绕Z轴的转动范围：±5°。

优选地，各个该平面调节组件21呈三角形地布置在该支撑平台10上。例如，各个该平面调节组件21分别设置在该支撑平台10的三个侧部。

进一步地，该第一水平平台41的端部的两侧分别轴连接于该工作平台30，该第二水平平台42的端部的两侧分别轴连接于该第一水平平台41的侧部。更更进一步地，该第一水平平台41的端部的两侧分别通过一个铰链轴45连接于该工作平台30，该第二水平平台42的端部的两侧分别通过一个铰链轴45连接于该第一水平平台41的侧部。

如图2和图3，各个该平面调节组件21分别包括一个平面调节电机211、一个减速器212、一个联轴器213、一个丝杆214、一个螺母215、一个第一方向滑轨216、一个第二方向滑轨217、一个活动座218以及一个轴承219，该平面调节电机211、该减速器212、该联轴器213、该丝杆214、该螺母215、该第一方向滑轨216、该第二方向滑轨217分别设置于该支撑平台10、该减速器212设置于该平面调节电机211、该联轴器213的两端分别连接于该减速器212和该丝杆214，该螺母215可移动地设置于该丝杆214，并且该螺母215固定于该活动座218，该轴承219设置于该活动座218，并且该轴承219连接于该工作平台30，该第一方向滑轨216和该第二方向滑轨217呈十字形布置，该活动座218能够分别被驱动以沿着该第一方向滑轨216和该第二方向滑轨217中的一个移动。三个该平面调节机构211能够相互配合以驱动该工作平台30在X轴和Y轴方向移动和在Z轴方向转动。

该活动座218的底面设有第一开槽，该第一方向滑轨216设置于在该活动座218的该第一开槽，以使该活动座218能够沿着该第一方向滑轨216滑动，该活动座218的上面设有的第二开槽，该第二方向滑轨217设置在该活动座218的该第二开槽，以使该活动座218能够沿着该第二方向滑轨217滑动，该第一开槽的延伸方向和该第二开槽的延伸方向相互垂直。

如图2，该第一转动调节组件43包括一个第一驱动电机431、一个第一升降机432、一个第一转接件433以及一个第一钢球434，该第一驱动电机431和该第一升降机432相邻地设置于该支撑平台10，并且该第一驱动电机431能够驱动该第一升降机432工作，该第一转接件433设置于该第一升降机432的上部，该第一钢球434设置于该第一转接件433的上端部，并且该第一钢球434和该第一水平平台41接触。

该第二转动调节组件44包括一个第二驱动电机441、一个第二升降机442、一个第二转接件443以及一个第二钢球444，该第二驱动电机441和该第二升降机442相邻地设置于该支撑平台10，并且该第二驱动电机441能够驱动该第二升降机442工作，该第二转接件443设置于该第二升降机441的上部，该第二钢球444设置于该第二转接件443的上端部，并且该第二钢球444和该第二水平平台42接触。

该第一转接件433的上端部设有一个球窝，该第一钢球434设置于该第一转接件433的该球窝，该第二转接件443的上端部设有一个球窝，该第二钢球444设置于该第二转接件443的该球窝，以保证该水平调节结构40的可靠性。

该空间复用的超薄五自由度对接平台的运动控制分析。

P_i′为连接杆P_iL_i与动平台的连接点在动坐标系{o′-x′y′z′}中的坐标矢量，记为如图4所示，在基座和动平台上分别建立固定坐标系{o-xyz}和动坐标系{o′-x′y′z′}，其坐标原点分别位于二者的几何中心。根据并联机器人位置与姿态的描述和空间坐标变换理论，可以得到

P_i＝TP_i′；i＝1,2,3 (1)

式中：P_i为连接杆P_iL_i与动平台的连接点在固定坐标系{o′-x′y′z′}中的坐标矢量，记为

P_i＝[P_ix P_iy P_iz]^T (2)

P_i′＝[P′_ix P′_iy P′_iz]^T (3)

矩阵T为动坐标系对固定坐标系平移和旋转后的齐次坐标变换矩阵，其值为

式(4)表示在固定坐标系{o-xyz}下，动坐标系{o′-x′y′z′}绕Z轴旋转θ角，沿X，Y轴平移ΔX，ΔY所得到的相对于固定坐标系的齐次变换矩阵。

P_i′可由结构尺寸直接得P₁(-a,-b)、P₂(a,-b)、P₃(a,b)、P₄(-a,b)。

当给出动平台相对于固定坐标系的位置(Δx,Δy,Δz)和姿态(θ,0,0)后，P_i由式(1)可直接求得：设连接杆P_iL_i与十字滑轨的连接点L_i在固定坐标系中的坐标矢量为

L_i＝[L_ix L_iy L_iz 1](i＝1,2,3) (5)

已知十字滑轨只能沿x,y方向运动，连接杆P_iL_i始终垂直于xoy平面，显然有连接杆P_iL_i长度l＝|P_iz-L_iz|，又根据空间两点距离公式可得：

l²＝(L_iz-P_iz)²＝(L_ix-P_ix)²+(L_iy-P_iy)²+(L_iz-P_iz)² (6)

即(L_ix-P_ix)²+(L_iy-P_iy)²＝0 (7)

式(7)要成立，须有：

L_ix＝P_ix,L_iy＝P_iy (8)

式(8)即为定位平台的位置逆解。当给定动平台的位姿,可由上式求出三个十字滑轨的位置。

钢球到铰链的距离是随着平面调整机构的变化而变化的，要确定水平调整机构转动的转角与上升高度的关系，必须确定钢球到铰链的距离与平面调整机构沿X轴和Y轴的位移以及绕Z轴转动的转角之间的关系。钢球上升的情况如图5所示。

顶升Y板的钢球到铰链之间的距离为：

L_y＝L_1y cos(θ₁+θ)+L_2y+y cos(θ₁+θ)+x sin(θ₁+θ) (9)

确定了钢球到铰链的距离与平面调整机构运动的关系后，就可以确定水平调整机构转动的角度与上升高度的关系了。

初始时顶升Y板的钢球与水平面的距离为：

H_1y＝L_y tanα₁-r/cosα₁ (10)

转动α角后钢球中心到水平面的距离为：

H_2y＝L_y tan(α₁+α)-r/cos(α₁+α) (11)

则Y板转动的角度与钢球上升高度的关系为：

ΔH_y＝H_2y-H_1y＝L_y tan(α₁+α)-r/cos(α₁+α)-(L_y tanα₁-r/cosα₁) (12)

其中L1y为初始时钢球到Y板旋转中心的距离，L2y为Y板旋转中心到铰链的距离，θ1为初始时平面调节机构与X轴的夹角，x为平面调节机构沿X轴的移动的位移，y为平面调节机构沿Y轴的移动的位移，θ为平面调节机构绕Z轴转动的角度。α1为初始时Y板与水平面的夹角，α为Y板绕Y轴转动的角度。r为钢球的半径。

X板转动的角度与上升高度的关系还与Y板转动的角度有关

则顶升X板的钢球到铰链之间的距离为：

L_x＝L_1x cos(θ₁+θ)+L_2x+x sin(α₁+α)cos(θ₁+θ)+y sin(θ₁+θ) (13)

顶升X板的钢球到铰链的距离还与Y板转动的角度有关。

初始时顶升X板的钢球与水平面的距离为：

H_1x＝L_x tanβ₁-r cos(α₁+α)/cosβ₁ (14)

转动β角后钢球中心到水平面的距离为：

H_2x＝L_x tan(β₁+β)-r cos(α₁+α)/cos(β₁+β) (15)

X板转动的角度与钢球上升高度的关系为：

其中L1x为初始时钢球到X板旋转中心的距离，L2x为X板旋转中心到铰链的距离，θ1为初始时平面调节机构与X轴的夹角，x为平面调节机构沿X轴的移动的位移，y为平面调节机构沿Y轴的移动的位移，θ为平面调节机构绕Z轴转动的角度，α1为初始时Y板与水平面的夹角，α为Y板绕Y轴转动的角度，β1为初始时X板与水平面的夹角，β为X板绕X轴转动的角度，r为钢球的半径。

当板在水平面上方时角度为正，当板在水平面下方时角度为负。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。