基于自平衡的自适应柔性装校系统的制作方法

本发明涉及一种用于对接模块的柔性装校系统，属于对接模块装校领域，尤其是涉及一种基于自平衡的自适应柔性装校系统。

背景技术：

空间装校对接技术已广泛应用于现代工业、国防工业以及航空航天工业中，确保装校过程的对接质量和工作效率是该技术的关键所在。由于对接件形状尺寸各异，在装校对接过程中，还受到各种干扰，使得对接件出现位姿的不准确，严重影响装校质量，需对对接件位姿进行实时调整。若采用人工干预，则会大幅提高成本，耗时耗力，装校质量也不能很好地保证。现有的多数多自由度装校系统结构复杂且成本较高，不能满足大规模推广自动精准装校系统的要求，因此提出一种结构简单的基于自平衡的自适应柔性装校系统，该系统在装校过程中能够不断地实时检测对接件位姿，并通过控制平台的x，y向移动，保证对接件的竖直上升，实现精准安装。因此，本发明提供一种基于自平衡的自适应柔性装校系统，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于自平衡的自适应柔性装校系统，以用于各类模块的准确安装，其中该基于自平衡的自适应柔性装校系统的结构简单、运动精度高、响应时间短，并且能够根据模块的实时位姿自动调整运动方向及速度，以实现模块的精准安装。

为了达到上述目的，本发明提供的该基于自平衡的自适应柔性装校系统包括一个z向运动机构、一个x向运动机构、一个y向运动机构形成的三个直线运动机构和一个偏航β运动机构、一个俯仰α运动机构、一个滚转γ运动机构形成的三个角位移运动机构。

该基于自平衡的自适应柔性装校系统的该z向运动机构、该x向运动机构、该y向运动机构、该偏航β运动机构、该俯仰α运动机构以及该滚转γ运动机构的各个自由度运动分层实现，其串联在一起以形成该基于自平衡的自适应柔性装校系统。该基于自平衡的自适应柔性装校系统的串联顺序为该z向运动机构、该俯仰α运动机构、该滚转γ运动机构、该偏航β运动机构、该x向运动机构以及该y向运动机构。

该z向运动机构通过z向基座和一套z向驱动机构来实现，该z向驱动机构是由一个z向伺服电机通过一个z向丝杠驱动一个z向丝杠螺母带动两个z向滑块沿着一对z向轨道运动来实现z方向的运动。

该俯仰α运动机构是由固定的该z向基座和转动的一个下调整平面来实现的，该下调整平面的转动时通过一个俯仰伺服电机驱动固定在一个转接板上的一个升降机的一个推动轴伸缩以及该转接板绕着一对铜套的轴心摆动，从而使该下调整平面绕着固定在该z向基板上的另一端的一个单铰链转动，其中该下调整平台绕y轴转动。

相应地，该滚转γ运动机构是由转动的一个上调整平面实现的，该上调整平面的转动是通过一个滚转伺服电机驱动固定在该下调整平面上的该升降机的该推力轴伸缩以及该转接板绕着该铜套的轴心摆动，从而使得该上调整平面绕着固定在该下调整平台上的另一端的该单铰链转动，其中该上调整平面绕x轴转动。通过上述的俯仰运动和滚转运动，实现了平面的水平调整。

该偏航β运动机构主要通过一个偏航转动平台在安放于一个轴承保持架上的滚珠表面转动来实现。该轴承保持架放置在该偏航转动平台与该上调整平面之间，各部分通过一根中心轴连接起来，同时由于该上调整平面中部有直径为100mm的通孔，该中心轴可以在该通孔范围内移动，因此该偏航β运动机构也可以实现小范围的x向和y向的直线运动，为了防止脱落，该中心轴下端安装了一个直径大于该上调整平面的该通孔的该直径的挡片，再用一个轴用弹性挡圈进行轴向固定。

该x向运动机构通过一个x向运动平台与一对x向导轨来实现，一个x向伺服电机通过一个x向丝杠驱动一个x向丝杠螺母带动四个x向滑块沿着该x向导轨运动，从而让该x向运动平台沿着该x向导轨运动来实现的。

该y向运动机构通过一个y向运动平台与一对y向导轨来实现，一个y向伺服电机通过一个y向丝杠驱动一个y向丝杠螺母带动四个y向滑块沿着该y向导轨运动，从而让该y向运动平台沿着该y向导轨运动来实现的。

本发明提供一种基于自平衡的自适应柔性装校系统，其包括一个z向运动机构、一个俯仰α运动机构、一个滚转γ运动机构、一个偏航β运动机构、一个x向运动机构以及一个y向运动机构，该z向运动机构、该俯仰α运动机构、该滚转γ运动机构、该偏航β运动机构、该x向运动机构以及该y向运动机构自下而上地依次串联在一起，以形成该基于自平衡的自适应柔性装校系统。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该基于自平衡的自适应柔性装校系统包括一个转动平台以及一个安装座，该安装座设置于该转动平台，该转动平台设置于该y向运动机构，一个对接模块可拆卸地安装于该安装座，实现柔性装校。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该基于自平衡的自适应装校系统包括一个检测模块以及一个控制模块，该检测模块、该z向运动机构、该俯仰α运动机构、该滚转γ运动机构、该偏航β运动机构、该x向运动机构以及该y向运动机构分别连接于该控制模块，在该基于自平衡的自适应柔性装校系统驱动该对接模块上升的过程中，该检测模块检测该对接模块的位姿，以在与预期位姿进行比较后，通过该控制模块控制该z向运动机构、该俯仰α运动机构、该滚转γ运动机构、该偏航β运动机构、该x向运动机构以及该y向运动机构来调整该对接模块的位姿。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该检测模块实时地检测该对接模块的位姿。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该基于自平衡的自适应柔性装校系统包括一框架，该z向运动机构、该俯仰α运动机构、该滚转γ运动机构、该偏航β运动机构、该x向运动机构以及该y向运动机构分别安装于该框架的内部。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该z向运动机构包括一个z向基座以及一个z向驱动机构，该z向驱动机构设置于该框架，该俯仰α运动机构设置于该z向基座，该z向基座被驱动地设置于该z向驱动机构。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该z向驱动机构包括一个z向伺服电机、一个z向丝杠、一个z向丝杠螺母、一对z向滑块、一对z向导轨，该z向丝杠可驱动地设置于该z向伺服电机、该z向丝杠螺母可驱动地设置于该z向丝杠、该z向滑块固定连接于该z向丝杠螺母，该z向基座固定连接于该z向滑块，该z向伺服电机通过该z向丝杠驱动该z向丝杠螺母带动该z向滑块移动，以使该z向滑块带动该z向基座沿着该z向导轨运动。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该俯仰α运动机构和该滚转γ运动机构形成一个水平调整平台，该水平调整平台包括一个上调整平台以及一个下调整平台，该下调整平台可调整地设置于该z向基座，该上调整平台可调整地设置于该下调整平台，该偏航β运动机构设置于该上调整平台。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该x向运动机构包括一个x向运动平台、一对x向导轨、一个x向伺服电机、一个x向丝杠、一个x向丝杠螺母以及四个x向滑块，该x向丝杠可驱动地连接于该x向伺服电机，该x向丝杠螺母可驱动地设置于该x向丝杠，该x向滑块固定连接于该x向丝杠螺母，该x向运动平台固定连接于该x向滑块，该x向滑块可移动地设置于该x向导轨，其中该x向伺服电机通过该x向丝杠驱动该x向丝杠螺母带动该x向滑块沿着该x向导轨滑动，以带动该x向运动平台运动。

作为对本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的进一步优选的实施例，该y向运动机构包括一个y向运动平台、一对y向导轨、一个y向伺服电机、一个y向丝杠、一个y向丝杠螺母以及四个y向滑块，该y向丝杠可驱动地连接于该y向伺服电机，该y向丝杠螺母可驱动地设置于该y向丝杠，该y向滑块固定连接于该y向丝杠螺母，该y向运动平台固定连接于该y向滑块，该y向滑块可移动地设置于该y向导轨，其中该y向伺服电机通过该y向丝杠驱动该y向丝杠螺母带动该y向滑块沿着该y向导轨滑动，以带动该y向运动平台运动。

本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统的有益效果是：

本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统包括依次串联在一起的一个z向运动机构、一个俯仰α运动机构、一个滚转γ运动机构、一个偏航β运动机构、一个x向运动机构以及一个y向运动机构，以使该基于自平衡的自适应柔性装校系统的六个自由度能够相互独立控制、单独驱动，可以避免各个自由度相互耦合产生的多解和误差，从而提高该基于自平衡的自适应柔性装校系统的响应速度和运动精度。

该基于自平衡的自适应柔性装校系统采用层叠式的串联机构布置，能够实现空间复用，缩小了框架的宽度和提高了该基于自平衡的自适应柔性装校系统的整体刚度，从而使得该基于自平衡的自适应柔性装校系统的结构更加紧凑和可靠。

该基于自平衡的自适应柔性装校系统采用了自动检测与自动控制装置，实现了精准且快速地调整对接模块的位姿和保证了对接模块的竖直上升。

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是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的示意图。

图2是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的水平调整平台简图示意图。

图3是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的偏航β运动机构的半剖示意图。

图4是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的x向运动机构的简图示意图。

图5是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的y向运动机构的简图示意图。

图6是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的虎克铰的简图示意图。

图7是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的全局坐标系。

图8是该基于自平衡的自适应柔性装校系统的x-z的平面示意图。

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8所示，根据本发明的精神提供了一种基于自平衡的自适应柔性装校系统，以实现对接模块的精准对接和安装，其中该基于自平衡的自适应柔性装校系统包括一个z向运动机构1、一个俯仰α运动机构2、一个滚转γ运动机构3、一个偏航β运动机构4、一个x向运动机构5以及一个y向运动该机构6，该z向运动机构1、该俯仰α运动机构2、该滚转γ运动该机构3、该偏航β运动机构4、该x向运动机构5以及该y向运动机构6依次串联在一起形成一个该基于自平衡的自适应柔性装校系统。

进一步地，该基于自平衡的自适应柔性装校系统包括一个框架7，该z向运动机构1、该俯仰α运动机构2、该滚转γ运动机构3、该偏航β运动机构4、该x向运动机构5和该y向运动机构6设置在该框架7的内部。

如图1所示，该基于自平衡的自适应柔性装校系统为一个六自由度串联机构，第一层是该z向运动机构1，该z向运动机构1设置在该框架7的内部，通过该z向运动机构1的一个z向基座11和一套z向驱动机构12来实现。该z向驱动机构12是由一个z向伺服电机121通过一个z向丝杠122驱动一个z向丝杠螺母123带动一个z向滑块124沿着一个z向导轨125运动来实现z向运动，其中该z向导轨125用螺母固定在该框架7的内壁，并且两个该z向导轨125对称分布。也就是说，该z向运动机构1包括该z向基座11和该z向驱动机构12，该z向驱动机构12进一步包括该z向伺服电机121、该z向丝杠122、该z向丝杠螺母123、该z向滑块124以及该z向导轨125。

如图2，该基于自平衡的自适应柔性装校系统的一个水平调整平台包括一个上调整平台31以及一个下调整平台21，该下调整平台2能够实现俯仰的运动机构是由固定的一个z向基板24和转动的一个下调整平面28来实现的，该下调整平面28的转动是通过一个俯仰伺服电机21驱动固定在一个转接板26上的一个升降机22的一个推力轴23伸缩以及该转接板26绕着一个铜套25的轴心摆动，其中该铜套25安装在该z向基板24上的凹槽内，从而使该下调整平面28绕着固定在该z向基板24的另一端的一个单铰链27转动，其中该下调整平面28绕y轴转动。同理，该上调整平台3实现滚转的运动机构是由转动的一个上调整平面31来实现的，该上调整平面31绕x轴转动。通过上述提及的俯仰运动和滚转运动，可以实现平面的水平调整。可以理解的是，该俯仰α运动机构2和该滚转β运动机构3形成该基于自平衡的自适应柔性装校系统的该水平调整平台。

如图3所示，该基于自平衡的自适应柔性装校系统的偏航运动主要是通过一个偏航转动平台41来实现，该偏航转动平台41与该上调整平面31之间安装有滚珠，该滚珠用轴承保持定位，各部分通过一个中心轴42连接起来，该中心轴42利用该偏航转动平台41中部的凹槽进行定位，由于该上调整平面31中部有直径为100mm的通孔，该中心轴42可以在该通孔范围内移动，因此该偏航β运动机构4也可以实现小范围的x向和y向的直线运动。为了防止脱落，该中心轴42下端安装了一个直径大于该上调整平面31的通孔直径的挡片43，再用一个轴用弹性挡圈44进行轴向固定。

如图4和图5所示，该基于自平衡的自适应柔性装校系统的该x向运动该机构5和该y向运动机构6的运动原理相同。

在图4中，该x向运动机构5通过一个x向运动平台51与一个x向导轨52来实现，其中一个x向伺服电机53通过一个x向丝杠54驱动一个x向丝杠螺母55带动四个x向滑块56沿着一个x向导轨52运动，从而让该x向运动平台51沿着该x向导轨52运动来实现。也就是说，该x向运动机构5包括该x向运动平台51、该x向导轨52、该x向伺服电机53、该x向丝杠54、该x向丝杠螺母55以及该x向滑块56，该x向丝杠54可驱动地设置于该x向伺服电机53，该x向丝杠螺母55可驱动地设置于该x向丝杠54，该x向滑块56固定连接于该x向丝杠螺母55，该x向运动平台51连接于该x向滑块56。当该x向伺服电机53转动时驱动该x向丝杠54转动，以使该x向丝杠螺母55在沿着该x向丝杠54移动的同时通过该x向滑块56带动该x向运动平台51运动。

在图5中，该向运动机构6通过一个y向运动平台61与一个y向导轨62来实现，其中一个y向伺服电机63通过一个y向丝杠64驱动一个y向丝杠螺母66带动四个y向滑块66沿着一个y向导轨62运动，从而让该y向运动平台61沿着该y向导轨62运动来实现。也就是说，该y向运动机构6包括该y向运动平台61、该y向导轨62、该y向伺服电机63、该y向丝杠64、该y向丝杠螺母66以及该y向滑块66，该y向丝杠64可驱动地设置于该y向伺服电机63，该y向丝杠螺母66可驱动地设置于该y向丝杠64，该y向滑块66固定连接于该y向丝杠螺母66，该y向运动平台61连接于该y向滑块66。当该y向伺服电机63转动时驱动该y向丝杠64转动，以使该y向丝杠螺母66在沿着该y向丝杠64移动的同时通过该y向滑块66带动该y向运动平台61运动。

本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统采用检测技术和自动控制技术，在对接模块(简称模块)上升的过程中不断实时检测该模块的位姿，并与设定位姿进行比较，以通过数模处理后控制电机的转向和转速，使x向与y向平台能够分别独立运动，从而使该模块保持竖直上升。如图7示出的坐标系，将该基于自平衡的自适应柔性装校系统抽象成只有固定平台和模块组成的系统，建立如图7所示的全局坐标系oxyz。图中l是模块长度，lxy，lyz分别是模块在x-z，y-z平面的映射长度，θ是模块与z轴方向的夹角，α，β分别是模块在x-z，y-z平面的映射与z轴方向的夹角。则由图7所示可知：

tan²θ＝tan²α+tan²β(1.1)

在模块垂直向上的平衡位置附近有α，β＜＜1，则此时可以近似的认为lxz≈lyz≈l。此时根据坐标的定义，只考虑x-z平面内情况如图8所示：

其中mx为x轴方向上的平台质量，s为小质量块ds到平台上模块的长度，则有：

在本发明的该基于自平衡的自适应柔性装校系统中因为在广义坐标上均无非有势广义外力作用，所以将拉格朗日方程式化为：

对于该基于自平衡的自适应柔性装校系统而言，该基于自平衡的自适应柔性装校系统的动能t和势能v分别可以通过下列方程组计算得出

为：

dv＝ρ·ds·gs·cosα(1.7)

由方程组(2.9)可以得到该基于自平衡的自适应柔性装校系统的动能与势能分别是：

如果令则方程组(2.12)化简为

同理可以得出y-z平面方程组

由此可见，在将该基于自平衡的自适应柔性装校系统在垂直向上的平衡位置附近进行近似处理后，模块在互相垂直的两个方向上是非耦合的，因此可以在x、y两个方向分别设计控制器而不必担心两个方向上的互相干扰的问题。

数学模型的线性化处理。

首先设该基于自平衡的自适应柔性装校系统的状态变量为：

并取平衡状态时各变量的值为零，记为x0＝0，该基于自平衡的自适应柔性装校系统的控制输入为x，y向平台的加速度，则：

将(1.11)式在平衡位置进行taylor级数展开，并线性化可以得到：

求解后可得

同理求解

综合式(1.15)、(1.16)、(1.17)可以得到该基于自平衡的自适应柔性装校系统的系统状态空间方程为：

如图6所示，模块通过夹具安装定位在随动的一个转动平台8上，而该转动平台8与一个外圈9a和一个安装座9b构成一个虎克铰，该安装座9b与该y向运动机构6的该y向运动平台61固连，可实现模块的俯仰与滚转运动，通过控制x，y平台，实现模块的竖直上升。

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。