一种基于柔索传动的差动结构稳定平台的制作方法

本发明涉及用于隔离载体扰动、稳定惯性指向的两自由度稳定平台，具体涉及一种基于柔索传动的差动结构稳定平台，其载荷种类适用但不局限于光电探测器，可用于无人机侦查吊舱、舰载光电跟踪系统和车载天线系统等各类精密指向机构。

背景技术：

稳定平台是在移动载体条件下，通过多轴运动补偿载体扰动，从而保持负载指向惯性稳定，并进一步实现跟踪目标等其他功能的精密指向机构。目前国内外的两轴两框架整体式稳定平台为保证高的稳定精度，往往以力矩电机直接驱动，采用封闭式机械结构设计，具有刚性好、体积小、精度高、结构紧凑的特点。

而面向负载大惯量、需要大力矩的应用场合，力矩电机的大重量、大体积严重制约着系统的小型化、轻量化，传统封闭式的结构同样给负载安装维护造成困难，限制了平台适配性的提高。如果驱动元件采用伺服电机，则必然要引入中间传动环节，由于齿轮传动等传统传动方式存在固有的摩擦、空回等非线性因素，又制约了系统伺服性能的提高，难以满足稳定平台的高精度要求。精密钢丝绳传动通过钢丝绳与绳轮之间的静摩擦实现力矩传递，是一种轻质、高效、简洁的传动方式，具有低空回、高刚度、高效率以及无需润滑等突出优点，在动力传动领域尤其是在精密指向机构中具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有两轴两框架整体式稳定平台负载自重比过大造成的负载能力和轻量化要求的冲突，以及负载布局方式造成的适配性差的不足，在平台的设计中引入柔性绳传动方式，利用差动构型创新结构设计，提供一种能够有效提高平台负载自重比，同时协调平台精度要求和机构传动特性的矛盾，解决平台紧凑性设计和适配性提高的冲突，负载能力大、适配性能强、轻量化、高精度、结构紧凑的基于柔索传动的差动结构稳定平台。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于柔索传动的差动结构稳定平台，包括平台本体、驱动单元和差动机构，所述差动机构包括方位轴系和俯仰轴系以及柔索组件，所述方位轴系、俯仰轴系之间通过柔索组件传动，所述方位轴系转动布置于平台本体上，所述俯仰轴系转动布置于方位轴系上且与方位轴系轴线正交，所述驱动单元的输出端和方位轴系传动相接。

优选地，所述方位轴系包括回转轴、回转框和回转组合轮，所述回转轴和平台本体固连，所述回转框分别通过上、下两个回转框轴承安装在回转轴上，所述驱动单元包括反向安装在回转轴上且布置于回转框内的两组驱动电机模块，所述回转框内分别同轴布置有上、下两个回转组合轮，所述回转组合轮由同轴布置的回转组合大轮和回转组合小轮组成，且所述回转组合大轮和回转组合小轮通过回转组合轮轴承安装在回转轴上，所述两组驱动电机模块各与一个回转组合轮的回转组合小轮通过第一传动柔索驱动连接，所述回转组合大轮的外壁上均设有轮槽，所述柔索组件布置于两个回转组合轮的回转组合大轮和俯仰轴系之间。

优选地，所述回转框轴承为四点接触球轴承。

优选地，所述回转轴上装配有电机机架，所述驱动电机模块包括伺服电机、谐波减速器和柔索轮，两组驱动电机模块的伺服电机分别反向安装在电机机架上，且所述伺服电机的输出端通过谐波减速器和柔索轮相连，所述柔索轮和回转组合小轮的外壁上均设有轮槽，且所述第一传动柔索绕设于柔索轮和回转组合小轮之间。

优选地，所述第一传动柔索呈8字形回绕经过柔索轮和回转组合小轮。

所述俯仰轴系包括俯仰架、负载架和沿回转轴对称布置于回转框内的两个俯仰轮，所述俯仰轮的外壁上均设有轮槽，所述柔索组件布置于回转组合大轮和俯仰轮之间，两个俯仰轮的俯仰轮轴分别通过俯仰轮轴承安装在回转框上，所述俯仰架设于回转框外部且与两个俯仰轮轴固定连接，所述负载架装设于俯仰架上。

优选地，所述柔索组件包括第二传动柔索、第三传动柔索和多个带有轮槽的导向轮，所述回转组合大轮上设有两个预紧装置，所述第二传动柔索和第三传动柔索均通过多个导向轮环绕布置在两个回转组合大轮之间且两端均通过预紧装置固定，所述第二传动柔索从上端的回转组合大轮出发，依次沿着轴向正交的两个导向轮平滑过渡到一个俯仰轮上并绕该俯仰轮缠绕一圈后，再沿着轴向正交的两个导向轮平滑过渡到下端的回转组合大轮；所述第三传动柔索从下端的回转组合大轮出发，依次沿着三个导向轮平滑过渡到另一个俯仰轮上并绕该俯仰轮缠绕一圈后，再沿着三个导向轮平滑过渡到上端的回转组合大轮。

优选地，所述导向轮包括导向轮轴、轴用弹性挡圈和带轮槽的滑轮，所述滑轮套设安装在导向轮轴上且端部通过轴用弹性挡圈限位固定，所述导向轮轴通过螺母安装固定在回转框上。

优选地，所述预紧装置包括压板、螺杆、预紧端块和碟形弹簧，所述压板通过连接件安装在回转组合大轮上，所述压板上设有通孔，所述螺杆穿过压板的通孔后与预紧端块螺纹连接，所述预紧端块的底面和压板所安装的回转组合大轮的侧面接触，所述碟形弹簧布置于压板的通孔端面和螺杆之间，所述预紧端块和第二传动柔索或第三传动柔索的端部相连。

优选地，所述方位轴系、俯仰轴系上还设有检测单元，所述检测单元包括陀螺和编码器，所述陀螺装设于俯仰轴系的负载架上，所述编码器安装在方位轴系的回转轴和俯仰轴系的俯仰轮轴轴端。

本发明基于柔索传动的差动结构稳定平台具有下述优点：

1、本发明基于柔索传动的差动结构稳定平台包括平台本体、驱动单元和差动机构，所述差动机构包括方位轴系和俯仰轴系以及柔索组件，所述方位轴系、俯仰轴系之间通过柔索组件传动，所述方位轴系转动布置于平台本体上，所述俯仰轴系转动布置于方位轴系上且与方位轴系轴线正交，所述驱动单元的输出端和方位轴系传动相接，通过方位轴系、俯仰轴系使得平台具有绕y轴-俯仰轴和z轴-方位轴的转动自由度，能够解决平台负载能力和自身重量限制，平台精度要求和机构传动特性，平台紧凑性设计和适配性提高的冲突，具有负载能力大、适配性能强、轻量化、高精度、结构紧凑的优点。

2、本发明采用差动机构传动，且差动机构的方位轴系、俯仰轴系之间通过柔索组件传动，差动机构利用了柔索具有低空回、高刚度的特点，从而保证了稳定平台传动精度和稳定精度。

3、本发明基于柔索传动的差动结构稳定平台的载荷种类适用但不局限于光电探测器，可用于无人机侦查吊舱、舰载光电跟踪系统和车载天线系统等各类精密指向机构。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的剖视结构示意图。

图3为本发明实施例的伺服电机的驱动传动结构示意图。

图4为本发明实施例的差动机构的柔索组件结构示意图。

图5为本发明实施例的导向轮结构示意图。

图6为本发明实施例的预紧装置结构示意图。

图7为本发明实施例中伺服电机211#1和伺服电机211#2等速顺时针方向转动时的工作原理示意图。

图8为本发明实施例中伺服电机211#1和伺服电机211#2等速逆时针方向转动时的工作原理示意图。

图9为本发明实施例中伺服电机211#1顺时针方向转动、伺服电机211#2等速逆时针方向转动时的工作原理示意图。

图10为本发明实施例中伺服电机211#1逆时针方向转动、伺服电机211#2等速顺时针方向转动时的工作原理示意图。

图例说明：1、平台本体；11、基座垫块；12、连接架；13、压紧螺母；2、驱动单元；21、驱动电机模块；211、伺服电机；212、谐波减速器；213、柔索轮；214、第一传动柔索；3、方位轴系；30、回转轴；301、电机机架；302、胀紧套；31、回转框；311、回转框轴承；312、轴承外圈压板；32、回转组合轮；321、回转组合大轮；322、回转组合小轮；323、回转组合轮轴承；4、俯仰轴系；41、俯仰架；42、俯仰轮；421、俯仰轮轴；422、俯仰轮轴承；43、负载架；5、差动机构；51、第二传动柔索；52、第三传动柔索；53、导向轮；531、导向轮轴；532、滑轮；533、轴用弹性挡圈；534、螺母；6、预紧装置；61、压板；62、螺杆；63、预紧端块；64、碟形弹簧；7、检测单元；71、陀螺；72、编码器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例基于柔索传动的差动结构稳定平台包括平台本体1、驱动单元2和差动机构5，差动机构5包括方位轴系3和俯仰轴系4以及柔索组件，方位轴系3、俯仰轴系4之间通过柔索组件传动，方位轴系3转动布置于平台本体1上，俯仰轴系4转动布置于方位轴系3上且与方位轴系3轴线正交，驱动单元2的输出端和方位轴系3传动相接。

如图1所示，方位轴系3、俯仰轴系4上还设有检测单元7，检测单元7包括陀螺71和编码器72，所述陀螺71装设于俯仰轴系4的负载架43上，所述编码器72安装在方位轴系3的回转轴30和俯仰轴系4的俯仰轮轴421轴端。陀螺71是敏感载体惯性空间角速度的测量元件，用于系统稳定控制；编码器72是相应旋转轴的角速度和角位置信息测量反馈元件。

本实施例中，平台本体1由基座垫块11、连接架12等部件组成，基座垫块11是用于保留基座空间的过渡连接件，连接架12是载体和稳定平台机械本体之间的连接件。

如图2所示，方位轴系3包括回转轴30、回转框31和回转组合轮32，回转轴30和平台本体1固连(通过压紧螺母13相连)，回转框31分别通过上、下两个回转框轴承311安装在回转轴30上，驱动单元2包括反向安装在回转轴30上且布置于回转框31内的两组驱动电机模块21，回转框31内分别同轴布置有上、下两个回转组合轮32，回转组合轮32由同轴布置的回转组合大轮321和回转组合小轮322组成，且回转组合大轮321和回转组合小轮322通过回转组合轮轴承323安装在回转轴30上，两组驱动电机模块21各与一个回转组合轮32的回转组合小轮322通过第一传动柔索214驱动连接，回转组合大轮321的外壁上均设有轮槽，柔索组件布置于两个回转组合轮32的回转组合大轮321和俯仰轴系4之间。回转轴30固定于连接架12上，回转框31可通过上、下两个回转框轴承311绕回转轴30自由回转，是系统回转方位运动的执行件；上、下两个回转组合轮32在回转轴30上轴向固定，分别通过回转组合轮轴承323绕回转轴30自由回转，是动力传输和转换部件；本实施例中，编码器72通过编码器支承架721、螺钉固定于回转框31上。基于系统装配性的考虑，本实施例中的回转框31为拼接式结构，左右对称剖分，且通过螺栓连接。

本实施例中，回转框轴承311为四点接触球轴承，上、下两个回转框轴承311外侧设有轴承外圈压板312，通过轴承外圈压板312将回转框轴承311固定。

如图2所示，回转轴30上装配有电机机架301，驱动电机模块21包括伺服电机211、谐波减速器212和柔索轮213，两组驱动电机模块21的伺服电机211分别反向安装在电机机架301上，且伺服电机211的输出端通过谐波减速器212和柔索轮213相连，柔索轮213和回转组合小轮322的外壁上均设有轮槽，且第一传动柔索214绕设于柔索轮213和回转组合小轮322之间。本实施例中的驱动电机模块21采用采用伺服电机211驱动代替传统的力矩电机，能够有效减小驱动及传动系统的体积和重量，兼顾系统的大力矩和轻量化。本实施例中驱动单元2包括反向安装在回转轴30上且布置于回转框31内的两组驱动电机模块21，两组驱动电机模块21的伺服电机211分别反向安装在电机机架301上，从而实现了驱动单元2的差动输出，该差动机构5的本质是伺服电机211并联驱动，实现输出力矩放大合成后再分配，提高力矩调节范围，有利于实现驱动元件集成和模块化设计。

本实施例中，伺服电机211、谐波减速器212通过螺钉固定于电机机架301上，电机机架301则通过胀紧套302安装固定在回转轴30上。

如图3所示，第一传动柔索214呈8字形回绕经过柔索轮213和回转组合小轮322，从而能够确保柔索轮213和回转组合小轮322之间传动的稳定可靠，进而将伺服电机211的驱动力矩稳定可靠地传递给回转组合轮32。

俯仰轴系4左右完全对称。如图2和图4所示，俯仰轴系4包括俯仰架41、负载架43和沿回转轴30对称布置于回转框31内的两个俯仰轮42，俯仰轮42的外壁上均设有轮槽，柔索组件5布置于回转组合大轮321和俯仰轮42之间，两个俯仰轮42的俯仰轮轴421分别通过俯仰轮轴承422安装在回转框31上，俯仰架41设于回转框31外部且与两个俯仰轮轴421固定连接，负载架43装设于俯仰架41上。俯仰轮42是俯仰方向动力的传输件；本实施例中，俯仰轮轴承422采用角接触球轴承以“面对面”方式安装，俯仰轮轴421与俯仰架41通过键传递动力，负载架43是负载安装的位置，预留负载安装螺钉孔，其与俯仰架41通过螺钉紧固，负载架43的安装位置可调以适配不同负载，改善回转质量偏心，通过负载架43以负载外挂的结构形式打破了传统平台面向单一负载的束缚，便于负载的拆装和更换，提高了平台的适配性能。

如图4所示，柔索组件包括第二传动柔索51和第三传动柔索52和多个带有轮槽的导向轮53，回转组合大轮321上设有两个预紧装置6，第二传动柔索51和第三传动柔索52均通过多个导向轮53环绕布置在两个回转组合大轮321之间且两端均通过预紧装置6固定，第二传动柔索51从上端的回转组合大轮321出发，依次沿着轴向正交的两个导向轮53(53#1和53#2)平滑过渡到一个俯仰轮42上并绕该俯仰轮42缠绕一圈后，再沿着轴向正交的两个导向轮53(53#3和53#4)平滑过渡到下端的回转组合大轮321；第三传动柔索52从下端的回转组合大轮321出发，依次沿着三个导向轮53(53#5、53#6和53#7)平滑过渡到另一个俯仰轮42上并绕该俯仰轮42缠绕一圈后，再沿着三个导向轮53(53#8、53#9和53#10)平滑过渡到上端的回转组合大轮321，从而实现了差动式柔索传动，使得方位轴系3、俯仰轴系4之间的传动稳定可靠，差动机构5利用了柔索组件具有低空回、高刚度的特点，从而保证了稳定平台的精度。

本实施例中，第一传动柔索214、第二传动柔索51和第三传动柔索52具体采用钢丝绳。结合前文可知，本实施例一共通过四段钢丝绳(第二传动柔索51、第三传动柔索52以及两段第一传动柔索214)以一定的方式缠绕和可靠预紧实现动力传递。

导向轮53用于保证钢丝绳(第二传动柔索51和第三传动柔索52)从回转组合大轮321向俯仰轮42柔顺过渡，如图5所示，导向轮53包括导向轮轴531、轴用弹性挡圈533和带轮槽的滑轮532，滑轮532套设安装在导向轮轴531上且端部通过轴用弹性挡圈533限位固定，导向轮轴531通过螺母534安装固定在回转框31上。导向轮53的结构设计保证第二传动柔索51和第三传动柔索52在轴线相交轮系间的柔顺缠绕及平滑过渡，实现以为第二传动柔索51和第三传动柔索52传动介质的相交轴轮系动力的高效传递。

预紧装置6是用于将钢丝绳(第二传动柔索51和第三传动柔索52)端固定和预紧功能的部件，如图6所示，预紧装置6包括压板61、螺杆62、预紧端块63和碟形弹簧64，压板61通过连接件安装在回转组合大轮321上，压板61上设有通孔，螺杆62穿过压板61的通孔后与预紧端块63螺纹连接，预紧端块63的底面和压板61所安装的回转组合大轮321的侧面接触，碟形弹簧64布置于压板61的通孔端面和螺杆62之间，预紧端块63和第二传动柔索51或第三传动柔索52的端部相连。

本实施例中，伺服电机211采用同种型号，谐波减速器212具有减速比i0；柔索轮213的半径r1，回转组合小轮322的半径r2，回转组合大轮321的半径r3，俯仰轮42的半径r4，取传动比i1＝r2/r1，传动比i2＝r4/r3，则所述稳定平台的运动学方程满足式(1)：

式(1)中，ωo表示负载端输出角速度矩阵，ωy,ωx分别表示平台俯仰方向、回转方向的角速度输出；ωi表示电机轴输出速度矩阵，其中ω1,ω2分别表示伺服电机21、伺服电机22的输出转速；γω表示速度变换矩阵。

下文将以两个伺服电机211分别标记为伺服电机211#1和伺服电机211#2为例，定义图7所示电机运动方向为顺时针方向，对本实施例基于柔索传动的差动结构稳定平台的工作原理说明如下：

如图7所示，当伺服电机211#1和伺服电机211#2等速顺时针方向转动时，则柔索轮213#1和柔索轮213#2等速顺时针方向运动。在第一传动柔索214的力矩传递的作用下，上侧的回转组合小轮322#1、下侧的回转组合小轮322#2等速沿逆时针方向运动，经第二传动柔索51和第三传动柔索52的传动及导向轮引导、换向，动力传递至俯仰轮42，导向轮53周向受力平衡，相对俯仰轴线保持静止，在径向力偶的作用下带动回转框31绕回转轴30运动，实现方位方向的逆时针运动输出。

如图8所示，当伺服电机211#1和伺服电机211#2等速逆时针方向转动时，柔索轮213#1和柔索轮213#2等速逆时针方向运动。在第一传动柔索214的力矩传递的作用下，上侧的回转组合小轮322#1、下侧的回转组合小轮322#2等速沿顺时针方向运动，经第二传动柔索51和第三传动柔索52的传动及导向轮引导、换向，动力传递至俯仰轮42，导向轮53周向受力平衡，相对俯仰轴线保持静止，在径向力偶的作用下带动回转框31绕回转轴30运动，实现方位方向的顺时针运动输出。

如图9所示，当伺服电机211#1顺时针方向转动、伺服电机211#2等速逆时针方向转动时，柔索轮213#1沿顺时针方向转动、柔索轮213#2等速逆时针方向运动。在第一传动柔索214的力矩传递的作用下，上侧的回转组合小轮322#1沿逆时针方向运动、下侧的回转组合小轮322#2等速沿顺时针方向运动，经第二传动柔索51和第三传动柔索52的传动及导向轮引导、换向，动力传递至俯仰轮42，导向轮53周向受力平衡，相对俯仰轴线保持静止，周向在驱动力作用下带动回转框31绕俯仰轴方向转动，实现俯仰方向逆时针运动输出。

如图10所示，伺服电机211#1逆时针方向转动、伺服电机211#2等速顺时针方向转动时，柔索轮213#1沿逆时针方向转动、柔索轮213#2等速顺时针方向运动。在第一传动柔索214的力矩传递的作用下，上侧的回转组合小轮322#1沿顺时针方向运动、下侧的回转组合小轮322#2等速沿逆时针方向运动，经第二传动柔索51和第三传动柔索52的传动及导向轮引导、换向，动力传递至俯仰轮42，导向轮53周向受力平衡，相对俯仰轴线保持静止，周向在驱动力作用下带动回转框31绕俯仰轴方向转动，实现俯仰方向顺时针运动输出。

需要说明的是，当伺服电机211#1和伺服电机211#2以不同的转速输出时，本实施例基于柔索传动的差动结构稳定平台同样也可以实现方位方向和俯仰方向的同步运动，但其运动控制需进一步配合以具体的解耦控制算法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。