三自由度调姿机构

1.本发明涉及船舶工程技术领域，特别是涉及一种三自由度调姿机构。


背景技术：

2.总段造船法是目前主流的大型船舶先进建造方法，其中每一个分段都是由多个组立拼装而成的，而进一步地，根据尺寸、重量，其组立同样由其他组立拼接而成，具体可分为小组立、中组立、大组立。由于船舶在海上的工作环境恶劣，因此对组立拼装对接的精度和质量要求较高，要保证相邻的两个组立的关键特征例如穿刺结构在各个方向上保证重合。
3.目前传统的对接工艺基本依赖于手工，工人先将一段组立固定，再用行车将对接段吊起，用拉马等方式手工调整姿态。整个过程操作复杂，效率低下，对工人的操作技能要求高，并且质量无法得到保证，严重影响了船舶制造的可靠性和精度。
4.在组立对接拼装的应用过程中，相较于组立的位置，组立本身的姿态调整更加重要。因为组立的位置调整只需要3个方向的移动自由度，工业上通过3组直线模组配合即可以很容易的实现。但是在机构学领域中，姿态的调整需要巧妙的机构设计来实现。同时，组立的自重也对调姿机构的承载能力提出了很高要求。
5.虽然并联机构具有刚度高、承载能力强、位置精度高等优点，但是目前仍没有专门针对组立调姿的并联机构工装，工业上常见的六自由度并联机构结构相对复杂，而三自由度并联机构的运动能力与组立姿态调整需求并不相匹配，而串联构型的工业机器人则更是无法承担组立重量级别的负载。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种三自由度调姿机构，能够解决现有组立拼装对接场景中自动化程度低、对接精度差的问题。
7.一种三自由度调姿机构，包括：
8.水平转台；
9.第一转动组件，位于所述水平转台之上；
10.第二转动组件，固定端与所述第一转动组件的活动端连接，所述第二转动组件的活动端用于连接动平台，且所述第二转动组件活动端转动方向与所述第一转动组件活动端的转动方向垂直；
11.两个调节座，一端位于所述水平转台之上，另一端连接所述动平台，用于对动平台的位姿进行多方位调节。
12.在其中一个实施例中，所述水平转台上固定有基座，所述基座具有高位端和低位端，所述第一转动组件安装在所述高位端，两个所述调节座安装在所述低位端。
13.在其中一个实施例中，所述第一转动组件活动端与所述第二转动组件活动端均可沿垂直方向转动。
14.在其中一个实施例中，所述第一转动组件包括：
15.两个轴承座，同轴设置在所述基座的高位端；
16.转轴，两端分别安装在两个所述轴承座内。
17.在其中一个实施例中，所述第二转动组件包括：
18.固定杆，一端与所述转轴固定连接，且所述固定杆与所述转轴相互垂直；
19.活动套，转动安装在所述固定杆上，且与所述动平台连接。
20.在其中一个实施例中，两个所述调节座与所述动平台连接的一端以所述第二转动组件为对称中心相对设置。
21.在其中一个实施例中，所述调节座包括：
22.第三转动组件；
23.第四转动组件；
24.所述第三转动组件和所述第四转动组件具有至少一个转动方向；
25.伸缩部件，一端通过所述第三转动组件与所述基座的低位端连接，另一端通过所述第四转动组件与所述动平台连接。
26.在其中一个实施例中，所述第三转动组件具有两个转动方向，其中一个转动方向与所述第一转动组件的转动方向平行，另一个转动方向与所述第二转动组件的转动方向平行。
27.在其中一个实施例中，所述第四转动组件具有一个转动方向，且该转动方向与所述第二转动组件的转动方向平行。
28.在其中一个实施例中，所述动平台上设置有多种安装孔，用于安装不同的负载。
29.上述三自由度调姿机构，将调整段组立固定在动平台上，跟随调姿机构一起运动，而固定端组立被固定在地面上或对应支架上，且固定端组立位姿是确定的，通过其他测量手段获得调整段组立和固定端组立的相对位姿后，即可计算出所需要的调整量，随后通过机构的运动学逆解即可实现调整段组立的三自由度姿态调整，即第一转动组件、第二转动组件和两个调节座的姿态调整。该三自由度调姿机构相比于无工装的工人手工调整和测量，可以定量地调整负载的姿态，解决了现有组立拼装对接场景中自动化程度低、对接精度差的问题。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明的三自由度调姿机构的原理示意图；
32.图2为本发明的三自由度调姿机构的结构示意图；
33.图3为本发明的三自由度调姿机构的局部结构示意图；
34.图4为本发明的三自由度调姿机构的应用场景示意图。
35.附图标记：
36.110、水平转台；120、基座；200、第一转动组件；300、第二转动组件；410、伸缩部件；420、第三转动组件；430、第四转动组件；500、动平台。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本发明的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”、“下”可以是第一特征直接和第二特征接触，或第一特征和第二特征间接地通过中间媒介接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.除非另有定义，本发明的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
42.下面结合图1-图4描述本发明的三自由度调姿机构。
43.如图2和图3所示，在一个实施例中，一种三自由度调姿机构，包括水平转台110、第一转动组件200、第二转动组件300和两个调节座；第一转动组件200位于水平转台110之上；第二转动组件300固定端与第一转动组件200的活动端连接，第二转动组件300的活动端用于连接动平台500，且第二转动组件300活动端转动方向与第一转动组件200活动端的转动方向垂直；两个调节座一端位于水平转台110之上，另一端连接动平台500，用于对动平台500的位姿进行多方位调节。
44.上述三自由度调姿机构，如图4所示，将调整段组立固定在动平台500上，跟随调姿机构一起运动，而固定端组立被固定在地面上或对应支架上，且固定端组立位姿是确定的，通过其他测量手段获得调整段组立和固定端组立的相对位姿后，即可计算出所需要的调整量，随后通过机构的运动学逆解即可实现调整段组立的三自由度姿态调整，即第一转动组件200、第二转动组件300和两个调节座的姿态调整。该三自由度调姿机构相比于无工装的工人手工调整和测量，可以定量地调整负载的姿态，解决了现有组立拼装对接场景中自动化程度低、对接精度差的问题。
45.在一个实施例中，水平转台110上固定有基座120，基座120具有高位端和低位端，第一转动组件200安装在高位端，两个调节座安装在低位端。
46.具体的，该三自由度调姿机构采用串-并混联机构，其中水平转台110水平固定在基座120上，作为串联部分，为上面的并联部分提供支撑和回转自由度。并联部分包括第一转动组件200、第二转动组件300和两个调节件。
47.在一个实施例中，第一转动组件200活动端与第二转动组件300活动端均可沿垂直方向转动。
48.具体的，常态下第一转动组件200和第二转动组件300呈水平或接近于水平状态，因此第一转动组件200和第二转动组件300在转动时均可沿垂直方向转动。
49.在一个实施例中，第一转动组件200包括两个轴承座和转轴；两个轴承座同轴设置在基座120的高位端；转轴两端分别安装在两个轴承座内。
50.第二转动组件300包括固定杆和活动套；固定杆一端与转轴固定连接，且固定杆与转轴相互垂直；活动套转动安装在固定杆上，且与动平台500连接。
51.具体的，当调整段组立固定在动平台500上后，若调整段组立的前后端高度差与固定段组立前后端高度差不一致，则对转轴进行转动，以使调整段组立的前后端高度差与固定段组立前后端高度差一致，且两者相对端在高度上能够吻合。若调整段组立的左右端高度差与固定段组立左右端高度差不一致，则对活动套进行转动，以使调整段组立的左右端高度差与固定段组立的左右端高度差一致，且两者相对端在高度上能够吻合。
52.在一个实施例中，两个调节座与动平台500连接的一端以第二转动组件300为对称中心相对设置。
53.具体的，两个调节座对称设置在动平台500的下方，且相对连接在动平台500上，通过对两个调节座位置的同一设置，在后续对三自由度调姿机构的调节姿态进行运动学逆解时计算更方便且准确。
54.在一个实施例中，调节座包括第三转动组件420、第四转动组件430和伸缩部件410；第三转动组件420和第四转动组件430具有至少一个转动方向；伸缩部件410一端通过第三转动组件420与基座120的低位端连接，另一端通过第四转动组件430与动平台500连接。
55.具体的，伸缩部件410为动力伸缩杆，具体驱动力采用电力、气力等根据实际应用需求。转动组件若具有一个转动方向，则转动组件通过一个轴承座和一个安装在轴承座上的活动块构成，转动组件若具有两个转动方向，则转动组件通过两个轴承座和一个安装在两个轴承座上的活动块构成。
56.在一个实施例中，第三转动组件420具有两个转动方向，其中一个转动方向与第一转动组件200的转动方向平行，另一个转动方向与第二转动组件300的转动方向平行。
57.第四转动组件430具有一个转动方向，且该转动方向与第二转动组件300的转动方向平行。
58.具体的，当转动组件具有两个转动方向时，两个轴承座的转动轴线相交且垂直，两个轴承座通过一个活动块完成连接。
59.在一个实施例中，动平台500上设置有多种安装孔，用于安装不同的负载。
60.如图1所示，本实施例中对三自由度调姿机构的结构原理进行说明，该调姿机构采用串-并混联的方式，其中两个调节座为upr构型，分别为第一运动支链和第二运动支链，具体的，a1为第一运动支链的u副，b1为第一运动支链的p副，c1为第一运动支链的r副，a2为第
二运动支链的u副，b2为第二运动支链的p副，c2为第二运动支链的r副。
61.第一转动组件200和第二转动组件300合为rc构型，为第三运动支链，具体的，a3为第三运动支链的r副，c3为第三运动支链的c副，动平台500固定在c副上，其上可通过法兰提供各种负载的安装固定。其中，第一转动组件200为第三运动支链的r副，第二转动组件300为c副，r副的方向为调姿机构坐标系的y轴方向。s表示水平转台110。
62.第三转动组件420为调节座的u副，第四转动组件430为调节座的r副，伸缩部件410为调节座的p副。第一运动支链的u副与水平转台110连接，并且u副的一个转动轴线方向与第三运动支链的r副的转动轴线方向平行，u副的另一个转动轴线方向与本支链内的r副的转动轴线方向平行，即主动p副两侧的两个r副方向平行。
63.第一运动支链和第二运动支链的u副的第一个轴线共线，r副的轴线共线，并且，在机构的零位位型下，两个p副方向平行，此时第三运动支链的r副的轴线方向为机构的x方向。
64.其中，r副表示仅有一个转动方向；u副由相互正交的两个r副组成；p副表示为线性运动机构，c副为与r副类似的仅有一个转动方向的机构。
65.从约束旋量的角度分析机构的自由度，对于并联机构部分的第一运动支链，其u副具有ξ
11
＝[0，1,0，c，0，a]
t
和ξ
12
＝[1，0，0，0，-c，b]
t
的运动旋量，p副具有ξ
13
＝[0，0，0，0，0，1]
t
的运动旋量，r副具有ξ
14
＝[1，0，0，0，0，b]
t
的运动旋量，所以第一运动支链的合成运动螺旋系为ξ1＝[ξ
11
，ξ
12
，ξ
13
，ξ
14
]
t
，则第一运动支链对动平台500的约束力旋量系为也就是说第一运动支链对动平台500具有沿绕p副轴线方向的转动约束力旋量、沿垂直于r副和p副轴线方向的移动约束力旋量。
[0066]
对于并联机构部分的第二运动支链，其u副具有ξ
21
＝[0，1,0，c，0，a]
t
和ξ
22
＝[1，0，0，0，-c，-b]
t
的运动旋量，p副具有ξ
23
＝[0，0，0，0，0，1]
t
的运动旋量，r副具有ξ
24
＝[1，0，0，0，0，-b]
t
的运动旋量，所以第二运动支链的合成运动螺旋系为ξ2＝[ξ
21
，ξ
22
，ξ
23
，ξ
24
]
t
，则第二运动支链对动平台500的约束力旋量系为由于该第二运动支链与第一运动支链的形式完全相同，所以约束旋量也完全相同，具体来说，该第二运动支链对动平台500具有沿绕p副轴线方向的转动约束力旋量、沿垂直于r副和p副轴线方向的移动约束力旋量。
[0067]
第三运动支链的运动螺旋系为ξ3＝[ξ
31
，ξ
32
]
t
，其中ξ
31
＝[0，1,0,0,0,0]
t
，所以第三运动支链的约束力螺旋系为所以第三运动支链的约束力螺旋系为第三运动支链具有沿r副轴线方向的移动约束力旋量、沿垂直于r副和c副轴线方向的移动约束力旋量、绕垂直于r副和c副轴线方向的转动约束力旋量。
[0068]
三个运动支链的约束力旋量综合在动平台500上，$＝[$1，$2，$3]
t
，并且rank($)＝4。
通过上述分析，得到并联部分动平台500的运动螺旋系为通过上述分析，得到并联部分动平台500的运动螺旋系为所以动平台500只具有绕第三运动支链r副轴线方向的转动能力、绕c副轴线方向的转动能力，对应于默认位型下的绕y轴和绕x轴调姿能力。对于串联机构部分，水平转台110又给动平台500提供了额外的绕z轴转动能力[0,0,1,0,0,0]
t
，所以混联构型的动平台500的运动螺旋系为因此该三自由度调姿机构具有空间任一方向的姿态调整能力。
[0069]
上述三自由度调姿机构，承载部分采用并联构型，可以将各支链带来的运动、几何和变形误差平均，消除各关节的累计误差，进一步减小运动误差。同时，可采用伺服驱动系统，进一步保证了驱动的精度。
[0070]
更具体的该三自由度调姿机构采用混联构型，其中串联部分负责实现绕z轴的转动，其相当于一个在地面布置的水平转台110，所以可以通过交叉滚子轴承或者端面轴承充分保证其承载能力。并联部分负责实现剩余两个方向的姿态调整，而并联机构本身就具有刚性高、承载能力强的特点，所以所发明的调姿机构承载力强。同时，并联机构末端动平台500等效惯量小，运动灵活，稳定性好，结构简单，工作空间大，动平台500尺寸大，在动平台500法兰上可以安装各种样式的中小组立，适用于多种型号的组立拼装对接的场景，且所用材料均可直接购买，所用连杆、框架结构简单，通过机加工可以很容易获得，成本较低。
[0071]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0072]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种三自由度调姿机构，其特征在于，包括：水平转台；第一转动组件，位于所述水平转台之上；第二转动组件，固定端与所述第一转动组件的活动端连接，所述第二转动组件的活动端用于连接动平台，且所述第二转动组件活动端转动方向与所述第一转动组件活动端的转动方向垂直；两个调节座，一端位于所述水平转台之上，另一端连接所述动平台，用于对动平台的位姿进行多方位调节。2.根据权利要求1所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述水平转台上固定有基座，所述基座具有高位端和低位端，所述第一转动组件安装在所述高位端，两个所述调节座安装在所述低位端。3.根据权利要求2所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述第一转动组件活动端与所述第二转动组件活动端均可沿垂直方向转动。4.根据权利要求3所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述第一转动组件包括：两个轴承座，同轴设置在所述基座的高位端；转轴，两端分别安装在两个所述轴承座内。5.根据权利要求4所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述第二转动组件包括：固定杆，一端与所述转轴固定连接，且所述固定杆与所述转轴相互垂直；活动套，转动安装在所述固定杆上，且与所述动平台连接。6.根据权利要求5所述的三自由度调姿机构，其特征在于，两个所述调节座与所述动平台连接的一端以所述第二转动组件为对称中心相对设置。7.根据权利要求6所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述调节座包括：第三转动组件；第四转动组件；所述第三转动组件和所述第四转动组件具有至少一个转动方向；伸缩部件，一端通过所述第三转动组件与所述基座的低位端连接，另一端通过所述第四转动组件与所述动平台连接。8.根据权利要求7所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述第三转动组件具有两个转动方向，其中一个转动方向与所述第一转动组件的转动方向平行，另一个转动方向与所述第二转动组件的转动方向平行。9.根据权利要求8所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述第四转动组件具有一个转动方向，且该转动方向与所述第二转动组件的转动方向平行。10.根据权利要求9所述的三自由度调姿机构，其特征在于，所述动平台上设置有多种安装孔，用于安装不同的负载。

技术总结
本发明涉及一种三自由度调姿机构，包括水平转台、第一转动组件、第二转动组件和两个调节座；第一转动组件位于水平转台之上；第二转动组件固定端与第一转动组件的活动端连接，第二转动组件的活动端用于连接动平台，且第二转动组件活动端转动方向与第一转动组件活动端的转动方向垂直；两个调节座一端位于水平转台之上，另一端连接动平台，用于对动平台的位姿进行多方位调节。该三自由度调姿机构相比于无工装的工人手工调整和测量，可以定量地调整负载的姿态，解决了现有组立拼装对接场景中自动化程度低、对接精度差的问题。对接精度差的问题。对接精度差的问题。


技术研发人员：梁振鹍 陈根良 王皓 刘瑞睿 陈寅
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/6/4