基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台

摘要

基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台，它涉及一种空间望远镜用调节系统，它包括第一级运动平台机构、第二级运动平台机构、第三级运动平台机构和基座；第一级运动平台机构包括第一级平台以及驱动该第一级平台绕X轴偏转、绕Y轴偏转和沿Z向移动的第一级驱动支链；第一级驱动支链安装在基座上；第二级运动平台机构包括第二级平台以及驱动该第二级平台沿X向和Y向移动的第二级驱动支链；第二级驱动支链安装在第一级平台上；第三级运动平台机构包括第三级平台以及驱动该第三级平台绕Z轴转动的第三级驱动支链，第三级驱动支链安装在第二级平台上。本发明结构简单紧凑，运动解耦，适宜空间环境工况，可用于空间光学系统的主动调节。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间望远镜用调节系统，具体涉及一种基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台。

背景技术

空间天文观测可以摆脱地球大气环境的影响，具有观测波长范围广、天空背景噪声低，分辨率高等优点，现已逐渐成为天文工作者进行深空探测、对地观测以及空间科学研究的重要手段。然而，由于空间望远镜是以航天器为基础平台，航天器的姿态变化、轨道进动、挠性部件收展等都会对望远镜成像产生影响，甚至无法捕捉目标。为了达到空间望远镜预期的探测精度，必须对成像系统进行六自由度主动调节达到稳像的目的。

传统的六自由度调节系统构型上主要采用Stewart平台。该构型存在严重的运动耦合，即每个姿态的调节需要六个驱动器根据复杂的运动学逆解配合运动，这样不仅增加平台控制难度，而且影响了运动的准确性。而传统的刚性关节存在缝隙和摩擦，需要润滑，使得其定位精度难以突破亚微米级，并且难以在空间环境进行维护。在驱动方面，现有的主动调节系统主要采用旋转式电机与滚珠丝杆、直线电机，虽然能满足毫米级行程，但其精度仅仅能达到微米级，且结构复杂。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种结构简单、运动精度高和运动解耦的基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台，它包括第一级运动平台机构1、第二级运动平台机构、第三级运动平台机构和基座；

第一级运动平台机构包括第一级平台以及驱动该第一级平台绕X轴偏转、绕Y轴偏转和沿Z向移动的第一级驱动支链；第一级驱动支链安装在基座上；

第二级运动平台机构包括第二级平台以及驱动该第二级平台沿X向和Y向移动的第二级驱动支链；第二级驱动支链安装在第一级平台上；

第三级运动平台机构包括第三级平台以及驱动该第三级平台绕Z轴转动的第三级驱动支链，第三级驱动支链安装在第二级平台上。

进一步地，第一级驱动支链包括柔性导向机构、导向支撑架、全柔性虎克铰和一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构；两个导向支撑架安装在基座上，两个导向支撑架之间设置有一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构，一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构的固定端安装在基座上，一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构的驱动端上设置有安装于两个导向支撑架上的柔性导向机构，柔性导向机构的上部安装有具有多个自由度的全柔性虎克铰，全柔性虎克铰的顶端与一级平台固接。

进一步地，第二级驱动支链包括压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构、二维柔性解耦器和固定支撑架；压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构的驱动端上各布置有一个二维柔性解耦器，压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构的固定端以及两个二维柔性解耦器安装在固定支撑架上，固定支撑架安装在第一级平台上，二维柔性解耦器安装在第二级平台上。

进一步地，第三级驱动支链包括三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构、旋转导向机构和可调半圆镜框；第三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构的固定端安装在第二级平台上，第三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构的驱动端安装在可调半圆镜框上，旋转导向机构安装通过支架在第三级平台上，且可调半圆镜框旋转时沿旋转导向机构滑动。

本发明的有益效果是：本发明的一种基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台特点是：1)机构全部采用柔顺关节，避免了关节的摩擦，无需润滑，提高系统分辨率，适宜空间环境工况，降低维护难度。

2)采用压电陶瓷+行程放大机构的驱动形式，既能满足毫米级行程，又能满足纳米级的精度，且结构简单。

3)机构采用串并混合形式构建，实现六自由度解耦，极大简化调节平台的运动学逆解。便于系统控制。该平台具有结构紧凑、运动解耦、结构简单等优点，可用于空间光学系统的主动调节。

4)采用全压电陶瓷驱动实现平台六自由度毫米级行程的精密调节，采用串并混合的构型实现六自由度运动解耦。

附图说明

图1为本发明基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台的立体图；

图2为本发明基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台的主视图；

图3为本发明基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台的俯视图；

图4为第一级运动平台机构的俯视图；

图5为图4的A-A向视图；

图6为第一级驱动支链结构图；

图7为图6的B-B向视图；

图8为第二级运动平台机构的主视图；

图9为图8的俯视图；

图10为第二级驱动支链立体图(从驱动端方向看)；

图11为第二级驱动支链立体图(从固定端方向看)；

图12为图10的主视图；

图13为第三级运动平台机构的主视图；

图14为图13的俯视图；

图15为三级驱动支链的结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明。

参见图1-图3说明，本实施方式的基于行程放大机构驱动的六自由度解耦柔顺并联平台，它包括第一级运动平台机构1、第二级运动平台机构2、第三级运动平台机构3和基座4；

第一级运动平台机构1包括第一级平台1-1以及驱动该第一级平台绕X轴偏转、绕Y轴偏转和沿Z向移动的第一级驱动支链1-2；第一级驱动支链1-2安装在基座4上；

第二级运动平台机构2包括第二级平台2-1以及驱动该第二级平台沿X向和Y向移动的第二级驱动支链2-2；第二级驱动支链2-2安装在第一级平台1-1上；

第三级运动平台机构3包括第三级平台3-1以及驱动该第三级平台绕Z轴转动的第三级驱动支链3-2，第三级驱动支链3-2安装在第二级平台2-1上。

本实施方式中，第一级运动平台机构1能够实现绕X轴偏转、绕Y轴偏转和沿Z向移动，第一级运动平台机构的四个第一级驱动支链1-2呈90°分布在第一级平台1-1的四周呈正方形排布，可实现上述三个方向的解耦运动，第一级平台1-1为内凹外凸相间设置的近似圆环形结构。

当每相邻的两个第一级驱动支链作为一组动作时，两组差动可实现绕X轴的偏转，同理，也可以实现绕Y轴的偏转，而当四个第一级驱动支链同时向相同方向运动相同距离时，则可实现Z方向的平动。

第二级运动平台机构2为沿X向和Y向移动的平台，第二级运动平台机构2的四个第二级驱动支链2-2呈90°分布在第一级平台1-1的四周，且四个第一级驱动支链1-1与四个第二级驱动支链1-2间隔布置。第二级驱动支链2-2能够实现第二级平台2-1沿X、Y方向的移动，由于第二级驱动支链2-2采用了二维柔性解耦器，该第二级平台2-1可实现上述两个方向X向和Y向移动的解耦。二级平台2-1为上下连接为一体的双圆环结构。

第三级运动平台机构为绕Z轴转动的平台机构，可单独控制绕Z轴的转动，第三级驱动支链3-2布置在可调半圆子镜框5-2的两端，第三级驱动支链3-2可以实现位姿空间精确调整，以保证可调半圆子镜框5-2与安装在基座4上的固定半圆子镜框5-1之间的相对位置关系。

三级运动平台通过串联的方式进行连接，前一级平台的输出作为下一级平台的底座。通过三级平台的复合运动能够同时实现对可调半圆子镜框5-2上的子镜6个自由度方向的调整，同时将各个运动方向的耦合程度降到最低。

第一级运动平台机构的各个组成部分如图4-图6所示。第一级驱动支链1-2包括柔性导向机构1-2-1、导向支撑架1-2-2、全柔性虎克铰1-2-3和一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构1-2-4；

两个导向支撑架1-2-2安装在基座4上，两个导向支撑架1-2-2之间设置有一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构1-2-4，一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构1-2-4的固定端安装在基座4上，一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构1-2-4的驱动端上设置有安装于两个导向支撑架1-2-2上的柔性导向机构1-2-1，柔性导向机构1-2-1的上部安装有具有多个自由度的全柔性虎克铰1-2-3，全柔性虎克铰1-2-3的顶端与第一级平台1-1固接。

第一级平台1-1固接有四个完全相同的第一级驱动支链1-2，每个第一级驱动支链1-2主要由位移放大机构、压电陶瓷驱动器、柔性导向机构和全柔性虎克铰。位移放大机构的固定端与基座4相连，两个输入端分别连接压电陶瓷1-2-5的两侧，其中一个输入端用于固定压电陶瓷(由定位销8固定)，另一端用于压电陶瓷预紧(由螺钉9预紧)。柔性导向机构1-2-1的输入输出面分别与行程放大器的输出端和全柔性虎克铰的固定端连接，全柔性虎克铰1-2-3的顶端与第一级平台1-1连接。

关于位移放大机构，根据可调半圆子镜的主动调整的任务需求，需要在1mm范围内实现亚微米级别的运动分辨率，这在精密工程领域属于比较大的行程。为了实现高精度的位姿调整，驱动方式的选择具有非常重要的影响。目前广泛应用于光学调整装置中的驱动器有三种：压电陶瓷、音圈电机和超声电机。相对于后两者，压电陶瓷具有分辨率高、出力大、响应迅速、驱动方式简单等特点，因此在本方案中选择这种驱动方式。但是压电陶瓷的缺点是行程短，通常只能输出微米级的位移，不能覆盖本项目的调节范围。为此，必须要使用位移放大机构。普通式桥式位移放大机构是目前使用最为广泛的压电陶瓷位移放大机构。桥式放大机构将压电陶瓷的输出位移进行放大，实现1.6mm的位移输出。

在传统精密机械领域，机构通过丝杆、导轨、铰链等方式进行传动，机构精度的提高主要依赖于零部件的加工和装配工艺。但是这些传动方式中不可避免的存在着间隙、摩擦和磨损等因素，限制了机构精度的进一步提高，使得传统精密机械的分辨率一般都低于10μm。在本项目中，为了满足调整机构的运动精度要求，采用柔顺机构进行传动。与传统机械相比，柔顺机构依靠弹性元件的弹性变形进行传动，不存在上述不利因素的影响，因而可以达到纳米级的运动精度。子镜主动调整机构中使用的柔顺机构模块主要有：柔性铰链、柔性虎克铰、柔性导向机构、柔顺解耦机构等，柔性导向机构1-2-1与桥式放大机构的输出端连接，限制作用在桥式放大机构上的非运动方向的力和运动，保护压电陶瓷1-2-5。参见图6所示，作为一种优选，柔性导向机构1-2-1为平直的弹簧片，弹簧片的中部顶靠在一级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构1-2-4的驱动端，弹簧片的两端安装在导向支撑架1-2-2上。由于桥式放大机构是用于单向行程输出的机构，所以不能承受其他方向的力和力矩，而第一级驱动支链1-2理论上有可能受到空间六个力和力矩的作用。为了避免放大器出现奇异变形，在放大器输出端放置单向导向机构，柔性导向机构1-2-1为两个直线连接的平直的薄弹簧片，机构虽然具有导向功能，但是也增加了驱动支链的负载，所以需要对导向机构中薄弹簧片的宽度和厚度进行设计。

全柔性虎克铰1-2-3与一级压电陶瓷1-2-5一起组成一个支链，由于支链上运动传动均依靠弹性变形产生，因而具有很高的运动精度。从并联机构运动学来看，第一级平台1-1可看作是空间三自由度并联机构，常用的该类并联机构有3-PRS、3-RPS、3-PPU等构型。作为柔顺并联机构，一方面希望支链上的关节越少越好，另一方面又希望要保证每条支链的灵活性以满足结构自由度的需要。此外，针对子镜调节机构外围空间狭小的特点，还要求支链包络尺寸尽可能小。因此，在柔性导向机构1-2-1的输出端安装有全柔性虎克铰1-2-3，该全柔性虎克铰1-2-3有5个运动自由度，可以保证支链的灵活性。为了减小运动支链的负载，全柔性虎克铰1-2-3的运动刚度因尽量小，即铰链厚度和长度要针对刚度进行设计。经过有限元计算，有限元结果表明，该机构在施加了1N的输出力之后，位移行程能达到1.3mm。驱动力远小于所设计的放大机构负载能力，设计满足要求。参见图6所示，作为一种优选，全柔性虎克铰1-2-3包括由柔性铰链相连的上中下三段式铰链座；上铰链座1-2-31与中铰链座1-2-32的中部以及中铰链座1-2-32和下铰链座1-2-33的中部均通过柔性铰链1-2-34相连接，两个柔性铰链1-2-34垂直设置。柔性铰链1-2-34可为柔性板状结构，和传统意义上的刚性虎克铰不同，全柔性虎克铰1-2-3可以认为存在5个运动自由度。全柔性虎克铰1-2-3有限元仿真结果可知。当单纯受到绕X轴或Y轴的恒力作用时，虎克铰只需要5N的力就能偏转0.5°，同时在X/Y方向的直线位移也能达到0.2mm。当受到绕Z轴的扭转力5000N·mm时，该全柔性虎克铰1-2-3绕Z轴转动0.35°，因此，该方向也可以看作存在自由度。而当施加Z方向正压力100N时，全柔性虎克铰1-2-3的Z向位移只有0.003mm，该方向刚度远远大于其它五个运动方向，所以Z轴移动方向没有自由度。

参见图6和图7所示，为了检测第一级平台1-1在绕X轴偏转、绕Y轴偏转和沿Z向移动的高精度的位姿调整，在每个第一级驱动支链1-2连接着位移传感器，一级运动平台机构1还包括一级位移传感器1-3和一级传感器支架1-4；一级位移传感器1-3为接触式位移传感器，一级传感器支架1-4安装在导向支撑架1-2-2上，一级位移传感器1-3的固定端固装在一级传感器支架1-4上，一级位移传感器1-3的感应端连接在一级平台1-1上。

参见图8-图12所示，作为上述方案的更进一步的限定，第二级驱动支链2-2包括压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构2-2-1、二维柔性解耦器2-2-2和固定支撑架2-2-3；压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构2-2-1的驱动端上各布置有一个二维柔性解耦器2-2-2，压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构2-2-1的固定端以及两个二维柔性解耦器2-2-2安装在固定支撑架2-2-3上，固定支撑架2-2-3安装在第一级平台1-1上，二维柔性解耦器2-2-2安装在第二级平台2-1上。二级压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构2-2-1中的二级压电陶瓷2-2-11，一端由定位销8固定，另一端由螺钉9预紧。第二级平台2-1实质是一个二维X向和Y向移动平台，由于其运动均在平面内(X和Y向的移动)，所以第二级平台2-1的驱动支链也都分布在该平面内。然而为了给子镜保留足够的通光空间，第二级驱动支链2-2的安放位置就相当有限，这是这一级驱动支链设计的难点。第二级平台2-1被控制的两个运动要求运动范围为±0.5mm，由第二级平台2-1的运动学计算公式可知，其对应的两个驱动支链的运动行程至少为1mm。因此，该级驱动支链的驱动形式也采用压电陶瓷加位移放大机构的形式。为了保证支链外包络尺寸的紧凑，对位移放大机构需要进行特殊设计，实现横向尺寸的减小。此外，为了实现两个运动方向的解耦，在该驱动支链的输出端安装X向和Y向移动的二维解耦器2-2-2，二维解耦器输出端再与第二级平台2-1相连，二维解耦器2-2-2还能起到运动导向的作用。同样为了减小支链的横向尺寸，将一个二维解耦器2-2-2安装在位移放大机构的上方。处于受力平衡的考虑，在下方对称位置也安置相同的一个二维解耦器2-2-2。第二级平台2-1留给第二级支链2-2布置的空间有限，而第二级驱动支链2-2除了位移放大机构之外还需要布置二维解耦器，所以该位移放大器需要在横向方向设计得更紧凑。普通的桥式放大机构由于要放置压电陶瓷，所以横向方向的尺寸由压电陶瓷的直径和桥臂宽度决定，为了减小该方向尺寸，可以将压电陶瓷在横向方向的空间节省出来，把陶瓷安装在纵向方向，为了对称，在压电陶瓷的另一侧再安装一个相同的位移放大机构，压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构，整体结构如图10和图11所示。如此一来，紧凑型桥式位移放大机构横向方向的尺寸减小，纵向方向上增加了高度，而纵向方向的尺寸不影响该驱动支链的布置。由于柔性铰链奇异变形的存在，桥式放大机构的放大倍数不宜设计得过大。在满足1mm的运动行程前提下，压电陶瓷驱动的紧凑型桥式位移放大机构的放大倍数拟设计为9倍。对第二级放大机构进行有限元仿真，输入位移为0.12mm时，输出位移为1.098mm，放大倍数为9.12，满足设计要求。

在X和Y向移动平台中，二维解耦器一方面对并联两支链的垂直运动进行解耦，另一方面也可以对输出平台起到支撑作用，使结构对称。解耦器的基本原理是通过弹性簧片组成柔性平行四边形结构，利用小行程下平行四边形机构的平动效应解除平台二维平动之间的耦合。参见图10和图11所示，优选地，二维柔性解耦器2-2-2主要由多个解耦框架串接而成，每个解耦框架为由弹性簧片K围成的多层四边形结构，相邻两个解耦框架上的四边形的边垂直设置。为了增加二维解耦器解耦效果，同时减小二维解耦器对该第二级驱动支链的反作用力，我们采用多层四边形的形式，分别设置X方向解耦的四边形K1和Y向解耦四边形K2，其实质是多个四边形串联增加平行四边形的边长，进而减小二维解耦器2-2-2寄生运动以及运动方向的刚度。对X方向解耦的四边形，由于其长度方向尺寸大，所以采用四层四边形；Y方向解耦的四边形由于长度方向尺寸小，同时为了使结构对称，在X方向解耦四边形左右两侧均设置有Y向解耦四边形，两边结构为并联连接，会增加该方向的运动刚度，所以Y向解耦采用整体长度更长四层四边形的形式。第二级驱动支链2-1在X方向上布置时，X方向解耦的四边形的每边与X轴平行，Y向解耦四边形的每边与Y轴平行；第二级驱动支链2-1在Y方向上布置时，X方向解耦的四边形的每边与X轴垂直，Y向解耦四边形的每边与Y轴垂直。

同样，为了检测第二级平台2-1在X向和Y向移动的高精度的位姿调整，参见图2和图5所示，第二级运动平台机构2还包括二级位移传感器2-3和二级传感器支架2-4；二级传感器支架2-4安装在固定支撑架2-2-3上，二级位移传感器2-3的固定端安装在二级传感器支架2-4上，二级位移传感器2-3的感应端连接在第二级平台2-1上。

参见图13-图15所示，第三级驱动支链3-2控制的是绕Z轴的转动自由度，按照运动学原理，机构自由度数和驱动数相等，因此，第三级平台3-1理论上只需要一个驱动支链。但是为了保持机构整体的对称性，同时消除单支链驱动带来的侧向力，因此第三级平台3-1采取冗余驱动的方式，设置对称的两个第三级驱动支链3-2，其原理类似于绕圆周“搓动”使镜框转动，具体为：第三级驱动支链3-2包括第三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构3-2-1、旋转导向机构3-2-2和可调半圆镜框3-2-3；第三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构3-2-1的固定端安装在第二级平台2-1上，第三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构3-2-1的驱动端安装在可调半圆镜框3-2-3上，旋转导向机构3-2-2通过支架安装在第三级平台3-1上，且在可调半圆镜框3-2-3转动时能沿旋转导向机构3-2-2滑动。三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构3-2-1中的三级压电陶瓷3-2-11，一端由定位销8固定，另一端由螺钉9预紧。

参见图15所示，为了使可调半圆镜框3-2-3能够在支链的“搓动”下沿圆周转动，需要在第二级平台2-2和可调半圆镜框3-2-3之间连接旋转导向机构3-2-2，保证运动的准确性。此外，绕Z轴的转动的行程为±200″，两个位移输入点的距离为415mm，转化到支链后，对支链的行程要求为0.8mm。由于第三级行程要求较小，可以采用普通的桥式放大机构作为第三级驱动支链。为了保证可调半圆镜框3-2-3在Z轴转动的准确性，同时为驱动支链回程提供回复力和预紧力，需要在镜框和第二级输出平台之间安装旋转导向机构3-2-2。旋转导向机构3-2-2的运动原理与二维柔性解耦器2-2-2相同。

旋转导向机构3-2为由第三弹性簧片H围成的多层四边形结构，多层四边形结构沿可调半圆镜框3-2-3周向布置。由于导向针对的是旋转运动，所以四边形机构需要沿圆周布置，如图14所示。为了保持第三级平台3-1的对称性和稳定性，在半圆圆周等距的四个位置布置旋转导向机构3-2-2。四个旋转导向机构3-2-2并联连接增加了运动方向的运动刚度，因此导向采用四层四边形的形式减小运动刚度。对旋转导向机构3-2-2进行有限元分析，旋转导向机构3-2-2沿运动方向位移为0.5mm时寄生运动方向的位移为5.14×10^-3mm，导向效果良好。

第三级压电陶瓷驱动的普通型桥式位移放大机构3-2-1和可调半圆镜框3-2-3之间采用过渡柔性铰链3-2-5连接，该过渡柔性铰链3-2-5可为T形薄板结构。在该级放大机构输入端施加输入力，满足行程所需要的输入力为200N，此时，该级放大机构的放大倍数为12.3。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。