并联式空间测量指向机构及其操作方法及空间测量仪器与流程

1.本发明涉及机械领域，尤其涉及一种并联式空间测量指向机构。


背景技术：

2.在星载天线、空间光学遥感器等空间测量仪器中，其需要采用二维空间测量指向机构搭载天线、遥感仪器、图像采集设备等作为负载部件，以实现定位和检测功能。通常情况下，空间测量仪器内部的负载部件不仅需要有两个相互垂直的转动自由度，同时还需要解决定位、检测器件的空间测量指向精度和稳定性等技术问题。并且，在研发过程中，空间测量仪器的内部设计结构是否紧凑，对于提升系统的可靠性具有重要意义。
3.然而，常见的空间测量指向机构多采用两个转动自由度逐级叠加在一起的串联结构形式，但存在因机构误差积累而导致其出现刚度和精度降低、频响变差、承载能力和稳定性降低等问题，尤其是由于结构的叠加，且驱动电机必须安装与机架上，因此，空间测量指向机构的末端的驱动电机随第一个转动自由度摆动，产生信号线和电缆线摆动和绕线的问题。例如专利(申请号201811358266.8)披露的二维指向机构是串联结构，存在电缆线摆动带来的拖动力影响测量精度和绕线的问题，同时电缆线暴露在外不容易防护，降低了指向精度和系统稳定性。有的空间测量指向机构，虽采用了并联结构，但尺寸和重量较大，例如发明专利(202111232894.3)的并联二维指向结构较为复杂，转动惯量大，采用了锥齿轮等复杂的不易保证精度、不易维护的机械元件。
4.因此，如何提供一种并联式空间测量指向机构，不仅结构简单，而且可以避免因电缆线的摆动和绕线而影响测量精度，同时电机和电缆线易于防护，是本发明亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种并联式空间测量指向机构，不仅结构简单，而且可以避免因电缆线的摆动和绕线而影响测量精度，同时便于电机和电缆线的防护，以提升系统的可靠性。
6.为了实现上述目的，本发明提出了一种并联式空间测量指向机构，包括：
7.机架；
8.第一电机，设置于所述机架上；
9.第二电机，设置于机架上且相对所述第一电机布置；
10.负载安装件，其具有俯仰转轴，且用于设置外部的负载器件；
11.转动组件，其一端与所述第一电机的驱动轴相连，另一端与所述负载安装件的俯仰转轴转动相连；
12.摆动连杆组件，其一端与第二电机的所述输出轴相连，另一端与所述负载安装件通过球铰连接；
13.其中，所述第一电机的驱动轴沿第一方位轴向布置，且与所述第二电机的输出轴
同轴共线设置；负载安装件用于在所述第一电机和所述第二电机的配合驱动下，可沿所述俯仰转轴构成的第二方位轴向转动预设的角度，以及跟随所述转动组件进行周向转动；所述第二方位轴向与所述第一方位轴向呈预设的第一夹角设置。
14.进一步作为优选地，所述预设的第一夹角为90度；
15.进一步作为优选地，所述预设的角度为0度～135度。
16.进一步作为优选地，所述转动组件包括：与所述驱动轴同轴相连的连动杆、一端与所述连动杆相连而另一端与所述负载安装件转动连接的转动杆；其中，所述连动杆与所述转动杆之间呈所述预设的第一夹角设置。
17.进一步作为优选地，所述负载安装件包括：同轴套设于所述转动杆上并构成所述俯仰转轴的轴套、与所述轴套相连并用于安装所述负载器件的安装盘。
18.进一步作为优选地，所述摆动连杆组件包括：与所述输出轴同轴相连的第一摆动杆、与所述第一摆动杆相连的第二摆动杆、第一球铰件、第二球铰件、一端通过第一球铰件与所述第二摆动杆相铰接而另一端通过所述第二球铰件与所述负载安装件形成所述球铰连接的第三摆动杆；其中，所述第二摆动杆与所述第一摆动杆呈预设的第二夹角设置。
19.进一步作为优选地，所述第一摆动杆与所述连动杆同轴共线设置；所述第一摆动杆与所述连动杆的延伸方向呈相反的方向连接布置；所述第二夹角为90度；所述第二摆动杆与所述第三摆动杆之间的夹角在所述第一电机和所述第二电机以不同的速度运转时，呈动态的夹角变化。
20.进一步作为优选地，所述第二球铰件与所述转动杆的连接点，与其与所述第三摆动杆的连接点之间的距离为l1：所述转动杆与所述第二球铰件的连接点，与其与所述连动杆的连接点之间的距离为第一距离l2；所述第二摆动杆与所述第一球铰件的连接点，与其与所述第一摆动杆的连接点之间的距离为l3；所述转动杆与所述第二摆动杆之间的距离为l4；其中，所述l2等于所述l3；所述l4与所述l2之间的比值大于等于2；所述l4与所述l1之间的比值大于等于6。
21.进一步作为优选地，所述机架包括：底座、设置于底座且分别位于相对两端的第一固定板和第二固定板；其中，第一固定板上设置所述第一电机；所述第二固定板上设置所述第二电机；所述转动组件还包括：用于连接所述驱动轴和所述连动杆的第一回转轴承；所述摆动连杆组件还包括：用于连接所述输出轴和所述第一摆动杆的第二回转轴承；并且，所述第一固定板上开设有用于安装第一回转轴承的第一通孔；所述第二固定板上开设有用于安装第二回转轴承的第二通孔。
22.进一步作为优选地，当所述第一电机和所述第二电机转动，以相同的速度同向转动时，所述负载安装件仅以第一方位轴向为旋转轴向作旋转运动；
23.当所述第一电机锁止转动，所述第二电机转动时，所述负载安装件仅以所述俯仰转轴为旋转轴向作自旋至所述预设的角度，以形成往复的摆动；
24.当所述第二电机锁止转动，所述第一电机转动时，所述负载安装件在以第一方位轴向为旋转轴向作旋转运动的同时，也以所述俯仰转轴为旋转轴向同步作自旋至所述预设的角度，以形成往复的摆动。
25.本技术还提供了一种空间测量仪器，包括：上述并联式空间测量指向机构。
26.本技术还提供了一种操作方法，用于控制上述并联式空间测量指向机构的运行，
包括以下步骤：
27.控制所述第一电机和所述第二电机，以相同的速度沿同一方向转动；
28.控制所述第一电机锁止转动，同时控制所述第二电机转动；
29.控制所述第二电机锁止转动，同时控制第一电机转动。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：不仅结构简单，而且整体可通过连杆组件传动的方式，使得电机均安装于机架上，可以避免因电缆线的摆动和绕线而影响测量精度，同时电机和电缆线可安装于机架或舱内容易防护，提高了整体的可靠性。
附图说明
31.图1为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的结构示意图；
32.图2为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的状态示意图一；
33.图3为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的状态示意图二；
34.图4为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的状态示意图三；
35.图5为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的状态示意图四；
36.图6为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的状态示意图五；
37.图7为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的状态示意图六；
38.图8为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构的控制方法的流程图；
39.图9为本发明一实施例中并联式空间测量指向机构关键的机构比例尺寸图；
40.附图说明:第一电机1、第二电机2、转动组件3、连动杆31、转动杆32、第一回转轴承33、摆动连杆组件9、第一摆动杆91、第二摆动杆92、第三摆动杆93、第一球铰件94、第二球铰件95、第二回转轴承96、负载安装件8、轴套81、安装盘82、机架12、底座121、第一固定板122、第二固定板123。
具体实施方式
41.下面将结合示意图对本发明的并联式空间测量指向机构进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
42.请参考图1至图7，在本实施例中，提供了一种并联式空间测量指向机构，其主要是由机架12、设置于所述机架12上的第一电机1、设置于机架12上且相对所述第一电机1布置的第二电机2、负载安装件8、转动组件3，以及摆动连杆组件9等构成。
43.其中，负载安装件8，其具有俯仰转轴，且用于设置外部的负载器件(图中未示出)；转动组件3，其一端与第一电机的驱动轴(图中未标示)相连，另一端与所述负载安装件8的俯仰转轴转动相连；摆动连杆组件9，其一端与第二电机的输出轴(图中未标示)相连，另一端与所述负载安装件8通过球铰连接。其中，需要说明的是，本实施例中的并联式空间测量指向机构，可应用于星载天线、空间光学遥感器等空间测量仪器中，例如卫星、空间站等航空载具的空间测量仪器中。负载器件可以优选为摄像头或导航定位器等。
44.其中，所述第一电机1的驱动轴沿第一方位轴向布置；所述第二电机2的输出轴沿所述第一方位轴向a布置；负载安装件8用于在所述第一电机1和所述第二电机2的配合驱动
下，可沿所述俯仰转轴构成的第二方位轴向b转动预设的角度，以及跟随所述转动组件3进行周向转动；第二方位轴向b与所述第一方位轴向a呈预设的第一夹角设置。
45.通过上述内容可知：负载安装件8的俯仰转轴通过转动组件3与第一电机1相连的方式，可实现沿第一方位轴向的同步旋转，如图1中箭头c所示的方向进行转动，同时由于负载安装件8还与摆动连杆组件9相铰接，从而使得负载安装件8在第一电机1和第二电机2的配合下，既能实现沿第一方位轴向a的同步旋转一周，也就是旋转360度，还能沿俯仰转轴的轴向构成的第二方位轴向b，例如图1中箭头d所示的方向或与箭头d相反的方向转动预设的角度，从而实现负载安装件8上设置的负载器件在空间上进行多个自由度的指向运动。
46.并且，在整个过程中，两个电机之间通过多个连杆的配合即可驱动负载安装件8的运转，无须对电机自身进行转动，同时可避免采用锥齿轮等复杂的不易实现高精度、不易维护的机械元件，即可解决系统性的传动、维护和稳定性等问题，从而在设置时不会产生对电机进行供电或控制的电缆线的缠绕，可以将电机和电缆线藏于机架12或防护壳体的内部进行防护等，因此，不仅结构简单，而且可以避免因电缆线的摆动和绕线而影响了测量精度，例如提升空间测量指向机构的跟踪精度等。此外，通过上述转动组件3和摆动连杆组件9的配合形成的并联结构，还具有精度高承载力大等优点，同时结构较在设计上较为紧凑，可降低总体尺寸和转动惯量等。
47.此外，值得一提的是，本实施例通过同轴共线的电机布置的方式，可以使得连杆结构较容易做得紧凑，降低了总体尺寸和转动惯量，从而最大限度地节省动力。
48.为了说明并联式空间测量指向机构工作原理和方法以及对应的工作状态，现作如下简要说明：
49.当所述第一电机1和所述第二电机2转动，以相同的速度同向转动时，所述负载安装件8仅以第一方位轴向a为旋转轴向作旋转运动。例如以图1为初始状态为例，第一电机1和所述第二电机2在沿图1中箭头c所示的方向同步转动后的状态，可参考图4和图5所对应的两个状态示意图。
50.当所述第一电机1锁止转动，所述第二电机2转动时，所述负载安装件8仅以所述俯仰转轴为旋转轴向,也就是第二方位轴向b作自旋至所述预设的角度，以形成往复的摆动；例如以图1为初始状态为例，第一电机1在锁止转动，所述第二电机2在沿图1中箭头c所示的方向转动后的状态，可参考图8和图7所对应的两个状态示意图。
51.当所述第二电机2锁止转动，所述第一电机1转动时，所述负载安装件8在以第一方位轴向为旋转轴向作旋转运动的同时，也以所述俯仰转轴为旋转轴向同步作自旋至所述预设的角度，以形成往复的摆动。例如以图1为初始状态为例，第二电机2在锁止转动，所述第一电机1在沿图1中箭头c所示的方向转动后的状态，可参考图2和图3所对应的两个状态示意图。显然，需要说明的是，上述第一电机1和第二电机2也可以沿箭头c所示的相反方向进行转动，在此不再作具体的限定和赘述。
52.具体地，上述预设的第一夹角优选为90度。通过该角度的设置，使得俯仰转轴与述驱动轴相互垂直，不仅便于控制负载部件的转动方向，还进一步有利于降低总体尺寸和转动惯量，节省动力等。显然，需要说明的是，本实施例中的第一角度优选为其他角度的，例如45度、60度等，在此不再作具体的限定和赘述。
53.详细地，上述预设的角度优选为0度～135度或0～90
°
。通过该角度的设置，可以控
制负载安装件8沿其俯仰转轴的轴向进行转动范围，从而控制负载安装件8绕俯仰转轴的轴向进行摆动的幅度。显然，需要说明的是，本实施例中的预设的角度除了优选为0度～90度之外，还可以为其他角度的，例如45度、60度等，在此不再作具体的限定和赘述。
54.进一步作为优选地，本实施例中的转动组件3可以由与所述驱动轴同轴相连的连动杆31、一端所述连动杆31相连而另一端与所述负载安装件8转动连接的转动杆32等构成。其中，所述连动杆31与所述连动杆31之间呈上述预设的第一夹角设置。其中，连动杆31和转动杆32可以为一体成型的连杆，例如直角杆或斜角杆，也可以根据实际需求设计为可拆卸连接的连动杆31和转动杆32,在此不再作具体的限定和赘述。
55.进一步作为优选地，为了满足实际应用中的设计和装配需求，所述负载安装件8可以由同轴套81设于所述转动杆32上并构成所述俯仰转轴的轴套81、与所述轴套81相连并用于安装所述负载器件的安装盘82等构成。通过该结构，使得负载安装件8可实现与转动杆32跟转的同时，还得沿与第一方位轴向垂直相连的轴向进行转动。
56.进一步作为优选地，所述摆动连杆组件9可以由与所述输出轴同轴相连的第一摆动杆91、与所述第一摆动杆91相连的第二摆动杆92、第一球铰件94、第二球铰件95、一端通过第一球铰件94与所述第二摆动杆92相铰接而另一端通过所述第二球铰件95与所述负载安装件8形成上述球铰连接的第三摆动杆93等构成。其中，所述第二摆动杆92与所述第一摆动杆91呈预设的第二夹角设置。通过多个摆动杆以及球铰的配合，使得摆动连杆组件9在第二电机2的驱动下，可以控制负载部件作往复摆动的同时，避免其出现卡死。
57.其中，值得一提的是，本实施例中第一摆动杆91和第二摆动杆92可以为一体成型的连杆，例如直角杆或斜角杆，也可以根据实际需求设计为可拆卸连接的第一摆动杆91和第二摆动杆92，在此不再作具体的限定和赘述。并且，本实施例中的第一球铰件94和第二球铰件95均优选为球形关节。
58.进一步作为优选地，所述第二夹角为90度；通过该角度的设置，使得第一摆动杆91与述第二摆动杆92相互垂直，不仅便于控制负载部件的转动方向，还进一步有利于降低总体尺寸和转动惯量，节省动力等。显然，需要说明的是，本实施例中的第二角度优选为其他角度的，例如45度、60度等，在此不再作具体的限定和赘述。
59.进一步作为优选地，所述第一摆动杆91与所述连动杆31相互平行；所述第一摆动杆91与所述连动杆31的延伸方向呈相反的方向连接布置。通过该结构的布置，可以使得转动组件3和摆动杆组件对负载安装件8施加的作用下，在沿俯仰转轴的轴向上可以形成对冲的作用，同时避免在某一角度出现无方向控制的死角，从而无法较好地对其转动的方向进行约束和控制。
60.进一步作为优选地，所述第二摆动杆92与所述第三摆动杆93之间的夹角在所述第一电机1和所述第二电机2以不同的速度运转时，呈动态的夹角变化。通过该动态的角度的变化设置，可便于调整第一摆动杆91、第二摆动杆92以及第三摆动杆93等的长度比例，从而可较好地调整俯仰轴的摆动角度范围。
61.进一步作为优选地，参考图9所示，所述第二球铰件95与所述转动杆32的连接点，与其与所述第三摆动杆93的连接点之间的距离为l1：所述转动杆32与所述第二球铰件95的连接点，与其与所述连动杆31的连接点之间的距离为第一距离l2；所述第二摆动杆92与所述第一球铰件94的连接点，与其与所述第一摆动杆91的连接点之间的距离为l3；所述转动
杆32与所述第二摆动杆92之间的距离为l4。其中，所述l2等于所述l3；所述l4与所述l2之间的比值大于等于2；所述l4与所述l1之间的比值大于等于6。通过上述各连杆之间的比例设置，可节省动力，以及实现大角度的摆动。
62.进一步作为优选地，所述机架12包括：底座121、设置于底座121且分别位于相对两端的第一固定板122和第二固定板123等。其中，第一固定板122上设置所述第一电机1；所述第二固定板123上设置所述第二电机2；所述转动组件3还包括：用于连接所述驱动轴和所述连动杆的第一回转轴承33；所述摆动连杆组件9还包括：用于连接所述输出轴和所述第一摆动杆91的第二回转轴承96；并且，所述第一固定板122上开设有用于安装第一回转轴承33的第一通孔；所述第二固定板123上开设有用于安装第二回转轴承96的第二通孔。通过上述结构的配合，使得第一电机1和第二电机2，在对应的回转轴承的作用下，分别驱动转动组件3和摆动杆组件进行轴向转动的同时，可避免电机自身出现跟转，从而最大限度地避免对电机进行供电或控制的电缆线出现缠绕等问题。
63.实施例二
64.本实施例还提供了一种操作方法，用于控制上述实施例中的并联式空间测量指向机构的运行，如图8所示，其包括以下步骤：
65.步骤s1:控制所述第一电机1和所述第二电机2，以相同的速度沿同一方向转动；
66.步骤s2:控制所述第一电机1锁止转动，同时控制所述第二电机2转动；
67.步骤s2:控制所述第二电机2锁止转动，同时控制第一电机1转动。
68.通过上述步骤的组合，可使得所述负载安装件8可以带动负载器件作多种方向的转动，仅以下三种为例作说明：1、仅以所述俯仰转轴为旋转轴向作自旋至所述预设的角度，以形成往复的摆动。2、仅以所述俯仰转轴为旋转轴向作自旋至所述预设的角度，以形成往复的摆动。3、在以第一方位轴向为旋转轴向作旋转运动的同时，也以所述俯仰转轴为旋转轴向同步作自旋至所述预设的角度，以形成往复的摆动。
69.由上可知：本实施例提供的并联式空间测量指向机构的操作方法，不仅操作简单，而且可以在运转过程中，通过实现负载安装件8上设置的负载器件在空间上进行多个自由度的指向运动，并同时避免因电缆线的摆动和绕线影响了并联式空间测量指向机构的测量精度。
70.另外，值得的一提的是，本实施例对于上述步骤s1～s3的先后顺序不作具体的限定和赘述。
71.另外，值得一提的是，本实施例可通过与第一电机1和第二电机2电通连接的控制装置，例如plc控制器等，向第一电机1和第二电机2发送相应的信号，以实现对第一电机1和第二电机2的独立控制，例如分别向第一电机1和第二电机2发送反向转动的启动信号，以实现相对第一电机1和第二电机2的同向转动控制，又或者，通过向第一电机1或第二电机2发送独立的启动信号，而另一电机发送独立的锁止信号，实现对单一电机的独立转动控制。
72.实施例三
73.本实施例还提供了一种空间测量仪器，包括上述实施例中的并联式空间测量指向机构。
74.通过上述内容可知：在本实施例的空间测量仪器的并联式空间测量指向机构中，负载安装件8的俯仰转轴通过转动组件3与第一电机1相连的方式，可实现沿第一方位轴向
的同步旋转，如图1中箭头c所示的方向进行转动，同时由于负载安装件8还与摆动连杆组件9相铰接，从而使得负载安装件8在第一电机1和第二电机2的配合下，既能实现沿第一方位轴向a的同步旋转一周，也就是旋转360度，还能沿俯仰转轴的轴向构成的第二方位轴向b，例如图1中箭头d所示的方向或与箭头d相反的方向转动预设的角度，从而实现负载安装件8上设置的负载器件在空间上进行多个自由度的指向运动。
75.并且，在整个过程中，两个电机之间通过多个连杆的配合即可驱动负载安装件8的运转，无须对电机自身进行转动，同时可避免采用锥齿轮等复杂的不易实现高精度、不易维护的机械元件，即可解决系统性的传动、维护和稳定性等问题，从而在设置时不会产生对电机进行供电或控制的电缆线的缠绕，可以将电机和电缆线藏于机架12或防护壳体的内部进行防护等，因此，不仅结构简单，而且可以避免因电缆线的摆动和绕线而影响了测量精度，例如提升空间测量指向机构的跟踪精度等。
76.此外，通过上述转动组件3和摆动连杆组件9的配合形成的并联结构，还具有精度高承载力大等优点，同时结构较在设计上较为紧凑，可降低总体尺寸和转动惯量等。
77.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。