本發(fā)明涉及海洋工程試驗技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種四自由度運動機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

平面運動機(jī)構(gòu)在船舶操縱性能試驗研究中應(yīng)用比較廣泛，現(xiàn)有技術(shù)中公開的水平面平面運動機(jī)構(gòu)，可以帶動船舶做橫蕩、首搖兩個自由度的運動；現(xiàn)有技術(shù)中公開的垂直面平面運動機(jī)構(gòu)，可以帶動船舶做垂蕩、縱搖(或橫搖)兩個自由度的運動。

用于船舶操縱性研究的平面運動機(jī)構(gòu)只能模擬水平面或垂直面的兩個自由度的運動。另外，目前的平面運動機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠、蝸輪蝸桿、電動缸、十字滑框、轉(zhuǎn)盤等傳動方式，適合輸出低頻、大振幅的運動，在高頻運動時振動較大、精度較低，不太適合海洋結(jié)構(gòu)物粘性水動力性能的精細(xì)研究，因此，如何克服上述問題，提供一種可以輸出高精度的運動且結(jié)構(gòu)簡單的運動機(jī)構(gòu)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的一個技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種可以輸出高精度的運動且結(jié)構(gòu)簡單的四自由度運動機(jī)構(gòu)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種四自由度運動機(jī)構(gòu)，包括：縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)、垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)控制箱，其中，所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)的運動輸出端，并由所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)帶動動作，所述系統(tǒng)控制箱設(shè)置在所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)上并控制所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)和垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)動作。

作為優(yōu)選，所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)包括：安裝底座、平行設(shè)置在所述安裝底座兩側(cè)的縱向?qū)к?、與所述縱向?qū)к壪嗥ヅ涞幕瑝K、安裝在所述滑塊上的軸環(huán)組件以及縱向驅(qū)動組件，其中，所述縱向驅(qū)動組件與所述軸環(huán)組件通過縱向鉸鏈連接。

作為優(yōu)選，所述縱向驅(qū)動組件包括：對稱設(shè)置在所述安裝底座兩側(cè)的水平運動伺服電機(jī)、水平同步帶直線驅(qū)動器和縱向推拉桿，其中，所述水平運動伺服電機(jī)通過所述水平同步帶直線驅(qū)動器帶動所述縱向推拉桿沿縱向運動，所述縱向推拉桿通過所述縱向鉸鏈與所述軸環(huán)組件連接，且所述軸環(huán)組件與垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)固接。

作為優(yōu)選，所述軸環(huán)組件包括：固定在所述滑塊上的軸環(huán)底座、安裝在所述軸環(huán)底座上的軸環(huán)以及與所述軸環(huán)連接的軸環(huán)壓板，所述軸環(huán)壓板與所述縱向鉸鏈以及垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)分別連接。

作為優(yōu)選，所述軸環(huán)壓板包括軸環(huán)內(nèi)圈壓板和軸環(huán)外圈壓板，其中，所述軸環(huán)的外圈通過軸環(huán)外圈壓板與所述軸環(huán)底座固接，所述軸環(huán)的內(nèi)圈由所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板包裹，所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板的中心開設(shè)有供所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)穿過的通孔，且所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板通過垂向安裝支架與所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)固接。

作為優(yōu)選，所述縱向鉸鏈包括：縱向鉸鏈座、縱向鉸鏈滑塊、縱向鉸鏈軸和縱向鉸鏈板；其中，所述縱向鉸鏈座與所述軸環(huán)組件固接且所述縱向鉸鏈座上開設(shè)有滑槽，所述滑塊設(shè)置在所述滑槽內(nèi)并通過所述縱向鉸鏈軸與所述縱向鉸鏈板鉸接，所述縱向鉸鏈板與所述縱向驅(qū)動組件連接。

作為優(yōu)選，所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)包括：與所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)連接的安裝支柱、設(shè)在所述安裝支柱兩相對外側(cè)面上的垂向驅(qū)動組件以及與所述垂向驅(qū)動組件連接的連接板。

作為優(yōu)選，所述垂向驅(qū)動組件包括：設(shè)置在所述安裝支柱外側(cè)面上的垂向運動伺服電機(jī)、與所述垂向運動伺服電機(jī)連接的垂向同步帶直線驅(qū)動器以及與所述垂向同步帶直線驅(qū)動器連接的垂向推拉桿，所述垂向推拉桿通過垂向鉸鏈與所述連接板鉸接。

作為優(yōu)選，所述垂向鉸鏈包括：垂向鉸鏈座、垂向鉸鏈滑塊和垂向鉸鏈軸，其中，所述垂向鉸鏈座固定在所述連接板上且所述垂向鉸鏈座上開設(shè)有一長槽，所述垂向鉸鏈滑塊通過所述長槽與所述垂向鉸鏈座滑動連接，所述垂向推拉桿通過所述垂向鉸鏈軸與所述垂向鉸鏈滑塊鉸接。

作為優(yōu)選，所述垂向運動伺服電機(jī)的設(shè)置方向與四自由度運動機(jī)構(gòu)的縱蕩方向一致，且所述垂向運動伺服電機(jī)還通過電機(jī)加固支架與所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)固接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過設(shè)置縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)和垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)，具有運動精度高，運行振動小，可模擬高頻率運動的優(yōu)點；能夠模擬水平平移、繞垂直軸轉(zhuǎn)動、垂向平移、繞水平軸轉(zhuǎn)動這四種運動方式中的任意一種或兩種以上的耦合運動，適用于海洋結(jié)構(gòu)物的粘性性能試驗研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的四自由度運動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的四自由度運動機(jī)構(gòu)的左視圖；

圖3為本發(fā)明的四自由度運動機(jī)構(gòu)的俯視圖；

圖4為圖1的A-A面剖視圖；

圖5為圖1的B-B面剖視圖。

圖中所示：

1-縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)；

11-安裝底座、12-縱向?qū)к墶?3-滑塊；

14-軸環(huán)組件、141-軸環(huán)底座、142-軸環(huán)、143-軸環(huán)外圈壓板、144-軸環(huán)內(nèi)圈上壓板、145-軸環(huán)內(nèi)圈下壓板；

15-縱向驅(qū)動組件、151-水平運動伺服電機(jī)、152-水平同步帶直線驅(qū)動器、153-縱向推拉桿；

16-縱向鉸鏈、161-縱向鉸鏈座、162-縱向鉸鏈滑塊、163-縱向鉸鏈軸、164-縱向鉸鏈板；

17-垂向安裝支架；

2-垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)、21-安裝支柱；

22-垂向驅(qū)動組件、221-垂向運動伺服電機(jī)、222-垂向同步帶直線驅(qū)動器、223-垂向推拉桿；

23-連接板；

24-垂向鉸鏈、241-垂向鉸鏈座、242-垂向鉸鏈滑塊、243-垂向鉸鏈軸；

25-電機(jī)加固支架；

3-系統(tǒng)控制箱。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。需說明的是，本發(fā)明附圖均采用簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

如圖1至圖5所示，本發(fā)明提供一種四自由度運動機(jī)構(gòu)，包括：縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1、垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2和系統(tǒng)控制箱3，其中，所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2設(shè)置在所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1的運動輸出端，并由所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1帶動動作，所述系統(tǒng)控制箱3設(shè)置在所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1上并控制所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1和垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2動作。具體地，所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1能夠?qū)崿F(xiàn)水平移動(縱蕩)和繞垂直軸轉(zhuǎn)動(首搖)的耦合運動；所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2能夠?qū)崿F(xiàn)垂向移動(垂蕩)和繞水平軸轉(zhuǎn)動(縱搖)的耦合運動，通過使用所述系統(tǒng)控制箱3，本發(fā)明可以模擬水平平移、繞垂直軸轉(zhuǎn)動、垂向平移、繞水平軸轉(zhuǎn)動這四種運動方式中的任意一種或兩種以上的耦合運動，適用于海洋結(jié)構(gòu)物的粘性性能試驗研究。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的四自由度運動機(jī)構(gòu)的運動精度更高，運行時振動很小，可以模擬頻率較高的運動。

請重點參照圖2至圖4，所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1包括：安裝底座11、平行設(shè)置在所述安裝底座11兩側(cè)的縱向?qū)к?2、與所述縱向?qū)к?2間隙配合的滑塊13、安裝在所述滑塊13上的軸環(huán)組件14以及縱向驅(qū)動組件15，其中，所述縱向驅(qū)動組件15與所述軸環(huán)組件14通過縱向鉸鏈16連接，且所述軸環(huán)組件14與垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2固接。

作為優(yōu)選，所述縱向驅(qū)動組件15包括：對稱設(shè)置在所述安裝底座11兩側(cè)的水平運動伺服電機(jī)151、水平同步帶直線驅(qū)動器152和縱向推拉桿153，其中，所述水平運動伺服電機(jī)151通過所述水平同步帶直線驅(qū)動器152帶動所述縱向推拉桿153沿縱向運動，所述縱向推拉桿153通過所述縱向鉸鏈16與所述軸環(huán)組件14連接。本發(fā)明通過采用水平運動伺服電機(jī)151和水平同步帶直線驅(qū)動器152，位移精度達(dá)0.1mm，運行頻率達(dá)2Hz，具有振動小、重復(fù)定位精度高的優(yōu)點。

作為優(yōu)選，所述軸環(huán)組件14包括：固定在所述滑塊13上的軸環(huán)底座141、安裝在所述軸環(huán)底座141上的軸環(huán)142以及與所述軸環(huán)142連接的軸環(huán)壓板，所述軸環(huán)壓板與所述縱向鉸鏈16以及垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2分別連接。

請重點參照圖4，所述軸環(huán)壓板包括由軸環(huán)內(nèi)圈上壓板144和軸環(huán)內(nèi)圈下壓板145組裝形成的軸環(huán)內(nèi)圈壓板，以及軸環(huán)外圈壓板143，具體地，所述軸環(huán)142為交叉滾柱軸環(huán)，其外圈通過所述軸環(huán)外圈壓板143與所述軸環(huán)底座141固接，所述軸環(huán)142的內(nèi)圈由所述軸環(huán)內(nèi)圈上壓板144和軸環(huán)內(nèi)圈下壓板145包裹。進(jìn)一步的，所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板的中心開設(shè)有供所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2穿過的方形通孔，且所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板通過垂向安裝支架17與所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2的安裝支柱21固接。

作為優(yōu)選，所述縱向鉸鏈16包括：縱向鉸鏈座161、縱向鉸鏈滑塊162、縱向鉸鏈軸163和縱向鉸鏈板164；其中，所述縱向鉸鏈座161安裝在所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板上，所述縱向鉸鏈座161上開設(shè)有滑槽，所述縱向鉸鏈滑塊162設(shè)置在所述滑槽內(nèi)并通過所述縱向鉸鏈軸163與所述縱向鉸鏈板164鉸接，所述縱向鉸鏈板164與所述縱向驅(qū)動組件15連接。

請重點參照圖3至圖5，所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2包括：與所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板通過垂向安裝支架17固連的安裝支柱21、設(shè)在所述安裝支柱21兩相對外側(cè)面上的垂向驅(qū)動組件22以及與所述垂向驅(qū)動組件22連接的連接板23。

具體地，所述安裝支柱21為方筒形，且豎直布置；所述垂向驅(qū)動組件22包括：設(shè)置在所述安裝支柱21外側(cè)面上的垂向運動伺服電機(jī)221、與所述垂向運動伺服電機(jī)221連接的垂向同步帶直線驅(qū)動器222以及與所述垂向同步帶直線驅(qū)動器222連接的垂向推拉桿223，所述垂向推拉桿223通過垂向鉸鏈24與所述連接板23鉸接。同樣地，采用垂向運動伺服電機(jī)221和垂向同步帶直線驅(qū)動器222，同樣具有振動小、重復(fù)定位精度高的優(yōu)點。

所述垂向鉸鏈24可以防止所述安裝支柱21兩側(cè)的垂向推拉桿223產(chǎn)生水平分離。進(jìn)一步的，請重點參照圖5，所述垂向鉸鏈24包括：垂向鉸鏈座241、垂向鉸鏈滑塊242和垂向鉸鏈軸243，其中，所述垂向鉸鏈座241固定在所述連接板23上且所述垂向鉸鏈座241上開設(shè)有一長槽，所述垂向鉸鏈滑塊242通過所述長槽與所述垂向鉸鏈座241滑動連接，所述垂向推拉桿223通過所述垂向鉸鏈軸243與所述垂向鉸鏈滑塊242鉸接。

所述垂向運動伺服電機(jī)221的設(shè)置方向與四自由度運動機(jī)構(gòu)的縱蕩方向一致，且所述垂向運動伺服電機(jī)221還通過電機(jī)加固支架25與所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1的軸環(huán)內(nèi)圈壓板固接。

繼續(xù)參照圖1至圖5，本發(fā)明的工作過程為：

縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1的水平同步帶直線驅(qū)動器152在水平運動伺服電機(jī)151的帶動下進(jìn)行縱向運動，帶動縱向推拉桿153和縱向鉸鏈板164縱向運動，進(jìn)而帶動所述軸環(huán)142運動。當(dāng)兩臺水平同步帶直線驅(qū)動器152完全同步時，所述軸環(huán)142的內(nèi)圈與外圈沒有相對轉(zhuǎn)動，整體沿著縱向?qū)к?2進(jìn)行水平移動(縱蕩)；當(dāng)兩臺水平同步帶直線驅(qū)動器152完全異步時，縱向?qū)к?2與滑塊13之間不產(chǎn)生滑動，僅軸環(huán)142的內(nèi)圈相對于外圈進(jìn)行繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(首搖)；通過控制兩臺水平同步帶直線驅(qū)動器152的運動可以實現(xiàn)水平移動(縱蕩)和繞垂直軸轉(zhuǎn)動(首搖)的耦合運動。當(dāng)所述軸環(huán)142的內(nèi)圈與外圈發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時，兩個縱向鉸鏈座161在垂直于縱向推拉桿153運動方向的距離變小。較佳的，所述縱向鉸鏈座161內(nèi)的滑槽長度與該距離變化相適應(yīng)，縱向鉸鏈軸163可以通過縱向鉸鏈滑塊162在該滑槽里滑動，可以避免縱向鉸鏈16卡死。

與所述縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1的運行方式類似，所述垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2的垂向同步帶直線驅(qū)動器222在垂向運動伺服電機(jī)221的帶動下進(jìn)行垂向運動，帶動垂向推拉桿223進(jìn)行垂向運動，進(jìn)而帶動連接板23運動。當(dāng)兩臺垂向同步帶直線驅(qū)動器222完全同步時，連接板23進(jìn)行垂向移動(垂蕩)；當(dāng)兩臺垂向同步帶直線驅(qū)動器222完全異步時，連接板23進(jìn)行繞水平軸的轉(zhuǎn)動(縱搖)；通過控制兩臺垂直同步帶直線驅(qū)動器222的運動可以實現(xiàn)垂向移動(垂蕩)和繞水平軸轉(zhuǎn)動(縱搖)的耦合運動。當(dāng)連接板23繞水平軸轉(zhuǎn)動時，兩個垂向鉸鏈座241在垂直于垂向推拉桿223運動方向的距離變小。同樣地，垂向鉸鏈座241內(nèi)的長槽的尺寸與該距離變化相適應(yīng)，垂向鉸鏈軸243通過垂向鉸鏈滑塊242在長槽里滑動，可以避免垂向鉸鏈24卡死。

此過程中，所述系統(tǒng)控制箱3對所述水平向運動伺服電機(jī)和垂向運動伺服電機(jī)進(jìn)行分別控制?？v向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1采用雙電機(jī)、雙驅(qū)動，可以實現(xiàn)縱蕩和首搖；垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2采用雙電機(jī)、雙驅(qū)動實現(xiàn)垂蕩和縱搖。垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2安裝在縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1的運動輸出端，在系統(tǒng)控制箱3的統(tǒng)一控制下，可實現(xiàn)縱蕩、垂蕩、縱搖和首搖這四種運動方式中的任意一種或兩種以上的耦合運動。垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2的連接板23為最終的運動輸出結(jié)構(gòu)，所需測試的海洋結(jié)構(gòu)物需與該連接板23連接。

綜上，本發(fā)明通過將垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2安裝在縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1的運動輸出端，最終由垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2帶動所需測試的海洋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行運動，實現(xiàn)四自由度運動的功能。也就是說，縱向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)1可以帶動垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2進(jìn)行水平平移、繞垂直軸轉(zhuǎn)動這兩種運動，再加上垂向兩自由度平面運動機(jī)構(gòu)2自身可以進(jìn)行垂向平移、繞水平軸轉(zhuǎn)動，最終共同實現(xiàn)帶動試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行四自由度運動的功能。本發(fā)明的機(jī)構(gòu)簡單，維修、保養(yǎng)方便。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。