技术领域
[0001] 本
发明属于大型仪器座架技术领域，尤其涉及一种方位-俯仰运动两轴座架。
背景技术
[0002] 目前，方位-俯仰座架是一种简单的两轴
旋转机构，用以
支撑各种仪器或设备并绕两个相互垂直的轴线(一个为竖直轴线，另一个为
水平轴线)做旋转运动。绕竖直轴的旋转改变支撑设备的方向
角，通常被称作方位运动；绕水平轴的旋转改变支撑对象的水平程度，通常被称为俯仰运动。传统的方位-俯仰座架通常采用如下成熟的结构形式:两个相互垂直并能主动控制的
转轴(转动副)构成一个方位-俯仰座架。每个转轴关节采用伺服
电机和减速
齿轮系驱动。这种形式的两轴座架具有结构简单、易于控制的优点。然而对于
质量庞大的大型仪器设备，这种座架形式的结构将会非常笨重。作为承载大型仪器设备的座架形式，另一种改进型方位-俯仰座架采用环形轨道及若干个在其上滑动的滑台装置，来分担设备的重量。但是，这种装置的方位轴驱动，仍然是采用电机和齿轮系施加在竖直轴上。驱动方式仍然是方位轴和俯仰轴的
串联组合，所需驱动功率大。
[0003] 总之，对于重型仪器设备十分有必要研究一种新型轻量化方位-俯仰座架。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种方位-俯仰运动两轴座架，旨在解决传统的串联式方位-俯仰座架存在对于质量庞大的大型仪器设备，结构非常笨重，驱动功率大，驱动关节误差累积的问题。
[0005] 本发明的目的旨在提供一种方位-俯仰两轴座架，所述方位-俯仰两轴座架设置有轨道，立柱的竖直轴线位于轨道的圆心，立柱通过轴线水平的第一个转动副与转动平台相连，立柱通过轴线竖直的第二个转动副连接到
机架或地面上；两根
连杆的上端通过胡克铰与转动平台相连，滑动机构与连杆的下端采用具有三个转动
自由度的复合铰相连接；进一步，所述水平圆轨道的圆心位于立柱的投影点；
[0006] 所述立柱的轴线垂直于第一个转动副的轴线；
[0007] 所述三转动自由度复合铰具有轴线交汇于一点的三个转动副；
[0008] 所述轨道为圆形或椭圆形。
[0009] 进一步，所述滑动机构包括
伺服电机、与伺服电机相连的减速机和齿轮副；
[0010] 所述齿轮副设置有相互
啮合的第一齿轮和第二齿轮。
[0011] 进一步，所述圆形轨道的内侧制有
齿条，齿轮副的第二齿轮与齿条相啮合，齿轮副位于立柱和齿条之间；齿轮副由伺服电机和减速机所驱动。
[0012] 本发明的另一目的在于提供一种所述方位-俯仰两轴座架的
姿态角调节方法，所述姿态角调节方法包括：
[0013] 转动平台的极限俯仰角0度或90度，滑
块的圆心角坐标θ0和θ1，确定环形轨道的半径R：
[0014]
[0015] 式中，d代表转动平台与连杆连接点和水平转动副的高差， 为连杆连接点和水平转动副的高差角，Rp为转动平台的等效转动半径，2d1为连杆与转动平台的两个连接点之间水平距离，H0为立柱等效高度，以上均为结构参数。
[0016] 计算出驱动分支中连杆的长度：
[0017]
[0018] 式中， 其余参数前已述及；
[0019] 转动平台的方位角为γ(-180≤γ≤180)，俯仰角为φ(0≤φ≤90)；滑动机构的圆心分别为θ1和θ2，则：
[0020]
[0021] 方位-俯仰座架的姿态逆解为：
[0022]
[0023] 本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的天文射电望远镜。
[0024] 本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的雷达天线。
[0025] 本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的摄像机。
[0026] 本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的日光反射镜。
[0027] 本发明的另一目的在于提供一种安装有所述方位-俯仰两轴座架的
太阳能帆板。
[0028] 本发明提供的并联式方位-俯仰两轴座架，能够实现0-90度俯仰运动、-180—180度的方位运动。外部设备可以为雷达天线、天文射电望远镜、摄像机、日光反射镜、太阳能帆板等，结构简单，操作方便，较好的解决了解决传统的方位-俯仰座架存在对于质量庞大的大型仪器设备，结构非常笨重，驱动功率大的问题。从机构学的角度看，本发明是一种并联机构，即该座架具有同时驱动转动平台的两个滑动机构，因此具有结构重量轻、指向
精度高、驱动功率低的潜在优势。特别之处在于，两个驱动部件(伺服电机及减速机、齿轮副)装置在座架的底部，因此转动部分的重量降低；并联式驱动不仅降低了驱动功率，也平均分配了关节误差，提高了指向精度，可以实现0到90度的俯仰角和任意的方位角。
附图说明
[0029] 图1是本发明
实施例提供的方位-俯仰两轴座架的结构示意图。
[0030] 图2是本发明实施例提供的驱动分支连杆下端的三转动自由度复合
铰链示意图。
[0031] 图3是本发明实施例提供的滑动机构和其驱动原理的示意图。
[0032] 图4是本发明实施例提供的环形轨道内侧的齿条示意图。
[0033] 图5是本发明实施例提供的轨道为椭圆的方位-俯仰两轴座架的结构示意图。
[0034] 图6是本发明实施例提供的转动平台的方位角γ＝0的情况下，θ1和θ2随俯仰角φ变化的曲线示意图。
[0035] 图7是本发明实施例提供的转动平台的俯仰角φ＝20度情况下，θ1和θ2随方位角γ变化的曲线示意图。
[0036] 图8是本发明实施例提供的当滑动机构A的圆心角θ2＝0时，转动平台的俯仰角φ和方位角γ随θ1变化的曲线示意图。
[0037] 图9是本发明实施例提供的当两滑动机构的圆心角满足θ2＝-0.5θ1时，转动平台的俯仰角φ和方位角γ随θ1变化的曲线示意图。
[0038] 图中：1、圆形轨道；2、滑动机构；3、三转动自由度复合铰；3a、第一转动副；3b、第二转动副；3c、第三转动副；4、胡克铰；5、第一转动副；6、连杆；7、转动平台；8、立柱；9、第二转动副；11、伺服电机；12、减速机；13、齿轮副；13a、第一齿轮；13b、第二齿轮；14、齿条。
具体实施方式
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0041] 如图1所示，本发明实施例的方位-俯仰两轴座架包括：圆形轨道1、滑动机构2、三转动自由度复合铰3、胡克铰4、第一转动副5、连杆6、转动平台7、立柱8、第二个转动副9、伺服电机11、减速机12、齿轮副13、齿条14。
[0042] 承载仪器或设备的转动平台的几何中心通过第一转动副5连接到竖直的立柱8上端，立柱8通过第二个轴线竖直的转动副9连接到机架或地面上；立柱8的竖直轴线位于圆形轨道1的圆心，即水平圆轨道1的圆心位于立柱8的投影点；两根连杆6的上端通过胡克铰4与转动平台相连，两根连杆6可以采用其他方式与转动平台相连；滑动机构2与连杆6的下端采用三转动自由度复合铰相连接；立柱8通过第二转动副9连接到地面或者外部
基座，立柱8的轴线垂直与第一个转动副5的轴线；滑动机构2与连杆6的下端采用三转动自由度复合铰3相连接。
[0043] 如图2所示，三转动自由度复合铰3具有交汇于一点的三个转动副3a,3b,3c，三转动自由度复合铰还可以视为一个胡克铰连接一个转动副。
[0044] 如图3所示，滑动机构2包括伺服电机11、与伺服电机11相连的减速机12和齿轮副13，齿轮副13的第一齿轮13a、第二齿轮13b、可以相互啮合。
[0045] 如图4所示，圆形轨道1的内侧制有齿条14，齿轮副13的第二齿轮13b可以与齿条14相啮合，齿轮副13位于立柱8和齿条14之间。齿轮副13由伺服电机11和减速机12所驱动。
[0046] 转动平台7通过转动副5连接到立柱8的转动平台7；围绕立柱8的圆形轨道1，两根连杆6，两个滑动机构2。两连杆6通过第一个转动副5与转动平台7相连，两个滑动机构2分别与连杆6的下端相连。两个滑动机构2可以在圆形轨道1上滑动。
[0047] 两根连杆如图5所示，本发明实施例1的轨道1的形状可以是圆形。围绕立柱8的轨道1的形状可以是椭圆形或其他形状。
[0048] 水平轨道1的半径为R，轨道1的中心位于立柱8的在地面或外部机架上的投影点O。转动平台7通过两个相同的分支P1A、P1D与圆形轨道1相连。分支P1A,、P1D的每一条包括上端胡克铰4，固定长度为L的连杆6，下端三转动自由度复合铰3和滑动机构2。水平连杆P1P2的两端通过上端胡克铰4与连杆6的上端相连。水平连杆P1P2与转动平台7固连。连杆6与滑动机构
2通过三转动自由度复合铰3相连接。
[0049] 滑动机构2在轨道上最靠近的距离根据构件不干涉的条件确定，此时又分别对应转动平台7的极限俯仰角0度或90度，从而可得此种情况下滑块2的圆心角坐标θ0和θ1。并更一步按照下式确定环形轨道的半径R：
[0050]
[0051] 式中，d代表转动平台与连杆连接点和水平转动副的高差， 为连杆连接点和水平转动副的高差角，Rp为转动平台的等效转动半径，2d1为连杆与转动平台的两个连接点之间水平距离，H0为立柱等效高度，以上均为结构参数。
[0052] 进而再计算出驱动分支中连杆的长度：
[0053]
[0054] 式中，
[0055] 假设转动平台的方位角为γ(-180≤γ≤180)，此时俯仰角为φ(0≤φ≤90)。滑动机构D和A的圆心分别为θ1和θ2，则：
[0056]
[0057] 因此，方位-俯仰座架的姿态逆解为：
[0058] θ1＝γ+Δθ
[0059] θ2＝γ-Δθ；
[0060] 该结论可以用于控制滑动机构在轨道上的
位置，从而实现将仪器设备支撑到期望的姿态角。
[0061] 如图6所示，给出转动平台7的方位角γ＝0的情况下，θ1和θ2随俯仰角φ变化。如图7所示，给出转动平台7的俯仰角φ＝20度情况下，θ1和θ2随方位角γ的变化关系。
[0062] 如下的姿态角正解结果解决了如何从滑动机构的圆心角θ1和θ2确定转动平台的方位和俯仰角，
[0063]
[0064]
[0065] 式中，
[0066] 如图8所示，表示当滑块A的圆心角θ2＝0时，给出转动平台7的俯仰角φ和方位角γ随θ1的变化关系。如图9所示，当两滑块的圆心角满足θ2＝-0.5θ1时，给出转动平台7的俯仰角φ和方位角γ随θ1变化的曲线。
[0067] 从机构学的角度看，该两轴座架是一种并联机构，即该座架具有同时驱动转动平台的两个滑动机构，因此具有结构重量轻、驱动功率低的潜在优势。特别之处在于，
驱动器(伺服电机)装置在座架的底部，因此转动部分的重量降低。况且，并联机构的连杆相对较细、重量轻。连杆6的滑动运动引起转动平台7的俯仰-方位运动，可以实现0到90度的俯仰角和任意的方位角。
[0068] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
