一种球型稳定跟踪平台.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103744438 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103744438 A (21)申请号 201410025141.9 (22)申请日 2014.01.20 G05D 3/12(2006.01) (71)申请人 长春理工大学 地址 130022 吉林省长春市卫星路 7089 号 (72)发明人 吕琼莹 曹国华 海智渊 孙路伟 贾冰 (74)专利代理机构 北京鸿元知识产权代理有限 公司 11327 代理人 陈英俊 (54) 发明名称 一种球型稳定跟踪平台 (57) 摘要 一种球型稳定跟踪平台， 包括 ： 底座组件， 设 置有多个第一驱动球 ； 外球。

2、组件， 支撑在底座组 件上能够沿垂直轴旋转 ； 内球组件， 设置在外球 组件内， 能够相对于外球组件做仰俯运动， 并且还 支撑在底座组件的所述多个第一驱动球上， 所述 多个第一驱动球转动时， 能够带动内球组件转动 ； 弹簧架， 设置在内球组件内部 ； 弹簧架驱动组件， 固定在弹簧架上， 包括从弹簧架表面露出的多个 第二驱动球， 多个第二驱动球与内球组件的内表 面接触， 当该多个第二驱动球以不同的组合方式 旋转时， 能够带动弹簧架以不同的方式转动 ； 内 球组件的顶部和底部具有导向轴， 弹簧架的顶部 和底部设置有导向槽， 两个导向轴分别插入两个 导向槽， 从而对弹簧架的转动具有引导作用。 (51。

3、)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103744438 A CN 103744438 A 1/1 页 2 1. 一种球型稳定跟踪平台， 包括 底座组件， 设置有多个第一驱动球 （230） ， 以及用于驱动多个第一驱动球 （230） 旋转的 马达 ； 外球组件 （300） ， 通过底部的轴承 （190） 支撑在底座组件上能够沿垂直轴旋转 ； 内球组件 （400） ， 设置在外球组件 （300）内部， 内球组件 （400）的水平方向的两个侧 面。

4、可转动地固定到外球组件的内壁， 从而能够相对于外球组件做仰俯运动 ； 并且内球组件 （400） 还支撑在底座组件的所述多个第一驱动球 （230） 上， 使得所述多个第一驱动球 （230） 转动时， 能够带动内球组件 （400） 转动 ； 弹簧架 （500） ， 设置在内球组件 （400） 内部， 弹簧架驱动组件， 固定在弹簧架 （500） 上， 包括从弹簧架 （500） 表面露出的多个第二驱 动球 （740） ， 和驱动该多个第二驱动球 （740） 旋转的马达， 该多个第二驱动球 （740） 与内球 组件 （400） 的内表面接触， 当该多个第二驱动球 （740） 以不同的组合方式旋转时， 能。

5、够带动 弹簧架 （500） 以不同的方式转动 ； 其中， 所述内球组件 （400） 的顶部和底部具有沿竖直方向延伸的导向轴 （620） ， 弹簧架 （500） 的顶部和底部设置有导向槽 （610） ， 两个导向轴 （620） 分别插入两个导向槽 （610） ， 从 而对弹簧架 （500） 的转动具有引导作用。 2. 根据权利要求 1 所述的球形稳定平台， 其中所述导向轴 （620） 的直径等于导向槽 （610） 的槽的宽度。 3. 根据权利要求 1 所述的球形稳定平台， 所述弹簧架驱动组件包括的马达是压电马达。 4. 根据权利要求 1 所述的球形稳定平台， 所述底座组件和所述内球组件 （400。

6、） 之间设置有环形内球驱动组件 （200） ， 所述内球 驱动组件与底座组件之间设有多个弹簧， 以防所述内球驱动组件因与底座直接接触造成损 坏。 5. 根据权利要求 1 所述的球形稳定平台， 还包括光学设备， 设置在所述内球组件 （400） 内。 6. 根据权利要求 5 所述的球形稳定平台， 所述光学设备包括激光照明、 图像传感器、 指示激光以及激光器， 激光照明和图像传感 器安装在内球组件上， 指示激光和激光器安装在弹簧架上。 权 利 要 求 书 CN 103744438 A 2 1/5 页 3 一种球型稳定跟踪平台 技术领域 0001 本发明涉及光机电一体化领域， 具体地， 涉及一种球型稳。

7、定跟踪平台。 背景技术 0002 随着科学技术的高速发展， 要满足实际应用的需求， 光电跟踪系统需要有较高的 精度和稳定性。被测动态目标的特性也在发生变化， 其中以目标运动速度快、 背景复杂、 同 时伴随人为干扰、 目标隐身等为突出特征。 同时， 对相关的测量设备的研制也提出了更高的 要求。 比如 ： 要求测量不仅具有高精度、 远距离， 而且要实时性、 全天候、 可视化等， 由此出现 了如由雷达、 红外、 可见光等传感器配合使用的新型测量设备。在光电跟踪系统中， 常常需 要克服干扰力矩对光电跟踪平台的影响， 以提高平台的稳定精度。光电跟踪系统在实际工 作过程中， 会受到外界的各种扰动的作用， 。

8、这将会影响到一些精密仪器的稳定性。 稳定跟踪 平台能够不断的测量平台的姿态和位置的变化， 使实际工作时能够隔离各种扰动对测量的 影响， 从而使平台上的设备能够准确、 快速的跟踪目标。 近几年来， 稳定跟踪平台在军用、 民 用上发展十分迅速。 发明内容 0003 本发明就是为解决上述技术问题而做出的， 其目的在于提供一种球型稳定跟踪平 台， 该平台可以进行方位与俯仰的调节， 实现对目标的跟踪测量。测量精度高， 稳定性好。 0004 根据上述目的， 本发明提供一种球型稳定跟踪平台， 包括底座组件， 设置有多个第 一驱动球， 以及用于驱动多个第一驱动球旋转的马达 ； 外球组件， 通过底部的轴承支撑在。

9、底 座组件上能够沿垂直轴旋转 ； 内球组件， 设置在外球组件内部， 内球组件的水平方向的两个 侧面可转动地固定到外球组件的内壁， 从而能够相对于外球组件做仰俯运动 ； 并且内球组 件还支撑在底座组件的所述多个第一驱动球上， 使得所述多个第一驱动球转动时， 能够带 动内球组件） 转动 ； 弹簧架， 设置在内球组件内部， 弹簧架驱动组件， 固定在弹簧架上， 包括 从弹簧架表面露出的多个第二驱动球， 和驱动该多个第二驱动球旋转的马达， 该多个第二 驱动球与内球组件的内表面接触， 当该多个第二驱动球以不同的组合方式旋转时， 能够带 动弹簧架以不同的方式转动 ； 其中， 所述内球组件的顶部和底部具有沿竖。

10、直方向延伸的导 向轴， 弹簧架的顶部和底部设置有导向槽， 两个导向轴分别插入两个导向槽， 从而对弹簧架 的转动具有引导作用。 0005 在一个实施例中， 所述导向轴的直径等于导向槽的槽的宽度。 0006 所述弹簧架驱动组件包括的马达优选是压电马达。 0007 在一个实施例中， 所述底座组件和所述内球组件之间设置有环形内球驱动组件， 所述内球驱动组件与底座组件之间设有多个弹簧， 以防所述内球驱动组件因与底座直接接 触造成损坏。 0008 在一个实施例中， 球型稳定跟踪平台还包括光学设备， 设置在所述内球组件内。 0009 在一个实施例中， 所述光学设备包括激光照明、 图像传感器、 指示激光以及激。

11、光 说 明 书 CN 103744438 A 3 2/5 页 4 器， 激光照明和图像传感器安装在内球组件上， 指示激光和激光器安装在弹簧架上。 0010 本发明所涉及的球型稳定跟踪平台可以进行精确的方位和俯仰调整， 能够实现精 密的跟踪与测量。 附图说明 0011 图 1 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的沿着俯仰轴的竖直剖面图。 0012 图 2 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的底座组件的示意图。 0013 图 3 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的底座组件和内球驱动组件的示意 图。 0014 图 4 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的内球壳的示意图。 0015 图 5 是示出本。

12、发明所述的球型稳定跟踪平台的弹簧架和弹簧架驱动组件示意图。 0016 图 6 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的示意图。 具体实施方式 0017 下面将参考附图来描述本发明所述的球型稳定跟踪平台的实施例。 本领域的普通 技术人员可以认识到， 在不偏离本发明的精神和范围的情况下， 可以用各种不同的方式对 所描述的实施例进行修正。 因此， 附图和描述在本质上是说明性的， 而不是用于限制权利要 求的保护范围。此外， 在本说明书中， 附图未按比例画出， 相同的附图标记表示相同或相似 的部分。 0018 图 1 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的沿着俯仰轴的竖直剖面图。 0019 参照图 1， 本发。

13、明所述的球形稳定平台包括底座 100、 内球驱动组件 200、 外球组件 300、 内球组件 400、 弹簧架 500、 导向机构 600、 弹簧架驱动组件 700 以及光学设备组合 800。 0020 图 2 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的底座组件 100 的示意图。 0021 如图 1 和图 2 所示， 所述底座组件 100 包括底座 110、 轴承紧固圈 120、 底盖 130 以 及孔 （140、 150、 160、 170） 。底座 110 可以通过螺钉固定在地面， 螺钉穿过通孔 150 与地面连 接。在一个实施例中， 底盖 130 上设有螺纹孔， 所述螺纹孔沿圆周均匀分布， 。

14、并与底座上的 通孔 170 相对应， 底盖 130 通过螺钉固定在底座 110 上， 螺钉穿过通孔 170 与底盖连接。轴 承紧固圈 120 位于底座上， 所述轴承紧固圈 120 上设有沿圆周分布的通孔 160， 底座 110 上 设有与所述通孔 160 相对应的螺纹孔， 轴承紧固圈 120 通过穿过通孔 160 并与底座 110 连 接的螺钉固定在底座 110 上。底座 110 靠近轴承紧固圈 120 处为阶梯状， 与轴承紧固圈 120 之间形成凹槽， 所述凹槽用于固定方位轴承。 0022 图 3 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的底座和内球驱动组件的示意图。 0023 如图 3 所示， 。

15、内球驱动组件 200 位于底座组件 100 之上， 所述内球驱动组件 200 包 括压电马达 210、 驱动盘 220、 第一驱动球 230 以及框架 240。在内球驱动组件 200 与底座组 件 100 之间设有弹簧 180， 用于支撑所述内球驱动组件， 以防所述内球驱动组 200 件因与底 座组件 100 直接碰撞造成损坏。所述框架 240 为圆环状， 其上设有多个小通孔， 用于固定压 电马达， 所述框架 240 还设有多个大通孔， 各第一驱动球 230 分别从各个大通孔露出， 驱动 盘 220 布置在第一驱动球 230 的下部， 以驱动各所述第一驱动球 230 转动。 0024 如图 1。

16、 和图 6 所示， 所述的球型稳定跟踪平台的外球组件 300 包括外球 310 和外 说 明 书 CN 103744438 A 4 3/5 页 5 球内框架 320。外球 310 与底座组件 100 之间通过轴承 190 连接， 从而外球组件 300 能够绕 着垂直于底座组件 100 的旋转轴旋转。外球 310 与外球内框架 320 之间固定连接， 无相对 运动。内球组件 400 的相对的两侧分别通过轴承 330 连接到外球内框架 320 上， 使得外球 组件 300 能起到对内球组件 400 的支撑作用， 并且内球组件 400 相对于底座绕垂直轴旋转 时， 能够带动外球组件 300 一起绕垂。

17、直轴旋转， 从而调整方位角。另外， 由于内球组件 400 通过两侧的轴承支撑在外球组件 300 上， 内球组件 400 可以相对于外球组件 300 进行俯仰 旋转。 0025 图 4 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的内球组件的示意图。 0026 如图 4 所示， 所述的球型稳定跟踪平台的内球组件 400 大致为壳形， 具有内部空 间， 内球组件 400 顶上设有通孔 （410、 420） ， 用于安装固定导向轴 620， 在其两个侧面设有通 孔 （430、 440） ， 用于固定使内球组件 400 能够进行仰俯转动的轴承 ； 该内球组件 400 设有前 窗口460、 和与前窗口460相对于。

18、的尺寸小于与前窗口460的后窗口470以及在内部空间的 固定板 450。 0027 所述通孔410与通孔420用于固定导向轴620， 导向轴620从内球组件400顶部垂 直向下延伸。从在一个实施例中， 导向轴与内球组件 400 之间通过轴承连接， 通过通孔 420 的螺钉可以连接导向轴承压盖， 所述导向轴承压盖用于固定导向轴承的外圈。 这样， 阶梯状 的导向轴就可以安装在孔 410 之中。 0028 优选地， 在内球组件 400 的底部在与顶部的导向轴 620 对应的位置处设置另一导 向轴 620， 该导向轴 620 从内球组件 400 的底部垂直地向上延伸。在一个实施例中， 导向轴 620 。

19、与内球组件 400 之间通过轴承连接。导向轴 620 用于限制安装在内球组件 400 内的弹 簧架 500 的运动， 详见后面所述。 0029 在一个实施例中， 通孔430用于连接俯仰轴承内圈压盖， 通过通孔430的螺钉与俯 仰轴承内圈压盖连接， 可以将所述俯仰轴承内圈压盖固定在内球组件 400 上。两个轴承在 内球组件 400 的相对的两侧固定到内球组件 400 上， 并且内球组件 400 通过这两个轴承支 撑在外球组件300上， 这两个轴承的中心轴共轴， 从而内球组件400能够在侧向的两个轴承 的支撑下进行仰俯转动。 0030 内球组件400内设有多个固定板450， 用于固定光学设备。 内。

20、球组件400前后各设 有一个窗口， 及前窗口 460 和后窗口 470。 0031 内球组件 400 还支撑在如图 3 所示的多个第一驱动球 230 上。这样， 当所述多个 第一驱动球 230 转动时， 能够带动内球组件 400 转动。所述多个第一驱动球 230 的不同转 动模式， 可以引导内球组件 400 进行不同的转动。例如， 当图 3 所示的多个第一驱动球 230 都进行顺时针转动 （从上往下看， 下同） 时， 内球组件 400 也进行顺时针转动， 从而带动外球 组件 300 也进行顺时针转动。在另一种情况下， 例如， 当左侧和上侧的第一驱动球 230 做顺 时针转动， 同时右侧和下侧的。

21、第一驱动球230做逆时针转动时 （或者四个第一驱动球230均 与上述转向相反） ， 带动内球组件 400 做仰俯转动。 0032 图5是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的弹簧架500和弹簧架驱动组件示意 图。弹簧架 500 和弹簧架驱动组件设置在内球组件 400 内部。 0033 如图 5 所示， 所述的球型稳定跟踪平台的弹簧架 500 上设有螺纹孔 （510、 530、 570） 、 圆孔 （520、 550） 、 螺纹孔530以及半圆孔540。 螺纹孔510用于连接弹簧架连接片560， 说 明 书 CN 103744438 A 5 4/5 页 6 螺纹孔 530 用于连接驱动球固定架 73。

22、0， 螺纹孔 570 用于连接激光器 820。圆孔 520 用于使 驱动球从其穿过， 进而驱动内球组件， 半圆孔 540 和圆孔 550 用于减轻弹簧架的重量。 0034 如图 5 所示， 所述的球型稳定跟踪平台的弹簧架 500 顶部和底部对称地设有两个 导向槽 610。所述导向槽 610 优选呈拱形， 设置在内球组件 400 顶部和底部的导向轴 620 分别插入到导向槽 610 中， 导向槽 610 的宽度与导向轴 620 的直径相等， 导向轴 620 起到运 动导向的作用， 使弹簧架组件运动控制在预设范围内。也就是说， 弹簧架 500 能够绕导向轴 620 在水平面内旋转， 也能够做俯仰运。

23、动， 这时导向槽 610 相对于导向轴 620 移动。 0035 如图 5 所示， 所述的球型稳定跟踪平台的弹簧架 500 上安装有弹簧架驱动组件 700。所述弹簧架驱动组件 700 包括压电马达 710、 驱动盘 720、 驱动球固定架 730 以及多个 第二驱动球 740。所述压电马达 710 例如通过螺钉固定在驱动球固定架 730 上。所述驱动 盘 720 呈圆盘形， 外表面与压电马达 710 动力输出端接触， 接受从压电马达 710 传递来的动 力， 压电马达 710 的输出轴转动时， 带动驱动盘 720 转动。另外， 所述驱动盘 720 与所述第 二驱动球 740 同轴， 第二驱动球。

24、 740 随着驱动盘 720 的转动而转动。 0036 图 5 所示的弹簧架 500 上的多个第二驱动球 740 与内球组件 400 的内壁接触， 当 多个第二驱动球 740 转动时， 在导向轴 620 和导向槽 610 的导向作用下， 使弹簧架 500 绕导 向轴620在水平面做转动或做俯仰运动。 如图1， 当图中左上方第二驱动球740和左下第二 驱动球740按逆时针旋转 （从第二驱动球最底端面向该驱动球顶看， 下同） ， 右上方的第二驱 动球 740 和右下方的第二驱动球 740 按顺时针旋转时， 弹簧架 500 作俯仰旋转， 同理， 四个 第二驱动球 740 均与上述转向相反时， 弹簧架。

25、 500 亦作俯仰旋转。当图 1 中左上方的第二 驱动球 740 和右上方的第二驱动球 740 按逆时针旋转， 左下方的第二驱动球 740 和右下方 的第二驱动球 740 按顺时针旋转时， 弹簧架 500 作水平旋转， 同理， 四个第二驱动球 740 均 与上述转向相反时， 弹簧架 500 亦作水平旋转。 0037 图 6 是示出本发明所述的球型稳定跟踪平台的示意图。 0038 如图 6 所示， 所述的球型稳定跟踪平台的光学设备组合 800 包括图像传感器 810、 激光器 820、 指示激光 830 以及激光照明 840。图像传感器 810 和激光照明 840 固定在内球 组件 400 的固。

26、定板 450 上， 随着内球组件的运动而运动。激光器 820 固定在弹簧架 500 上， 指示激光 830 固定在激光器 820 上方。激光器 820 和指示激光 830 随着弹簧架 500 的运动 而运动。工作时先用激光照明 840 照亮被测目标， 通过图像传感器 810 可以清晰观测到目 标。再调整指示激光 830 精确照亮被测区域， 并用激光器 820 对准指示激光 830 照亮的位 置， 进行跟踪测量。 0039 工作时， 将球型稳定跟踪平台置于水平的工作台上， 位于底座组件 100 之上的内 球驱动组件 200 工作， 四个压电马达 210 分别带动 4 个第一驱动球 230 沿顺时。

27、针或者逆时 针运动时， 不同的搭配情况时， 可以实现内球组件 400 的方位角和俯仰角的调整， 达到设备 方位角与俯仰角的粗调目的。弹簧架驱动组件 700 上的四个压电马达 710 带动第二驱动球 740 沿顺时针或者逆时针运动时， 不同的搭配情况时， 可以实现弹簧架 500 的方位角和俯仰 角的调整， 即实现弹簧架 500 上的激光器 820 和指示激光 830 的精确调节。 0040 根据上述球形稳定平台， 由于使用了压电马达驱动， 能够实现跟踪与测量的精度。 本设计的球形稳定平台有别于传统的两轴式跟踪平台， 利用驱动球与球面之间的摩擦力来 驱动内球组件以及弹簧架。内置光学设备能够实现对被。

28、测目标的精密跟踪与测量。 说 明 书 CN 103744438 A 6 5/5 页 7 0041 本领域技术人员应当理解， 对于上述发明涉及的球形稳定平台， 还可以在不脱离 本发明内容的基础上做出各种改进和组合。因此， 本发明的保护范围应当由所附的权利要 求书的内容确定。 说 明 书 CN 103744438 A 7 1/5 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103744438 A 8 2/5 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103744438 A 9 3/5 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103744438 A 10 4/5 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103744438 A 11 5/5 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 103744438 A 12 。