一种节能型稳定平台及系统的制作方法

本发明属于智能控制与运动模拟技术领域，尤其涉及一种节能型稳定平台及系统。

背景技术：

在实际生活中的影视摄过程中，有一些场景需要摄影机跟拍运动场景，因此摄影机就需要跟随车辆或马匹进行运动，给拍摄过程带来了很大的困难。救护车运送急救病人经过颠簸路段时，车内会产生很大的振动，影响医护人员进行急救，容易对病人造成不好的影响。水警船经常参与海上抓捕行动，但是在海上行驶过程中，船体会发生摇摆，这使得船载武器如小型机枪等不能正常瞄准，对射击精度有着很大的影响。

现有常见的稳定平台主要有电动稳定平台和液压稳定平台，然而现有的电动稳定平台存在负载小的缺点，液压稳定平台的能源又不易获得、且耗能严重；同时，传统稳定平台通常都体积过大、专用性过强、功能单一，无法用于民用，更无法同时拥有运动模拟和减振稳定功能。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种节能型稳定平台及系统，在保证最大负载能够稳定在上平台的基础上，大大降低了所消耗的能源，节能环保，还有很高的灵活性和组合重构性，应用范围广泛。

一种稳定平台，包括上平台2、底座13、第一传感器9、第二传感器14、控制模块、气缸、气罐12以及至少三个电动缸，其中，电动缸包括电动缸缸筒8、电动缸缸杆5以及电机，气缸包括气缸缸筒7和气缸缸杆6；

所述气缸和电动缸安装在上平台2和底座13之间，其中，电动缸缸筒8与底座13的上表面球铰连接，电动缸缸杆5与上平台2的下表面通过耳轴连接，气缸缸筒7与底座13的上表面球铰连接，气缸缸杆7与上平台2的下表面球铰连接；同时，所述上平台2的上表面用于支撑待稳定的外部负载；所述底座13安装于外部扰动源上；

所述第一传感器9用于采集外部负载在竖直方向上对上平台2施加的正压力，当正压力超过设定阈值时，控制模块开启气罐12与气缸缸筒7之间的接口，使得气缸缸杆6在气罐12提供的气体的驱动下，对上平台2提供向上的推力，以平衡所述正压力；

所述第二传感器14用于采集底座13在外部扰动源影响下产生的横滚角、俯仰角以及加速度；

所述控制模块用于根据横滚角、俯仰角以及加速度，解算出驱动各电动缸的电机转动的控制量，则各电机在所述控制量的控制下，驱动对应的电动缸缸杆5在电动缸缸筒8中作直线伸缩运动，使得所有电动缸缸杆5形成的位移矢量和，与底座13在外部扰动源的影响下形成的位移矢量和，大小相等，方向相反。

进一步地，所述电动缸为三个，且三个电动缸沿上平台2的周向均匀分布。

进一步地，所述气缸上还安装有插销，其中插销的插头和插座分别安装在气缸缸杆6和气缸缸筒7上；

当外部负载需要从上平台2消失小于设定时长的时间时，将所述插头手动锁紧在插座中。

进一步地，所述气罐12固定安装在底座13的上表面，气缸缸筒7再与气罐12的上表面球铰连接。

一种稳定系统，包括两个所述稳定平台，各稳定平台安装在同一外部扰动源上，外部负载安装在各稳定平台的上平台上。

进一步地，一种稳定系统，还包括两个插销，且插销包括插头和插座；

所述上平台2的下表面沿其长度方向设置有导轨，且气缸缸杆6与上平台2球铰连接的一端还安装有与所述导轨滑动匹配的运动副；

所述插头安装在气缸缸杆6与上平台2的下表面球铰连接的一端，插座安装在所述导轨的一侧，当外部负载不存在竖直方向上的振动位移时，插头通过手动锁紧在插座中，当外部负载存在竖直方向上的振动位移时，手动从插座中释放插头，使所述运动副随着外部负载的上下振动在导轨中滑动。

有益效果：

1、本发明提供一种稳定平台，主要通过气缸平衡外部负载的重力，且可以通过气罐根据外部负载实际的重力大小调整气缸内的气压，再通过电动缸平衡外部扰动源的扰动，由此可见，本发明通过使用电动缸作为驱动辅以气缸平衡外部负载重力的方式，能够更好地平衡重力，以免给电动缸带来过大的负载，在保证最大负载能够稳定在上平台的基础上，还大大降低了所消耗的能源，节能环保，能源容易获得。

2、本发明提供一种稳定系统，突破了传统并联稳定平台大型化专用性的特点，有着很高的灵活性和组合重构性，应用范围广泛，功能多样；这些特点使本发明区别于传统并联稳定平台，能够更好地进行民用化，在民用生活领域有着很好的实用前景，尤其适用于雷达稳定平台、车载/船载防晕平台/床、救护车急救床、船载置物桌、剧场平台、船载武器平台、vr游戏装置以及运动模拟器等领域。

附图说明

图1为本发明提供的一种稳定平台的结构示意图；

图2为本发明提供的控制量解算原理框图；

图3为本发明提供的一种稳定系统的结构示意图；

1-外部负载、2-上平台、3-耳轴、4-球铰、5-电动缸缸杆、6-气缸缸杆、7-气缸缸筒、8-电动缸缸筒、9-第一传感器、10-球铰、11-球铰、12-气罐、13-底座、14-第二传感器、15-外部负载板、16-运动副。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，该图为本实施例提供的一种稳定平台的结构示意图。一种稳定平台，包括上平台2、底座13、第一传感器9、第二传感器14、控制模块、气缸、气罐12以及三个电动缸，且三个电动缸沿上平台2的周向均匀分布，也即每隔120°安装一个，其中，电动缸包括电动缸缸筒8、电动缸缸杆5以及电机，气缸包括气缸缸筒7和气缸缸杆6。

所述气缸和电动缸安装在上平台2和底座13之间，其中，电动缸缸筒8与底座13的上表面球铰连接，电动缸缸杆5与上平台2的下表面通过耳轴连接，气缸缸筒7与底座13的上表面球铰连接，气缸缸杆7与上平台2的下表面球铰连接；同时，所述上平台2的上表面用于支撑待稳定的外部负载；所述底座13通过下表面安装于外部扰动源上；气缸和电动缸在上平台2和底座13之间采用如上的连接方式，确保了上平台2相对于底座13仅具有横滚、俯仰、垂直方向伸缩的自由度。

可选的，为了确保力平衡时的对称性，可以将气缸安装在三个电动缸的中心，同时，将气罐12固定安装在底座13上表面的中心后，气缸缸筒7再与气罐12的上表面球铰连接，安装在上平台2上的第一传感器与安装在底座13上的第二传感器同轴。

所述第一传感器9用于采集外部负载在竖直方向上对上平台2施加的正压力，当正压力超过设定阈值时，控制模块开启气罐12与气缸缸筒7之间的接口，使得气缸缸杆6在气罐12提供的气体的驱动下，向上平台2提供向上的推力。

需要说明的是，气缸中一直存在的一定的压力，由此产生向上的推力来平衡上方外部负载重力，以减小各电动缸姿态调整运动时受到的负载，使各电动缸运行时能量损耗大大的下降，能够达到节能环保的效果。

此外，当外部负载1，如椅子从上平台上消失时，气缸仍然存在向上推力，则三个电动缸会产生与所述推力方向相反的相应拉力以达到平衡；那么，当上平台2上长时间不存在外部负载1时，关闭气缸与气缸缸筒7之间的接口，然后手动对气缸放气，使气缸退出工作模式，从而减小气缸产生的向上推力。同时，当外部负载1只是需要短时间消失，而气缸又没有放气的时候，为了防止气缸缸杆6的向上推力太大，使得电动缸缸杆5产生的反向拉力也过大，从而损坏电动缸，可以在气缸上安装一组插销，具体的，插销的插头和插座分别安装在气缸缸杆6和气缸缸筒7上；当外部负载1需要从上平台2消失小于设定时长的时间时，将所述插头手动锁紧在插座中。

所述第二传感器14用于采集底座13在外部扰动源影响下产生的横滚角、俯仰角以及加速度。

需要说明的是，横滚角、俯仰角在以底座13质心为原点的动坐标系下测量得到，而加速度为上平台沿竖直方向的空间绝对加速度。

所述控制模块用于根据横滚角、俯仰角以及加速度，解算出驱动各电动缸的电机转动的控制量，则各电机在所述控制量的控制下，驱动对应的电动缸缸杆5在电动缸缸筒8中作直线伸缩运动，使得所有电动缸缸杆5形成的位移矢量和，与底座13在外部扰动源的影响下形成的位移矢量和，大小相等，方向相反。

参见图2，该图本实施例提供的控制量解算原理框图。控制模块基于底座13的横滚角、俯仰角以及加速度，通过运动学反解融合基于位置的阻抗控制完成对于控制量的输出。基于位置的阻抗控制原理如下：

传统的阻抗控制将机器人接触力与末端位置的动态关系看作是一个等效的弹簧-质量-阻尼系统，通过调整惯性、阻尼、刚度参数以实现人们所期望机器人的动态特性。较为常用的阻抗模型有如下形式

其中，md，bd，kd分别为惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；

xe分别为机器人实际运动位移、速度和加速度；

xr分别为机器人期望轨迹、速度与加速度；

fe为机器人的实际接触力；

考虑到稳定平台的安装难度和价格原因，本实施例在基于力的位置闭环柔顺性控制器基础上进行更改，将阻抗模型等式中两端同除以上平台与外部负载的总质量m，得出加速度跟踪模型

其中，

稳定平台在运动过程中自身的加速度通过设定的目标阻抗模型，产生位置的修正量。参考位置、位置修正量和实际位置相比之后的结果作为内环位置控制器的输入，此处的实际位置指的是底座13的横滚角、俯仰角以及加速度，从而使实际稳定平台运动轨迹跟踪期望位置，从而实现稳定平台的垂直方向阻抗控制，其中，位置控制器实现的是稳定平台运动学位置反解与pid控制。

实施例二

由以上实施例可知，多个稳定平台可以根据任务不同或者环境变化组合成适合不同要求的空间几何构型，这种组合不仅仅是简单的空间重构，还包括控制策略的重构。重构后的稳定系统不仅能适应新的工作任务，而且仍具备很好的控制效果与控制精度。

例如，当组合重构的稳定系统处于稳定减振控制模式时，控制策略同单个稳定平台的稳定减振控制，由于控制策略中阻抗控制的存在，即基于力的阻抗控制，因此能保证每个稳定平台之间不会因为控制精度的差异而对机械结构造成损坏。

而当组合重构的稳定系统处于姿态控制模式时，本实施例提供如下一种稳定系统。参见图3，该图为一种稳定系统的结构示意图。一种稳定系统，包括两个稳定平台和两个插销，且插销包括插头和插座；各稳定平台安装在同一外部扰动源上，外部负载安装在各稳定平台的上平台上方，在本实施例中，外部负载为板状负载，即为外部负载板。

所述上平台2的下表面沿其长度方向设置有导轨，且气缸缸杆6与上平台2球铰连接的一端还安装有与所述导轨滑动匹配的运动副；

所述插头安装在气缸缸杆6与上平台2的下表面球铰连接的一端，插座安装在所述导轨的一侧，当外部负载板不存在竖直方向上的振动位移时，插头通过手动锁紧在插座中，当外部负载板存在竖直方向上的振动位移时，手动从插座中释放插头，使所述运动副随着外部负载板的上下振动在导轨中滑动。

由此可见，当组合重构的稳定系统处于姿态控制模式时，通过在稳定平台的气缸与上平台2连接处设置可控制所述运动副沿导轨滑动的插销，当插销拔出时，气缸的运动副能在自身所属稳定平台的上平台坐标系中发生一个沿其长度方向的滑动，因此在运动过程中，如外部负载板一边高一边低的情况，稳定平台的气缸不会因为位置偏移而发生机械损坏。

也就是说，本实施例通过稳定系统固定于各种颠簸的载体上，然后通过对稳定系统中两个稳定平台的协同控制，达到对于两个稳定平台组合的大平台，即稳定系统的稳定控制与运动模拟，消除颠簸对于外部负载板上物体的影响；显然，本实施例的稳定系统尤其适用于救护车的稳定床。

下面简要说明稳定系统的控制量的获取过程：

以稳定系统的底座13所在的平面建立基坐标系，其中，原点位于两个稳定平台自身底座13原点连线的中点，在上平台上安装的外部负载板中心建立动坐标系，外部负载板在底座13的基坐标系中的位姿表示为[zcαβ]。若以两个稳定平台的上平台中心为原点，建立随动坐标系1与随动坐标系2，则随动坐标系1在底座13的位姿表示为[xaz1αβ]，随动坐标系2在底座13的位姿表示为[-xaz2αβ]。由于本实施例将两个稳定平台按照底座13基坐标系中x轴的轴线方向安装，则可在垂直高度差中消除横滚姿态角所带来的影响，其中有如下关系式

δz＝z2-z1＝2xatanβ

z1＝zc-δz

z2＝zc+δz

那么稳定平台对于自身的底座13的基坐标系的位姿可分别表示为

[zc-δzαβ]——稳定平台1

[zc+δzαβ]——稳定平台2

最后通过稳定平台在自身底座13基坐标系中的表示带入单个稳定平台的运动学解算公式，即可获得稳定系统相应的联合位姿控制量。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。