CN211821502U - 一种位姿调节及定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种位姿调节及定位装置，包括底座、活动盖板、转盘、转盘锁紧板和锁紧螺栓，所述底座与活动盖板通过铰接销转动连接，所述活动盖板与弧条固定连接，所述弧条与底座通过锁紧螺栓锁紧固定，所述活动盖板与转盘转动连接。本实用新型具有姿态定位准确、可有效进行小角度调节、满足高强度振动环境条件、具备一定通用性等优点。

Description

一种位姿调节及定位装置

技术领域

本实用新型涉及一种位姿调节及定位装置，尤其涉及一种六维加速度传感器振动测量时调节其空间三维角度(即位姿)的机械平台。

背景技术

物体的空间运动，往往可以分解为对应于空间三个坐标系的平移和旋转运动，其运动信息包括三维线加速度和三维角加速度，合称“六维加速度”。传统的传感器采用由三个单维加速度计与陀螺仪组合的方式来测量物体的空间运动信息，在原理上存在严重的内杆臂效应和横向灵敏度效应，故应对单质量块六维加速度传感器进行开发试验。现阶段，我国对传感器的振动试验环境普遍采用一维振动平台，面对复杂的多维振动特征信息表达存在明显的不足，有些试验为应对含倾角的复杂振动试验环境采用固定角度的斜块，如遇不同空间姿态需求则需更换不同的斜块，这就造成了资源的浪费和使用不便。采用传统的定位装置进行定位时，往往针对的环境条件并不极端，在面对高频、多姿态的振动环境时并不适用。

经过检索发现，公开号为CN105783858B的专利描述了一种可调节的空间角度测量及角度安装装置，该装置可满足基本的倾斜角要求，然而其定位锁紧装置易磨损，不能在高频振动环境中使用，且无法满足在有复杂姿态环境要求下的传感器中进行试验。公开号为CN109702093A的专利描述了一种多角度快速调节的倾斜工装，该工装具有可快速调节倾斜工作台角度、工作台支撑稳定等特点，然而其缺点也很明显，该工装尺寸较大、定位结构复杂，主要面向数控机床，不适宜安装在相对小型化的传感器试验振动平台上。因此，有必要设计一种结构简单，安装方便，可调整测量仪器的空间位姿，能应对较高频率的振动环境的平台装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种位姿调节及定位装置，该装置能够调节传感器在单维振动试验下的位姿，仅通过加载一维的振动试验条件，即可满足试验所需的传感器在各种空间姿态下的要求，完成对六维加速度信息的确定。同时，该装置满足具有较好的定位锁紧能力，轻质且能够适用于频率较高的振动环境。

本实用新型解决其技术问题的技术方案如下：

一种位姿调节及定位装置，包括底座、活动盖板、转盘、转盘锁紧板和锁紧螺栓，所述底座与活动盖板通过铰接销转动连接，所述活动盖板与弧条固定连接，所述弧条与底座通过锁紧螺栓锁紧固定，所述活动盖板与转盘转动连接。

本实用新型提供一种可转换单维运动的空间位姿调节平台，采用底座与实际各类试验驱动装置的工作台表面相适配。通过本实用新型与六维加速度传感器以及试验驱动装置的配合，解决了需频繁更换斜块来获取六维加速度传感器在单维试验振动装置上的多姿态六维加速度测量信息获取问题。

本实用新型进一步完善的技术方案如下：

优选地，在所述底座的上表面设有底座凹槽，在所述底座凹槽的底面上制有多个贯穿的工作台固定螺纹孔，与所述工作台固定螺纹孔配合设置有第一螺栓；在所述底座上制有与弧条相配合的弧条插槽，在所述底座的两侧分别制有与弧条插槽相贯通的底座锁紧螺纹孔，所述锁紧螺栓与所述底座锁紧螺纹孔配合设置。

采用上述结构，锁紧螺栓通过底座锁紧螺纹孔将底座与活动盖板上的弧条进行配合锁紧。在底座上表面设置底座凹槽，在底座凹槽处加工有试验驱动装置固定特征所对应的工作台固定螺纹孔，并通过第一螺栓连接进行试验驱动装置与底座连接预紧，并采用底座凹槽隐藏与试验驱动装置固定的第一螺栓，即试验装置通过第一螺栓与底座上表面的底座凹槽锁紧连接，底座凹槽用于保证活动盖板与底座贴合平行时，螺栓头部与活动盖板结构之间不发生干涉。另外，在弧条上制有一组可与锁紧螺栓相配合的锁紧孔，锁紧螺栓穿过一个底座锁紧螺纹孔后与锁紧孔或弧条侧面配合，以完成锁紧工作。

优选地，在所述活动盖板的下表面制有第一级配合槽，所述第一级配合槽内设置有转盘。

优选地，所述转盘由定位凸台和柱台组成，所述定位凸台与活动盖板的上表面平齐，所述柱台与第一级配合槽相配合。

优选地，在所述活动盖板的下表面位于第一级配合槽外圈制有第二级配合槽，所述第二级配合槽内设置有转盘锁紧板，在所述转盘锁紧板的上表面设有摩擦棉，摩擦棉设于转盘锁紧板与转盘之间的接触面，用于固定转盘。

优选地，所述转盘锁紧板通过第二螺栓与活动盖板固定连接。

优选地，在所述转盘锁紧板的四角制有螺纹定位孔，与所述螺纹定位孔配合设置有第二螺栓，所述第二螺栓穿过螺纹定位孔后固定于第二级配合槽。

上述结构中，活动盖板、转盘、转盘锁紧板共同组成一个整体结构。活动盖板下表面加工有圆形和方形的两级配合槽，用于固定转盘和转盘锁紧板。安装时，将转盘指针面朝上安装在第一级配合槽中，然后将转盘锁紧板嵌入第二级配合槽内，并通过第二螺栓锁紧。转盘锁紧板为立式方台，其形状与底座凹槽的形状相匹配，在活动盖板与底座贴合时转盘锁紧板可以放在底座凹槽内，并且底座凹槽能够隐藏第二螺栓(见图9)。

优选地，在所述转盘上制有多个试验装置固定螺纹孔，与所述试验装置固定螺纹孔配合设有第三螺栓，转盘与试验装置通过第三螺栓进行连接预紧。

优选地，在所述转盘的上表面设有转盘刻度指针，在所述活动盖板的上表面位于第一级配合槽处设有与转盘刻度指针相匹配的盖板指示刻度盘，盖板指示刻度盘的刻度范围为0°～180°，通过与活动盖板定位配合的转盘上指针进行读数，以确定转动角度。

优选地，在所述底座的侧面铰接处设有圆周角度刻度盘，圆周角度刻度盘的刻度范围为0°～120°，将活动盖板的下表面边线作为指针，通过该指针进行读数。

采用本实用新型，六维加速度传感器在转盘上的旋转角度可以清晰的进行定位，仅通过螺栓、转盘锁紧板固定转盘，可以有效地保证机构的安装质量且能够满足机构简单轻便的基本特征；底座按照所需的试验振动装置设计，可以保证该装置在多场合进行使用。本实用新型具有姿态定位准确、可有效进行小角度调节、满足高强度振动环境条件、具备一定通用性等优点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中底座的结构示意图。

图3为本实用新型中底座转角刻度的放大图。

图4为本实用新型中活动盖板的结构示意图。

图5为本实用新型中活动盖板与转盘的装配示意图。

图6为本实用新型中活动盖板俯视刻度图。

图7为本实用新型中姿态坐标系的定位图。

图8为本实用新型实际操作过程中当且仅当活动盖板发生角度变化的状态示意图。

图9为本实用新型实际操作过程中当且仅当转盘发生角度变化的状态示意图。

图10为本实用新型实际操作过程中复合活动盖板、转盘角度变化的状态示意图。

图中：1.铰接销，10.六维加速度传感器，11.激振器，2.锁紧螺栓，3.底座，30.底座锁紧螺纹孔，31.弧条插槽，32底座凹槽，33.工作台固定螺纹孔，40.活动盖板，40a.盖板指示刻度盘，40b.弧条，41.转盘，41a.转盘刻度指针，42.转盘锁紧板，42a.摩擦棉。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本实用新型作进一步详细描述。但是本实用新型不限于所给出的例子。

在本实用新型的描述中，需要进行特殊说明的是，术语“俯仰角”指的是活动盖板在活动时，活动盖板边线在底座侧面圆周刻度盘上指示的具体值，即θ₁；术语“方位角”指的是转盘上的转盘刻度指针在转盘活动时与活动盖板上盖板指示刻度盘之间的具体指示值，即θ₂。

实施例1

如图1所示，一种位姿调节及定位装置，包括底座3、活动盖板40、转盘41、转盘锁紧板42和锁紧螺栓2，底座3在长边一侧与活动盖板40通过铰接销1可转动连接。在底座3的侧面铰接处设有圆周角度刻度盘，圆周角度刻度盘的刻度范围为0°～120°，圆周角度刻度盘与活动盖板40的下表面配合调节活动盖板40的旋转角度(见图3)。活动盖板40与转盘41转动连接，转盘41底部设有转盘锁紧板42，底座3与位于活动盖板40下表面的弧条40b通过锁紧螺栓2锁紧固定。

如图2所示，在底座3的上表面中部设有底座凹槽32，在底座凹槽32的底面上制有四个贯穿的工作台固定螺纹孔33，与工作台固定螺纹孔33配合设置有第一螺栓，底座3通过第一螺栓与激振器11连接。在底座3上位于底座凹槽32的两侧分别制有弧条插槽31，两弧条插槽31之间的距离大于激振器11在运动方向上任意截面的任意两点之间最大距离。在底座3的两侧分别制有与锁紧螺栓2相配合的底座锁紧螺纹孔30，且同一侧孔数为2个，两个底座锁紧螺纹孔30均与布置在同一侧的弧条插槽31相连通。

如图4所示，活动盖板40的下表面固定连接两条弧条40b，两弧条40b的位置关于其所在活动盖板40的下表面长边中轴线对称，两弧条40b的弧长、直径相同。弧条40b的弧度为130°，在弧条40b上沿其长度方向每隔5°设置一锁紧孔，该锁紧孔远离弧条40b的圆心，锁紧孔可与锁紧螺栓2相配合。每5°设置锁紧孔的弧条40b设计，可以有效进行在高频振动试验下的试验工作。弧条40b与弧条插槽31相配合，弧条插槽31的上表面外形对应于弧条40b的插入部截面，且弧条插槽31的长度略大于弧条40b横截面的长度。弧条40b通过锁紧螺栓2在底座3上的弧条插槽31处配合锁紧，即锁紧螺栓2穿过底座3同一侧的底座锁紧螺纹孔30之一后与对应的锁紧孔或弧条40b侧面配合完成锁紧工作。位于底座3同一侧的两个底座锁紧螺纹孔30与锁紧孔的配合关系为：当俯仰角角度为5°的倍数时，锁紧螺栓2穿过一个底座锁紧螺纹孔30后插入锁紧孔中进行锁紧，当俯仰角角度为其他时，锁紧螺栓2穿过另外一个底座锁紧螺纹孔30后抵于弧条40b的侧面上，旋转锁紧。通过活动盖板40的转动，弧条40b会插入底座弧条插槽31，在俯仰角确定后即可通过锁紧螺栓2进行锁紧固定角度。

另外，在活动盖板40的下表面制有第一级配合槽，第一级配合槽呈两端敞开形式，第一级配合槽内设置有转盘41。在转盘41的上表面设有转盘刻度指针41a，在活动盖板40的上表面位于第一级配合槽处设有与转盘刻度指针41a相匹配的盖板指示刻度盘40a，盖板指示刻度盘40a的刻度范围为0°～180°，盖板指示刻度盘40a通过与活动盖板40配合的转盘上指针确定转动角度(见图6)。如图5所示，转盘41呈阶梯状，由圆形定位凸台和圆形柱台组成，定位凸台上加工转盘刻度指针41，定位凸台与活动盖板40的上表面配合进行定位，柱台与第一级配合槽相配合，柱台嵌入活动盖板40的第一级配合槽内做轴状转动。在活动盖板40的下表面位于第一级配合槽外圈制有第二级配合槽，第二级配合槽呈一端敞开形式，第二级配合槽内设置有正方形的转盘锁紧板42，转盘锁紧板42设于转盘41底部，转盘锁紧板42通过第二螺栓与活动盖板40固定连接。在转盘锁紧板42与转盘41的接触面上设有方形摩擦棉42a。在转盘锁紧板42的四角制有贯穿的螺纹定位孔，与螺纹定位孔配合设置有第二螺栓，第二螺栓穿过螺纹定位孔后固定于第二级配合槽，这样转盘锁紧板42通过第二螺栓与活动盖板40连接，在方位角确定之后旋转锁紧第二螺栓。如图6所示，在转盘41上制有四个试验装置固定螺纹孔，与试验装置固定螺纹孔配合设有第三螺栓，转盘41与六维加速度传感器10通过第三螺栓进行连接预紧。将六维加速度传感器10固定在转盘41上，通过手动调节转盘41的角度，可以得到0°至180°的方位角，锁定方位角后，由转盘锁紧板42锁紧完成传感器的固定工作。

在本实施例中，底座3同时是本装置平台的基座，该基座外形以及底座凹槽32内工作台固定螺纹孔33的布置方式可以随激振器11的形状而改变，底座3上布置的两弧条插槽31之间的距离应大于激振器11的最大直径，以保证足够的工作安全空间。本实施例中的具体步骤应遵循以下顺序：(1)预先计算出方位角与俯仰角所对应的具体角度取值下的传感器姿态欧拉角，以满足试验要求；(2)将底座3固定在激振器11上；(3)将六维加速度传感器10固定在转盘41上，拧松转盘锁紧板42上的第二螺栓，转动至已确定方位角后锁紧转盘41；(4)拧松底座3上锁紧螺栓2，调节活动盖板40至已确定俯仰角后锁紧弧条40b。实际操作过程中，本实施例的平台安装于激振器11，且在该平台的转盘41上固定六维加速度传感器11，此时，当且仅当活动盖板40转动时其角度变化如图8所示，当且仅当转盘41转动时其角度变化如图9所示，当活动盖板40和转盘41同时转动时其角度变化如图10所示。

本实施例还提供在实际使用过程中三维空间欧拉角的姿态确定方法，具体的姿态定位求解方法如下所述：

首先，如图7所示，分别在底座3侧面的圆周角度刻度盘中心处和六维加速度传感器10的质量块中心处建立方向相同且符合右手法则的空间坐标系，分别表示记为：o-xyz与O-XYZ，初始状态即盖板指示刻度盘40a和圆周角度刻度盘上的刻度指数为0°时，坐标轴分别平行于正立方体状六维加速度传感器10的边线。

其次，按照操作进行定义，将依次转动并锁死活动盖板40以及六维加速度传感器10所在的转盘41的转动角度分别记为θ₁和θ₂。当二者中仅有一个角度发生变化时，即可至少实现传感器的姿态为绕空间坐标系的三轴中任意某一单轴旋转(其中绕Y轴旋转需将转盘41上的刻度初始值默认设置为90°)。当二者均发生变化时，其姿态矩阵对应的三维空间欧拉角推导如下：

(1)当转动并锁死活动盖板40时，θ₁发生变化。此时的旋转矩阵为：

(2)当转动并锁死转盘41时，θ₂发生变化。此时的旋转矩阵为：

(3)基于以上两种变换，发生复合变换时的旋转矩阵可表示为：

将旋转矩阵记作：

则其欧拉角为：

那么，根据实际三维空间姿态需求，取俯仰角θ₁＝60°、方位角θ₂＝45°可满足六维加速度传感器10的试验姿态要求，将θ₁、θ₂带入式(3)得到旋转矩阵：

即有三维空间姿态角：

则可以得到：ф_x＝39.2°，ф_y＝127.8°，ф_z＝63.4°。

如图8所示，将六维加速度传感器10通过转盘41上的试验装置固定螺纹孔固定在转盘41的上表面，将本实施例的装置通过在底座凹槽32上预留的工作台固定螺纹孔33固定在激振器11的上面。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种位姿调节及定位装置，其特征在于：包括底座（3）、活动盖板（40）、转盘（41）、转盘锁紧板（42）和锁紧螺栓（2），所述底座（3）与活动盖板（40）通过铰接销（1）转动连接，所述活动盖板（40）与弧条（40b）固定连接，所述弧条（40b）与底座（3）通过锁紧螺栓（2）锁紧固定，所述活动盖板（40）与转盘（41）转动连接。

2.根据权利要求1所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：所述底座（3）的上表面设有底座凹槽（32），所述底座凹槽（32）制有多个工作台固定螺纹孔（33），与所述工作台固定螺纹孔（33）配合设置有第一螺栓；在所述底座（3）上制有与弧条（40b）相配合的弧条插槽（31），在所述底座（3）的两侧分别制有与弧条插槽（31）相贯通的底座锁紧螺纹孔（30），所述锁紧螺栓（2）与所述底座锁紧螺纹孔（30）配合设置。

3.根据权利要求2所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：在所述活动盖板（40）的下表面制有第一级配合槽，所述第一级配合槽内设置有转盘（41）。

4.根据权利要求3所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：所述转盘（41）由定位凸台和柱台组成，所述定位凸台与活动盖板（40）的上表面平齐，所述柱台与第一级配合槽相配合。

5.根据权利要求4所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：在所述活动盖板（40）的下表面位于第一级配合槽外圈制有第二级配合槽，所述第二级配合槽内设置有转盘锁紧板（42），在所述转盘锁紧板（42）的上表面设有摩擦棉（42a）。

6.根据权利要求5所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：所述转盘锁紧板（42）通过第二螺栓与活动盖板（40）固定连接。

7.根据权利要求6所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：在所述转盘锁紧板（42）的四角制有螺纹定位孔，与所述螺纹定位孔配合设置有第二螺栓，所述第二螺栓穿过螺纹定位孔后固定于第二级配合槽。

8.根据权利要求7所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：在所述转盘上制有多个试验装置固定螺纹孔，与所述试验装置固定螺纹孔配合设有第三螺栓。

9.根据权利要求8所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：在所述转盘（41）的上表面设有转盘刻度指针（41a），在所述活动盖板（40）的上表面位于第一级配合槽处设有与转盘刻度指针（41a）相匹配的盖板指示刻度盘（40a）。

10.根据权利要求9所述一种位姿调节及定位装置，其特征在于：在所述底座（3）的侧面铰接处设有圆周角度刻度盘。

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