本實用新型涉及海洋工程試驗技術領域，特別涉及一種四自由度運動機構。

背景技術：

平面運動機構在船舶操縱性能試驗研究中應用比較廣泛，現(xiàn)有技術中公開的水平面平面運動機構，可以帶動船舶做橫蕩、首搖兩個自由度的運動；現(xiàn)有技術中公開的垂直面平面運動機構，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構只能模擬水平面或垂直面的兩個自由度的運動。另外，目前的平面運動機構采用滾珠絲杠、蝸輪蝸桿、電動缸、十字滑框、轉盤等傳動方式，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，不太適合海洋結構物粘性水動力性能的精細研究，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構簡單的運動機構，是本領域技術人員亟待解決的一個技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種可以輸出高精度的運動且結構簡單的四自由度運動機構。

為解決上述技術問題，本實用新型提供一種四自由度運動機構，包括：縱向兩自由度平面運動機構、垂向兩自由度平面運動機構和系統(tǒng)控制箱，其中，所述垂向兩自由度平面運動機構設置在所述縱向兩自由度平面運動機構的運動輸出端，并由所述縱向兩自由度平面運動機構帶動動作，所述系統(tǒng)控制箱設置在所述縱向兩自由度平面運動機構上并控制所述縱向兩自由度平面運動機構和垂向兩自由度平面運動機構動作。

作為優(yōu)選，所述縱向兩自由度平面運動機構包括：安裝底座、平行設置在所述安裝底座兩側的縱向導軌、與所述縱向導軌相匹配的滑塊、安裝在所述滑塊上的軸環(huán)組件以及縱向驅動組件，其中，所述縱向驅動組件與所述軸環(huán)組件通過縱向鉸鏈連接。

作為優(yōu)選，所述縱向驅動組件包括：對稱設置在所述安裝底座兩側的水平運動伺服電機、水平同步帶直線驅動器和縱向推拉桿，其中，所述水平運動伺服電機通過所述水平同步帶直線驅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構固接。

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構分別連接。

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)圈壓板的中心開設有供所述垂向兩自由度平面運動機構穿過的通孔，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構固接。

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有滑槽，所述滑塊設置在所述滑槽內(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動組件連接。

作為優(yōu)選，所述垂向兩自由度平面運動機構包括：與所述縱向兩自由度平面運動機構連接的安裝支柱、設在所述安裝支柱兩相對外側面上的垂向驅動組件以及與所述垂向驅動組件連接的連接板。

作為優(yōu)選，所述垂向驅動組件包括：設置在所述安裝支柱外側面上的垂向運動伺服電機、與所述垂向運動伺服電機連接的垂向同步帶直線驅動器以及與所述垂向同步帶直線驅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的設置方向與四自由度運動機構的縱蕩方向一致，且所述垂向運動伺服電機還通過電機加固支架與所述縱向兩自由度平面運動機構固接。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型通過設置縱向兩自由度平面運動機構和垂向兩自由度平面運動機構，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、繞垂直軸轉動、垂向平移、繞水平軸轉動這四種運動方式中的任意一種或兩種以上的耦合運動，適用于海洋結構物的粘性性能試驗研究。

附圖說明

圖1為本實用新型的四自由度運動機構的結構示意圖；

圖2為本實用新型的四自由度運動機構的左視圖；

圖3為本實用新型的四自由度運動機構的俯視圖；

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構；

11-安裝底座、12-縱向導軌、13-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-縱向驅動組件、151-水平運動伺服電機、152-水平同步帶直線驅動器、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構、21-安裝支柱；

22-垂向驅動組件、221-垂向運動伺服電機、222-垂向同步帶直線驅動器、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-電機加固支架；

3-系統(tǒng)控制箱。

具體實施方式

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

如圖1至圖5所示，本實用新型提供一種四自由度運動機構，包括：縱向兩自由度平面運動機構1、垂向兩自由度平面運動機構2和系統(tǒng)控制箱3，其中，所述垂向兩自由度平面運動機構2設置在所述縱向兩自由度平面運動機構1的運動輸出端，并由所述縱向兩自由度平面運動機構1帶動動作，所述系統(tǒng)控制箱3設置在所述縱向兩自由度平面運動機構1上并控制所述縱向兩自由度平面運動機構1和垂向兩自由度平面運動機構2動作。具體地，所述縱向兩自由度平面運動機構1能夠實現(xiàn)水平移動(縱蕩)和繞垂直軸轉動(首搖)的耦合運動；所述垂向兩自由度平面運動機構2能夠實現(xiàn)垂向移動(垂蕩)和繞水平軸轉動(縱搖)的耦合運動，通過使用所述系統(tǒng)控制箱3，本實用新型可以模擬水平平移、繞垂直軸轉動、垂向平移、繞水平軸轉動這四種運動方式中的任意一種或兩種以上的耦合運動，適用于海洋結構物的粘性性能試驗研究。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的四自由度運動機構的運動精度更高，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構1包括：安裝底座11、平行設置在所述安裝底座11兩側的縱向導軌12、與所述縱向導軌12間隙配合的滑塊13、安裝在所述滑塊13上的軸環(huán)組件14以及縱向驅動組件15，其中，所述縱向驅動組件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構2固接。

作為優(yōu)選，所述縱向驅動組件15包括：對稱設置在所述安裝底座11兩側的水平運動伺服電機151、水平同步帶直線驅動器152和縱向推拉桿153，其中，所述水平運動伺服電機151通過所述水平同步帶直線驅動器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。本實用新型通過采用水平運動伺服電機151和水平同步帶直線驅動器152，位移精度達0.1mm，運行頻率達2Hz，具有振動小、重復定位精度高的優(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構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。進一步的，所述軸環(huán)內(nèi)圈壓板的中心開設有供所述垂向兩自由度平面運動機構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構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上開設有滑槽，所述縱向鉸鏈滑塊162設置在所述滑槽內(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構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、設在所述安裝支柱21兩相對外側面上的垂向驅動組件22以及與所述垂向驅動組件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；所述垂向驅動組件22包括：設置在所述安裝支柱21外側面上的垂向運動伺服電機221、與所述垂向運動伺服電機221連接的垂向同步帶直線驅動器222以及與所述垂向同步帶直線驅動器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221和垂向同步帶直線驅動器222，同樣具有振動小、重復定位精度高的優(yōu)點。

所述垂向鉸鏈24可以防止所述安裝支柱21兩側的垂向推拉桿223產(chǎn)生水平分離。進一步的，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221的設置方向與四自由度運動機構的縱蕩方向一致，且所述垂向運動伺服電機221還通過電機加固支架25與所述縱向兩自由度平面運動機構1的軸環(huán)內(nèi)圈壓板固接。

繼續(xù)參照圖1至圖5，本實用新型的工作過程為：

縱向兩自由度平面運動機構1的水平同步帶直線驅動器152在水平運動伺服電機151的帶動下進行縱向運動，帶動縱向推拉桿153和縱向鉸鏈板164縱向運動，進而帶動所述軸環(huán)142運動。當兩臺水平同步帶直線驅動器152完全同步時，所述軸環(huán)142的內(nèi)圈與外圈沒有相對轉動，整體沿著縱向導軌12進行水平移動(縱蕩)；當兩臺水平同步帶直線驅動器152完全異步時，縱向導軌12與滑塊13之間不產(chǎn)生滑動，僅軸環(huán)142的內(nèi)圈相對于外圈進行繞垂直軸的轉動(首搖)；通過控制兩臺水平同步帶直線驅動器152的運動可以實現(xiàn)水平移動(縱蕩)和繞垂直軸轉動(首搖)的耦合運動。當所述軸環(huán)142的內(nèi)圈與外圈發(fā)生相對轉動時，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，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構1的運行方式類似，所述垂向兩自由度平面運動機構2的垂向同步帶直線驅動器222在垂向運動伺服電機221的帶動下進行垂向運動，帶動垂向推拉桿223進行垂向運動，進而帶動連接板23運動。當兩臺垂向同步帶直線驅動器222完全同步時，連接板23進行垂向移動(垂蕩)；當兩臺垂向同步帶直線驅動器222完全異步時，連接板23進行繞水平軸的轉動(縱搖)；通過控制兩臺垂直同步帶直線驅動器222的運動可以實現(xiàn)垂向移動(垂蕩)和繞水平軸轉動(縱搖)的耦合運動。當連接板23繞水平軸轉動時，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，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和垂向運動伺服電機進行分別控制?？v向兩自由度平面運動機構1采用雙電機、雙驅動，可以實現(xiàn)縱蕩和首搖；垂向兩自由度平面運動機構2采用雙電機、雙驅動實現(xiàn)垂蕩和縱搖。垂向兩自由度平面運動機構2安裝在縱向兩自由度平面運動機構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構2的連接板23為最終的運動輸出結構，所需測試的海洋結構物需與該連接板23連接。

綜上，本實用新型通過將垂向兩自由度平面運動機構2安裝在縱向兩自由度平面運動機構1的運動輸出端，最終由垂向兩自由度平面運動機構2帶動所需測試的海洋結構模型進行運動，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構1可以帶動垂向兩自由度平面運動機構2進行水平平移、繞垂直軸轉動這兩種運動，再加上垂向兩自由度平面運動機構2自身可以進行垂向平移、繞水平軸轉動，最終共同實現(xiàn)帶動試驗模型進行四自由度運動的功能。本實用新型的機構簡單，維修、保養(yǎng)方便。

顯然，本領域的技術人員可以對實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包括這些改動和變型在內(nèi)。