四自由度运动机构技术领域
本发明涉及海洋工程试验技术领域，特别涉及一种四自由度运动机构。
背景技术
平面运动机构在船舶操纵性能试验研究中应用比较广泛，现有技术中公开的水平
面平面运动机构，可以带动船舶做横荡、首摇两个自由度的运动；现有技术中公开的垂直面
平面运动机构，可以带动船舶做垂荡、纵摇(或横摇)两个自由度的运动。
用于船舶操纵性研究的平面运动机构只能模拟水平面或垂直面的两个自由度的
运动。另外，目前的平面运动机构采用滚珠丝杠、蜗轮蜗杆、电动缸、十字滑框、转盘等传动
方式，适合输出低频、大振幅的运动，在高频运动时振动较大、精度较低，不太适合海洋结构
物粘性水动力性能的精细研究，因此，如何克服上述问题，提供一种可以输出高精度的运动
且结构简单的运动机构，是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明提供一种可以输出高精度的运动且结构简单的四自由度运动机构。
为解决上述技术问题，本发明提供一种四自由度运动机构，包括：纵向两自由度平
面运动机构、垂向两自由度平面运动机构和系统控制箱，其中，所述垂向两自由度平面运动
机构设置在所述纵向两自由度平面运动机构的运动输出端，并由所述纵向两自由度平面运
动机构带动动作，所述系统控制箱设置在所述纵向两自由度平面运动机构上并控制所述纵
向两自由度平面运动机构和垂向两自由度平面运动机构动作。
作为优选，所述纵向两自由度平面运动机构包括：安装底座、平行设置在所述安装
底座两侧的纵向导轨、与所述纵向导轨相匹配的滑块、安装在所述滑块上的轴环组件以及
纵向驱动组件，其中，所述纵向驱动组件与所述轴环组件通过纵向铰链连接。
作为优选，所述纵向驱动组件包括：对称设置在所述安装底座两侧的水平运动伺
服电机、水平同步带直线驱动器和纵向推拉杆，其中，所述水平运动伺服电机通过所述水平
同步带直线驱动器带动所述纵向推拉杆沿纵向运动，所述纵向推拉杆通过所述纵向铰链与
所述轴环组件连接，且所述轴环组件与垂向两自由度平面运动机构固接。
作为优选，所述轴环组件包括：固定在所述滑块上的轴环底座、安装在所述轴环底
座上的轴环以及与所述轴环连接的轴环压板，所述轴环压板与所述纵向铰链以及垂向两自
由度平面运动机构分别连接。
作为优选，所述轴环压板包括轴环内圈压板和轴环外圈压板，其中，所述轴环的外
圈通过轴环外圈压板与所述轴环底座固接，所述轴环的内圈由所述轴环内圈压板包裹，所
述轴环内圈压板的中心开设有供所述垂向两自由度平面运动机构穿过的通孔，且所述轴环
内圈压板通过垂向安装支架与所述垂向两自由度平面运动机构固接。
作为优选，所述纵向铰链包括：纵向铰链座、纵向铰链滑块、纵向铰链轴和纵向铰
链板；其中，所述纵向铰链座与所述轴环组件固接且所述纵向铰链座上开设有滑槽，所述滑
块设置在所述滑槽内并通过所述纵向铰链轴与所述纵向铰链板铰接，所述纵向铰链板与所
述纵向驱动组件连接。
作为优选，所述垂向两自由度平面运动机构包括：与所述纵向两自由度平面运动
机构连接的安装支柱、设在所述安装支柱两相对外侧面上的垂向驱动组件以及与所述垂向
驱动组件连接的连接板。
作为优选，所述垂向驱动组件包括：设置在所述安装支柱外侧面上的垂向运动伺
服电机、与所述垂向运动伺服电机连接的垂向同步带直线驱动器以及与所述垂向同步带直
线驱动器连接的垂向推拉杆，所述垂向推拉杆通过垂向铰链与所述连接板铰接。
作为优选，所述垂向铰链包括：垂向铰链座、垂向铰链滑块和垂向铰链轴，其中，所
述垂向铰链座固定在所述连接板上且所述垂向铰链座上开设有一长槽，所述垂向铰链滑块
通过所述长槽与所述垂向铰链座滑动连接，所述垂向推拉杆通过所述垂向铰链轴与所述垂
向铰链滑块铰接。
作为优选，所述垂向运动伺服电机的设置方向与四自由度运动机构的纵荡方向一
致，且所述垂向运动伺服电机还通过电机加固支架与所述纵向两自由度平面运动机构固
接。
与现有技术相比，本发明通过设置纵向两自由度平面运动机构和垂向两自由度平
面运动机构，具有运动精度高，运行振动小，可模拟高频率运动的优点；能够模拟水平平移、
绕垂直轴转动、垂向平移、绕水平轴转动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合
运动，适用于海洋结构物的粘性性能试验研究。
附图说明
图1为本发明的四自由度运动机构的结构示意图；
图2为本发明的四自由度运动机构的左视图；
图3为本发明的四自由度运动机构的俯视图；
图4为图1的A-A面剖视图；
图5为图1的B-B面剖视图。
图中所示：
1-纵向两自由度平面运动机构；
11-安装底座、12-纵向导轨、13-滑块；
14-轴环组件、141-轴环底座、142-轴环、143-轴环外圈压板、144-轴环内圈上压
板、145-轴环内圈下压板；
15-纵向驱动组件、151-水平运动伺服电机、152-水平同步带直线驱动器、153-纵
向推拉杆；
16-纵向铰链、161-纵向铰链座、162-纵向铰链滑块、163-纵向铰链轴、164-纵向铰
链板；
17-垂向安装支架；
2-垂向两自由度平面运动机构、21-安装支柱；
22-垂向驱动组件、221-垂向运动伺服电机、222-垂向同步带直线驱动器、223-垂
向推拉杆；
23-连接板；
24-垂向铰链、241-垂向铰链座、242-垂向铰链滑块、243-垂向铰链轴；
25-电机加固支架；
3-系统控制箱。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明
的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精
准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1至图5所示，本发明提供一种四自由度运动机构，包括：纵向两自由度平面运
动机构1、垂向两自由度平面运动机构2和系统控制箱3，其中，所述垂向两自由度平面运动
机构2设置在所述纵向两自由度平面运动机构1的运动输出端，并由所述纵向两自由度平面
运动机构1带动动作，所述系统控制箱3设置在所述纵向两自由度平面运动机构1上并控制
所述纵向两自由度平面运动机构1和垂向两自由度平面运动机构2动作。具体地，所述纵向
两自由度平面运动机构1能够实现水平移动(纵荡)和绕垂直轴转动(首摇)的耦合运动；所
述垂向两自由度平面运动机构2能够实现垂向移动(垂荡)和绕水平轴转动(纵摇)的耦合运
动，通过使用所述系统控制箱3，本发明可以模拟水平平移、绕垂直轴转动、垂向平移、绕水
平轴转动这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动，适用于海洋结构物的粘性
性能试验研究。与现有技术相比，本发明的四自由度运动机构的运动精度更高，运行时振动
很小，可以模拟频率较高的运动。
请重点参照图2至图4，所述纵向两自由度平面运动机构1包括：安装底座11、平行
设置在所述安装底座11两侧的纵向导轨12、与所述纵向导轨12间隙配合的滑块13、安装在
所述滑块13上的轴环组件14以及纵向驱动组件15，其中，所述纵向驱动组件15与所述轴环
组件14通过纵向铰链16连接，且所述轴环组件14与垂向两自由度平面运动机构2固接。
作为优选，所述纵向驱动组件15包括：对称设置在所述安装底座11两侧的水平运
动伺服电机151、水平同步带直线驱动器152和纵向推拉杆153，其中，所述水平运动伺服电
机151通过所述水平同步带直线驱动器152带动所述纵向推拉杆153沿纵向运动，所述纵向
推拉杆153通过所述纵向铰链16与所述轴环组件14连接。本发明通过采用水平运动伺服电
机151和水平同步带直线驱动器152，位移精度达0.1mm，运行频率达2Hz，具有振动小、重复
定位精度高的优点。
作为优选，所述轴环组件14包括：固定在所述滑块13上的轴环底座141、安装在所
述轴环底座141上的轴环142以及与所述轴环142连接的轴环压板，所述轴环压板与所述纵
向铰链16以及垂向两自由度平面运动机构2分别连接。
请重点参照图4，所述轴环压板包括由轴环内圈上压板144和轴环内圈下压板145
组装形成的轴环内圈压板，以及轴环外圈压板143，具体地，所述轴环142为交叉滚柱轴环，
其外圈通过所述轴环外圈压板143与所述轴环底座141固接，所述轴环142的内圈由所述轴
环内圈上压板144和轴环内圈下压板145包裹。进一步的，所述轴环内圈压板的中心开设有
供所述垂向两自由度平面运动机构2穿过的方形通孔，且所述轴环内圈压板通过垂向安装
支架17与所述垂向两自由度平面运动机构2的安装支柱21固接。
作为优选，所述纵向铰链16包括：纵向铰链座161、纵向铰链滑块162、纵向铰链轴
163和纵向铰链板164；其中，所述纵向铰链座161安装在所述轴环内圈压板上，所述纵向铰
链座161上开设有滑槽，所述纵向铰链滑块162设置在所述滑槽内并通过所述纵向铰链轴
163与所述纵向铰链板164铰接，所述纵向铰链板164与所述纵向驱动组件15连接。
请重点参照图3至图5，所述垂向两自由度平面运动机构2包括：与所述轴环内圈压
板通过垂向安装支架17固连的安装支柱21、设在所述安装支柱21两相对外侧面上的垂向驱
动组件22以及与所述垂向驱动组件22连接的连接板23。
具体地，所述安装支柱21为方筒形，且竖直布置；所述垂向驱动组件22包括：设置
在所述安装支柱21外侧面上的垂向运动伺服电机221、与所述垂向运动伺服电机221连接的
垂向同步带直线驱动器222以及与所述垂向同步带直线驱动器222连接的垂向推拉杆223，
所述垂向推拉杆223通过垂向铰链24与所述连接板23铰接。同样地，采用垂向运动伺服电机
221和垂向同步带直线驱动器222，同样具有振动小、重复定位精度高的优点。
所述垂向铰链24可以防止所述安装支柱21两侧的垂向推拉杆223产生水平分离。
进一步的，请重点参照图5，所述垂向铰链24包括：垂向铰链座241、垂向铰链滑块242和垂向
铰链轴243，其中，所述垂向铰链座241固定在所述连接板23上且所述垂向铰链座241上开设
有一长槽，所述垂向铰链滑块242通过所述长槽与所述垂向铰链座241滑动连接，所述垂向
推拉杆223通过所述垂向铰链轴243与所述垂向铰链滑块242铰接。
所述垂向运动伺服电机221的设置方向与四自由度运动机构的纵荡方向一致，且
所述垂向运动伺服电机221还通过电机加固支架25与所述纵向两自由度平面运动机构1的
轴环内圈压板固接。
继续参照图1至图5，本发明的工作过程为：
纵向两自由度平面运动机构1的水平同步带直线驱动器152在水平运动伺服电机
151的带动下进行纵向运动，带动纵向推拉杆153和纵向铰链板164纵向运动，进而带动所述
轴环142运动。当两台水平同步带直线驱动器152完全同步时，所述轴环142的内圈与外圈没
有相对转动，整体沿着纵向导轨12进行水平移动(纵荡)；当两台水平同步带直线驱动器152
完全异步时，纵向导轨12与滑块13之间不产生滑动，仅轴环142的内圈相对于外圈进行绕垂
直轴的转动(首摇)；通过控制两台水平同步带直线驱动器152的运动可以实现水平移动(纵
荡)和绕垂直轴转动(首摇)的耦合运动。当所述轴环142的内圈与外圈发生相对转动时，两
个纵向铰链座161在垂直于纵向推拉杆153运动方向的距离变小。较佳的，所述纵向铰链座
161内的滑槽长度与该距离变化相适应，纵向铰链轴163可以通过纵向铰链滑块162在该滑
槽里滑动，可以避免纵向铰链16卡死。
与所述纵向两自由度平面运动机构1的运行方式类似，所述垂向两自由度平面运
动机构2的垂向同步带直线驱动器222在垂向运动伺服电机221的带动下进行垂向运动，带
动垂向推拉杆223进行垂向运动，进而带动连接板23运动。当两台垂向同步带直线驱动器
222完全同步时，连接板23进行垂向移动(垂荡)；当两台垂向同步带直线驱动器222完全异
步时，连接板23进行绕水平轴的转动(纵摇)；通过控制两台垂直同步带直线驱动器222的运
动可以实现垂向移动(垂荡)和绕水平轴转动(纵摇)的耦合运动。当连接板23绕水平轴转动
时，两个垂向铰链座241在垂直于垂向推拉杆223运动方向的距离变小。同样地，垂向铰链座
241内的长槽的尺寸与该距离变化相适应，垂向铰链轴243通过垂向铰链滑块242在长槽里
滑动，可以避免垂向铰链24卡死。
此过程中，所述系统控制箱3对所述水平向运动伺服电机和垂向运动伺服电机进
行分别控制。纵向两自由度平面运动机构1采用双电机、双驱动，可以实现纵荡和首摇；垂向
两自由度平面运动机构2采用双电机、双驱动实现垂荡和纵摇。垂向两自由度平面运动机构
2安装在纵向两自由度平面运动机构1的运动输出端，在系统控制箱3的统一控制下，可实现
纵荡、垂荡、纵摇和首摇这四种运动方式中的任意一种或两种以上的耦合运动。垂向两自由
度平面运动机构2的连接板23为最终的运动输出结构，所需测试的海洋结构物需与该连接
板23连接。
综上，本发明通过将垂向两自由度平面运动机构2安装在纵向两自由度平面运动
机构1的运动输出端，最终由垂向两自由度平面运动机构2带动所需测试的海洋结构模型进
行运动，实现四自由度运动的功能。也就是说，纵向两自由度平面运动机构1可以带动垂向
两自由度平面运动机构2进行水平平移、绕垂直轴转动这两种运动，再加上垂向两自由度平
面运动机构2自身可以进行垂向平移、绕水平轴转动，最终共同实现带动试验模型进行四自
由度运动的功能。本发明的机构简单，维修、保养方便。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神
和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之
内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。