CN101863016B - 冗余容错运动模拟器 - Google Patents

Abstract

一种机械自动化技术领域的冗余容错运动模拟器，包括：运动模拟平台、六条运动支链以及十六个冗余驱动电机，其中：运动模拟平台的三个不同的正交侧面上分别布置有三个、两个和一个运动支链，每个运动支链的末端分别设有两个或四个冗余驱动电机，所述的运动支链为I型运动支链结构或II型运动支链结构。本发明与现有技术相比增强了承载力和驱动力，制造和安装容易，当地位对等的冗余驱动源之间不同步或发生故障时，系统可以继续工作，避免了驱动源因载荷相反且超出额定载荷而导致系统部件损坏或运动平台倾覆等灾难性事故，使得设备的安全性和可靠性得到保证。

Description

冗余容错运动模拟器

技术领域

本发明涉及的是一种机械自动化技术领域的装置，具体是一种冗余容错运动模拟器。

背景技术

多自由度运动模拟器是模拟或再现物体运动状态的专用设备，应用于航空航天器运动模拟、机车驾驶训练、抗震试验及可靠性研究等重要领域。其机构目前广泛采用Stewart机构(参见文献《一种六自由度平台》(StewartD.，APlatform with Six Degree of Freedom[C].IME..Part I(15：)：p.371-386.))，为六输入六输出并联机构。此类机构通常具有承载能力强、惯性低、刚度好、加速度高等特点。为了保证使用寿命并可获得强大的驱动力，驱动源被限制在液压驱动上，多采用大型伺服油缸驱动，并配备大型蓄能装置，导致设备庞大，制造、维护费用高，液压油易泄漏造成控制精度降低、环境污染，内部摩擦力大导致传动效率降低、浪费能源，液压油对温度和尘土敏感使之不能在高温、低温或灰尘多的工作环境下工作。以伺服电机为驱动源的电气机械系统驱动虽无上述液压驱动的缺点，但目前没有符合其动力要求的合适伺服电机，且大功率伺服电机的研发费用高并存在技术瓶颈。

经过对现有技术的检索发现，《一种局部并联冗余驱动机械手》(T.Kokkinis，P.Millies.AParallel Robot-Arm Regional Structures with  Actuational Redundancy.Mechanism andMachine Theory.1991，6(26)：629-641)；以及文献《动力冗余并联操作器的运动性能》(Kokkinis，T，Millies，P.Kinetostatic Performance of a Dynamically Redundant Parallel Robot.International Journal of Robotics&Automation.1992，7(1)：30-37)；《冗余驱动并联机构的刚度逆解》(Yi，BJ，Freeman，RA.Geometric Analysis of Antagonistic Stiffness in RedundantlyActuated Parallel Mechanisms.Journal of Robotic Systems.1993，10：581-603.)等文献，从理论上提出了一些冗余驱动的方法并进行了一定的性能指标分析，为实现多电机冗余输入替代液压驱动提供了可能。用多个较小电机作为驱动源，提供较大的驱动力和输出功率，不但可以克服上述液压驱动的缺点，而且相对于同功率大电机驱动也能够降低成本。

但是文献中所提及的冗余驱动多为局部的驱动冗余且仅仅停留于理论推导，也并未考虑实际的机构形式和结构组成。特别是对于具有大型运动模拟器特点的电气机械冗余驱动系统的机构构型、结构形式以及实现技术并未涉及。

现有技术的另一不足是并未从机构上解决大型运动模拟器冗余支链过约束所引起的问题，系统也不具备协调冗余驱动单元间受力不均匀的容错模块。无论是液压的冗余驱动还是电机的

冗余驱动，都存在冗余驱动引起的过约束问题。过约束对系统的变形和制造、安装及控制误差敏感，其存在对系统的影响主要表现在以下几个方面：1)导致构件及运动副元素在运转过程中的强制变形，使运动副中的作用力急剧增大，机械效率降低；还使运动服的磨损加快，降低机械工作的可靠性、精度和使用寿命。2)要求各部件具有较高的制造精度、装配精度和结构刚度，提高了制造、安装拆卸的难度和成本。3)对控制精度要求较高，不允许地位对等的约束任何一方出现运行故障，也不允许出现较大的控制误差，提高了控制系统的成本和难度。一般的电气机械驱动单元刚度较大，当存在系统误差或控制误差时，各冗余驱动单元间的受力不均衡，为避免该缺陷，现有技术需使用力反馈控制，而在重载、高速场合必须使用动力特性好、承载能力强的力传感器，且控制算法复杂并引入新的非线性化因素，导致控制难度和制造成本大幅度提高，控制的稳定性和鲁棒性下降。液压冗余驱动虽因液压油的非绝对不可压缩性和低刚性而对过约束表现出一定的容忍性，但一旦出现大的误差和地位对等的驱动源中有一个或几个出现故障，也必然造成各冗余驱动单元间的受力不均衡，以致影响部件寿命，甚至损坏部件造成模拟平台倾覆等灾难性事故。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种冗余容错运动模拟器，具有无过约束及容错功能的运动模拟器，具有承载力大、容错性能好、无过约束、制造成本低、无污染等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：运动模拟平台、六条运动支链以及十六个冗余驱动电机，其中：运动模拟平台的三个不同的正交侧面上分别布置有三个、两个和一个运动支链，每个运动支链的末端分别设有两个或四个冗余驱动电机。

所述的运动支链为I型运动支链结构或II型运动支链结构，其中：

I型运动支链结构包括：两个冗余容错驱动单元、I型传动部件和机架，其中：I型传动部件的两端分别与运动模拟平台和冗余容错驱动单元相连接，两个冗余容错单元均固定设置于机架上，机架固定设置于地面。

所述的冗余容错驱动单元包括：冗余容错协调装置、双螺母滑块和导轨、两组丝杠和两台电机，其中：冗余容错协调装置分别与双螺母滑块固定连接，导轨安装于机架上，滑块活动设置于导轨上，两组丝杠与双螺母滑块配合组成双丝杠螺母副，用于提供冗余驱动力的两台电机分别与丝杠配合并固定于机架上。

所述的I型传动部件包括：与运动平台连接的第一球铰、与第一球铰另一端连接的第一连杆、与第一连杆连接的第二球铰、与第二球铰另一端连接的第二杆件、连接件以及连接件与冗余容错双螺母滑块之间的第三杆件，其中：连接件和第三杆件组成双四杆机构。

所述的II型运动支链结构包括：一个冗余容错驱动单元、II型传动部件和机架，其中：II型传动部件的两端分别与运动模拟平台和冗余容错驱动单元相连接，冗余容错单元固定设置于机架上，机架固定设置于地面；

所述的II型传动部件包括：与运动平台连接的第一球铰、与第一球铰另一端连接的第一杆件、与第一杆件另一端连接的第二球铰、与第二球铰另一端连接的第二杆件。

本发明通过以下二级冗余容错协调方式进行模拟，具体实施方案为：

第一级：无论是I型运动支链还是II型运动支链的滑台上，均装有冗余容错协调模块。其工作方式是当两冗余电机中的任何一个发生故障而停机时，滑台仍能输出，系统仍能工作，避免了因其中一个电机损坏而导致整个系统停止工作或进一步损坏系统的事故发生。而当两电机均正常工作时，冗余容错协调模块也可以协调冗余电机之间的位置不同步或力不均衡。第一级冗余容错协调为驱动级协调。

第二级：由于II型运动支链是由两个冗余容错驱动单元共同驱动的，对连接件来说存在冗余输入，因此需要两条支链的不同步协调和力协调。连接件上采用具有三自由度的球铰，可以使连杆和连接件件之间有灵活的转动；而两滑台和连接件之间由于分别采用了双四杆机构连接，使得连接件只能在竖直平面内的两个方向移动。当两个冗余容错驱动单元不同步或出力不均匀时，此机构总能进行协调；当其中任何一个冗余容错驱动单元的双电机同时坏掉时，此机构也能在一定范围内工作，具有容错功能。第二级冗余容错协调为II型支链的传动级容错。

本发明解决了大型运动模拟器使用传统液压设备导致的结构复杂，制造和维护费用高，传动效率低，受温度和环境制约，液压系统易泄漏、造成环境污染和控制精度低等缺点；由于本发明设计在机构构型上的合理布局和巧妙构思，使其具有多达16个电机的输入，增强了设备的承载力和驱动能力，此构型布局也从份考虑了竖直方向承载力大和水平两向驱动能力应相当的特点；由于本发明设计在每个冗余驱动模块上均采用冗余容错协调装置，解决了过约束对系统造成的影响，对设备制造、安装及控制精度无苛刻要求，使设备制造和安装容易，控制系统中也无须价格昂贵的力传感器，进一步降低了成本；由于本发明设计所述的冗余容错协调装置具有容忍故障特性，使得当地位对等的冗余驱动源之间不同步或发生故障时，系统可以继续工作，避免了驱动源因载荷相反且超出额定载荷而导致系统部件损坏或运动平台倾覆等灾难性事故，使得设备的安全性和可靠性得到保证。

附图说明

图1为本发明系统结构原理示意图。

图2为本发明机构中I型运动支链结构示意图。

图3为本发明机构中II型运动支链结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：运动模拟平台1、六条运动支链以及十六个冗余驱动电机8，其中：运动模拟平台1的三个不同的正交侧面上分别布置有三个、两个和一个运动支链，每个运动支链的末端分别设有两个或四个冗余驱动电机8。

所述的运动支链为I型运动支链结构或II型运动支链结构。

如图2所示，所述的I型运动支链结构包括：两个冗余容错驱动单元、I型传动部件和机架13，其中：I型传动部件的两端分别与运动模拟平台1和冗余容错驱动单元相连接，两个冗余容错单元均固定设置于机架上13，机架13固定设置于地面。

所述的冗余容错驱动单元包括：冗余容错协调装置3、双螺母滑块7和导轨11、两组丝杠12和两台电机8，其中：冗余容错协调装置3与双螺母滑块7固定连接，导轨11安装于机架13上，双螺母滑块7活动设置于导轨11上，两组丝杠12与双螺母滑块7配合组成双丝杠螺母副，用于提供冗余驱动力的电机8分别与丝杠12配合并固定于机架13上。

所述的I型传动部件包括：与运动平台1连接的第一球铰4、与第一球铰4另一端连接的第一连杆5、与第一连杆5连接的第二球铰6、与第二球铰6另一端连接的第二杆件2、连接件9以及连接件9与冗余容错双螺母滑块7之间的第三杆件10，其中：连接件9和第三杆件10组成双四杆机构。

如图3所示，所述II型运动支链结构包括：一个冗余容错驱动单元、II型传动部件和机架13，其中：II型传动部件的两端分别与运动模拟平台1和冗余容错驱动单元相连接，冗余容错单元固定设置于机架13上，机架13固定设置于地面。

所述II型传动部件包括：与运动平台1连接的第一球铰4、与第一球铰4另一端连接的第一杆件5、与第一杆件5另一端连接的第二球铰6、与第二球铰6另一端连接的第二杆件2。

冗余容错驱动单元均为冗余驱动，双螺母滑台7与丝杠12组成双螺母双丝杠副，容错协调装置3安装于滑台7的前端或后端。当由于某种误差使双丝杠12转动不同步时，容错协调装置3可以自动进行协调，使两螺母输出速度相同即滑台7两端不偏转，以消除不同步引起的反向载荷，提高丝杠和电机的寿命和传动效率；当由于某种原因冗余驱动中的某一驱动电机发生故障而不能工作时，未发生故障电机仍可以通过容错协调装置3驱动滑台7工作，只是驱动能力降低，但不至于因反向载荷存在而导致系统发生故障。

动力源以多伺服电机8取代液压泵站和液压缸，解决了设备庞大，制造、维护费用高，液压油易泄漏造成控制精度降低、环境污染，内部摩擦力大导致效率降低、浪费能源，受工作环境温度和清洁度影响等缺点。

本实施例中电机可以通过连轴器与丝杠直接相连，也可以在电机与丝杠之间加入齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置代替。

Claims (1)

1.一种冗余容错运动模拟器，其特征在于，包括：运动模拟平台、六条运动支链以及十六个冗余驱动电机，其中：运动模拟平台的三个不同的正交侧面上分别布置有三个、两个和一个运动支链，每个运动支链的末端分别设有两个或四个冗余驱动电机；

所述的运动支链为I型运动支链结构或II型运动支链结构，其中：

I型运动支链结构包括：两个冗余容错驱动单元、I型传动部件和机架，其中：I型传动部件的两端分别与运动模拟平台和冗余容错驱动单元相连接，两个冗余容错单元均固定设置于机架上，机架固定设置于地面；

所述的I型传动部件包括：与运动平台连接的第一球铰、连接件、与连接件连接的第二球铰、与两球铰连接的第一杆件、与两个冗余容错双螺母滑块相连的第三杆件，其中：连接件和第三杆件组成双四杆机构；

II型运动支链结构包括：一个冗余容错驱动单元、II型传动部件和机架，其中：II型传动部件的两端分别与运动模拟平台和冗余容错驱动单元相连接，冗余容错单元固定设置于机架上，机架固定设置于地面；

所述的II型传动部件包括：与运动平台连接的第一球铰、与第一球铰另一端连接的第一杆件、与第一杆件另一端连接的第二球铰、与第二球铰另一端连接的第二杆件；

所述的冗余容错驱动单元包括：冗余容错协调装置、双螺母滑块和导轨、两组丝杠和两台电机，其中：冗余容错协调装置分别与双螺母滑块固定连接，导轨安装于机架上，滑块活动设置于导轨上，两组丝杠与双螺母滑块配合组成双丝杠螺母副，用于提供冗余驱动力的两台电机分别与丝杠配合并固定于机架上。

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