CN102097020A - 基于蜗轮副的能围绕z轴无限旋转的模拟器平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蜗轮副的能围绕Z轴无限旋转的模拟器平台。在静平台基础上端依次同轴固定有蜗轮和环形导轨，六套移动部件中的滑块下端分别与环形导轨滑动连接；每套移动部件中的滑块的上端与滑块固定板连接，伺服电机通过减速器安装在滑块固定板一侧的第一固定板上，减速器的输出轴与蜗杆连接，且蜗杆与蜗轮啮合，滑块固定板下侧的四个角上分别安装滑轮与环形导轨内、外侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础内控制箱的控制线与分别六个伺服电机连接。本模拟器平台围绕Z轴无限旋转，避免了围绕Z轴旋转方向的洗出滤波算法，从而有效地提高模拟的真实性；有效地提高了X、Y、Z三个方向特别是Z方向上的行程；大大增加了模拟器的工作空间。

Description

基于蜗轮副的能围绕Z轴无限旋转的模拟器平台

技术领域

本发明涉及一种驾驶模拟器平台，尤其是涉及一种基于蜗轮副的能围绕Z轴无限旋转的模拟器平台。

背景技术

驾驶模拟器是模拟驾驶体验的机械装置，尽可能的模拟在真实设备中的感觉(如车辆的振动、上下坡、转弯等)，用于在室内训练驾驶员，驾驶员不会因模拟驾驶中的事故而受伤。驾驶模拟器的特性决定了它具有以下优点：1)安全性好，使用驾驶模拟装置可以安全地进行高速、极限行驶以及非常危险的安全性实验，可大幅提高训练的安全性；2)复现性好，由于车辆状态和实验条件等因素很难控制，实车试验再现性较差，使用驾驶模拟器则可以方便地进行数据采集、车辆模型的选择和模拟环境的设定，复现性好；3)经济性高，与真车试验相比，驾驶模拟器可以软件环境中设定各种实验条件和参数，大幅提高训练效率、各种环境及参数的可变性，而成本不会增加；4)驾驶模拟器有利于相关设备的研发，帮助设计者迅速发现设计缺陷、错误，从而降低研发成本，缩短开发周期。

因此，驾驶模拟器常常用来代替真实设备，以训练操作者对真实设备的操纵能力以及研发相关设备作模拟，驾驶模拟器在飞机、车辆及船舶等驾驶员高级培训中的应用越来越普遍。

国外方面早在1929年美国的埃德文·林克就设计了第一台飞行驾驶模拟器，并逐渐应用到车辆驾驶模拟器及航海驾驶模拟器，在驾驶模拟及工程开发中得到广泛的应用。国内方面：北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都对驾驶模拟器进行了相关研究，北京蓝天航空科技有限公司也研制了飞行驾驶模拟器；吉林大学、南京大学、也开发了汽车驾驶模拟器，装甲兵工程学院研制了水陆坦克驾驶训练模拟器；浙江大学与大连海事大学联合开发了航海驾驶模拟器等。

先进的驾驶模拟器一般由一个高仿真的驾驶舱和一个六自由度运动模拟平台等组成。驾驶舱内布置的方向盘、油门、刹车、挡位等与被模拟的对象在布局上和功能性能上几乎一致，操作人员通过对其操作来控制运动模拟平台的运动，使人身临其境获取真实的感观。六自由度运动模拟平台都是基于经典的Stewart结构，如图1所示，它包括动平台、静平台、并分别通过铰链或万向节与六个液压缸连接，通过对六个油缸的独立控制，可以实现动平台在X、Y、Z三个方向的移动与转动，以模拟车辆的垂直平移、水平平移、横向平移、俯仰、侧倾和旋转六个自由度的运动，达到驾驶员与坐在真实设备里面驾驶类似的感觉的目的。

这种六自由度运动模拟平台具有结构简单、传动链短、刚度大、质量轻、成本低、可控性、无破坏性、可靠性、安全性以及出色的动力学性能，特别是很容易实现“六轴联动”，具有良好的动态性能和高的位置精度等优点，但它同时具有工作行程短、各方向转向角度小等问题。它最大的缺点就是围绕Z轴旋转的角度非常有限，其旋转到极限位置时如图2所示，这种结构应用于驾驶模拟器时大大降低了模拟转弯时驾驶员的真实感受。

同时，由于模拟器平台的运动行程有限，不可能完全再现真实设备的运动轨迹(如长距离上下坡、90度直角转弯等)，因此为了能产生连续的真实感，在完成一次运动后，必须采用特殊的算法使得模拟器平台缓慢地返回到中位，以确保下一步运动模拟具有足够的行程，这种算法被称为洗出(Washout)滤波算法。

洗出(Washout)滤波算法的目标是在受限的模拟器工作空间内复现真实环境中人所能感受到的角速度和力，将真实设备动力学模型输出的信号中人体无法感受到的高频和低频部分滤掉，减少运动平台的动作量，并在适当的时候将平台的位置带回到中位附近，以提供较大的工作空间。

由于在车辆驾驶中，由于车辆自身的限制，道路的俯仰(绕Y轴转动)、侧倾(绕X轴转动)一般不会超过30°，因此模拟器模拟俯仰、侧倾基本能符合实际情况；然而车辆在转弯时不可能就这么一个角度，其有可能是90°直角转弯，也有可能是180°掉头，模拟器偏航(即绕Z轴转动)角度则远远小于实际需求。

如果模拟器平台能有更大的偏航角度，则对洗出(Washout)滤波算法降低了要求，并且更能符合模拟驾驶的感受。

发明内容

针对各种洗出滤波算法不能消除真实感受与驾驶模拟器的运动感觉之间的差异，特别是不能围绕Z轴方向连续旋转的缺点，本发明提供了一种基于蜗轮副的能围绕Z轴无限旋转的模拟器平台。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括静平台基础，动平台和支撑静平台基础、动平台的六套结构完全相同的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座、液压缸和液压缸下底座；其特征在于：静平台基础上端依次同轴固定有蜗轮和环形导轨，六套移动部件中的滑块下端分别与环形导轨滑动连接，每套移动部件的上端分别与各自的液压缸下底座连接，每套支腿结构的液压缸上底座均匀分布在动平台上，每套移动部件的上端分别与各自的液压缸下底座连接；每套移动部件中的滑块的上端与滑块固定板连接，第一固定板与第二固定板分别垂直安装在滑块固定板沿着环形导轨切线方向的两侧，伺服电机通过减速器安装在第一固定板上，减速器的输出轴与蜗杆连接，且蜗杆与蜗轮啮合，滑块固定板下侧的四个角上分别安装滑轮，两个滑轮的凹槽与环形导轨外侧面的凸边相贴合，另外两个滑轮的凹槽与环形导轨内侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础内控制箱的控制线与分别六个伺服电机连接，并且控制箱能跟随动平台围绕Z轴转动。

本发明的有益效果是：

1、驾驶模拟器平台可以围绕Z轴无限旋转，避免了围绕Z轴旋转方向的洗出滤波算法，从而有效地提高模拟的真实性。

2、有效地提高了X、Y、Z三个方向，特别Z方向上的行程。

3、大大增加了驾驶模拟器平台的工作空间。

本发明可以应用于飞机、各种车辆及船舶等的高级驾驶模拟器。

附图说明

图1是经典的Stewart平台模拟器图。

图2是经典的Stewart平台模拟器旋转到极限位置图。

图3是本发明的总体示意图。

图4是本发明的总体结构图。

图5是本发明移动移动部件结构图。

图6是本发明移动移动部件沿着蜗杆中心的剖视图。

图中：1、静平台基础，2、移动部件，3、液压缸下底座，4、液压缸，5、液压缸上底座，6、动平台，7、控制箱，8、第一固定板，9、蜗杆，10、蜗轮，11、环形导轨，12、滑块，13、滑块固定板，14、滑轮，15、伺服电机，16、减速器，17、第二固定板，18、模拟器座舱，19、控制箱固定板，20、旋转基础台。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。

如图3、图4、图5、图6所示，本发明包括静平台基础，动平台和支撑静平台基础、动平台的六套结构完全相同的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座5、液压缸4和液压缸下底座3。静平台基础1上端依次同轴固定有蜗轮10和环形导轨11，六套移动部件2中的滑块12下端分别与环形导轨11滑动连接，每套移动部件2的上端分别与各自的液压缸下底座3连接，每套支腿结构的液压缸上底座5均匀分布在动平台6上，每套移动部件2的上端分别与各自的液压缸下底座3连接；每套移动部件2中的滑块12的上端与滑块固定板13连接，第一固定板8与第二固定板17分别垂直安装在滑块固定板13沿着环形导轨11切线方向的两侧，伺服电机15通过减速器16安装在第一固定板8上，减速器16的输出轴与蜗杆9连接，且蜗杆9与蜗轮10啮合，滑块固定板13下侧的四个角上分别安装滑轮14，两个滑轮14的凹槽与环形导轨11外侧面的凸边相贴合，另外两个滑轮14的凹槽与环形导轨11内侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础1内控制箱7的控制线与分别六个伺服电机15连接，并且控制箱7能跟随动平台6围绕Z轴转动。

静平台基础1上固定着蜗轮10，蜗轮10上面安装有环形导轨11，六套移动部件2分别安装在环形导轨11上，因此每套移动部件2都可以在环形导轨11上移动。

每套移动部件2上安装有液压缸下底座3，液压缸下底座3通过球铰链与液压缸4的下端连接，液压缸4的上端通过球铰链与液压缸上底座5连接，六个液压缸上底座5分别平均地安装在动平台6上。

液压缸下底座3与液压缸4、液压缸4与液压缸上底座5之间的链接也可以通过万向节连接。

如图5、图6所示，移动部件2：包括第一固定板8、蜗杆9、蜗轮10、环形导轨11、滑块12、滑块固定板13、滑轮14、伺服电机15、减速器16和第二固定板17。移动部件2中的滑块12位于环形导轨11上，并主要依靠滑块12承受动平台6上传下来的垂向的作用力，以及在环形导轨11上滑动。

滑块12的上端与滑块固定板13连接，滑块固定板13下侧的四个角上分别安装四个滑轮14，滑轮14的凹槽与环形导轨11侧面的凸边相贴合，这样滑轮14也可以沿着环形导轨11的侧面滑动，并且环形导轨11的两个侧面各有两个滑轮14，因此滑轮14也可以承受动平台6上传下来的侧向作用力。

同时，第一固定板8与第二固定板17分别垂直安装在滑块固定板13沿着环形导轨11切线方向的两侧，第一固定板8连接减速器16的一端，减速器16的另一端连接伺服电机15，减速器16靠近第一固定板8一端的轴与蜗杆9连接，且蜗杆9与蜗轮10啮合，因此，伺服电机15转动会带动减速器16的轴以及蜗杆9降速转动，并带动蜗杆9围绕蜗轮10转动。

有一块水平放置的控制箱固定板19通过滑块与具有环形导轨的旋转基础台20连接，控制箱7安装在控制箱固定板19上，控制箱固定板19下侧的中心与一个固定的电机连接。当传感器检测到动平台6旋转的角度，驱动器驱动控制箱7的电机转动相同的角度，因此不管动平台6旋转多少圈，控制箱7也旋转多少圈，连接在伺服电机15上的控制线不会缠绕甚至团缩在一起。只有电源线会产生扭动，因此只要电源线足够长，它就可以无限的转动。

控制箱7里面装有控制器、驱动器等，控制箱7连接出来的各种控制线与伺服电机15连接，控制伺服电机15的旋转角度，配合液压缸4的伸缩，达到控制动平台6的位置与姿态的目的；控制箱7与外部的通讯依靠无线通讯，以解决通讯数据线由于控制箱7的不断旋转而缠绕的问题；控制箱7的电源线则比较长，保证控制箱7在旋转的过程中电源线不会团缩在一块。

整个系统的工作流程如下：

1.计算机检测模拟器应该处于的位置、姿态，并通过位姿反解得到各个液压缸4伸长的长度或伺服电机15旋转的角度或者是两者的组合；此时，如果伺服电机15不旋转，只有液压缸4伸缩，就是相当于一个Stewart平台；如果液压缸4不运动，只有伺服电机15旋转，也可实现平台六个自由度的运动，但工作空间就小了很多；如果既要液压缸4伸缩，还要伺服电机15旋转，也能满足平台六个自由度运动的需求，而且位姿反解得到的解更多，可以根据不同的情况选择不同的解，即液压缸4伸缩多少，伺服电机15旋转多少有更多的选择；

2.当模拟器需要转弯时，将真实设备需要转弯的半径计算转变为模拟器座舱18及动平台6在静平台基础1旋转的角度，因此，每个移动部件2围绕相同的方向旋转的角度相同，即伺服电机15的旋转量相同；此时，液压缸4仍然保持不断的伸缩状态，保证转弯时其它的感觉(如：上下坡即俯仰、路面侧倾)与真实设备类似；

3.由于在此运动过程中动平台6发生了旋转，传感器检测到此旋转，驱动器立即驱动连接控制箱固定板19的电机转动相同的角度，保证控制箱7与动平台6围绕Z轴旋转的角度相同，由于固定伺服电机15的移动部件2与动平台6之间通过是通过液压缸4连接，因此它们之间的最远距离就是液压缸4最大伸长量的长度，而控制箱7与动平台6保持了相同的角度，因此控制箱7与移动部件2上的伺服电机15的最远距离也可确定，这个最远距离即是伺服电机15的控制线的长度，不管整个平台怎么运动，此长度都可以保证伺服电机15的控制线连接在控制箱7上；

4.当真实设备运动至不同的位置时，即模拟器座舱18在动平台6上的位置与姿态处于不同的状态，只需要液压缸4伸长或缩短至相应的长度或各个移动部件2旋转至不同的角度即可，也可以液压缸4伸缩、各个移动部件2旋转组合运动也可达到使得动平台6处于不同的位置与姿态的目的；由于单独伸缩液压缸4或者旋转伺服电机15都可以实现平台六个自由度的运动，因此如果将两者结合起来，平台的运动空间起到了累加的效果，比传统的Stewart平台的工作空间更大。

Claims (1)

1.一种基于蜗轮副的能围绕Z轴无限旋转的模拟器平台，包括静平台基础，动平台和支撑静平台基础、动平台的六套结构完全相同的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座(5)、液压缸(4)和液压缸下底座(3)；其特征在于：静平台基础(1)上端依次同轴固定有蜗轮(10)和环形导轨(11)，六套移动部件中的滑块(12)下端分别与环形导轨(11)滑动连接，每套移动部件(2)的上端分别与各自的液压缸下底座(3)连接，每套支腿结构的液压缸上底座(5)均匀分布在动平台(6)上，每套移动部件(2)的上端分别与各自的液压缸下底座(3)连接；每套移动部件(2)中的滑块(12)的上端与滑块固定板(13)连接，第一固定板(8)与第二固定板(17)分别垂直安装在滑块固定板(13)沿着环形导轨(11)切线方向的两侧，伺服电机(15)通过减速器(16)安装在第一固定板(8)上，减速器(16)的输出轴与蜗杆(9)连接，且蜗杆(9)与蜗轮(10)啮合，滑块固定板(13)下侧的四个角上分别安装滑轮，两个滑轮的凹槽与环形导轨(11)外侧面的凸边相贴合，另外两个滑轮的凹槽与环形导轨(11)内侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础(1)内控制箱(7)的控制线与分别六个伺服电机连接，并且控制箱(7)能跟随动平台(6)围绕Z轴转动。

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