CN102412657B - 机械协调冗余容错驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械协调冗余容错驱动装置，包括基座和可活动地安装在基座内的一个输出滑块，还包括安装在基座上的n个驱动单元，n为自然数，每个驱动单元包括两个电机、两条平行的丝杠和两个螺母，每条丝杠均垂直穿过所述输出滑块，丝杠的一端可转动地支承在基座上，另一端与一个电机相连接；两个螺母分别与两条丝杠相配合，每个螺母均与所述输出滑块通过轴承相连接，每个驱动单元的两个螺母之间还连接有一个协调装置；所述电机固定安装在基座上。本发明可作为对承载力和动态响应都有较高要求的重载装备的驱动，使系统具有承载力大、动态响应快、容错性能好、无过约束、能够差动输出、制造成本低、无污染等优点。

Description

机械协调冗余容错驱动装置

技术领域

本发明涉及一种驱动装置，具体地说，是涉及一种具有机械协调的多输入单输出且具有差动输出能力和容错功能的无过约束驱动装置。

背景技术

大型重载多自由度装备越来越多地被用作运动模拟器来模拟地震、海浪以及飞行器的空间多维运动，特别是作为大型地震模拟器，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的冗余支链驱动，并配备大型蓄能装置(N.Ogawa，K.Ohtani，T.Katayama and H.Shibata.Construction of a three-dimensional，large-scale shaking table and development of core technology.PhilosophicalTransactions：Mathematical，Physical and Engineering Sciences.2001，359(1786)：1725-1751.)。这种液压的驱动方式会带来两个方面的问题：一是液压系统的使用具有一定的局限性，大型伺服油缸驱动需配备大型蓄能装置，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；另一方面液压系统不利于实时控制，其具有较大的时滞已是不争的事实，液压系统中的力矩马达和衔铁的惯性、液压油的泄漏和压缩以及刚体和油管的膨胀是三个导致时滞的主要原因，并通过试验发现时滞时间在低频(1Hz-3Hz)时约为65ms，且随频率增大(大于4Hz)时滞也相应增大，使得控制指令不能很好的完成(王向英.结构地震模拟振动台混合试验方法研究[D].哈尔滨工业大学，2010.)，产生较大的误差，甚至影响控制的稳定性。由于时滞的影响不能从液压系统硬件方面进行彻底的解决，一些学者分别采用移相法、泰勒级数展开法和预估状态向量法对液压系统时滞进行补偿，这些研究虽使得时滞的不利影响有了一定的改善，但也大大提高了控制的复杂度，增加了控制计算中的负担，减弱了系统的实时性，不具备实际意义。

虽然伺服电机无上述缺点，但大扭矩、大功率电机研发困难，造价高昂，导致基于大电机驱动的重载设备很难形成产品推向市场(赵升吨，张志远，何予鹏.机械压力机交流伺服电动机直接驱动方式合理性探讨[J].锻压装备与制造技术2004，39(006)，19-23.)。而多个小功率电机并行驱动会因为系统误差、刚性连接等原因，造成较大的内力，导致传动部件寿命缩短，甚至损坏系统。

中国专利申请CN101916520A公开了一种并联式六维输出二十八输入冗余容错驱动模拟器，涉及到一种两电机驱动的冗余容错接口模块，但该接口模块不具备多电机驱动的能力，正如该专利所述，若采用多电机驱动，需要增加杆件组，而过多地增加杆件必然导致传动链变长且机构复杂，降低了传动支链的刚度，增加了数学模型和控制的复杂度。

现有技术中使用冗余驱动支链提高大型重载装备的驱动能力，但并未解决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支链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、装配及控制误差敏感，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、设置拆卸的难度和成本；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，甚至损坏部件造成设备倾覆等灾难性事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于电机控制的具有机械协调的多输入单输出且具有差动输出能力和容错功能的驱动装置，以克服现有技术的上述不足。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种机械协调冗余容错驱动装置，包括基座和可活动地安装在基座内的一个输出滑块，还包括安装在基座上的n个驱动单元，n为自然数，每个驱动单元包括两个电机、两条平行的丝杠和两个螺母，每条丝杠均垂直穿过所述输出滑块，丝杠的一端可转动地支承在基座上，另一端与一个电机相连接；两个螺母分别与两条丝杠相配合，每个螺母均与所述输出滑块相连接，每个驱动单元的两个螺母之间还连接有一个协调装置；所述电机固定安装在基座上。

优选地，所述螺母通过轴承与所述输出滑块相连接。

优选地，所述基座包括上、下底板和左、右侧板，所述输出滑块与左、右侧板相平行，所述丝杠的两端分别穿设在左、右侧板中，所述电机均固定安装在右侧板上。

进一步地，还包括一根输出杆，输出杆的一端与所述输出滑块相连接，输出杆的另一端穿过左侧板伸到基座以外。

优选地，每个驱动单元中的两条丝杠一内一外并排布置，分为内侧丝杠和外侧丝杠，与内侧丝杠相配合的螺母为内侧螺母，与内侧丝杠相连接的电机为内侧电机；与外侧丝杠相配合的螺母为外侧螺母，与外侧丝杠相连接的电机为外侧电机。

进一步地，所述协调装置包括两个相啮合的协调齿轮，其中内侧协调齿轮与所述内侧螺母固定连接，外侧协调齿轮与所述外侧螺母固定连接。

进一步地，所述n个驱动单元上下层叠布置，相邻两个驱动单元中的两个内侧协调齿轮上下啮合；相邻两个驱动单元中的两个外侧协调齿轮也上下啮合。

进一步地，每个驱动单元中的外侧电机并联在第一控制支路上，每个驱动单元中的内侧电机并联在第二控制支路上。

本发明由n个驱动单元(n为自然数)与同一输出滑块相连，由输出滑块输出驱动力，每个驱动单元由并行驱动的电机、简单并联的丝杠、配套的螺母和协调装置构成，可以实现如下功能或达到如下效果：

1.本发明具有冗余驱动的能力。当给予所有电机相同的控制信号时，可以同步输出，以冗余输入的方式获得大的驱动力，理论上可以无限并联电机，获得极大驱动力，与液压驱动相比，结构简单、成本低廉、无液压油污染、无内部摩擦力、传动效率高、不受温度等外界条件影响、减小设备空间、控制简单且可以实现实时控制。

2.本发明具有机械协调容错和无过约束的功能。与冗余驱动支链相比，本驱动装置机构简单，协调装置可以对每个驱动单元中两根丝杠的不同步运动进行协调，解决了过约束对系统造成的影响，对设备制造、装配及控制精度无苛刻要求，使设备制造和装配容易，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、简化了控制，同时避免了指令误差、系统误差引起的不同步所产生的内力，从而也提高了传动效率，避免因内力而产生的故障，使得所驱动设备的安全性和可靠性得到保证。

3.本发明具有差动输出的功能。由于协调装置的作用，以及每个驱动单元中的同侧电机均并联在同一条控制支路上，受控于同一指令，所有驱动单元中两侧电机可以在电机允许的范围内以任何速度组合形成差动输出。当所有驱动单元中两侧电机均高速运行且速度相近时，差动输出为低速运行，此运行状态可以避免电机的低速爬行；两侧电机速度组合还可以实现电机运行不换向而输出滑块换向的运行方式，此运行方式可以避免电机反向间隙产生的误差和冲击；两侧电机可以以一侧加速另一侧减速的速度组合方式实现快速响应。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明一种具有两个驱动单元的实施例示意图。

图2为本发明一种具有三个驱动单元的实施例示意图。

图3为本发明一种具有n个驱动单元的实施例示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为具有两个驱动单元的机械协调冗余容错驱动装置，具体包括：基座1、两个驱动单元和可活动地安装在基座1内的一个输出滑块6。每个驱动单元包括两个电机、两条平行的丝杠和两个螺母，每条丝杠均垂直穿过输出滑块6。在本优选实施例中，每个驱动单元中的两条丝杠一内一外并排布置，其中第一驱动单元包括外侧丝杠311、内侧丝杠312、外侧电机211、内侧电机212、外侧螺母411和内侧螺母412，外侧丝杠311的一端可转动地支承在基座1上，另一端与外侧电机211相连接，外侧螺母411与外侧丝杠311螺纹配合；内侧丝杠312的一端可转动地支承在基座1上，另一端与内侧电机212相连接，内侧螺母412与内侧丝杠312螺纹配合。第二驱动单元包括外侧丝杠321、内侧丝杠322、外侧电机221、内侧电机222、外侧螺母421和内侧螺母422，外侧丝杠321的一端可转动地支承在基座1上，另一端与外侧电机221相连接，外侧螺母421与外侧丝杠321螺纹配合；内侧丝杠322的一端可转动地支承在基座1上，另一端与内侧电机222相连接，内侧螺母422(见图2)与内侧丝杠322螺纹配合。每个螺母411、421、412、422均通过轴承与所述输出滑块6相连接，所有的电机211、221、212、222均固定安装在基座1上。第二驱动单元层叠在第一驱动单元的上方。

每个驱动单元的两个螺母之间还连接有一个协调装置。如图1所示，第一驱动单元中的内侧螺母412与一个内侧协调齿轮512固定连接，外侧螺母411与一个外侧协调齿轮511固定连接，内侧协调齿轮512与外侧协调齿轮511相啮合，构成本发明中的一种协调装置。第二驱动单元中的内侧螺母422与一个内侧协调齿轮522固定连接(见图2)，外侧螺母421与一个外侧协调齿轮521固定连接，内侧协调齿轮522与外侧协调齿轮521也相互啮合，构成一种协调装置。

所述基座1包括上底板101、下底板102和左侧板103、右侧板104，输出滑块6与左、右侧板103、104相平行，各丝杠的两端分别穿设在左、右侧板103、104中，所有的电机均固定安装在右侧板104上。

进一步地，还包括一根输出杆7，输出杆7的一端与输出滑块6相连接，输出杆7的另一端穿过左侧板103伸到基座以外。

如图2所示，本实施例为具有三个驱动单元(六个电机)的机械协调冗余容错驱动装置，相对于图1所示实施例，在第二驱动单元的上方增加了一个第三驱动单元，第三驱动单元包括外侧丝杠331、内侧丝杠332、外侧电机231、内侧电机232、外侧螺母431和内侧螺母(图中未显示)，外侧丝杠331和内侧丝杠332垂直穿过输出滑块6。外侧丝杠331的一端可转动地支承在基座1上，另一端与外侧电机231相连接，外侧螺母431与外侧丝杠331螺纹配合；内侧丝杠332的一端可转动地支承在基座1上，另一端与内侧电机232相连接，内侧螺母与内侧丝杠332螺纹配合。外侧螺母431和内侧螺母均通过轴承与所述输出滑块6相连接，外侧电机231、内侧电机232均固定安装在基座1上。外侧螺母431与一个外侧协调齿轮531固定连接，内侧螺母与一个内侧协调齿轮(图中未显示)固定连接，外侧协调齿轮531与该内侧协调齿轮相啮合。

进一步地，除同一驱动单元中的内、外两个协调齿轮相啮合外，相邻两个驱动单元间的两个同侧协调齿轮也可以上下啮合。比如，第一驱动单元中的外侧协调齿轮511与第二驱动单元中的外侧协调齿轮521上下啮合，第一驱动单元中的内侧协调齿轮512与第二驱动单元中的内侧协调齿轮522上下啮合。这样，就相当于在相邻的驱动单元之间也设置了协调装置，以便于协调不同驱动单元之间的同步运动。

显然，在本发明中，驱动单元的数量最少可以是一个，而根据所需驱动力的大小，驱动单元的数量可以无限增加。如图3所示，本实施例为具有n个驱动单元(2n个电机)的机械协调冗余容错驱动装置，n为自然数，它包括基座1、输出滑块6、输出杆7，以及第一至第n个驱动单元，这n个驱动单元上下层叠布置，每个驱动单元的结构组成都是相同的。其中，第n个驱动单元包括外侧丝杠3n1、内侧丝杠3n2、外侧电机2n1、内侧电机2n2、外侧螺母4n1和内侧螺母4n2，外侧丝杠3n1和内侧丝杠3n2垂直穿过输出滑块6。外侧丝杠3n1的一端可转动地支承在基座1上，另一端与外侧电机2n1相连接，外侧螺母4n1与外侧丝杠3n1螺纹配合；内侧丝杠3n2的一端可转动地支承在基座1上，另一端与内侧电机2n2相连接，内侧螺母4n2与内侧丝杠3n2螺纹配合。外侧螺母4n1和内侧螺母4n2均通过轴承与所述输出滑块6相连接，外侧电机2n1、内侧电机2n2均固定安装在基座1上。外侧螺母4n1与一个外侧协调齿轮5n1固定连接，内侧螺母4n2与一个内侧协调齿轮5n2固定连接。外侧协调齿轮5n1与该内侧协调齿轮5n2相啮合，构成协调装置。

本发明中的丝杠可用滚动丝杠，也可用滑动丝杠；协调装置可以采用齿轮副、齿轮齿条副、连杆或其他公知的同步传动装置。

下面以图1为例，说明本发明的工作原理。

连接在基座1上的电机211、212、221、222带动与它们相连接的丝杠311、312、321、322作纯转动，与丝杠配套的螺母411、412、421、422把这些转动转变为沿丝杠方向的平移运动，并由其带动输出滑块6对输出杆7产生输出运动。每个驱动单元中的外侧电机211、221并联在第一控制支路上，每个驱动单元中的内侧电机212、222并联在第二控制支路上，对各驱动单元的外侧电机211、221给以同一控制信号a，对各驱动单元的内侧电机212、222给以同一控制信号b。当两控制信号a和b相同，且内、外侧的丝杠、螺母分别严格相同时，各螺母的平移运动是同步的，通过输出滑块6把多个输入转化为单一输出，可以实现冗余输入，此时与各螺母固连的协调齿轮511、512、521、522无相对运动。当因某种原因(如由于干扰导致控制信号a和b不同或内、外侧的丝杠、螺母有螺距误差等)造成内、外侧螺母不同步时，协调齿轮511、512、521、522可以带动各自相连的螺母转动，使螺母达到重新同步，解决了运动过约束问题，消除了内力，避免了因内力导致的故障，此时实现了容错功能，这是一般冗余驱动所不能实现的。容错功能的一种极端情况是控制信号a和b在给定时人为造成不同，这里有两种有利于提高传动特性的工作状态：一种是控制信号a和b均以较高的速度给定，但方向相反大小相近，可以得到输出滑块6低速的差动输出，由于电机均在高位下运行，避免了电机的低速爬行；第二种是控制信号a以较低的速度给定而控制信号b以较高的反向速度给定，当a侧(外侧电机)加速而b侧(内侧电机)减速时，两速度所产生的差动使输出滑块6先减速后反向加速，实现了电机运行不换向而输出滑块换向的运行方式，此运行方式可以避免电机反向间隙产生的误差和冲击，同时这种运行方式可以得到较大的加速度，实现快速响应。

本发明可作为对承载力和动态响应都有较高要求的重载装备的驱动，使系统具有承载力大、动态响应快、容错性能好、无过约束、制造成本低、无污染等优点。

Claims (6)

1.一种机械协调冗余容错驱动装置，包括基座和可活动地安装在基座内的一个输出滑块，其特征是，还包括安装在基座上的n个驱动单元，n为自然数，每个驱动单元包括两个电机、两条平行的丝杠和两个螺母，每条丝杠均垂直穿过所述输出滑块，丝杠的一端可转动地支承在基座上，另一端与一个所述电机相连接；两个螺母分别与两条丝杠相配合，每个螺母均与所述输出滑块相连接，每个驱动单元的两个螺母之间还连接有一个协调装置；所述电机固定安装在基座上，每个驱动单元中的两条丝杠一内一外并排布置，分为内侧丝杠和外侧丝杠，与内侧丝杠相配合的螺母为内侧螺母，与内侧丝杠相连接的电机为内侧电机；与外侧丝杠相配合的螺母为外侧螺母，与外侧丝杠相连接的电机为外侧电机，每个驱动单元中的外侧电机并联在第一控制支路上，每个驱动单元中的内侧电机并联在第二控制支路上，对各驱动单元的外侧电机给以同一控制信号a，对各驱动单元的内侧电机给以另一控制信号b，当两控制信号a和b相同时，实现冗余输入；当控制信号a和b不同时，实现容错功能。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征是，所述螺母通过轴承与所述输出滑块相连接。

3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征是，所述基座包括上、下底板和左、右侧板，所述输出滑块与左、右侧板相平行，所述丝杠的两端分别穿设在左、右侧板中，所述电机均固定安装在右侧板上。

4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征是，还包括一根输出杆，输出杆的一端与所述输出滑块相连接，输出杆的另一端穿过左侧板伸到基座以外。

5.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征是，所述协调装置包括两个相啮合的协调齿轮，其中内侧协调齿轮与所述内侧螺母固定连接，外侧协调齿轮与所述外侧螺母固定连接。

6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征是，所述n个驱动单元上下层叠布置，相邻两个驱动单元中的两个内侧协调齿轮上下啮合；相邻两个驱动单元中的两个外侧协调齿轮也上下啮合。

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