CN102819972A - 一种三自由度静载平衡并联运动模拟台 - Google Patents

一种三自由度静载平衡并联运动模拟台 Download PDF

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Abstract

一种三自由度静载平衡并联运动模拟台，主要包括动平台、定平台以及连接动平台和定平台的五条分支,其中分布在周围的为四条结构相同的驱动分支，另一条为中间承载约束分支。四条驱动分支均由第一万向铰、电动缸和球铰组成，第一万向铰固连在定平台上，呈等腰梯形分布；球铰固连在动平台上，呈正方形分布；中间承载约束分支位于动平台与定平台中心连线上，其第二万向铰一端与动平台相连，另一端与带有弹簧的圆柱副连接，在该圆柱副的外侧设有支撑套管，支撑架的一端与支撑套管固连，其四条支腿与定平台固连，支撑套管的上端与圆柱副之间设有挡环。本发明的优点是：结构简单，占用体积小，承载大，易于安装和维护。

Description

一种三自由度静载平衡并联运动模拟台
技术领域
本发明涉及一种并联机构，特别涉及一种并联运动模拟台。
背景技术
随着机构学及地面运动模拟仿真技术的应用与发展，很多太空、空中及海洋中的实验、训练都改在陆地上进行，地面实验安全可靠又节省资金。而作为运动模拟器的通常是具有刚度大，结构稳定，承载能力强，精度高，运动惯性小，正解困难而反解容易等优点的并联机构。由于具有如上所述特点，并联运动模拟平台适用于飞机、舰船、汽车等的运动模拟。目前并联运动模拟器绝大多数有六个自由度，其制造成本高、控制技术高。大负载的并联机构一般用液压缸，成本高、不易维护，且许多实验不需要6个自由度，因此自由度数少于6的电机驱动运动模拟台成为了目前机器人领域研发的热点。由于电动缸较液压缸承载能力小，因此提高电机驱动的少自由并联机器人的承载能力成为拓展少自由度并联机器人应用范围的一个关键问题。专利CN00105935.1提出了一种四自由度并联机器人机构，该机构有四条分支具有两转动、两个移动，承载能力较低；专利CN201110156285.4提出一种混合输入的空间三自由度并联机构，可以实现机构高速运动，减小机构运动惯性，但不能平衡负载重量；专利CN200910092230.4提出了一种用于姿态调整的三自由度并联机构，该发明可实现三维转动，机构简单，运动学解耦，但不适用于较大载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种承载能力强、由电动缸驱动、可实现空间三个方向转动的三自由度静载平衡并联运动模拟台。
本发明的技术方案如下：
本发明主要包括动平台、定平台以及连接动平台和定平台的五条分支,其中分布在周围的为四条结构完全相同的UPS驱动分支，另一条为CU中间承载约束分支。四条UPS驱动分支均由第一万向铰、电动缸和球铰组成，电动缸的尾部与第一万向铰连接，电动缸的伸缩杆与球铰连接；各条驱动分支的第一万向铰均与定平台相连，四个第一万向铰中心在定平台上呈等腰梯形布置；各条驱动分支的球铰与动平台相连，球铰中心在动平台上成正方形布置。CU中间承载约束分支位于动平台与定平台中心连线上，该中间分支由支撑架、带有弹簧的圆柱副和第二万向铰组成。第二万向铰的一端与动平台相连，其另一端与带有弹簧的圆柱副连接，弹簧设在该圆柱副的内部，在该圆柱副的外侧设有支撑套管，支撑架的一端与上述支撑套管固连，该支撑架的四条支腿与定平台固连，在上述支撑套管的上端与圆柱副之间设有挡环。上述第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。处于工作位置空载时，圆柱副内的弹簧处于压缩状态，其弹簧反力除抵消动平台自重外，还给动平台向上的推力，使动平台给四个驱动分支预拉力；当动平台承载时，圆柱副内的弹簧仍处于压缩状态，其弹簧反力平衡动平台及负载铅垂方向的静载荷，相应驱动分支预拉力减小，并通过Z轴方向移动量改变弹簧压缩量，控制驱动分支预拉力大小，用以平衡不同重量的负载。四个驱动分支驱动动平台绕X、Y、Z轴转动，含有冗余驱动，克服奇异位形。上述带有弹簧的圆柱副也可以用液压缸或气缸替代，上述第二万向铰的一端与动平台相连，其另一端与液压缸或气缸的活塞杆一端相连，上述支撑套管设在液压缸或气缸外侧，支撑架的一端与上述支撑套管固连，该支撑架的四条支腿与定平台固连。处于工作位置空载时，进油口或进气口进油或进气，给一定垂直活塞向上的力，液压缸或气缸的活塞杆抬起，除抵消动平台自重外，还给动平台向上的推力，使动平台给四个驱动分支预拉力；当动平台承载时，进油口或进气口的油压或气压增大，垂直活塞向上的力增大，液压缸或气缸的活塞杆抬起，平衡动平台及负载铅垂方向的静载荷，并通过Z轴方向移动量控制油压或气压的大小，用以平衡不同重量的负载。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、机构结构简单，占用体积小，工作空间大，可实现三维转动。
2、存在冗余驱动，克服奇异位形，中间分支中的移动副带有刚度较大的弹簧或采用油缸或气缸，通过中间分支能够起到平衡静载荷，以达到最大限度增加平台负载能力、减小驱动电机扭矩和功率的作用。
3、本发明为电动缸驱动，在其工作空间内性能稳定，在承受负载时仍具有较高的动态响应，易于安装和维护；
4、三个自由度，易于控制，在很多领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明结构示意简图。
图2为本发明实施例1的中间分支的结构示意简图。
图3为本发明实施例2的中间分支的结构示意简图。
具体实施方式
 实施例1
在图1所示的三自由度静载平衡并联运动模拟台结构示意简图中，四条结构完全相同的UPS驱动分支均由第一万向铰4、电动缸3和球铰2组成，电动缸的尾部与第一万向铰连接，电动缸的伸缩杆与球铰连接；各条驱动分支的第一万向铰均与定平台5相连，四个第一万向铰中心在定平台上呈等腰梯形布置；各条驱动分支的球铰与动平台1相连，球铰中心在动平台上成正方形布置。CU中间承载约束分支位于动平台与定平台中心连线上，该中间承载约束分支由支撑架6、带有弹簧的圆柱副7和第二万向铰8组成。第二万向铰的一端与动平台相连，其另一端与带有弹簧的圆柱副连接。如图2所示，弹簧10设在该圆柱副的中间，在该圆柱副的外侧设有支撑套管11，支撑架的一端与上述支撑套管固连，该支撑架的四条支腿与定平台固连，在上述支撑套管的上端与圆柱副之间设有挡环9。上述第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。
实施例2
如图3所示，中间承载约束分支的液压缸或气缸12的活塞杆与第二万向铰的一端连接，在液压缸或气缸的底部设进油口或进气口14，在液压缸或气缸的上部设出油口或出气口13，支撑架的一端与上述液压缸或气缸固连，该支撑架的四条支腿与定平台固连。其它部件和机构以及连接关系与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种三自由度静载平衡并联运动模拟台，包括动平台、定平台以及连接动平台和定平台的五条分支,其中分布在周围的为四条结构完全相同的UPS驱动分支，另一条为CU中间承载约束分支，其特征在于：四条UPS驱动分支均由第一万向铰、电动缸和球铰组成，电动缸的尾部与第一万向铰连接，电动缸的伸缩杆与球铰连接；各条驱动分支的第一万向铰均与定平台相连，四个第一万向铰中心在定平台上呈等腰梯形布置；各条驱动分支的球铰与动平台相连，球铰中心在动平台上成正方形布置；CU中间承载约束分支位于动平台与定平台中心连线上，该中间分支由支撑架、带有弹簧的圆柱副和第二万向铰组成，第二万向铰的一端与动平台相连，其另一端与带有弹簧的圆柱副连接，弹簧设在该圆柱副内，在该圆柱副的外侧设有支撑套管，支撑架的一端与上述支撑套管固连，该支撑架的四条支腿与定平台固连，在上述支撑套管的上端与圆柱副之间设有挡环，上述第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。
2.一种三自由度静载平衡并联运动模拟台，包括动平台、定平台以及连接动平台和定平台的五条分支,其中分布在周围的为四条结构完全相同的UPS驱动分支，另一条为CU中间承载约束分支，其特征在于：四条UPS驱动分支均由第一万向铰、电动缸和球铰组成，电动缸的尾部与第一万向铰连接，电动缸的伸缩杆与球铰连接；各条驱动分支的第一万向铰均与定平台相连，四个第一万向铰中心在定平台上呈等腰梯形布置；各条驱动分支的球铰与动平台相连，球铰中心在动平台上成正方形布置；CU中间承载约束分支位于动平台与定平台中心连线上，该中间分支由支撑架、液压缸或气缸和第二万向铰组成，上述第二万向铰的一端与动平台相连，其另一端与液压缸或气缸的活塞杆一端相连，支撑架的一端与上述液压缸或气缸固连，该支撑架的四条支腿与定平台固连。
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