CN103009391B - 一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人，涉及一种机器人。设有机架、飞行器模型、牵引绳、可动万向铰点、可动铰点驱动组件、牵引绳驱动组件，固定万向铰点；飞行器模型被牵引绳牵引实现六自由度运动；可动铰点驱动组件设有可动铰点支座、滚珠丝杆、导轨、支座、电机、联轴器；牵引绳驱动组件设有绳牵引支座、滚珠丝杆、导轨、丝杆轴承支座、电机、联轴器；固定万向铰点和可动万向铰点分别设有深沟狭缝滑轮、向心轴承、轴、锁紧螺母、竖直支座和水平支座。对空气流场干扰小、试验项目多样化、工作空间大、响应速度快，克服传统硬式风洞支撑方式在破坏空气流场、实验项目单一、模型运动空间小、响应速度慢的缺点；结构简单，易于制造和维护。

Description

一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是涉及一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人。

背景技术

现有的风洞试验支撑机构多采用硬式支撑结构，硬式支撑的固有属性决定了它存在对空气流场干扰较大的缺点，使其难以保证风洞试验结果的可靠性和准确性。由于牵引绳在直径上远远小于硬式支撑的支架，因此使用绳牵引并联机器人支撑方式进行风洞试验对空气流场干扰很小。在试验能力方面，普通硬式支撑难以完成风洞自由飞试验。采用绳牵引并联机器人技术，则可用一套支撑在完成风洞静导数、动导数的同时，能够实现风洞自由飞试验项目。同时，普通并联机器人其铰链点通常是固定的，这就在一定程度上限制了并联机器人的工作空间。

发明内容

本发明的目的在于提供对空气流场干扰小、试验项目多样化、工作空间大、响应速度快，能够克服传统硬式风洞支撑方式在破坏空气流场、实验项目单一、模型运动空间小、响应速度慢的缺点；并且结构简单，易于制造、装配和维护的一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人。

本发明设有机架、飞行器模型、牵引绳、可动万向铰点、可动铰点驱动组件、牵引绳驱动组件，固定万向铰点；

所述飞行器模型被牵引绳牵引实现六自由度运动；牵引绳的一端通过模型牵引点系在飞行器模型上，牵引绳的另一端通过可动万向铰点、固定万向铰点系在绳牵引支座上；牵引绳驱动组件和可动铰点驱动组件分别可以驱动绳牵引支座和可动万向铰点运动；所述牵引绳驱动组件和可动铰点驱动组件固定在机架上；

所述可动铰点驱动组件设有可动铰点支座、滚珠丝杆、导轨、支座、电机、联轴器；所述牵引绳驱动组件设有绳牵引支座、滚珠丝杆、导轨、丝杆轴承支座、电机、联轴器；所述滚珠丝杆固定在支座上并与导轨构成移动副；所述电机通过联轴器和滚珠丝杆相连，滚珠丝杆将电机的旋转运动转换成可动铰点支座或绳牵引支座的直线运动；

所述固定万向铰点和可动万向铰点分别设有深沟狭缝滑轮、向心轴承、轴、锁紧螺母、竖直支座和水平支座；所述竖直支座固定在水平支座上；所述深沟狭缝滑轮以过盈配合的方式固定在向心轴承上，所述向心轴承以过盈配合的方式固定在轴上；所述轴通过锁紧螺母以螺栓连接的方式固定在竖直支座上。

所述可动铰点驱动组件和牵引绳驱动组件也可采用步进电机、伺服电机或直线电机等。

所述深沟狭缝滑轮的狭缝宽度≥牵引绳的直径；最好是所述深沟狭缝滑轮的狭缝宽度较牵引绳的直径应接近或稍大。

所述飞行器模型被牵引绳牵引实现六自由度运动，在每组绳牵引的驱动分支中，牵引绳的一端通过模型牵引点系在飞行器模型上，牵引绳另一端通过可动万向铰点、固定万向铰点系在绳牵引支座上；所述牵引绳驱动和可动铰点驱动分别可以驱动绳牵引支座和可动万向铰点运动，牵引绳驱动和可动铰点驱动固定在机架上；在牵引绳驱动和可动铰点驱动中滚珠丝杆固定在支座上并与导轨构成移动副，电机通过联轴器和滚珠丝杆相连，滚珠丝杆将电机的旋转运动转换成可动铰点支座或绳牵引支座的直线运动，牵引绳受电机牵引，经由固定万向铰点和可动万向铰点上的深沟狭缝滑轮改变绳长；深沟狭缝滑轮以过盈配合的方式固定在向心轴承上，向心轴承以过盈配合的方式固定在铰链轴上；轴通过锁紧螺母以螺栓连接的方式固定在支座上。

本发明通过并联机构运动学相关理论解算，控制绳牵引支座和可动万向铰点的位移和速度，可以使飞行器模型以任意轨迹按任意速度运动到机构工作空间内的任意位置。

本发明具有如下优点：

1．空气流场干扰小。在风洞试验中，由于普通硬式支撑结构的固有属性，对空气流场干扰十分明显而且不可避免。采用的绳牵引支撑可以大大减小支撑机构对空气流场的干扰。

2．试验项目多样化。风洞自由飞试验项目在普通支撑方式下是难以实现的，绳牵引并联机器人则在完成风洞静导数、动导数的同时，能够完成风洞自由飞实验项目。

3．工作空间大。由于采用可动铰链点的可变结构，有效地扩展了作为运动平台的飞行器模型的工作空间。

4．机构简单。由于机构采用绳牵引方式，免去了笨重的硬式支撑，有效降低机构的惯量，使整个机构更加灵巧简洁，便于维护，同时降低了成本。

5．响应速度快。相对于串联支撑，并联机器人的响应速度快，在风洞试验中需要完成飞行器模型高速高频振荡运动时具有显著的优势。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例的绳牵引驱动分支的结构组成示意图。

图3为本发明实施例的万向铰点的结构组成示意图。

具体实施方式

本发明的具体结构可根据风洞试验的需要和模型外形进行设计，牵引绳的数目必须多于飞行器模型的运动自由度。

现以可实现飞行器模型六自由度运动、8根牵引绳的机器人为例说明本发明的具体实施方案。

参见图1～3，本发明实施例设有机架1、飞行器模型2、牵引绳3、可动万向铰点4、可动铰点驱动组件5、牵引绳驱动组件6，固定万向铰点7；所述飞行器模型2被牵引绳3牵引实现六自由度运动，图1机构的驱动数目大于自由度数目，属于冗余驱动并联机器人。

图1机构中的每组绳牵引驱动分支如图2所示。牵引绳3的一端通过模型牵引点8系在飞行器模型2上，另一端通过可动万向铰点4、固定万向铰点7系在绳牵引支座15上。牵引绳驱动组件6和可动铰点驱动组件5分别可以驱动绳牵引支座15和可动万向铰点4做如图1中双向箭头所示方向的运动。所述牵引绳驱动组件6和可动铰点驱动组件5固定在机架1上。

所述可动铰点驱动组件5由可动铰点支座9、滚珠丝杆10、导轨11、支座12、电机13、联轴器14等组成；所述牵引绳驱动组件6由绳牵引支座15、滚珠丝杆10、导轨11、丝杆轴承支座12、电机13、联轴器14等组成。所述滚珠丝杆10固定在支座12上并与导轨11构成移动副。所述电机13通过联轴器14和滚珠丝杆10相连，滚珠丝杆10将电机13的旋转运动转换成可动铰点支座9或绳牵引支座15的直线运动。

所述固定万向铰点7和可动万向铰点4的具体结构如图3所示，分别由深沟狭缝滑轮16、向心轴承17、轴18、锁紧螺母19、竖直支座20和水平支座21等组成。所述竖直支座20固定在水平支座21上；所述深沟狭缝滑轮16以过盈配合的方式固定在向心轴承17上，所述向心轴承17以过盈配合的方式固定在轴18上；所述轴18通过锁紧螺母19以螺栓连接的方式固定在竖直支座20上。

所述牵引绳3应具有较好的柔性、较大的弹性模量及抗拉强度。

所述模型牵引点8在飞行器模型2上的布置位置应尽量远离飞行器模型气动外形设计的重要部位，将其布置在飞行器模型上对空气流场的干扰小的部位。

所述8组可动铰点驱动组件5分别带动8个可动万向铰点4沿图1中双向箭头所示方向运动，可使机构比无可动铰点的机构具有更大的工作空间。

所述可动铰点驱动组件5和牵引绳驱动组件6也可采用步进电机、伺服电机或直线电机等。

所述深沟狭缝滑轮16的狭缝宽度，较牵引绳3的直径应接近或稍大。

所述向心轴承17可使深沟狭缝滑轮16具有3个旋转自由度。在牵引绳3的导向作用下，深沟狭缝滑轮16的对称面可自动调整，并与牵引绳3的进端和出端保持在同一平面内。

本发明采用可动铰链点的可变结构，有效地扩展了飞行器模型的运动空间，特别是对姿态角运动空间的扩展在风洞试验中具有重要意义。

与普通硬式支撑相比较，本发明中这种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人能够提供一种对空气流场干扰小，并同时完成模型大运动空间的风洞静导数、动导数、自由飞实验项目的风洞支撑方式。

Claims (3)

1.一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人，其特征在于设有机架、飞行器模型、牵引绳、可动万向铰点、可动铰点驱动组件、牵引绳驱动组件，固定万向铰点；

所述飞行器模型被牵引绳牵引实现六自由度运动；牵引绳的一端通过模型牵引点系在飞行器模型上，牵引绳的另一端通过可动万向铰点、固定万向铰点系在绳牵引支座上；牵引绳驱动组件和可动铰点驱动组件分别可以驱动绳牵引支座和可动万向铰点运动；所述牵引绳驱动组件和可动铰点驱动组件固定在机架上；

所述可动铰点驱动组件设有可动铰点支座、滚珠丝杆、导轨、支座、电机、联轴器；所述牵引绳驱动组件设有绳牵引支座、滚珠丝杆、导轨、丝杆轴承支座、电机、联轴器；所述滚珠丝杆固定在支座上并与导轨构成移动副；所述电机通过联轴器和滚珠丝杆相连，滚珠丝杆将电机的旋转运动转换成可动铰点支座或绳牵引支座的直线运动；

所述固定万向铰点和可动万向铰点分别设有深沟狭缝滑轮、向心轴承、轴、锁紧螺母、竖直支座和水平支座；所述竖直支座固定在水平支座上；所述深沟狭缝滑轮以过盈配合的方式固定在向心轴承上，所述向心轴承以过盈配合的方式固定在轴上；所述轴通过锁紧螺母以螺栓连接的方式固定在竖直支座上。

2.如权利要求1所述的一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人，其特征在于所述可动铰点驱动组件和牵引绳驱动组件采用步进电机、伺服电机或直线电机。

3.如权利要求1所述的一种用于风洞试验的变结构绳牵引并联机器人，其特征在于所述深沟狭缝滑轮的狭缝宽度≥牵引绳的直径。