CN103035161A - 一种两自由度静载平衡并联运动模拟平台 - Google Patents

Abstract

一种两自由度静载平衡并联运动模拟平台，包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，其中三条为结构完全相同的UPS驱动分支，另一条为UP中间约束分支，其每条UPS驱动分支中的第一万向铰固定在定平台上，电动缸的尾部与上述第一万向铰连接，该电动缸的伸缩杆与球铰连接，球铰与动平台连接；UP中间约束分支为杠杆配重结构或是内设弹簧的移动副结构或是液压缸或气缸结构，上述四种结构通过第二万向铰与动平台连接，并通过支撑架与定平台连接。本发明占用结构简单、工作空间大、承载能力强、稳定性好。

Description

一种两自由度静载平衡并联运动模拟平台

技术领域

本发明涉及一种并联机构，特别是一种并联平台。

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，很多高成本的运动模拟实验，诸如太空、空中及海洋中的实验、训练都改在陆地上进行，因地面实验极大地降低了成本又有着安全可靠的特点，近些年得到了广泛的应用。并联运动模拟平台因其具有刚度大、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，而被应用于飞机、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、外形尺寸与工作空间比不合理，而且大负载的并联机构一般采用液压缸，成本高、不易维护，另外许多实验不需要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。中国专利CN201010136427.6提出了一种两自由度转动解耦并联机器人机构，该机构动平台的转动完全解耦，但装配精度不易保证；中国专利CN201110283398.0提出了一种含闭环子链的两自由度并联机构，该发明通过闭环子链控制平台运动，这就导致其工作空间较小；中国专利CN201110160345.X提出的两自由度并联机构可实现一维转动和一维移动，结构简单，但其承载能力较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、工作空间大、承载能力强、可实现空间两个方向转动的两自由度静载平衡并联运动模拟平台。

本发明的技术方案如下：

本发明主要包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，其中三条为结构完全相同且均匀分布的UPS驱动分支，另一条为UP中间约束分支。每条UPS驱动分支均由球铰、电动缸和第一万向铰组成，其中，第一万向铰固定在定平台上，三个第一万向铰中心在定平台上成正三角形布置，电动缸的尾部与上述第一万向铰连接，该电动缸的伸缩杆与球铰连接，球铰与动平台连接，三个球铰中心在动平台上成正三角形布置。

UP中间约束分支位于动平台与定平台中心连线上，该分支有四种结构：

第一种结构：UP中间约束分支是由第二万向铰、移动副、铰链、杠杆支撑环、杠杆、拉锁、配重和支撑架组成。支撑架由支撑平台和固定在该平台四面的四条支腿组成，该四条支腿的一端与上述支撑平台固连，其另一端与定平台固连，在上述支撑平台的中心设有方形通孔；第二万向铰与动平台连接，移动副上端与上述第二万向铰连接，其下端插入上述支撑平台的通孔中；杠杆支撑环固定在上述支撑平台上，在该杠杆支撑环上面，铰链固定在移动副四周，并与杠杆铰接，上述杠杆与上述杠杆支撑环呈线接触，上述杠杆外端设有拉锁，该拉锁的下端吊起配重，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，不加配重，由驱动分支电动缸支撑动平台；加上负载时通过计算上平台与负载重量之和与杠杆阻力臂的乘积可得到达到杠杆平衡条件下配重的质量，选择合适的配重与之配合，以达到平台在承受静载时三条驱动分支的电动缸不受力的效果，减小了运动时驱动电机的扭矩和功率。自平衡杠杆与移动副通过一个可变换位置的铰链连接，通过变换铰链点位置调节平台工作位置高度。动平台由三个驱动分支驱动上平台绕X、Y轴转动，含有冗余驱动，克服奇异位形。

第二种结构：

UP中间约束分支是由第二万向铰、移动副、铰链、杠杆、杠杆支撑架、拉锁、拉锁连接杆、支撑架与配重组成。支撑架是由两个门字形支架垂直相交组成，其中心形成方形通孔，该支撑架的四条支腿与与定平台固连；第二万向铰与动平台连接，移动副上端与上述第二万向铰连接，下端插入上述支撑架方形通孔中，第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。两个杠杆支撑架分别固定在转动副两侧的上述支撑架的横梁上，四根杠杆的一端分别设在上述杠杆支撑架两侧，其该端头的内侧均设有拉锁连接杆一，该拉锁连接杆一上均设有拉锁，该拉锁的另一端分别与拉锁连杆二两端连接，该拉锁连杆二的中部分别穿过设在上述移动副两侧上的铰链；上述四根杠杆的另一端均设有通孔，拉锁连接杆三的两端分别穿过该通孔，配重的两侧设有带通孔的吊耳，拉锁连接杆四穿过该通孔，设在拉锁连接杆三的两端的拉锁的另一端分别与拉锁连接杆四两端连接。

处于工作位置时，加负载，通过用拉锁连接在杠杆上的配重平衡上平台及负载的铅垂方向的重力。移动副上有多个螺纹孔用来固定与杠杆连接的铰链，通过变换铰链点位置调节平台工作位置高度。

第三种结构：

UP中间约束分支是由第二万向铰、内设弹簧的移动副和支撑架组成，第二万向铰的一端与动平台连接，其另一端与内设弹簧的移动副连接，支撑架的支撑套管固定在上述移动副的外侧，支撑架的四条支腿的一端与上述支撑套管固连，其另一端与定平台固连，在上述支撑架套管的上端与移动副之间设有导向套。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。

第四种结构：

UP中间约束分支是由第二万向铰、液压缸或气缸和支撑架组成，第二万向铰的一端与动平台连接，其另一端与液压缸或气缸的活塞杆一端相连，支撑架的四条支腿的一端与支撑架平台固连并固定在上述液压缸或气缸的外侧，其另一端与定平台固连。

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、结构简单，占用体积小，工作空间大,可实现二维转动，存在冗余驱动，克服奇异位形；

2、通过用拉锁连接在杠杆上的配重平衡上平台及负载的铅垂方向的重力，增大平台负载能力、减小驱动电机扭矩和功率的作用；

3、可调节平台工作位置高度。

4、电机驱动可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。

5、两个自由度，易于控制，在很多领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的立体结构示意简图；

图2为本发明实施例1的中间分支结构的剖视图；

图3为本发明实施例2的立体结构示意简图；

图4为本发明实施例2的中间分支结构的立体示意简图；

图5为本发明实施例3和实施例4的立体结构示意简图；

图6为本发明实施例3的中间分支结构的剖视图；

图7为本发明实施例4中间分支结构的剖视图。

具体实施方式

实施例1

在图1和图2所示的两自由度静载平衡并联运动模拟平台的结构示意简图中，三条为结构完全相同且均匀分布的UPS驱动分支的第一万向铰4固定在定平台5上，三个第一万向铰中心在定平台上成正三角形布置；电动缸3的尾部与上述第一万向铰连接，该电动缸的伸缩杆与球铰2连接，该球铰与动平台1连接，三个球铰中心在动平台上成正三角形布置。UP中间约束分支位于动平台与定平台中心连线上，支撑架11由支撑平台和固定在该平台四面的四条支腿组成，该四条支腿的一端与上述支撑平台固连，其另一端与定平台固连，在上述支撑平台的中心设有方形通孔；第二万向铰6与动平台连接，移动副7上端与上述第二万向铰连接，其下端插入上述支撑平台的通孔中；杠杆支撑环8固定在上述支撑平台上，在该杠杆支撑环上面，铰链13固定在移动副四周，并与杠杆9铰接，上述杠杆与上述杠杆支撑环呈线接触，上述杠杆外端设有拉锁10，该拉锁的下端吊起配重12，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

在图3和图4所示的两自由度静载平衡并联运动模拟平台的结构示意简图中，UP中间约束分支位于动平台与定平台中心连线上，支撑架11是由两个门字形支架垂直相交组成，其中心形成方形通孔，该支撑架的四条支腿与与定平台5固连；第二万向铰6与动平台1连接，移动副7上端与上述第二万向铰连接，下端插入上述支撑架方形通孔中，第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。两个杠杆支撑架14分别固定在转动副两侧的上述支撑架的横梁上，四根杠杆15的一端分别设在上述杠杆支撑架两侧，其该端头的内侧均设有拉锁连接杆一16，该拉锁连接杆一上分别设有拉锁17，该拉锁的另一端均与拉锁连杆二18的两端连接，该拉锁连杆二的中部分别穿过设在上述移动副两侧上的铰链13；上述四根杠杆的另一端均设有通孔，拉锁连接杆三19的两端分别穿过该通孔，配重12的两侧设有带通孔的吊耳，拉锁连接杆四20穿过该通孔，设在拉锁连接杆三的两端的拉锁21的另一端分别与拉锁连接杆四两端连接。其它部件和连接关系与实施例1相同。

实施例3

在图5和图6所示的两自由度静载平衡并联运动模拟平台的结构示意简图中，UP中间约束分支位于动平台与定平台中心连线上，第二万向铰6的一端与动平台1连接，其另一端与内设弹簧23的移动副25连接，支撑架11的支撑套管22固定在上述移动副的外侧，支撑架的四条支腿的一端与上述支撑套管固连，其另一端与定平台固连，在上述支撑架套管的上端与移动副之间设有导向套24，上述第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。其它部件和连接关系与实施例1相同。

实施例4

在图5和图7所示的两自由度静载平衡并联运动模拟平台的结构示意简图中，UP中间约束分支位于动平台与定平台中心连线上，第二万向铰6的一端与动平台连接，其另一端与液压缸28的活塞杆29一端相连，26为进油口，27为出油口，支撑架11的四条支腿的一端与支撑架平台固连并固定在上述液压缸外侧，其另一端与定平台5固连。其它部件和连接关系与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种两自由度静载平衡并联运动模拟平台，主要包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，其中三条为结构完全相同且均匀分布的UPS驱动分支，另一条为UP中间约束分支，其特征在于：其每条UPS驱动分支中的第一万向铰固定在定平台上，三个第一万向铰中心在定平台上成正三角形布置；电动缸的尾部与上述第一万向铰连接，该电动缸的伸缩杆与球铰连接，球铰与动平台连接，三个球铰中心在动平台上成正三角形布置；UP中间约束分支中的支撑架由支撑平台和固定在该平台四面的四条支腿组成，该四条支腿的一端与上述支撑平台固连，其另一端与定平台固连，在上述支撑平台的中心设有方形通孔；第二万向铰与动平台连接，移动副上端与上述第二万向铰连接，其下端插入上述支撑平台的通孔中；杠杆支撑环固定在上述支撑平台上，在该杠杆支撑环上面，铰链固定在移动副四周，并与杠杆铰接，上述杠杆与上述杠杆支撑环呈线接触，上述杠杆外端设有拉锁，该拉锁的下端吊起配重，第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。

2.一种两自由度静载平衡并联运动模拟平台，主要包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，其中三条为结构完全相同且均匀分布的UPS驱动分支，另一条为UP中间约束分支，其特征在于：其每条UPS驱动分支中的第一万向铰固定在定平台上，三个第一万向铰中心在定平台上成正三角形布置；电动缸的尾部与上述第一万向铰连接，该电动缸的伸缩杆与球铰连接，球铰与动平台连接，三个球铰中心在动平台上成正三角形布置；UP中间约束分支中的支撑架是由两个门字形支架垂直相交组成，其中心形成方形通孔，该支撑架的四条支腿与与定平台固连；第二万向铰与动平台连接，移动副上端与上述第二万向铰连接，下端插入上述支撑架方形通孔中，第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台；两个杠杆支撑架分别固定在转动副两侧的上述支撑架的横梁上，四根杠杆的一端分别设在上述杠杆支撑架两侧，其该端头的内侧均设有拉锁连接杆一，该拉锁连接杆一上均设有拉锁，该拉锁的另一端分别与拉锁连杆二两端连接，该拉锁连杆二的中部分别穿过设在上述移动副两侧上的铰链；上述四根杠杆的另一端均设有通孔，拉锁连接杆三的两端分别穿过该通孔，配重的两侧设有带通孔的吊耳，拉锁连接杆四穿过该通孔，设在拉锁连接杆三的两端的拉锁的另一端分别与拉锁连接杆四两端连接。

3. 一种两自由度静载平衡并联运动模拟平台，主要包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，其中三条为结构完全相同且均匀分布的UPS驱动分支，另一条为UP中间约束分支，其特征在于：其每条UPS驱动分支中的第一万向铰固定在定平台上，三个第一万向铰中心在定平台上成正三角形布置；电动缸的尾部与上述第一万向铰连接，该电动缸的伸缩杆与球铰连接，球铰与动平台连接，三个球铰中心在动平台上成正三角形布置；UP中间约束分支中的第二万向铰的一端与动平台连接，其另一端与内设弹簧的移动副连接，支撑架的套管固定在上述移动副的外侧，支撑架的四条支腿的一端与上述支撑套管固连，其另一端与定平台固连，在上述支撑架套管的上端与移动副之间设有挡环，上述第二万向铰中心与动平台中心连线垂直于动平台。

4.一种两自由度静载平衡并联运动模拟平台，主要包括动平台、定平台以及连接这两个平台的四条分支，其中三条为结构完全相同且均匀分布的UPS驱动分支，另一条为UP中间约束分支，其特征在于：其每条UPS驱动分支中的第一万向铰固定在定平台上，三个第一万向铰中心在定平台上成正三角形布置；电动缸的尾部与上述第一万向铰连接，该电动缸的伸缩杆与球铰连接，球铰与动平台连接，三个球铰中心在动平台上成正三角形布置；UP中间约束分支中的第二万向铰的一端与动平台连接，其另一端与液压缸或气缸的活塞杆一端相连，支撑架的四条支腿的一端与支撑架平台固连并固定在上述液压缸或气缸的外侧，其另一端与定平台固连。

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