CN103150939A - 一种冗余驱动的六自由度运动模拟器 - Google Patents

Abstract

一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，涉及一种运动模拟器，适用于模拟真实设备运动姿态，解决了模拟器刚度差和转角小的问题。该模拟器包括：机架，直线移动组件，复合运动组件，连杆组件，竖向转动组件，座舱组件。第一至第四连杆组件一端与第一和第四直线移动组件的滑块固定连接，另一端通过十字轴与座舱组件中的第一、第二横向转动接头和第一、第二横向匹配接头连接，组成虎克铰；复合运动组件与第五、第六直线移动组件中的滑块固定连接，上端固定的竖向转动组件通过十字轴与座舱组件中的U形接头通过十字轴连接，组成虎克铰。滑块沿导轨做直线移动带动连杆和竖向导轨架运动实现对于座舱的运动输入，实现俯仰，翻滚，平移等位姿变换。

Description

一种冗余驱动的六自由度运动模拟器

技术领域

本发明涉及一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，适用于模拟真实设备运动姿态，并为操纵者提供动态感觉的场合。

背景技术

运动模拟器是模拟真实设备运动姿态，并为操纵者提供动态感觉的半实物仿真设备。近几年来随着计算机技术，系统仿真技术的发展，运动模拟器在技术上有了很大的进步并且广泛地应用于各行各业，如军事、交通运输、能源、教育及商业游戏等领域。运动模拟器可以有效的提高训练的舒适性和安全性，可以有效的提高训练效率，缩短培训周期。相应的运动模拟器的开发与研究有利于设计者发现设计缺陷与错误，降低研发成本。

目前运动模拟器采用的运动平台主要有串联式与并联式的。串联式运动模拟器的转动空间大但存在刚度差的问题，并联式运动模拟器刚度较串联式高，但由于受奇异，杆件干涉的影响，目前的并联式运动模拟器很难模拟出大角度转动状态。

发明内容

本发明要解决的问题是提供冗余驱动的六自由度运动模拟器，既满足运动模拟器的刚度要求又可实现运动模拟器的大角度转动状态。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，该模拟器包括：机架，第一至第八直线移动组件，复合运动组件，第一至第四连杆组件，竖向转动组件，座舱组件。

所述的第一至第六直线移动组件的第一至第六导轨架通过螺钉分别固定连接在机架上的六个凹槽中。

复合运动组件中横向支架的左端与第六直线移动组件中的第六滑块固定连接；复合运动组件中横向支架的右端与第五直线移动组件中的第五滑块固定连接。

第一至第四连杆组件中第一、第四、第七和第十连杆U形接头分别与第一至第四直线移动组件中的第一至第四滑块固定连接。

第一连杆组件中第二连杆十字轴一对相对的两端分别与座舱组件中第一横向转动接头中的第一、第二十字轴轴承内圈相配合。

第二连杆组件中第四连杆十字轴一对相对的两端分别与座舱组件中第一横向匹配接头中的第一、第二十字轴轴承内圈相配合。

第三连杆组件中第六连杆十字轴一对相对的两端分别与座舱组件中第二横向匹配接头中的第三、第四十字轴轴承内圈相配合。

第四连杆组件中第八连杆十字轴一对相对的两端分别与座舱组件中第二横向转动接头中的第三、第四十字轴轴承内圈相配合。

竖向转动组件中竖向转动支架与复合运动组件中第八挡板的外端面固定连接；竖向转动组件中竖向转动十字轴一对相对的两端分别与座舱组件中座舱U形接头的第一、第二十字轴轴承内圈相配合。

第一、第二直线移动组件在一个平面内，第二、第三直线移动组件在一个平面内，第三、第四、第五直线移动组件在一个平面内，第五、第六直线移动组件所在的平面垂直于第三、第四、第五直线移动组件所在的平面，第五、第六直线移动组件所在的平面。

本发明所具有的有益效果：

利用冗余驱动的并联机构多自由度和大刚度性质，提供了一种可以实现大角度转动的运动模拟器。该安装装置不但可以实现空间内的六自由度运动，而且可以利用冗余驱动并联机构的结构特性，提高了运动平台的承载能力，满足了大转角运动的要求。利用螺旋导轨传递动力，将电机的回转运动转换成为滑块相对于导轨架的平移运动，为运动模拟器座舱提供动力。本装置既可以满足运动模拟器大刚度的要求又能实现运动中的大角度转动，是一种新型的六自由度运动模拟器。

附图说明

图1为冗余驱动的六自由度运动模拟器结构示意图；

图2为冗余驱动的六自由度运动模拟器俯仰运动示意图；

图3为冗余驱动的六自由度运动模拟器翻滚运动示意图；

图4为第一直线移动组件爆炸示意图；

图5为复合运动组件结构示意图；

图6为第一连杆组件结构示意图；

图7为第二连杆组件结构示意图；

图8为第三连杆组件结构示意图；

图9为第四连杆组件结构示意图；

图10为图6的A1-A1剖面图；

图11为图6的A2-A2剖面图；

图12为图6的A3-A3剖面图；

图13为竖向转动组件结构示意图；

图14为图10的B1-B1剖面图；

图15为图10的B2-B2剖面图；

图16为座舱组件结构示意图；

图17为图13的C1-C1剖面图；

图18为图13的C2-C2剖面图；

图19为机架结构示意图；

图20为第一导轨架结构示意图；

图21为第一滑块结构示意图；

图22为第一挡板结构示意图；

图23为横向支架结构示意图；

图24为复合运动滑块结构示意图；

图25为第一连杆结构示意图；

图26为第一连杆U形接头结构示意图；

图27为第一连杆十字轴结构示意图；

图28为第一连杆轴承端盖结构示意图；

图29为竖向转动接头结构示意图；

图30为第一横向转动接头结构示意图；

图31为第一横向匹配接头结构示意图；

图中：机架1，第一至第八直线移动组件2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8，复合运动组件3，第一至第四连杆组件4-1、4-2、4-3、4-4，竖向转动组件5，座舱组件6，电机7-1，联轴器8-1，第一至第七导轨架9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6、9-7，第一、第二导轨10-1、10-2，第一丝杠11-1、第七丝杠11-7、第八丝杠11-8，第一至第八滑块12-1、12-2、12-3、12-4、12-5、12-6，第一挡板13-1、第八挡板13-8，第一、第二挡板轴承14-1、14-2，横向支架16，复合运动滑块17，竖向转动接头18，竖向转动支架19，支架轴承20，转轴螺母21，竖向转动十字轴22，第一、第二竖向转动十字轴轴承23-1、23-2，第一、第二竖向转动轴承端盖24-1、24-2，座舱平台25，座舱U形接头26，第一、第二座舱十字轴轴承27-1、27-2、第一、二座舱十字轴轴承端盖28-1、28-2，第一、第二横向转动接头29-1、29-2，第一至第四横向转动十字轴轴承30-1、30-2、30-3、30-4，第一至第四横向转动十字轴轴承盖31-1、31-2、31-3、31-4，第一、第二横向匹配接头32-1、32-2，第一至第四横向匹配十字轴轴承33-1、33-2、33-3、33-4，第一至第四横向匹配十字轴轴承盖34-1、34-2、34-3、34-4，第一至第四连杆35-1、35-2、35-3、35-4，第一至第三连杆U形接头36-1、36-2、36-3，第四、第七、第十连杆U形接头36-4、36-7、36-10，第一至第六连杆十字轴轴承37-1、37-2、37-3、37-4、37-5、37-6，第一至第六连杆轴承端盖38-1、38-2、38-3、38-4、38-5、38-6，第一、第二、第四、第六、第八连杆十字轴39-1、39-2、39-4、39-6、39-8，座椅40，显示屏41。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，如图1、2、3所示，该模拟器包括：机架1，第一至第八直线移动组件2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8，复合运动组件3，第一至第四连杆组件4-1、4-2、4-3、4-4，竖向转动组件5，座舱组件6。

所述的第一至第六直线移动组件2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6的第一至第六导轨架9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6通过螺钉分别固定连接在机架1上的六个凹槽中。

复合运动组件3中横向支架16的左端与第六直线移动组件2-6中的第六滑块12-6固定连接；复合运动组件3中横向支架16的右端与第五直线移动组件2-5中的第五滑块12-5固定连接。

第一至第四连杆组件4-1、4-2、4-3、4-4中第一、第四、第七和第十连杆U形接头36-1、36-4、36-7、36-10分别与第一至第四直线移动组件2-1、2-2、2-3、2-4中的第一至第四滑块12-1、12-2、12-3、12-4固定连接。

第一连杆组件4-1中第二连杆十字轴39-2一对相对的两端分别与座舱组件6中第一横向转动接头29-1中的第一、第二十字轴轴承30-1、30-2内圈相配合。

第二连杆组件4-2中第四连杆十字轴39-4一对相对的两端分别与座舱组件6中第一横向匹配接头32-1中的第一、第二十字轴轴承33-1、33-2内圈相配合。

第三连杆组件4-3中第六连杆十字轴39-6一对相对的两端分别与座舱组件6中第二横向匹配接头32-2中的第三、第四十字轴轴承33-3、33-4内圈相配合。

第四连杆组件4-4中第八连杆十字轴39-8一对相对的两端分别与座舱组件6中第二横向转动接头29-2中的第三、第四十字轴轴承30-3、30-4内圈相配合。

竖向转动组件5中竖向转动支架19与复合运动组件3中第八挡板13-8的外端面固定连接；竖向转动组件5中竖向转动十字轴22一对相对的两端分别与座舱组件6中座舱U形接头26的第一、第二十字轴轴承27-1，27-2内圈相配合。

第一、第二直线移动组件2-1、2-2在一个平面内，第二、第三直线移动组件2-2、2-3在一个平面内，第三、第四、第五直线移动组件2-3、2-4、2-5在一个平面内，第五、第六直线移动组件2-5、2-6在一个平面内。

第一、第二直线移动组件2-1、2-2所在的平面垂直于第三、第四、第五直线移动组件2-3、2-4、2-5所在的平面，第五、第六直线移动组件2-5、2-6所在平面垂直于第一、第二直线移动组件2-1、2-2所在的平面。

如图4所示，第一直线移动组件2-1包括：电机7-1，联轴器8-1，第一导轨架9-1，第一导轨10-1，第二导轨10-2，第一丝杠11-1，第一滑块12-1，第一挡板13-1，第一、二挡板轴承14-1、14-2；

第一丝杠11-1与第一滑块12-1构成螺旋副，第一、二轴承14-1、14-2分别固定于第一导轨架9-1上的轴承内孔中和第一挡板13-1的轴承内孔中；第一丝杠11-1的一端和第一轴承14-1的内圈配合，另一端和第二轴承14-2的内圈配合；第一导轨10-1和第二导轨10-2分别穿过第一滑块12-1，其两端固定在第一导轨架9-1和第一挡板13-1上；

电机7-1固定在第一导轨架9-1上，电机7-1轴通过联轴器8-1和第一丝杠11-1的一端连接；

第一挡板13-1固定在第一导轨架9-1的一端。

第二、第三、第四、第五、第六直线移动组件2-2、2-3、2-4、2-5、2-6和第一直线移动组件完全相同；第七，第八直线移动组件2-7、2-8除了共用一块复合运动滑块17外，其他零部件构成和第一直线移动组件完全相同。

如图5所示，复合运动组件3包括：第七直线运动组件2-7，第八直线运动组件2-8，横向支架16和复合运动滑块17。

复合运动滑块17的水平部分螺纹孔与第七直线运动组件2-7中的第七丝杠11-7相配合；复合运动滑块17的竖直部分螺纹孔与第八直线运动组件2-8中的第八丝杠11-8相配合。

第七，第八直线移动组件2-7、2-8共用一个复合运动滑块17，其他零部件构成和第一直线移动组件完全相同。

第七直线运动组件2-7中第七导轨架9-7的与横向支架16固定连接。

如图6所示，第一连杆组件4-1包括：连杆35-1，第一至第三连杆U形接头36-1、36-2、36-3，第一和第二连杆十字轴39-1、39-2，第一至第六连杆十字轴轴承37-1、37-2、37-3、37-4、37-5、37-6，第一至第六连杆轴承端盖38-1、38-2、38-3、38-4、38-5、38-6。

所述的第二连杆U形接头36-2和第三连杆U形接头36-3分别与第一连杆35-1的两个端固定连接。

如图11所示，第一连杆十字轴39-1一对相对的两端分别与第二连杆U形接头36-2中的第三和第四连杆十字轴轴承37-3、37-4内圈相配合，然后安装第三和第四连杆轴承端盖38-3、38-4；如图10所示，第一连杆十字轴39-1另一对相对的两端分别与第一连杆U形接头36-1中的第一和第二连杆十字轴轴承37-1、37-2内圈相配合，然后安装第一和第二连杆轴承端盖38-1、38-2；如图12所示，第二连杆十字轴39-2一对相对的两端分别与第三连杆U形接头36-3中的第五和第六连杆十字轴轴承37-5、37-6内圈相配合，然后安装第五和第六连杆轴承端盖38-5、38-6。

如图7、8、9所示，第二、第三、第四连杆组件和第一连杆组件完全相同。

如图13所示，所述的竖向转动组件5包括：竖向转动接头18，竖向转动支架19，支架轴承20，转轴螺母21，竖向转动十字轴22，第一、第二竖向转动十字轴轴承23-1、23-2，第一、第二竖向转动轴承端盖24-1、24-2。

如图15所示，所述的竖向转动十字轴22的一对相对的两端分别与竖向转动接头18U形端中的第一、第二竖向转动十字轴轴承23-1、23-2内圈相配合，然后安装第一、第二竖向转动轴承端盖24-1、24-2；如图14所示，竖向转动接头18另一端的转轴与竖向转动支架19中的支架轴承20内圈配合，转轴的下端与转轴螺母21螺纹连接。

如图16所示，座舱组件6包括：座舱平台25，座舱U形接头26，第一、二座舱十字轴轴承27-1、27-2，第一至第四横向转动十字轴轴承30-1、30-2、30-3、30-4，第一至第四横向匹配十字轴轴承33-1、33-2、33-3、33-4，第一、二座舱十字轴轴承端盖28-1、28-2，第一至第四横向转动十字轴轴承盖31-1、31-2、31-3、31-4，第一至第四横向匹配十字轴轴承盖34-1、34-2、34-3、34-4，第一、第二横向转动接头29-1、29-2，第一、第二横向匹配接头32-1、32-2，座椅40和显示屏41；

所述的座舱平台25人字形构造。

如图16所示，所述的座舱U形接头26固定连接在座舱平台25头部的下面。

如图17、所示，第一横向转动接头29-1的转轴端插入座舱平台25左脚下面的凸台通孔中，形成转动副，转轴端与第一匹配接头32-1固定连接。

如图18所示，第二横向转动接头29-2的转轴端插入座舱平台25右脚下面的凸台通孔中，形成转动副，转轴端与第二匹配接头32-2固定连接。

座舱平台25的上面中部固定有座椅40和显示屏41。

座舱平台25左脚下面的凸台、座舱平台25右脚下面的凸台和座舱U形接头26成等边三角形布置在座舱平台25的下面。

如图1、2、3，各个电机转动，带动与之相连的丝杠转动，使得各个滑块沿各自导轨做直线运动，实现对模拟器的运动输入；第一至第四连杆组件4-1、4-2、4-3、4-4和复合运动组件3的移动带动座舱组件6移动，实现俯仰，翻滚，平移等位姿变换。

Claims (5)

1.一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，其特征在于，该模拟器包括：机架（1），第一至第八直线移动组件（2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8），复合运动组件（3），第一至第四连杆组件（4-1、4-2、4-3、4-4），竖向转动组件（5），座舱组件（6）；

所述的第一至第六直线移动组件（2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6）的第一至第六导轨架（9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-6）通过螺钉分别固定连接在机架（1）上的六个凹槽中；

复合运动组件（3）中横向支架（16）的左端与第六直线移动组件（2-6）中的第六滑块（12-6）固定连接；复合运动组件（3）中横向支架（16）的右端与第五直线移动组件（2-5）中的第五滑块（12-5）固定连接；

第一至第四连杆组件（4-1、4-2、4-3、4-4）中第一、第四、第七和第十连杆U形接头（36-1、36-4、36-7、36-10）分别与第一至第四直线移动组件（2-1、2-2、2-3、2-4）中的第一至第四滑块（12-1、12-2、12-3、12-4）固定连接；

第一连杆组件（4-1）中第二连杆十字轴（39-2）一对相对的两端分别与座舱组件（6）中第一横向转动接头（29-1）中的第一、第二十字轴轴承（30-1、30-2）内圈相配合；

第二连杆组件（4-2）中第四连杆十字轴（39-4）一对相对的两端分别与座舱组件（6）中第一横向匹配接头（32-1）中的第一、第二十字轴轴承（33-1、33-2）内圈相配合；

第三连杆组件（4-3）中第六连杆十字轴（39-6）一对相对的两端分别与座舱组件（6）中第二横向匹配接头（32-2）中的第三、第四十字轴轴承（33-3、33-4）内圈相配合；

第四连杆组件（4-4）中第八连杆十字轴（39-8）一对相对的两端分别与座舱组件（6）中第二横向转动接头（29-2）中的第三、第四十字轴轴承（30-3、30-4）内圈相配合；

竖向转动组件（5）中竖向转动支架（19）与复合运动组件（3）中第八挡板（13-8）的外端面固定连接；竖向转动组件（5）中竖向转动十字轴（22）一对相对的两端分别与座舱组件（6）中座舱U形接头（26）的第一、第二十字轴轴承（27-1，27-2）内圈相配合；

第一、第二直线移动组件（2-1、2-2）在一个平面内，第二、第三直线移动组件（2-2、2-3）在一个平面内，第三、第四、第五直线移动组件（2-3、2-4、2-5）在一个平面内，第五、第六直线移动组件（2-5、2-6在一个平面内；

第一、第二直线移动组件（2-1、2-2）所在的平面垂直于第三、第四、第五直线移动组件（2-3、2-4、2-5）所在的平面，第五、第六直线移动组件（2-5、2-6所在平面垂直于第一、第二直线移动组件（2-1、2-2）所在的平面。

2.根据权利要求1所述的一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，其特征在于，复合运动组件（3）包括：第七直线运动组件（2-7），第八直线运动组件（2-8），横向支架（16）和复合运动滑块（17）；

复合运动滑块（17）的水平部分螺纹孔与第七直线运动组件（2-7）中的第七丝杠（11-7）相配合；复合运动滑块（17）的竖直部分螺纹孔与第八直线运动组件（2-8）中的第八丝杠（11-8）相配合；

第七，第八直线移动组件（2-7、2-8）共用一个复合运动滑块（17），其他零部件构成和第一直线移动组件完全相同；

第七直线运动组件（2-7）中第七导轨架（9-7）的与横向支架（16）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，其特征在于，第一连杆组件（4-1）包括：第一连杆（35-1），第一至第三连杆U形接头（36-1、36-2、36-3），第一和第二连杆十字轴（39-1、39-2），第一至第六连杆十字轴轴承（37-1、37-2、37-3、37-4、37-5、37-6），第一至第六连杆轴承端盖（38-1、38-2、38-3、38-4、38-5、38-6）；

所述的第二连杆U形接头（36-2）和第三连杆U形接头（36-3）分别与第一连杆（35-1）的两端固定连接；

第一连杆十字轴（39-1）一对相对的两端分别与第二连杆U形接头（36-2）中的第三和第四连杆十字轴轴承（37-3、37-4）内圈相配合，然后安装第三和第四连杆轴承端盖（38-3、38-4）；第一连杆十字轴（39-1）另一对相对的两端分别与第一连杆U形接头（36-1）中的第一和第二连杆十字轴轴承（37-1、37-2）内圈相配合，然后安装第一和第二连杆轴承端盖（38-1、38-2）；第二连杆十字轴（39-2）一对相对的两端分别与第三连杆U形接头（36-3）中的第五和第六连杆十字轴轴承（37-5、37-6）内圈相配合，然后安装第五和第六连杆轴承端盖（38-5、38-6）；

第二、第三、第四连杆组件和第一连杆组件完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，其特征在于，所述的竖向转动组件（5）包括：竖向转动接头（18），竖向转动支架（19），支架轴承（20），转轴螺母（21），竖向转动十字轴（22），第一、第二竖向转动十字轴轴承（23-1、23-2），第一、第二竖向转动轴承端盖（24-1、24-2）；

所述的竖向转动十字轴（22）的一对相对的两端分别与竖向转动接头（18）U形端中的第一、第二竖向转动十字轴轴承（23-1、23-2）内圈相配合，然后安装第一、第二竖向转动轴承端盖（24-1、24-2）；竖向转动接头（18）另一端的转轴与竖向转动支架（19）中的支架轴承（20）内圈配合，转轴的下端与转轴螺母（21）螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的一种冗余驱动的六自由度运动模拟器，其特征在于，座舱组件（6）包括：座舱平台（25），座舱U形接头（26），第一、二座舱十字轴轴承（27-1、27-2），第一至第四横向转动十字轴轴承（30-1、30-2、30-3、30-4）第一至第四横向匹配十字轴轴承（33-1、33-2、33-3、33-4），第一、二座舱十字轴轴承端盖（28-1、28-2），第一至第四横向转动十字轴轴承盖（31-1、31-2、31-3、31-4），第一至第四横向匹配十字轴轴承盖（34-1、34-2、34-3、34-4），第一、第二横向转动接头（29-1、29-2），第一、第二横向匹配接头（32-1、32-2），座椅（40）和显示屏（41）；

所述的座舱平台（25）人字形构造；

所述的座舱U形接头（26）固定连接在座舱平台（25）头部的下面；

第一横向转动接头（29-1）的转轴端插入座舱平台（25）左脚下面的凸台通孔中，形成转动副，转轴端与第一匹配接头（32-1）固定连接；

第二横向转动接头（29-2）的转轴端插入座舱平台（25）右脚下面的凸台通孔中，形成转动副，转轴端与第二匹配接头（32-2）固定连接；

座舱平台（25）左脚下面的凸台、座舱平台（25）右脚下面的凸台和座舱U形接头（26）成等边三角形布置在座舱平台（25）的下面。

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