CN105139895A - 一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，包括控制箱、固定平台组件、运动平台组件和六组气动肌肉组件；运动平台组件通过气动肌肉组件连接并悬吊于固定平台组件下方，固定平台组件固定于控制箱上方；运动平台组件的铰点分布与固定平台的铰点分布采用了Stewart结构的6-SPS(S-球面副、P-移动副)双三角机构分布，且运动平台组件在固定平台组件下方，从而可实现气动肌肉单独带动运动平台组件做升降、纵移、横移、回转、纵摇、横摇运动。本发明的平台机构具有承载能力高、精确度高、清洁无污染、安装维护方便、成本低、可控性好的特点。

Description

一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台

技术领域

本发明涉及一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，属于并联伺服平台技术。

背景技术

并联伺服平台具有承载能力强、刚度大、无累积误差、精度高和自重负荷比小等优点，在运动模拟器、机器人、机床、仪器测试台等领域得到了广泛的应用。但是，传统的并联伺服平台一般由液压或电机驱动，具有体积笨重、耗能大、成本高和易对环境造成污染等不足。气动技术由于具有功率-质量比大、清洁、价格低、结构简单、易维护等优点，使用气动驱动代替并联伺服平台常规的电机或液压驱动系统得到了越来越多的重视。

需要指出的是，目前气动并联伺服平台由于多采用气缸作为驱动器，仍有很大的改进空间。一方面，气缸具有复杂的摩擦特性，低速运动时易出现爬行现象，限制了并联平台的运动范围；另一方面，实现气缸高精度定位和精确轨迹跟踪控制比较困难，导致气动并联平台的控制精度通常不如电机或液压驱动的并联平台。气动肌肉是近年来出现的新型气动执行元件，摩擦力非常微小，因此比气缸易于实现低速运动和精确控制，而且其功率-质量比是同缸径气缸的十倍，价格便宜、柔顺性好。采用气动肌肉作为并联平台的驱动器具有不言而喻的优点，但是受并联平台机构设计和控制的束缚，目前的气动肌肉驱动并联平台大多是三自由度，其运动范围、承载能力和灵活性都远不如六自由度并联机构。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，具有承载能力高、精确度高、清洁无污染、安装维护方便、成本低、可控性好等特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，包括控制箱、固定平台组件、运动平台组件和六组气动肌肉组件；

所述控制箱内设置有控制器、气动阀组和气动三联件；

所述固定平台组件包括支架和三个固定平台连接件基座，支架固定在控制箱上，三个固定平台连接件基座呈正三角阵列位置固定在支架上，每个固定平台连接件基座上设置有两个固定平台铰链连接件；

所述运动平台组件包括运动平台和三个运动平台连接件基座，三个运动平台连接件基座呈正三角阵列位置固定在运动平台上，每个运动平台连接件基座上设置有两个运动平台铰链连接件；

所述气动肌肉组件包括气动肌肉，气动肌肉上设置有拉线位移传感器和气压传感器，气动肌肉的一端通过弯杆球头杆端关节轴承与运动平台铰链连接件连接，气动肌肉的另一端通过球头杆端关节轴承与固定平台铰链连接件连接；

所述运动平台组件通过气动肌肉组件悬吊在固定平台组件内，运动平台组件和固定平台组件铰点的分布方式按照Stewart结构的6-SPS(S-球面副、P-移动副)双三角机构分布，运动平台组件铰点分布半径小于固定平台组件铰点分布半径。

具体的，所述气动三联件的进气口与气源通过气管连接，气动三联件的出气口与气动阀组的进气口通过气管连接，气动阀组的六个出气口分别与六个气动肌肉的进气口通过气管连接；气动肌肉组件的拉线位移传感器和气压传感器的检测信号作为接入控制器的输入信号，气动阀组的控制信号作为控制器的输出信号。

优选的，所述固定平台铰链连接件为长方体；在该长方体的上表面上垂直设置有两个螺纹孔，分别记为第一螺纹孔和第二螺纹孔；在该长方体的前侧面上垂直设置有一个螺纹孔，记为第三螺纹孔；存在一条直线l₁，直线l₁平行于该长方体的上表面，并且直线l₁与第一螺纹孔和第二螺纹孔的轴线相交，将第三螺纹孔的轴线在该长方体的上表面的投影与直线l₁的夹角记为第一夹角，第一夹角为0～90°；固定平台连接件基座上设置有两个连接面，两个连接面与水平面的夹角记为第二夹角，第二夹角为0～90°；两个固定平台铰链连接件的下表面分别贴合两个连接面放置，并通过第一螺纹孔和第二螺纹孔固定固定平台铰链连接件和固定平台连接件基座，第三螺纹孔作为固定平台铰链连接件与球头杆端关节轴承的连接孔，从而保证初始位置时气动肌肉的轴线与球头杆端关节轴承的轴线重合并满足固定平台组件铰点分布要求。

优选的，所述运动平台铰链连接件为长方体；在该长方体的上表面上垂直设置有两个螺纹孔，分别记为第四螺纹孔和第五螺纹孔；在该长方体的前侧面上垂直设置有一个螺纹孔，记为第六螺纹孔；存在一条直线l₂，直线l₂平行于该长方体的上表面，并且直线l₂与第四螺纹孔和第五螺纹孔的轴线相交，将第六螺纹孔的轴线在该长方体的上表面的投影与直线l₂的夹角记为第三夹角，第三夹角为0～90°；运动平台连接件基座上设置有两个连接面，两个连接面与水平面的夹角记为第四夹角，第四夹角为0～90°；两个运动平台铰链连接件的下表面分别贴合两个连接面放置，并通过第四螺纹孔和第五螺纹孔固定运动平台铰链连接件和运动平台连接件基座，第六螺纹孔作为运动平台铰链连接件与弯杆球头杆端关节轴承的连接孔，从而保证初始位置时气动肌肉的轴线与弯杆球头杆端关节轴承的轴线垂直并满足运动平台组件铰点分布要求。

有益效果：本发明提供的基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，相较于现有技术，具有如下优点：

1、本发明在结构设计上进行了改进，运动平台组件进行了悬挂式设计、采用了六组气动肌肉组件，使气动肌肉的大输出功率-质量比的优势得到了有效的发挥，可以承载更大的负载，而且可以实现运动平台的升降、纵移、横移、回转、纵摇、横摇运动，达到更多位姿形态；

2、在初始位置时，气动肌肉组件的轴线需要与球头杆端关节轴承的球头杆的轴线共线，需要与弯杆球头杆端关节轴承的球头杆的轴线垂直，而且要满足固定平台组件和运动平台组件的铰点分布要求；本发明设计的固定平台连接件基座、固定平台铰链连接件、运动平台连接件基座与运动平台铰链连接件可以满足上述要求；

3、本发明采用的弯杆球头杆端关节轴承限定了气动肌肉绕轴线自旋转的范围，避免了运动过程中气管会缠绕起到气动肌肉，导致气管的通流截面积减小，影响气动肌肉的反应速度和控制效果现象的发生，提高此并联伺服平台的控制精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为固定平台铰链连接件与固定平台连接件基座结构示意图；

图3为运动平台铰链连接件与运动平台连接件基座结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，包括控制箱9、固定平台组件1、运动平台组件3和六组气动肌肉组件2；

所述控制箱9内设置有控制器8、气动阀组6和气动三联件7；

所述固定平台组件1包括支架1-3和三个固定平台连接件基座1-2，支架1-3固定在控制箱9上，三个固定平台连接件基座1-2呈正三角阵列位置固定在支架1-3上，每个固定平台连接件基座1-2上设置有两个固定平台铰链连接件1-1；

所述运动平台组件3包括运动平台3-1和三个运动平台连接件基座3-3，三个运动平台连接件基座3-3呈正三角阵列位置固定在运动平台3-1上，每个运动平台连接件基座3-3上设置有两个运动平台铰链连接件3-2；

所述气动肌肉组件2包括气动肌肉2-1，气动肌肉2-1上设置有拉线位移传感器2-2和气压传感器2-3，气动肌肉2-1的一端通过弯杆球头杆端关节轴承5与运动平台铰链连接件3-2连接，气动肌肉2-1的另一端通过球头杆端关节轴承4与固定平台铰链连接件1-1连接；

所述运动平台组件3通过气动肌肉组件2悬吊在固定平台组件1内，运动平台组件3和固定平台组件1铰点的分布方式按照Stewart结构的6-SPS(S-球面副、P-移动副)双三角机构分布，运动平台组件3铰点分布半径小于固定平台组件1铰点分布半径；

所述气动三联件7的进气口与气源通过气管连接，气动三联件7的出气口与气动阀组6的进气口通过气管连接，气动阀组6的六个出气口分别与六个气动肌肉2-1的进气口通过气管连接；气动肌肉组件2的拉线位移传感器2-2和气压传感器2-3的检测信号作为接入控制器8的输入信号，气动阀组6的控制信号作为控制器8的输出信号。

球头杆端关节轴承4与弯杆球头杆端关节轴承5的运动角度有限，为了使运动平台3-1工作空间更大，即要求初始位置时，气动肌肉2-1的轴线与球头杆端关节轴承4共线，同时与弯杆球头杆端关节轴承5垂直。

如图2所示，所述固定平台铰链连接件1-1为长方体；在该长方体的上表面上垂直设置有两个螺纹孔，分别记为第一螺纹孔a和第二螺纹孔b；在该长方体的前侧面上垂直设置有一个螺纹孔，记为第三螺纹孔c；存在一条直线l₁，直线l₁平行于该长方体的上表面，并且直线l₁与第一螺纹孔a和第二螺纹孔b的轴线相交，将第三螺纹孔c的轴线在该长方体的上表面的投影与直线l₁的夹角记为第一夹角A，第一夹角A为0～90°；固定平台连接件基座1-2上设置有两个连接面，两个连接面与水平面的夹角记为第二夹角B，第二夹角B为0～90°；两个固定平台铰链连接件1-1的下表面分别贴合两个连接面放置，并通过第一螺纹孔a和第二螺纹孔b固定固定平台铰链连接件1-1和固定平台连接件基座1-2，第三螺纹孔c作为固定平台铰链连接件1-1与球头杆端关节轴承4的连接孔，从而保证初始位置时气动肌肉2-1的轴线与球头杆端关节轴承4的轴线重合并满足固定平台组件1铰点分布要求。

如图3所示，所述运动平台铰链连接件3-2为长方体；在该长方体的上表面上垂直设置有两个螺纹孔，分别记为第四螺纹孔d和第五螺纹孔e；在该长方体的前侧面上垂直设置有一个螺纹孔，记为第六螺纹孔f；存在一条直线l₂，直线l₂平行于该长方体的上表面，并且直线l₂与第四螺纹孔d和第五螺纹孔e的轴线相交，将第六螺纹孔f的轴线在该长方体的上表面的投影与直线l₂的夹角记为第三夹角C，第三夹角C为0～90°；运动平台连接件基座3-3上设置有两个连接面，两个连接面与水平面的夹角记为第四夹角D，第四夹角D为0～90°；两个运动平台铰链连接件3-2的下表面分别贴合两个连接面放置，并通过第四螺纹孔d和第五螺纹孔e固定运动平台铰链连接件3-2和运动平台连接件基座3-3，第六螺纹孔f作为运动平台铰链连接件3-2与弯杆球头杆端关节轴承5的连接孔，从而保证初始位置时气动肌肉2-1的轴线与弯杆球头杆端关节轴承5的轴线垂直并满足运动平台组件3铰点分布要求。

所示气动阀组6可采用比例压力阀、比例流量阀、高速开关阀和比例方向阀等；控制器8可采用工控机、单片机或可编程控制器实现，其功能主要是信号采集处理、状态观测器和提供控制策略。所述拉线位移传感器2-2安装在气动肌肉2-1上用以测量气动肌肉2-1位移，气压传感器2-3安装在气动肌肉2-1进气口处。

本案的基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台具体实施过程如下：

(1)开机，控制器8控制气动阀组6阀芯运动，使气动肌肉2-1充气缩短，达到初始设定值，此时各个气动肌肉2-1的轴线都会与其对应的球头杆端关节轴承4共线，与弯杆球头杆端关节轴承5垂直；

(2)控制器8接收上位机的动作命令或使用者的操作命令，并会计算得出各个气动肌肉2-1的期望长度；

(3)控制器8根据拉线位移传感器2-2反馈的气动肌肉2-1长度信息和气压传感器2-3反馈的气动肌肉2-1的气体压力信息与期望长度进行判断并计算气动肌肉2-1的压力改变量；

(4)控制器8将压力改变量转变为气动阀组6各个阀芯的动作信号，并输出给气动阀组，使阀芯运动，用来调节气动肌肉2-1内的气压，从而改变气动肌肉2-1的长度；

本案采用了悬吊式的Stewart结构的6-SPS结构，因此六个气动肌肉2-1的长度改变会带动运动平台组件3的位姿改变，从而实现运动平台组件3的升降、纵移、横移、回转、纵摇、横摇六种运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，其特征在于：包括控制箱(9)、固定平台组件(1)、运动平台组件(3)和六组气动肌肉组件(2)；

所述控制箱(9)内设置有控制器(8)、气动阀组(6)和气动三联件(7)；

所述固定平台组件(1)包括支架(1-3)和三个固定平台连接件基座(1-2)，支架(1-3)固定在控制箱(9)上，三个固定平台连接件基座(1-2)呈正三角阵列位置固定在支架(1-3)上，每个固定平台连接件基座(1-2)上设置有两个固定平台铰链连接件(1-1)；

所述运动平台组件(3)包括运动平台(3-1)和三个运动平台连接件基座(3-3)，三个运动平台连接件基座(3-3)呈正三角阵列位置固定在运动平台(3-1)上，每个运动平台连接件基座(3-3)上设置有两个运动平台铰链连接件(3-2)；

所述气动肌肉组件(2)包括气动肌肉(2-1)，气动肌肉(2-1)上设置有拉线位移传感器(2-2)和气压传感器(2-3)，气动肌肉(2-1)的一端通过弯杆球头杆端关节轴承(5)与运动平台铰链连接件(3-2)连接，气动肌肉(2-1)的另一端通过球头杆端关节轴承(4)与固定平台铰链连接件(1-1)连接；

所述运动平台组件(3)通过气动肌肉组件(2)悬吊在固定平台组件(1)内，运动平台组件(3)和固定平台组件(1)铰点的分布方式按照Stewart结构的6-SPS双三角机构分布，运动平台组件(3)铰点分布半径小于固定平台组件(1)铰点分布半径。

2.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，其特征在于：所述气动三联件(7)的进气口与气源通过气管连接，气动三联件(7)的出气口与气动阀组(6)的进气口通过气管连接，气动阀组(6)的六个出气口分别与六个气动肌肉(2-1)的进气口通过气管连接；气动肌肉组件(2)的拉线位移传感器(2-2)和气压传感器(2-3)的检测信号作为接入控制器(8)的输入信号，气动阀组(6)的控制信号作为控制器(8)的输出信号。

3.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，其特征在于：所述固定平台铰链连接件(1-1)为长方体；在该长方体的上表面上垂直设置有两个螺纹孔，分别记为第一螺纹孔(a)和第二螺纹孔(b)；在该长方体的前侧面上垂直设置有一个螺纹孔，记为第三螺纹孔(c)；存在一条直线l₁，直线l₁平行于该长方体的上表面，并且直线l₁与第一螺纹孔(a)和第二螺纹孔(b)的轴线相交，将第三螺纹孔(c)的轴线在该长方体的上表面的投影与直线l₁的夹角记为第一夹角(A)，第一夹角(A)为0～90°；固定平台连接件基座(1-2)上设置有两个连接面，两个连接面与水平面的夹角记为第二夹角(B)，第二夹角(B)为0～90°；两个固定平台铰链连接件(1-1)的下表面分别贴合两个连接面放置，并通过第一螺纹孔(a)和第二螺纹孔(b)固定固定平台铰链连接件(1-1)和固定平台连接件基座(1-2)，第三螺纹孔(c)作为固定平台铰链连接件(1-1)与球头杆端关节轴承(4)的连接孔，从而保证初始位置时气动肌肉(2-1)的轴线与球头杆端关节轴承(4)的轴线重合并满足固定平台组件(1)铰点分布要求。

4.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的六自由度并联伺服平台，其特征在于：所述运动平台铰链连接件(3-2)为长方体；在该长方体的上表面上垂直设置有两个螺纹孔，分别记为第四螺纹孔(d)和第五螺纹孔(e)；在该长方体的前侧面上垂直设置有一个螺纹孔，记为第六螺纹孔(f)；存在一条直线l₂，直线l₂平行于该长方体的上表面，并且直线l₂与第四螺纹孔(d)和第五螺纹孔(e)的轴线相交，将第六螺纹孔(f)的轴线在该长方体的上表面的投影与直线l₂的夹角记为第三夹角(C)，第三夹角(C)为0～90°；运动平台连接件基座(3-3)上设置有两个连接面，两个连接面与水平面的夹角记为第四夹角(D)，第四夹角(D)为0～90°；两个运动平台铰链连接件(3-2)的下表面分别贴合两个连接面放置，并通过第四螺纹孔(d)和第五螺纹孔(e)固定运动平台铰链连接件(3-2)和运动平台连接件基座(3-3)，第六螺纹孔(f)作为运动平台铰链连接件(3-2)与弯杆球头杆端关节轴承(5)的连接孔，从而保证初始位置时气动肌肉(2-1)的轴线与弯杆球头杆端关节轴承(5)的轴线垂直并满足运动平台组件(3)铰点分布要求。