CN105427702A - 混联四自由度汽车驾驶模拟平台 - Google Patents

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张骁
李文涛
张利斌
陈鹏
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Abstract

本发明提供一种混联四自由度汽车驾驶模拟平台，包括：旋转机构、旋转机构上方的并联机构、并联机构内部的俯仰机构；本发明将并联机构与串联机构结合起来，并联机构部分提高了运动平台的承载能力和稳定性，减小了运动平台的累计误差；在承载能力需求不高的部分使用了串联机构，减少了运动平台的成本，增大了平台的运动范围；通过这种方式，运动平台的稳定性、承载能力以及精度得到了保障，同时成本也受到了控制，为模拟驾驶平台的使用者提供性价比更高和动感体验更真实的产品。

Description

混联四自由度汽车驾驶模拟平台
技术领域
本发明涉及一种空间四自由度运动平台结构，特别是一种将串联机构与并联机构结合的混联四自由度汽车驾驶模拟平台。
背景技术
在汽车模拟驾驶领域，三自由度运动平台比较常见,此类运动平台能模拟汽车上下坡、加减速、转弯、斜坡行驶和颠簸的状态，这些都是常规的汽车行驶状态，而汽车甩尾、失控时的状态三自由度运动平台无法实现。就目前而言，常规的汽车驾驶模拟平台无法满足使用者对汽车驾驶的逼真的动感体验需求。
目前运动平台领域主要有三种联接形式的平台，分别是：串联平台、并联平台和混联平台。串联平台姿态调整灵活，但累积误差大、承载力弱、稳定性低。并联平台具有承载力强、控制精度高、结构稳定的优点，但其控制难度大、运动范围有限且成本高。设计合理的混联平台可有效避免单一机构的缺点，集成两种机构的优点，具有较大的发展前景。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种混联四自由度汽车驾驶模拟平台。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种混联四自由度汽车驾驶模拟平台，包括：旋转机构、旋转机构上方的并联机构、并联机构内部的俯仰机构；
所述旋转机构包括底部的基座、基座上方平行于基座的转台、与基座转动连接且与转台固定连接的回转支承、带动回转支承转动的同步带、驱动同步带的旋转电机；
所述并联机构包括垂直连接于转台上方的横向对齐的左右导轨，左右导轨之间的侧翻台，固定于侧翻台上方的支架，纵向分别与左、右导轨在一条直线上的左、右电机，左、右电机分别驱动的分别与左右导轨纵向对齐的垂直于转台的左、右丝杠，与左右丝杠分别配合的左、右丝杠螺母，分别与左、右导轨滑动连接的左、右两侧滑块，其中一侧滑块通过连杆与侧翻台的一侧铰接，另一侧滑块与侧翻台另一侧直接铰接；
所述俯仰机构包括侧翻台上方的和支架铰接的座椅，左导轨和右导轨之间的固定于侧翻台上的纵向导轨，与纵向导轨滑动配合的纵向滑块，位于座椅底部和纵向滑块之间的支撑杆，位于左导轨和右导轨之间的俯仰电机，俯仰电机驱动的纵向延伸的纵向丝杠，与纵向丝杠配合的纵向丝杠螺母，所述纵向滑块与纵向丝杠螺母固定连接，所述支撑杆两端分别与座椅和纵向滑块铰接。
作为优选方式，所述左导轨为左电机两侧纵向布置的两个左导轨，所述右导轨为右电机两侧纵向布置的两个右导轨，所述4个导轨在所述转台上矩形设置。
作为优选方式，所述两个左导轨之间、两个右导轨之间分别设有纵向延伸的长条。通过长条增加了导轨的稳定性。
作为优选方式，所述支架在座椅两侧横向对称设置，所述座椅的靠背部分与所述支架铰接。
作为优选方式，所述旋转电机、左电机、右电机、俯仰电机为伺服电机。
作为优选方式，所述伺服电机与四轴运动控制卡连接，所述伺服电机上设有减速器。
作为优选方式，左导轨和/或右导轨上设有位置传感器。
所述旋转机构中，基座与转台通过回转支承转动连接，旋转电机驱动同步带带动转台旋转，可实现平台绕Z轴的旋转运动。
所述并联机构中，左电机驱动左丝杠及与左丝杠配合的丝杠螺母，可实现左滑块沿Z轴的直线运动；右电机驱动右丝杠及与右丝杠配合的丝杠螺母，可实现右滑块沿Z轴的直线运动；通过控制左滑块与右滑块的位置，可实现平台绕X轴的旋转运动和沿Z轴的直线运动。
侧翻台是并联机构的输出机构，侧翻台能实现上下移动和侧翻，而座椅安装在侧翻台上方，这样驾驶者才能感受到上下移动和侧翻，左右滑块上下移动的速度一样时侧翻台上下移动，左右滑块上下移动的速度不一样时侧翻台发生侧翻运动，支架的形式可以有很多种，比如说，支架可以是三角形的可以说是矩形的，也可以是圆柱形的。
所述俯仰机构中，俯仰电机驱动纵向丝杠及与纵向丝杠配合的丝杠螺母，推动纵向滑块沿纵向导轨做直线运动，从而推动与纵向滑块及座椅之间的铰链点转动，实现了平台绕Y轴的旋转运动。
与现有技术相比，本发明通过实现四个自由度的运动来模拟汽车上下坡、加减速、转弯、斜坡行驶、颠簸、甩尾等行驶状态，不仅能模拟汽车的常规行驶状态，还能模拟汽车失控时甩尾、原地旋转的行驶状态，为模拟器驾驶者提供更为真实的动态体验。
本发明的有益效果为：本发明将并联机构与串联机构(包括旋转机构和俯仰机构)结合起来，并联机构部分提高了运动平台的承载能力和稳定性，减小了运动平台的累计误差；在承载能力需求不高的部分使用了串联机构，减少了运动平台的成本，增大了平台的运动范围。通过这种方式，运动平台的稳定性、承载能力以及精度得到了保障，同时成本也受到了控制，为模拟驾驶平台的使用者提供性价比更高和动感体验更真实的产品。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的主视结构示意图；
图3是本发明的侧视结构示意图；
图4是本发明的俯视结构示意图。
1为基座，2为同步带，3为转台，4为旋转电机，5为右电机，6为侧翻台，7为右滑块，8为座椅，9为左滑块，10为连杆，11为右导轨，12为左电机，13为回转支承，14为纵向导轨，15为纵向滑块，16为纵向丝杠螺母，17为支撑杆，18为左导轨，19为左丝杠螺母，20为右丝杠螺母，21为俯仰电机，22为左丝杠，23为右丝杠，24为纵向丝杠，25为长条，26为支架。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图所示，一种混联四自由度汽车驾驶模拟平台，包括：旋转机构、旋转机构上方的并联机构、并联机构内部的俯仰机构；
所述旋转机构包括底部的基座1、基座上方平行于基座的转台3、与基座转动连接且与转台3固定连接的回转支承13、带动回转支承转动的同步带2、驱动同步带的旋转电机4；
所述并联机构包括垂直连接于转台上方的横向对齐的左右导轨18、11，左右导轨18、11之间的侧翻台6，固定于侧翻台上方的支架26，纵向分别与左、右导轨在一条直线上的左、右电机12、5，左、右电机分别驱动的分别与左右导轨纵向对齐的垂直于转台的左、右丝杠22、23，与左右丝杠分别配合的左、右丝杠螺母19、20，分别与左、右导轨滑动连接的左、右两侧滑块9、7，其中一侧滑块通过连杆10与侧翻台的一侧铰接，另一侧滑块与侧翻台另一侧直接铰接；所述左导轨为左电机两侧纵向布置的两个左导轨，所述右导轨为右电机两侧纵向布置的两个右导轨，所述4个左右导轨在所述转台上矩形设置。所述两个左导轨之间、两个右导轨之间分别设有纵向延伸的长条25，通过长条25增加了导轨的稳定性。所述支架在座椅两侧横向对称设置，所述座椅的靠背部分与所述支架铰接。
所述俯仰机构包括侧翻台上方的和支架26铰接的座椅8，左导轨和右导轨之间的固定于侧翻台上的纵向导轨14，与纵向导轨滑动配合的纵向滑块15，位于座椅底部和纵向滑块之间的支撑杆17，位于左导轨和右导轨之间的俯仰电机21，俯仰电机驱动的纵向延伸的纵向丝杠24，与纵向丝杠24配合的纵向丝杠螺母16，所述纵向滑块15与纵向丝杠螺母16固定连接，所述支撑杆两端分别与座椅和纵向滑块铰接。
所述旋转电机、左电机、右电机、俯仰电机为伺服电机。所述伺服电机与四轴运动控制卡连接，所述伺服电机上设有减速器。左导轨和/或右导轨上设有位置传感器。通过计算机编写的控制程序，向四轴运动控制卡发出指令，运动控制卡将指令转化为运动控制信号。四个电机根据控制信号分别运动或同时运动，实现平台的四个自由度运动以及复合运动。
所述旋转机构中，基座与转台通过回转支承转动连接，旋转电机驱动同步带带动转台旋转，可实现平台绕Z轴的旋转运动。由于平台重心并不在型心，所以绕Z轴的旋转可以为驾驶者提供汽车甩尾时的重力感受。
所述并联机构中，左电机驱动左丝杠及与左丝杠配合的丝杠螺母，可实现左滑块沿Z轴的直线运动；右电机驱动右丝杠及与右丝杠配合的丝杠螺母，可实现右滑块沿Z轴的直线运动；通过控制左滑块与右滑块的位置，可实现平台绕X轴的旋转运动和沿Z轴的直线运动。
侧翻台是并联机构的输出机构，侧翻台能实现上下移动和侧翻，而座椅安装在侧翻台上方，这样驾驶者才能感受到上下移动和侧翻，左右滑块上下移动的速度一样时侧翻台上下移动，左右滑块上下移动的速度不一样时侧翻台发生侧翻运动(绕X轴做旋转运动)，支架的形式可以有很多种，比如说，支架26可以是三角形的可以说是矩形的，也可以是圆柱形的。通过控制左电机12和右电机5的速度，可分别实现两种自由度的运动，沿Z轴的直线运动可模拟汽车行驶时的颠簸，绕X轴的旋转运动可模拟汽车转弯、斜坡行驶时的状态。
所述俯仰机构中，俯仰电机驱动纵向丝杠及与纵向丝杠配合的丝杠螺母，推动纵向滑块沿纵向导轨做直线运动，从而推动与纵向滑块及座椅之间的支撑杆沿铰链点转动，通过支撑杆17推动座椅8绕Y轴做旋转运动，实现了平台绕Y轴的旋转运动，绕Y轴的旋转运动可模拟汽车上下坡、加减速等行驶状态的感受。
与现有技术相比，本发明通过实现四个自由度的运动来模拟汽车上下坡、加减速、转弯、斜坡行驶、颠簸、甩尾等行驶状态，不仅能模拟汽车的常规行驶状态，还能模拟汽车失控时甩尾、原地旋转的行驶状态，为模拟器驾驶者提供更为真实的动态体验。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种混联四自由度汽车驾驶模拟平台，其特征在于，包括：旋转机构、旋转机构上方的并联机构、并联机构内部的俯仰机构；
所述旋转机构包括底部的基座、基座上方平行于基座的转台、与基座转动连接且与转台固定连接的回转支承、带动回转支承转动的同步带、驱动同步带的旋转电机；
所述并联机构包括垂直连接于转台上方的横向对齐的左右导轨，左右导轨之间的侧翻台，固定于侧翻台上方的支架，纵向分别与左、右导轨在一条直线上的左、右电机，左、右电机分别驱动的分别与左右导轨纵向对齐的垂直于转台的左、右丝杠，与左右丝杠分别配合的左、右丝杠螺母，分别与左、右导轨滑动连接的左、右两侧滑块，其中一侧滑块通过连杆与侧翻台的一侧铰接，另一侧滑块与侧翻台另一侧直接铰接；
所述俯仰机构包括侧翻台上方的和支架铰接的座椅，左导轨和右导轨之间的固定于侧翻台上的纵向导轨，与纵向导轨滑动配合的纵向滑块，位于座椅底部和纵向滑块之间的支撑杆，位于左导轨和右导轨之间的俯仰电机，俯仰电机驱动的纵向延伸的纵向丝杠，与纵向丝杠配合的纵向丝杠螺母，所述纵向滑块与纵向丝杠螺母固定连接，所述支撑杆两端分别与座椅和纵向滑块铰接。
2.根据权利要求1所述的混联四自由度汽车驾驶模拟平台，其特征在于：所述左导轨为左电机两侧纵向布置的两个左导轨，所述右导轨为右电机两侧纵向布置的两个右导轨，所述4个导轨在所述转台上矩形设置。
3.根据权利要求2所述的混联四自由度汽车驾驶模拟平台，其特征在于：所述两个左导轨之间、两个右导轨之间分别设有纵向延伸的长条。
4.根据权利要求1所述的混联四自由度汽车驾驶模拟平台，其特征在于：所述支架在座椅两侧横向对称设置，所述座椅的靠背部分与所述支架铰接。
5.根据权利要求1所述的混联四自由度汽车驾驶模拟平台，其特征在于：所述旋转电机、左电机、右电机、俯仰电机为伺服电机。
6.根据权利要求5所述的混联四自由度汽车驾驶模拟平台，其特征在于：所述伺服电机与四轴运动控制卡连接，所述伺服电机上设有减速器。
7.根据权利要求1所述的混联四自由度汽车驾驶模拟平台，其特征在于：左导轨和/或右导轨上设有位置传感器。
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