CN106002957B - 六自由度全动型运动模拟器机构 - Google Patents

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Abstract

一种六自由度全动型运动模拟器机构，包括座舱、固定基座以及连接于座舱以及固定基座之间的机械支链组，机械支链组包括按3‑2‑1布置的六条机械支链：上下方向驱动座舱的三条上下驱动支链，三条上下驱动支链初始竖直布置于座舱的座椅部以及固定基座之间；前后方向驱动座舱的二条前后驱动支链，二条前后驱动支链布置于座椅部前侧的两腿放置部的下方；左右方向驱动座舱的一条左右驱动支链，一条左右驱动支链初始状态水平或者倾斜地布置于该座椅部的下方；每条机械支链彼此错开，且均与座舱以及固定基座铰接。本发明解耦特性好，有效灵巧工作空间大，不仅占地空间小，而且驱动行程在有限的空间内做得很长。

Description

六自由度全动型运动模拟器机构
技术领域
本发明涉及运动模拟器领域，尤其涉及一种六自由度全动型运动模拟器机构。
背景技术
运动模拟器是一种能真实复现或模拟某种特定运动的机电系统。可广泛应用于工业测试、科学实验、专业技能训练、防灾减灾训练、娱乐等众多领域。如海陆空载具的驾驶模拟及研发测试、航天器的运动模拟、地震模拟、零部件的运动测试、影院动感座椅、游戏运动外设等。
现代运动模拟器始于斯蒂瓦特(Stewart)机构，(参见文献《一种六自由度并联平台》)(D.Stewart.A platform with Six Degrees of freedom.Proc.of the Institutionof Mechanical Engineers.London,UK,1965,180(15):371-386))，由六个输入获得六个输出自由度。这类机构采用并联布置，因而具有承载能力大，刚度高，结构稳定，精度高，加速度大等特点。这种机构是运动模拟领域中最为经典、性能最好的结构，当前的运动模拟器也几乎都采用的是这种Stewart机构。随着运动模拟器进入娱乐行业，一些低端的应用场合开始引入一种3-RPS型三自由度并联机构。
前文所述的两种机构是目前在运动模拟领域中应用最为成熟的机构，现有的成熟运动模拟器基本上都采用的是这两种结构或其延伸。
Stewart结构的运动模拟器具有以下不足：
1、如图5所示，有效工作空间小，Stewart机构的工作空间为一个上大下小的伞形，而且易于奇异，这种伞形工作空间难以利用，对于运动模拟来说，实际的有效工作空间很小；
2、受限于支链的布置方式，机构的灵巧工作空间很小，即移动和旋转复合运动的能力较小，造成对体感复现的失真；
3、由于驱动的布置方式限制，使得6个驱动力高度耦合，给解耦计算带来了困难，不利于机构的控制；
4、由于驱动支链布置方式的限制，占地空间相对较大。
而现有的3-RPS型三自由度机构，其自由度减少了三个，性能与Stewart机构相比差距很大，其体感模拟的失真更大，只是在占地空间上更有优势。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，提供一种六自由度全动型运动模拟器机构，从而解决现有运动模拟器机构在工作空间、灵巧度、解耦性、占地空间等方面的不足和矛盾。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种六自由度全动型运动模拟器机构，包括座舱、固定基座以及连接于所述座舱以及固定基座之间的机械支链组，其特征在于，所述机械支链组包括按3-2-1布置的六条机械支链，所述六条机械支链分为：
上下方向驱动所述座舱的三条上下驱动支链，所述三条上下驱动支链位于所述座舱的座椅部的下方，且初始状态竖直布置于所述座椅部以及固定基座之间；
前后方向驱动所述座舱的二条前后驱动支链，所述二条前后驱动支链初始状态水平或者倾斜地布置于所述座椅部前侧的两腿放置部的下方；
左右方向驱动所述座舱的一条左右驱动支链，所述一条左右驱动支链初始状态水平或者倾斜地布置于该座椅部的下方；
每条机械支链彼此错开，且均与所述座舱以及固定基座铰接。
所述座舱的底部具有支架，所述六条机械支链连接于所述支架与固定基座之间。
所述每条机械支链均包括伸缩杆，所述支架包括框架、第一杆体、第二杆体以及第三杆体；
所述三条上下驱动支链的三根伸缩杆初始竖直布置，且该三根伸缩杆的两端均分别与所述框架以及固定基座铰接，所述框架固定于所述座舱的周向，所述三根伸缩杆与所述框架的连接处分别位于后侧以及前侧两边；
所述二条前后驱动支链的两根伸缩杆左右对称布置于所述两腿放置部的下方，该两根伸缩杆与水平面的夹角为0°-25°，所述两根伸缩杆的一端分别与固定基座铰接，另一端分别与一第一杆体的一端铰接，该第一杆体的另一端与所述座椅部的前侧底部固定，所述两根伸缩杆与第一杆体的铰接处连接第二杆体；
所述一条左右驱动支链的伸缩杆与水平面的夹角为0°-25°，其一端在所述座椅部的左右一侧与所述固定基座铰接，另一端与第三杆体的一端铰接于所述座舱的下方，该第三杆体的另一端与所述座椅部的左右另一侧固定。
所述固定基座上具有与所述六条机械支链的伸缩杆对应的六个支撑脚，所述伸缩杆与所述支撑脚铰接。
所述伸缩杆的两端具有球铰,或者一端为球铰、另一端为虎克铰。
所述机械支链由伺服电机或者液压系统驱动。
本发明的六条机械支链采用3-2-1正交布置，解耦特性好，而且工作空间基本成长方体，十分有利于使用和控制，有效的灵巧工作空间比现有的机构大得多，体感复现的失真低，此外，本发明对六条机械支链进行了巧妙的布置，上下方向驱动的三条上下驱动支链以及左右方向驱动的一条左右驱动支链隐藏在座椅部的下方，前后方向驱动的二条前后驱动支链隐藏在两腿放置部的下方，不仅占地空间小，而且可以让机械支链的驱动行程在有限的空间内做得很长，最终很好地解决了大工作空间、灵巧性和占地空间的矛盾。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：
图1为本发明的立体结构示意图一；
图2为本发明的立体结构示意图二；
图3为本发明的立体结构示意图三；
图4为本发明的侧视结构示意图；
图5为传统Stewart并联运动模拟器机构的工作空间示意图。
具体实施方式
如图1-4所示，一种六自由度全动型运动模拟器机构，包括座舱1100、固定基座1200以及连接于座舱1100以及固定基座1200之间的机械支链组。
座舱1100具有座椅部1110以及位于座椅部1110前侧的两腿放置部1120。
机械支链组包括按3-2-1正交或接近正交布置的六条机械支链1300，即3条一组构成上下驱动支链，2条一组构成前后驱动支链以及1条一组构成左右驱动支链，具体如下：
三条上下驱动支链可在上下方向驱动座舱1100，该三条上下驱动支链位于座舱1100的座椅部1110且初始状态竖直布置于座舱1100的座椅部1110以及固定基座1200之间。
二条前后驱动支链可在前后方向驱动座舱1100，该二条前后驱动支链初始状态水平或者倾斜地布置于座椅部前侧的两腿放置部1120的下方。
一条左右驱动支链可在左右方向驱动座舱1100，该一条左右驱动支链初始状态水平或者倾斜地布置于该座椅部1110的下方。
其中，每条机械支链1300彼此错开，避免彼此干涉，且均与座舱1100以及固定基座1200铰接。
本发明的六条机械支链1300采用3-2-1正交布置，解耦特性好，而且工作空间基本成长方体，十分有利于使用和控制，有效的灵巧工作空间比现有的机构大得多，体感复现的失真低，此外，本发明对六条机械支链1300进行了巧妙的布置，上下方向驱动的三条上下驱动支链1300以及左右方向驱动的一条左右驱动支链1300隐藏在座椅部1110的下方，前后方向驱动的二条前后驱动支链1300隐藏在两腿放置部1120的下方，不仅占地空间小，而且可以让机械支链1300的驱动行程在有限的空间内做得很长，最终很好地解决了大工作空间、灵巧性和占地空间的矛盾。
机械支链1300由伺服电机或者液压系统驱动。
具体地，座舱1100的底部具有支架，六条机械支链1300连接于支架1130与固定基座1200之间。
其中，每条机械支链1300均包括伸缩杆1310，支架包括框架1131、第一杆体1132、第二杆体1133以及第三杆体1134。
三条上下驱动支链的三根伸缩杆1310初始竖直布置，且该三根伸缩杆1310的两端均分别与框架1131以及固定基座1200铰接，框架1131固定于座舱1100的周向，三根伸缩杆1310与框架1131的连接处分别位于后侧以及前侧两边。
二条前后驱动支链的两根伸缩杆1310位于前侧两条上下驱动支链的前方且左右对称布置于两腿放置部1120的下方，该两根伸缩杆1310与水平面的夹角为0°-25°，两根伸缩杆1310的一端分别与固定基座1200铰接，另一端分别与一第一杆体1133的一端铰接，该第一杆体1133的另一端与座椅部1110的前侧底部固定，两根伸缩杆1310与第一杆体1133的铰接处连接第二杆体1133。
一条左右驱动支链的伸缩杆1310位于座椅的下方且位于前侧两条上下驱动支链和后侧一条上下驱动支链之间，该一条左右驱动支链的伸缩杆1310与水平面的夹角为0°-25°，其一端在座椅部1110的左右一侧与固定基座1200铰接，另一端与第三杆体1134的一端铰接于座舱1100的下方，该第三杆体1134的另一端与座椅部1110的左右另一侧固定。
其中，固定基座1200上具有与六条机械支链1300的伸缩杆1310对应的六个支撑脚1210，伸缩杆1310与支撑脚1210铰接。
较佳的，伸缩杆1310的两端具有球铰，其通过球铰与支撑脚1210、框架1131、第一杆体1132、第二杆体1133以及第三杆体1134铰接。当然，伸缩杆1310也可以是一端为球铰，另一端为虎克铰。即在很多情况下，球铰可以用虎克铰串联运动副代替。
但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种六自由度全动型运动模拟器机构，包括座舱、固定基座以及连接于所述座舱以及固定基座之间的机械支链组，其特征在于，所述机械支链组包括六条机械支链，所述六条机械支链分为：
上下方向驱动所述座舱的三条上下驱动支链，所述三条上下驱动支链位于所述座舱的座椅部的下方，且初始状态竖直布置于所述座椅部以及固定基座之间；
前后方向驱动所述座舱的二条前后驱动支链，所述二条前后驱动支链初始状态水平或者倾斜地布置于所述座椅部前侧的两腿放置部的下方；所述二条前后驱动支链的两根伸缩杆左右对称布置于所述两腿放置部的下方；
左右方向驱动所述座舱的一条左右驱动支链，所述一条左右驱动支链初始状态水平或者倾斜地布置于该座椅部的下方；
所述固定基座上具有与所述六条机械支链对应的六个支撑脚；
每条机械支链彼此错开，且均与所述座舱以及所述固定基座上的支撑脚铰接。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度全动型运动模拟器机构，其特征在于，所述座舱的底部具有支架，所述六条机械支链连接于所述支架与固定基座之间。
3.根据权利要求2所述的一种六自由度全动型运动模拟器机构，其特征在于，所述每条机械支链均包括伸缩杆，所述支架包括框架、第一杆体、第二杆体以及第三杆体；
所述三条上下驱动支链的三根伸缩杆初始竖直布置，且该三根伸缩杆的两端均分别与所述框架以及固定基座铰接，所述框架固定于所述座舱的周向，所述三根伸缩杆与所述框架的连接处分别位于后侧以及前侧两边；
所述两根伸缩杆与水平面的夹角为0°-25°，所述两根伸缩杆的一端分别与固定基座铰接，另一端分别与一第一杆体的一端铰接，该第一杆体的另一端与所述座椅部的前侧底部固定，所述两根伸缩杆与第一杆体的铰接处连接第二杆体；
所述一条左右驱动支链的伸缩杆与水平面的夹角为0°-25°，其一端在所述座椅部的左侧与所述固定基座铰接，另一端与第三杆体的一端铰接于所述座舱的下方，该第三杆体的另一端与所述座椅部的右侧固定。
4.根据权利要求3所述的一种六自由度全动型运动模拟器机构，其特征在于，所述伸缩杆的两端具有球铰，或者一端为球铰、另一端为虎克铰。
5.根据权利要求4所述的一种六自由度全动型运动模拟器机构，其特征在于，所述机械支链由伺服电机或者液压系统驱动。
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