CN108908300B - 一种两转动一平动的三自由度运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两转动一平动的三自由度运动平台，属于运动仿真领域，该运动平台在上平台和下平台上各具有三个呈等腰三角形分布的铰链安装点，两个等腰三角形相似且顶角朝向一致；上平台上的等腰三角形的高的中垂线上设有一个固定点和一个直线滑轨；直线滑轨沿等腰三角形的高的中垂线方向布置；三个位姿调节缸上下两端连接上平台和下平台上对应的铰链安装点；两个伸缩限位件的下端固定于下平台上的等腰三角形的高的中垂线上，上端分别连接固定点和直线滑轨的滑块。本发明能够实现绕X轴、Y轴的转动以及Z轴方向的平动的三自由度运动仿真，从而适用于模拟船舶在海面上系泊时的横摇、纵摇和垂荡等两转动一平动的场景。

Description

一种两转动一平动的三自由度运动平台

技术领域

本发明属于运动仿真领域，更具体地，涉及一种两转动一平动的三自由度运动平台。

背景技术

随着运动仿真技术的不断提高，近年来少自由度运动平台被广泛的研究及应用，其与六自由度运动平台相比具有运动正解容易得到，结构简单，成本更低，运动耦合较弱，容易解耦等优势。

然而现有的三自由度平台承载能力较弱，运动空间较小，运动副选用不当导致加工及安装难度加大，影响了机构的工作精度和使用寿命，且目前的三自由度运动平台多为两平动一转动运动平台或三转动运动平台。

本文提出了一种具有两转动一平动的三自由度运动平台，该平台具有较大的承载能力和较广的运动空间，能够运用于许多场景，如模拟船舶在海面上系泊时的横摇、纵摇和垂荡等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两转动一平动的三自由度运动平台，其目的之一在于，通过三个位姿调节机构及两个伸缩限位机构的设计，实现绕X轴、Y轴的转动以及Z轴方向的平动的三自由度运动仿真，从而适用于模拟船舶在海面上系泊时的横摇、纵摇和垂荡等两转动一平动的场景。

为了实现上述目的，本发明提供了一种两转动一平动的三自由度运动平台，包括：上平台、下平台、直线滑轨、两个伸缩限位件、两个浮动接头、三个位姿调节缸，以及多个十字铰链；

在上平台和下平台上各具有三个铰链安装点，均呈等腰三角形分布；上平台和下平台上的等腰三角形相似，且顶角朝向一致；上平台上的等腰三角形的高的中垂线上设有一个固定点和一个直线滑轨；直线滑轨沿等腰三角形的高的中垂线方向布置；

三个位姿调节缸均能实现伸缩运动和绕自身轴线回转运动，每个位姿调节缸上下两端各通过一个十字铰链连接上平台和下平台上对应的铰链安装点；

两个伸缩限位件竖直设置，位置关于下平台上的等腰三角形的高对称；两个伸缩限位件的下端固定于下平台上的等腰三角形的高的中垂线上，上端各连接一个浮动接头；其中一个浮动接头上端连接固定点，另一个浮动接头上端连接直线滑轨的滑块。

本发明的另一目的在于，通过对负载进行重力平衡，提升位姿调节缸的控制精度。为了实现该目的，进一步地，本发明的三自由度运动平台中，两个伸缩限位件均为电动缸或液压缸，用于进行重力平衡。

进一步地，还包括：垫块，垫块下表面的高度与直线滑轨的滑块下表面高度一致。

本发明的另一目的在于，提高能量利用率，实现能量的二次利用。为了实现该目的，进一步地，本发明的三自由度运动平台还包括：高压蓄能器；高压蓄能器位于两个伸缩限位件下端连线的中点，用于收集和贮存上平台下降时产生的部分机械能，并在上平台上升时释放，从而辅助提供支撑力。

进一步地，两个伸缩限位件下端均设有支撑柱，以将两个伸缩限位件垫高且高度相等。

进一步地，上平台和下平台的铰链安装点均为凸起的柱状结构，且安装平面倾斜设置；上平台和下平台上位置对应的铰链安装点的安装平面互相平行。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、将本发明中上平台等腰三角形的高所在直线作为Y轴，而等腰三角形的高的中垂线作为X轴，建立笛卡尔坐标系；按照本发明所设计的结构可知，由于两个伸缩限位杆的限制，上平台不能沿X轴、Y轴方向平动，也不能绕Z轴转动，只能绕X轴、Y轴转动和沿Z轴平动，从而实现两转动一平动的模拟，能够适用于模拟船舶在海面上系泊时的横摇、纵摇和垂荡等两转动一平动的场景。

2、平台各个部分设计合理，充分满足了两转动一平动的运动要求，在保证平台较大运动范围条件下，减小了平台整体的结构尺寸，同时也保证了平台良好的运动特性。

3、平台各个部分由简单的机构组成，对平台整体零件的加工要求不高，既能够减小加工成本同时也降低了对安装精度的需求。

4、引入了伸缩限位件对平台的自由度进行约束，与起其他防扭机构相比很好的改善了平台的受力，同时因为采用滑块机构与伸缩限位件连接的结构使得平台对于安装的精度要求并不高，减小了平台在运动的过程中因加工误差及配合精度而造成的实际运动误差。而由于利用滑块机构与伸缩限位件连接，合理分配了约束，部件的受力情况较好，整体刚度大，能够满足长时间工作的需要，并且具有较大的运动范围。

5、由于将伸缩限位件设为电动缸或液压缸来提供支撑力，平衡了上平台及其负载的重力，位姿调节缸不需要考虑竖直方向的重力支撑，因此在位姿调节缸功率较小条件下即可对大质量的货物运动进行补偿或模拟，同时可以减少因杆件变形而引起的误差，从而提高控制精度。

6、高压蓄能器能够很好的应用在电动缸或液压缸上，将上平台在下落过程中产生的部分机械能储存在高压蓄能器中，并在上升过程中释放，辅助提供支撑力，既减少了对电动缸、液压缸上升时提供能量的需要，又对能量进行了二次利用。

7、本发明的三自由度平台加入了伸缩限位件，使其控制精度和承载能力得到提升。同时也对平台的连接和可控性能进行优化，开发出结构刚度更大，结构尺寸更简单，承载能力更强，运行过程中更加节能，控制精度更高，空间运动范围更大，位姿精度更高，响应更快、可靠性更高的三自由度运动平台。

附图说明

图1是本发明优选实施例的三自由度运动平台的爆炸图；

图2是图1中位姿调节缸上、下十字铰链示意图；

图3是图1中伸缩限位件球铰链示意图；

图4是图1中连接上平台导轨滑块示意图；

图5是图1中伸缩限位件球铰与导轨滑块连接爆炸图；

图6是图1中位姿调节缸示意图；

图7是图1组装后的整体示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-上平台，2-垫块，3、4、11-位姿调节缸，5-高压蓄能器，6-蓄能器安装支架，7-下平台，8-直线滑轨，9、10-伸缩限位件，12-上平台连接铰链，13-浮动接头支座，14-浮动接头固定板，15-浮动接头,16-下平台连接铰链。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合附图1～7对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明优选实施例的三自由度平台包括：上平台1，垫块2，位姿调节缸3、4、11，高压蓄能器5，蓄能器安装支架6，下平台7，直线滑轨8，伸缩限位件9、10，上平台连接铰链12，浮动接头支座13，浮动接头固定板14，浮动接头15，下平台连接铰链16。

在上平台1和下平台7上各具有三个铰链安装点，均呈等腰三角形分布。上平台1和下平台7上的等腰三角形相似，且顶角朝向一致。三个位姿调节缸3、4、11均能实现伸缩运动和绕自身轴线回转运动，每个位姿调节缸上端通过连接铰链12、下端通过连接铰链16分别连接上平台1和下平台7上对应的铰链安装点。

伸缩限位装置竖直支撑于上平台1和下平台7的两个等腰三角形之间，伸缩限位装置下端固定于下平台7上，上端浮动连接上平台1。本实施例的伸缩限位装置包括两个伸缩限位件9、10、两个浮动接头支座13，以及直线滑轨8。上平台1上的等腰三角形的高的中垂线上设有一个固定点和一个直线滑轨8。直线滑轨8沿等腰三角形的高的中垂线方向布置。

两个伸缩限位件9、10竖直设置，位置关于下平台7上的等腰三角形的高对称。两个伸缩限位件9、10的下端固定于下平台7上的等腰三角形的高的中垂线上，上端各连接一个浮动接头15。其中一个浮动接头15上端连接固定点，另一个浮动接头15上端连接直线滑轨8的滑块。

优选地，本实施例的三个位姿调节缸3、4、11均为电动缸。两个伸缩限位件9、10均为液压缸。高压蓄能器5为液压蓄能器，用于收集和贮存上平台1下降时产生的部分机械能，并在上平台1上升时释放，从而辅助提供支撑力。

本实施例中，两个伸缩限位件9、10下端均设有支撑柱，以将两个伸缩限位件9、10垫高且高度相等，从而可以在同等强度下进一步缩小所选液压缸的尺寸，降低成本。垫块2下表面的高度与直线滑轨8的滑块下表面高度一致。

在本实施例中，为了降低位姿调节缸的安装及控制难度，降低承载强度，上平台1和下平台7的铰链安装点均为凸起的柱状结构，且安装平面倾斜设置；平台1和下平台7上位置对应的铰链安装点的安装平面互相平行，从而使得三个位姿调节缸均为倾斜安装。

本发明的主要设计原理如下：

控制三只电动缸和两个伸缩限位件的伸缩长度，能够使运动平台绕X轴和Y轴转动以及沿Z轴平动。其中增加一个带滑块的导轨使其与一个伸缩限位件相连，是为了保证运动平台能够绕Y轴转动。增加2号部件垫块是为了保证平台在初始位置时，两个伸缩限位件的球铰处于同一水平位置，方便了对平台的运动规划。

电动缸采用十字铰链(图2所示)与上、下平台连接，十字铰链具有刚度大、结构稳定的特点。铰链安装点分别呈等腰三角形分布于上平台和下平台。上下支座与水平面成一定倾角布置，能够改善支座受力。

沿Y轴方向对称的两个伸缩限位件位于等腰三角形高的中垂线上，约束绕Z轴的转动和沿X轴和Y轴的平动，每个伸缩限位件包括液压缸和液压缸的活塞杆。伸缩限位件与下平台固定在一起，一侧的伸缩限位件与上平台通过球铰连接，另一侧的伸缩限位件通过球铰和导轨滑块与上平台连接补偿了绕Y轴的转动，两侧的伸缩限位件采用完全相同的设计以减少加工成本，同时可伸缩的缸杆补偿了加工及配合误差降低了安装难度，对称布置能够合理分配受力。

伸缩限位装置由液压缸(图1中9、10号部件)和高压蓄能器(图1中5、6号部件)组成，蓄能器在系统工作时保持一定的压力，液压缸产生向上的支撑力以平衡动平台和货物的重量。高压蓄能器位于两重力平衡装置的中点，下端与下平台固连，活塞杆可以沿Z方向伸缩，采用球铰(图5所示)与动平台连接。实现了绕X轴转动及Z轴平动并能够约束X方向和Y方向上的平动以及Z方向上的转动，在一侧加入了导轨滑块使其补偿了绕Y轴的转动。

在其他实施例中(未图示)，也可以直接利用高压蓄能器5进行蓄能。高压蓄能器5位于两个伸缩限位件9、10下端连线的中点，用于收集和贮存上平台1下降时产生的部分机械能，并在上平台1上升时释放，从而辅助提供支撑力。

在其他实施例中(未图示)，对于负载较小的模拟场景，伸缩限位件(9、10)也可以只具备伸缩功能而不具备重力支撑功能，此时伸缩限位件为任意常见的伸缩结构均可，例如伸缩杆。与本发明的优选实施例相比，本实施例由位姿调节缸承受负载重力，但是仍能够实现两转动一平动的三自由度仿真运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种两转动一平动的三自由度运动平台，其特征在于，包括：上平台(1)、下平台(7)、直线滑轨(8)、两个伸缩限位件(9、10)、两个浮动接头(15)、三个位姿调节缸(3、4、11)，以及多个十字铰链(12，16)；

在上平台(1)和下平台(7)上各具有三个铰链安装点，均呈等腰三角形分布；上平台(1)和下平台(7)上的等腰三角形相似，且顶角朝向一致；上平台(1)上的等腰三角形的高的中垂线上设有一个固定点和一个直线滑轨(8)；直线滑轨(8)沿等腰三角形的高的中垂线方向布置；

三个位姿调节缸(3、4、11)均能实现伸缩运动和绕自身轴线回转运动，每个位姿调节缸上下两端各通过一个十字铰链(12，16)连接上平台(1)和下平台(7)上对应的铰链安装点；

两个伸缩限位件(9、10)竖直设置，位置关于下平台(7)上的等腰三角形的高对称；两个伸缩限位件(9、10)的下端固定于下平台(7)上的等腰三角形的高的中垂线上，上端各连接一个浮动接头(15)；其中一个浮动接头(15)上端连接固定点，另一个浮动接头(15)上端连接直线滑轨(8)的滑块。

2.如权利要求1所述的一种两转动一平动的三自由度运动平台，其特征在于，两个伸缩限位件(9、10)均为电动缸或液压缸，用于进行重力平衡。

3.如权利要求1所述的一种两转动一平动的三自由度运动平台，其特征在于，还包括：垫块(2)，垫块(2)下表面的高度与直线滑轨(8)的滑块下表面高度一致。

4.如权利要求1～3任意一项所述的一种两转动一平动的三自由度运动平台，其特征在于，还包括：高压蓄能器(5)；高压蓄能器(5)位于两个伸缩限位件(9、10)下端连线的中点，用于收集和贮存上平台(1)下降时产生的部分机械能，并在上平台(1)上升时释放，从而辅助提供支撑力。

5.如权利要求1～3任意一项所述的一种两转动一平动的三自由度运动平台，其特征在于，两个伸缩限位件(9、10)下端均设有支撑柱，以将两个伸缩限位件(9、10)垫高且高度相等。

6.如权利要求1～3任意一项所述的一种两转动一平动的三自由度运动平台，其特征在于，上平台(1)和下平台(7)的铰链安装点均为凸起的柱状结构，且安装平面倾斜设置；上平台(1)和下平台(7)上位置对应的铰链安装点的安装平面互相平行。

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