CN109606755B - 可平衡负载的六维运动模拟舱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可平衡负载的六维运动模拟舱，包括三足机架、配重机构、并联调姿稳定机构和模拟舱，配重机构位于三足机架的足部上，配重机构包括重物、牵引绳、大导轮和小导轮，重物能沿三足机架的足部上下移动，牵引绳的第一端与重物连接，牵引绳的第二端依次绕过大导轮和小导轮后与并联调姿稳定机构的下平台固连，并联调姿稳定机构包括上平台、六个直线驱动分支和下平台，三足机架的中心与上平台固连，直线驱动分支的两端通过球铰分别与上平台和下平台相连，每个足部两侧的两个直线驱动分支构成一组直线驱动，每组直线驱动、上平台和下平台组成闭环支链，模拟舱的顶部与下平台固连。可用于运动模拟，还可用来平衡因海浪颠簸造成的船身复杂运动。

Description

可平衡负载的六维运动模拟舱

技术领域

本发明涉及一种模拟舱，具体的，涉及一种可平衡负载的六维运动模拟舱。

背景技术

在地面模拟、海上风浪平衡等试验中，六维运动模拟舱可以真实的再现物体的空间运动状态，体现其运动学和动力学特性，六维运动模拟舱应用的越来越广泛。传统六维运动模拟器体积较小，试验对象体积有限，且当六维运动模拟器处于极限位置时运动学特性较差，特别是在运动模拟器负载较大的情况下，当六维运动模拟器运行到极限位置时，动力学特性急剧恶化，容易导致意外事故的发生，且传统的六维运动模拟器有效工作空间小，很多时候难以满足运动模拟或平衡试验的要求。因此研发一种承载能力大、极限位置运动学特性好、安全性高、可平衡负载的六维运动模拟舱是很有意义的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可平衡负载的六维运动模拟舱，其能让舱体落到地面、工作空间大，且可以适应不同环境、满足多种需求。

本发明是这样实现的：

一种可平衡负载的六维运动模拟舱，其包括三足机架、配重机构、并联调姿稳定机构和模拟舱，所述配重机构位于所述三足机架的足部上，所述配重机构包括重物、牵引绳、大导轮和小导轮，所述重物能沿所述三足机架的足部上下移动，所述牵引绳的第一端与所述重物连接，所述牵引绳的第二端依次绕过所述大导轮和小导轮后与所述并联调姿稳定机构的下平台固连，所述并联调姿稳定机构包括上平台、六个直线驱动分支和下平台，所述三足机架的中心与所述上平台固连，所述直线驱动分支的两端通过球铰分别与所述上平台和下平台相连，每个足部两侧的两个直线驱动分支构成一组直线驱动，六个直线驱动分支构成三组直线驱动，每组直线驱动、上平台和下平台组成闭环支链，所述模拟舱的顶部与所述下平台固连，当模拟舱处于装载位置时，所述闭环支链中的两个直线驱动分支的轴线平行。

优选地，所述三足机架包括中心框架和三个足部，所述上平台的上表面与所述中心框架固连，所述足部包括竖直立柱和水平梁，所述水平梁的第一端与所述竖直立柱固连，所述水平梁的第二端固定在所述中心框架上，三个所述水平梁均布在所述中心框架的边上，所述重物能沿竖直立柱上下移动，所述大导轮和小导轮固定在所述水平梁上。

优选地，所述竖直立柱上设有多个孔，用于观察重物的位置。

优选地，所述水平梁上设有孔，所述牵引绳的第二端穿过孔后与所述下平台固连。

优选地，所述牵引绳与所述下平台的固定点位于每组直线驱动的两个直线驱动分支之间。

优选地，所述直线驱动分支为液压缸或电动缸。

优选地，所述中心框架为六边形框架，三个所述水平梁均布在所述六边形框架的相互间隔的三个边上。

优选地，所述模拟舱的形状为六棱柱，其中一个侧面上设有门，六棱柱的边与所述六边形框架的边平行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的可平衡负载的六维运动模拟舱承载能力大、极限位置运动学特性好、安全性高、可平衡负载，而且能让模拟舱落到地面、工作空间大，且可以适应不同环境、满足多种需求。

(2)本发明的六维运动模拟舱的六个直线驱动分支伸出杆的伸出长度不同时，可以让运动模拟舱实现不同的姿态，本发明不仅可用于运动模拟，还可用来平衡因海浪颠簸造成的船身复杂运动，该运动模拟舱可作为船用稳定方舱，用来进行医疗手术等。

(3)本发明含有三组配重机构，当模拟舱处于最高位置时，六个直线驱动分支的轴线在竖直方向上的分量较小，此时直线驱动分支的出力较大，配重机构产生的三个分力作用在并联调姿稳定机构的下平台，可以极大的改善模拟舱在最高位置时的六个直线驱动分支受力状况。在模拟舱进行模拟运动时，三根牵引绳上的牵引力作用在并联调姿稳定机构的下平台上，可以平衡掉一部分模拟舱和并联调姿稳定机构自身的重力，改善直线驱动分支的出力情况，提高模拟舱的承载能力。

(4)本发明中的模拟舱在工作过程中不至于上升过高，模拟舱的工作空间不超过三足机架的外包络轮廓，安全性更好。在非工作状态下，模拟舱可完全落至地面上，方便人员及设备的进出。

附图说明

图1为本发明的可平衡负载的六维运动模拟舱的结构示意图；

图2为本发明的三组机架的结构示意图；

图3为本发明的配重机构的结构示意图；

图4为本发明的并联调姿稳定机构的结构示意图；

图5为本发明的非工作状态的立体示意图；

图6为本发明的俯视图。

图中：1、三足机架；2、配重机构；3、模拟舱；4、并联调姿稳定机构、101、竖直立柱；102、水平梁；103、中心框架；201、重物；202、牵引绳；203、大导轮；204、小导轮；401、下平台；402、直线驱动分支；403、上平台。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，一种可平衡负载的六维运动模拟舱，其包括三足机架1、配重机构2、并联调姿稳定机构4和模拟舱3，配重机构2位于三足机架1的足部上，如图3所示，配重机构2包括重物201、牵引绳202、大导轮203和小导轮204，重物201能沿三足机架1的足部上下移动，牵引绳202的第一端与重物201连接，牵引绳202的第二端依次绕过大导轮203和小导轮204后与并联调姿稳定机构的下平台401固连，牵引绳通过大导轮和小导轮的导向牵引重物201沿三组机架1的足部上下移动。如图4所示，并联调姿稳定机构4包括上平台403、六个直线驱动分支402和下平台401，三足机架1的中心与上平台403固连，直线驱动分支402的两端通过球铰分别与上平台403和下平台401相连，每个足部两侧的两个直线驱动分支402为一组直线驱动，六个直线驱动分支402构成三组直线驱动，每组直线驱动、上平台403和下平台401组成闭环支链，形成三个闭环支链，模拟舱3的顶部与下平台401固连。

当模拟舱3处于装载位置，即最低位置时，每个闭环支链中的两个直线驱动分支402的轴线平行。给模拟舱3一个目标姿态时，直线驱动分支402通过调节伸出杆的长度来改变并联调姿稳定机构4的下平台姿态。因为并联调姿稳定机构4的下平台401与模拟舱3固连，所以模拟舱3的位姿改变，进而达到要求的目标姿态。

当模拟舱3进行模拟运动时，根据要求的模拟舱3姿态计算出直线驱动分支402伸出杆的伸出长度，因为并联调姿稳定机构4的上平台403和三足机架1的中心固定在一起，所以并联调姿稳定机构4的下平台401可以实现六个自由度的运动，模拟舱3与并联调姿稳定机构4的下平台401固连在一起，因此模拟舱3可以实现六个自由度的模拟运动。当模拟舱3进行六维运动模拟时，重物201的重力通过牵引绳作用在并联调姿稳定机构的下平台401上，三根牵引绳202上的牵引力就是三个重物201的重力，该牵引力可以平衡掉一部分模拟舱3和并联调姿稳定机构下平台401自身的重力，因此可以显著减小直线驱动分支402的出力，提高模拟舱3的承载能力。

如图2所示，三足机架1包括中心框架103和三个足部，上平台403的上表面与中心框架103固连，足部包括竖直立柱101和水平梁102，水平梁102的第一端与竖直立柱101固连，水平梁102的第二端固定在中心框架103上，三个水平梁102均布在中心框架103的边上，并联调姿稳定机构4的上平台403与中心框架103固定在一起，重物201能沿竖直立柱101上下移动，大导轮203和小导轮204固定在水平梁102上。竖直立柱101上设有多个孔，用于观察重物201的位置。水平梁102上设有孔，牵引绳202的第二端穿过孔后与下平台401固连。当模拟舱3进行模拟运动时，根据要求的模拟舱3姿态计算出直线驱动分支402伸出杆的伸出长度，因为并联调姿稳定机构4的上平台403和三足机架1的中心框架103固定在一起，所以上平台403固定不动，下平台401可以实现六个自由度的运动，由于，模拟舱3与并联调姿稳定机构4的下平台401固连在一起，因此模拟舱3可以实现六个自由度的模拟运动。在调姿的过程中，随着下平台的六个自由度的运动，牵引绳的第二端位置进行变化，通过大导轮和小导轮的导向，牵引重物201沿着竖直立柱101上下移动，通过竖直立柱101上的多个孔可时刻观察重物201的位置。同时，重物201通过自身重力的牵引，也能起到辅助模拟舱3稳定的作用。

优选地，牵引绳202与下平台401的固定点位于每组直线驱动的两个直线驱动分支之间，且靠近下平台401的中心。在模拟舱3进行模拟运动时，直线驱动分支402伸出杆的伸出一定的长度进行调姿，牵引绳202随着下平台401的运动而牵引重物201沿着三组机架1的竖直立柱101上下移动。三根牵引绳与下平台的固定点均匀分布，且均位于每组直线驱动的两个直线驱动分支之间，有利于重物的牵引力的均衡，实现模拟舱受力的平衡，保持稳定。

优选地，直线驱动分支402为液压缸或电动缸。

优选地，中心框架103为六边形框架，三个水平梁102均布在六边形框架的相互间隔的三个边上。模拟舱3的形状为六棱柱，其中一个侧面上设有门，六棱柱的边与六边形框架的边平行。

优选的，中心框架也可以为圆形框架，模拟舱为圆柱形，中心框架与模拟舱的圆心同轴。中心框架和模拟舱采用规则的形状，有利于受力的均衡，便于进行模拟运动时并联调姿稳定机构4的调姿，以及保持模拟舱3的稳定。

在本实施例中，三足机架1包括中心的六边形框架、水平梁102和竖直立柱101，竖直立柱101的上部与水平梁102结合，六边形框架两个不相邻的边与三足机架1中的水平梁102结合，三足机架1的每个足部上安装有一组配重机构2。每组配重机构2包括重物201、牵引绳202、大导轮203和小导轮204，大导轮203安装在竖直立柱101与水平梁102的结合处，小导轮204安装在水平梁102的中部，牵引绳202的第一端连接重物201，绕过大导轮203和小导轮204，第二端通过水平梁102上的孔后连接在并联调姿稳定机构4的下平台401上，牵引绳与下平台的固定点靠近下平台的中心位置。重物201可以沿着竖直立柱101外侧上下移动，通过竖直立柱上的孔可观察到重物201的位置。并联调姿稳定机构4包括上平台403、六个直线驱动分支402和下平台401，并联调姿稳定机构4的上平台403的上表面与三足机架中的六边形框架的底部固连在一起，下平台401的下表面与模拟舱3固连，六个直线驱动分支402的两端分别通过球铰与上平台和下平台连接，六个直线驱动分支实现下平台的六自由度运动。

模拟舱3为六棱柱型，模拟舱3的横截面的六边形边与六边形框架的六个边平行，并联调姿稳定机构4中位于三足机架1每足两侧的两个直线驱动分支402为一组直线驱动，一组直线驱动、上平台403、下平台401组成闭环支链，并形成三个闭环支链，如图5所示，当模拟舱3处于最低位置时，每个闭环支链中的两个直线驱动分支402的轴线平行。给模拟舱3一个目标姿态时，直线驱动分支402通过调节伸出杆的长度来改变并联调姿稳定机构4的下平台姿态。因为并联调姿稳定机构4的下平台401与模拟舱3固连，所以模拟舱3的位姿改变，进而达到要求的目标姿态。

当模拟舱3进行模拟运动时，根据要求的模拟舱3姿态计算出直线驱动分支402伸出杆的伸出长度，因为并联调姿稳定机构4的上平台403和三足机架1的六边形框架固定在一起，并联调姿稳定机构4的下平台401可以实现六个自由度的运动，模拟舱3与并联调姿稳定机构4的下平台401固连在一起，因此模拟舱3可以实现六个自由度的模拟运动。当模拟舱3进行六维运动模拟时，重物201的重力通过牵引绳作用在并联调姿稳定机构的下平台401上，三根牵引绳202上的牵引力就是三个重物201的重力，该牵引力可以平衡掉一部分模拟舱3和并联调姿稳定机构下平台401自身的重力，因此可以显著减小直线驱动分支402的出力，提高模拟舱3的承载能力。

在进行运动模拟之前，人员和设备进入地面上模拟舱3内，此时，直线驱动分支402伸出杆的伸出长度最大，关好门后，根据要求的模拟舱姿态计算出各直线驱动分支402伸出杆的伸出长度，伸出杆收回相应的长度，使模拟舱上升，脱离地面，在运动过程中，并联调姿稳定机构进行稳定的调姿，以及配重机构2的辅助，模拟舱3进行稳定的运动，避免产生剧烈的晃动，引起模拟舱内的设备和人员移位，造成人员的不适。当达到预设姿态后，并联调姿稳定机构停止调节。采用同样的方法，直线驱动分支402伸出杆伸出的长度增大，将模拟舱从高处缓缓降到地面后，人员和设备离开模拟舱3，下降过程，模拟舱3整体保持平衡、稳定。

模拟舱在工作过程中由于各机构的限制不至于上升过高，模拟舱的工作空间不超过三足机架的外包络轮廓，安全性更好。而且，当模拟舱处于最高位置时，六个直线驱动分支的轴线在竖直方向上的分量较小，此时直线驱动分支的出力较大，配重机构产生的三个分力作用在并联调姿稳定机构的下平台，可以极大的改善模拟舱在最高位置时的六个直线驱动分支受力状况。

本发明的可平衡负载的六维运动模拟舱不仅可用于运动模拟，还可用来平衡因海浪颠簸造成的船身复杂运动，在海浪的作用下，船身会产生六维运动，因为船身的运动在海浪的作用下有一定的倾向性，可以通过神经网络对未来的一个较短周期船身的运动进行实时预测，根据船身坐标系到模拟舱坐标系的坐标转换，通过计算得出六个驱动分支伸出杆的伸出量，让模拟舱做出与船身相反的运动，达到模拟舱在航行中平衡海浪颠簸的目的。本发明的运动模拟舱可作为船用稳定方舱，用来进行医疗手术等。

综上，本发明的可平衡负载的六维运动模拟舱承载能力大、极限位置运动学特性好、安全性高、可平衡负载，其用途不仅限于本发明提供的实施例。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种可平衡负载的六维运动模拟舱，其包括三足机架、配重机构、并联调姿稳定机构和模拟舱，其特征在于：

所述配重机构位于所述三足机架的足部上，所述配重机构包括重物、牵引绳、大导轮和小导轮，所述重物能沿所述三足机架的足部上下移动，所述牵引绳的第一端与所述重物连接，所述牵引绳的第二端依次绕过所述大导轮和小导轮后与所述并联调姿稳定机构的下平台固连，

所述并联调姿稳定机构包括上平台、六个直线驱动分支和下平台，所述三足机架的中心与所述上平台固连，所述直线驱动分支的两端通过球铰分别与所述上平台和下平台相连，每个足部两侧的两个直线驱动分支构成一组直线驱动，六个直线驱动分支构成三组直线驱动，每组直线驱动、上平台和下平台组成闭环支链，

所述模拟舱的顶部与所述下平台固连，当模拟舱处于装载位置时，所述闭环支链中的两个直线驱动分支的轴线平行；

所述三足机架包括中心框架和三个足部，所述上平台的上表面与所述中心框架固连，所述足部包括竖直立柱和水平梁，所述水平梁的第一端与所述竖直立柱固连，所述水平梁的第二端固定在所述中心框架上，三个所述水平梁均布在所述中心框架的边上，所述重物能沿竖直立柱上下移动，所述大导轮和小导轮固定在所述水平梁上；

所述牵引绳与所述下平台的固定点位于每组直线驱动的两个直线驱动分支之间。

2.根据权利要求1所述的可平衡负载的六维运动模拟舱，其特征在于：所述竖直立柱上设有多个孔，用于观察重物的位置。

3.根据权利要求1所述的可平衡负载的六维运动模拟舱，其特征在于：所述水平梁上设有孔，所述牵引绳的第二端穿过孔后与所述下平台固连。

4.根据权利要求1所述的可平衡负载的六维运动模拟舱，其特征在于：所述直线驱动分支为液压缸或电动缸。

5.根据权利要求1所述的可平衡负载的六维运动模拟舱，其特征在于：所述中心框架为六边形框架，三个所述水平梁均布在所述六边形框架的相互间隔的三个边上。

6.根据权利要求5所述的可平衡负载的六维运动模拟舱，其特征在于：所述模拟舱的形状为六棱柱，其中一个侧面上设有门，六棱柱的边与所述六边形框架的边平行。