CN111243374A - 一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，属于机构学和运动模拟器领域。所述运动模拟器由一个并联四自由度运动模块和一个并联二自由度运动模块以串联形式组合而成，即将二自由度运动模块的静平台以特定相对位置关系固定在四自由度运动模块的动平台上，以四自由度模块的静平台作为运动模拟器的静平台，以二自由度模块的动平台作为运动模拟器的动平台，通过协同控制四自由度模块的四个驱动装置和二自由度模块的两个驱动装置，实现运动模拟器动平台相对于其静平台的六自由度运动。本发明动平台运动惯性较小，降低控制难度，动态响应快。

Description

一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器

技术领域

本发明属于机械领域，尤其是机构学和运动模拟器领域，具体涉及一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器。

背景技术

运动模拟器是一种能够快速、精确地调节末端执行器的空间位置与姿态的模拟仿真设备，涉及领域有机构学、液压伺服、传感检测和自动控制等。运动模拟器有广泛的应用场景，如通过模拟飞行器、船舶或汽车等的运动状态来测试机器性能或训练驾驶员，还可用作地震模拟器和虚拟现实娱乐设备等。

机构构型设计是运动模拟器开发的起点和关键，也是其创新的根本，机构构型从本质上决定了运动模拟器的整体性能。从机构学角度来看，可以将运动模拟器分为串联和并联两大类。串联形式的运动模拟器的工作行程较大，灵活性较好，但存在机构刚度较差、运动惯性大等缺点。比较而言，并联形式的运动模拟器具有结构紧凑、刚度高、运动惯性小和动态响应快等优点，但也存在着工作空间小、部分情况下会出现奇异现象、正运动学求解困难等缺点。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，采用串、并混联构型，既继承了并联机构结构紧凑、刚度好、动态响应速度快和承载能力强的优点，又综合了串联机构的优势，相对于传统并联构型具有左右平移、前后平移和升降运动行程较大的优势。

所述运动模拟器由一个并联四自由度运动模块和一个并联二自由度运动模块以串联形式组合而成，即将二自由度运动模块的静平台以特定相对位置关系固定在四自由度运动模块的动平台上，以四自由度模块的静平台作为运动模拟器的静平台，以二自由度模块的动平台作为运动模拟器的动平台，通过协同控制四自由度模块的四个驱动滑块和二自由度模块的两个驱动滑块的直线运动，实现运动模拟器动平台相对于其静平台的六自由度运动。

所述并联四自由度运动模块由四自由度动平台A₁A₂、转接件A₂A₃、二自由度动平台C₁C₂、二自由度动平台C₃C₄、静平台b₁b₂、连杆B₁C₁、连杆B₂C₂、连杆B₃C₃、连杆B₄C₄、驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃、驱动滑块B₄、从动滑块C₂和从动滑块C₄组成。

所述静平台b₁b₂由直线导轨b₁和b₂组成，二者均沿y轴方向，且位于同一水平面内。

所述连杆B₁C₁与连杆B₂C₂长度相同，二者中点处通过转动副P相连，转动副P沿x轴方向，使连杆B₁C₁与连杆B₂C₂构成“X”型。

所述连杆B₃C₃与连杆B₄C₄长度相同，二者中点处通过转动副Q相连，转动副Q沿x轴方向，使连杆B₃C₃与连杆B₄C₄构成“X”型。

所述连杆B₁C₁上端通过第一转动副与二自由度动平台C₁C₂相连，第一转动副轴线沿x轴方向；连杆B₁C₁下端通过第二转动副与驱动滑块B₁相连，第二转动副轴线沿x轴方向，驱动滑块B₁位于静平台导轨b₁上。

所述连杆B₂C₂上端通过第三转动副与从动滑块C₂相连，第三转动副轴线沿x轴方向；从动滑块C₂与二自由度动平台C₁C₂通过第一移动副相连，第一移动副沿C₁C₂方向；连杆B₂C₂下端通过第四转动副与驱动滑块B₂相连，第四转动副轴线沿x轴方向；驱动滑块B₂位于静平台导轨b₁上。

所述连杆B₃C₃上端通过第五转动副与二自由度动平台C₃C₄相连，第五转动副轴线沿x轴方向；连杆B₃C₃下端通过第六转动副与驱动滑块B₃相连，第六转动副轴线沿x轴方向，驱动滑块B₃位于静平台导轨b₂上。

所述连杆B₄C₄上端通过第七转动副与从动滑块C₄相连，第七转动副轴线沿x轴方向；从动滑块C₄与二自由度动平台C₃C₄通过第二移动副相连，第二移动副沿C₃C₄方向；连杆B₄C₄下端通过第八转动副与驱动滑块B₄相连，第八转动副轴线沿x轴方向；驱动滑块B₄位于静平台导轨b₂上。

所述四自由度动平台A₁A₂左端通过第一虎克铰与二自由度动平台C₁C₂相连，第一虎克铰的两根转轴垂直相交，其中第一根转轴沿z轴方向，第二根转轴平行于xy平面。四自由度动平台A₁A₂右端通过第三移动副与转接件A₂A₃相连，第三移动副沿A₁A₂方向。转接件A₂A₃通过第二虎克铰与二自由度动平台C₃C₄相连，第二虎克铰的两根转轴垂直相交，其中第一根转轴沿z轴方向，第二根转轴与第一虎克铰的第二根转轴平行。

通过协同控制驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃和驱动滑块B₄的直线运动，即可使动平台A₁A₂相对静平台b₁b₂进行沿y轴平移、沿z轴平移、绕y轴方向旋转以及绕z轴方向旋转的四自由度运动。

具体过程如下：

当驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃和驱动滑块B₄同时沿导轨b₁和b₂朝着同一方向做同步移动，则分别带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄朝着该方向做同步移动，从而带动动平台A₁A₂沿y轴来回平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此靠拢，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄也沿导轨彼此靠拢，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴正方向平移，从而带动动平台A₁A₂沿z轴正方向平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此远离，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄也沿导轨彼此远离，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴负方向平移，从而带动动平台A₁A₂沿z轴负方向平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此靠拢，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄沿导轨彼此远离；或者驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此远离，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄沿导轨彼此靠拢，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴朝着彼此相反的方向移动，从而带动动平台A₁A₂绕y轴方向旋转。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂同步沿导轨朝着某一方向移动，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄同步沿着导轨朝与之相反的方向移动，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿y轴朝着彼此相反的方向移动，从而带动动平台A₁A₂绕z轴方向旋转。

所述并联二自由度运动模块由动平台A₅A₆A₇、静平台b₅b₆b₇、连杆A₅B₅、连杆A₆B₆、连杆A₇B₇、从动滑块B₅、驱动滑块B₆和驱动滑块B₇组成。

所述静平台b₅b₆b₇由直线导轨b₅、b₆和b₇组成，三者都沿x轴方向且位于同一平面内。

所述连杆A₅B₅上端通过转动副I与动平台A₅A₆A₇相连，转动副I轴线沿x轴方向；下端与从动滑块B₅固连，从动滑块B₅位于静平台导轨b₅上。

所述连杆A₆B₆比连杆A₅B₅略长，其上端通过第一球副与动平台A₅A₆A₇相连，下端通过第二球副与驱动滑块B₆相连，驱动滑块B₆位于导轨b₆上。

所述连杆A₇B₇和连杆A₆B₆等长，其上端通过第三球副与动平台A₅A₆A₇相连，下端通过第四球副与驱动滑块B₇相连，驱动滑块B₇位于导轨b₇上。

通过协同控制驱动滑块B₆、驱动滑块B₇的直线运动，即可使动平台A₅A₆A₇相对静平台b₅b₆b₇执行沿x轴平移和绕x轴方向旋转的二自由度运动。

具体过程如下：

当驱动滑块B₆和驱动滑块B₇沿导轨同步移动，同时保持彼此相对距离不变，则带动动平台A₅A₆A₇沿x轴来回平移；当驱动滑块B₆和驱动滑块B₇沿导轨做彼此靠拢或远离的运动，则会带动动平台A₅A₆A₇绕x轴方向旋转。

通过将所述二自由度运动模块的静平台b₅b₆b₇固定在所述四自由度运动模块的动平台A₁A₂上，并使导轨b₅、b₆和b₇与所述第一虎克铰和第二虎克铰中心连线方向平行，组合成六自由度串、并混联机构，即为所述运动模拟器的机构构型。该六自由度串、并混联机构的动平台为二自由度运动模块的动平台A₅A₆A₇，静平台为四自由度运动模块的静平台b₁b₂。

本发明的优点在于：

1)、一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，相对于传统Gough-Stewart六自由度并联构型，具有更大的左右平移、前后平移和升降运动行程。

2)、一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，在模拟器动平台六自由度运动过程中，只有两个驱动装置会发生整体运动，其余四个驱动装置均固定在地面基座上，运动惯性较小，动态响应快。

3)、一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，相比于传统Gough-Stewart六自由度并联机构，该混联机构的机构运动学算法更简单，有利于降低控制难度，提高响应速度；也可用于精密定位平台、机械加工装备等领域。

附图说明

图1是本发明大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器的机构原理图。

图2是本发明应用大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器的实施例爆炸图。

图3是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例的机械结构图。

图4是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例的左视图。

图5是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例的后视图。

图6是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例的俯视图。

图7是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例左右、前后平动示意图。

图8是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例升降运动示意图。

图9是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例中偏航运动示意图。

图10是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例中俯仰运动示意图。

图11是本发明应用六自由度运动模拟器原理的实施例中翻滚运动示意图。

其中：0-地面基座，1-一号电机，2-一号基座导轨，3-一号丝杠，4-二号丝杠，5-二号电机，6-三号电机，7-三号丝杠，8-四号丝杠，9-二号基座导轨，10-四号电机，11-四号螺母滑块，12-三号螺母滑块，13-X型交叉连杆组件，14-转接平台，15-虎克铰转接件，16-一号螺母滑块，17-二号螺母滑块，18-转接件，19-一级动平台导轨，20-一级动平台，21-一号直线模组，22-二号直线模组，23-三号直线模组，24-二级动平台支撑杆，25-二级动平台驱动杆，26-二级动平台。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，由一个并联四自由度运动模块和一个并联二自由度运动模块以串联形式组合而成，即将二自由度运动模块的静平台以特定相对位置关系固定在四自由度运动模块的动平台上，以四自由度模块的静平台作为运动模拟器的静平台，以二自由度模块的动平台作为运动模拟器的动平台，通过协同控制四自由度模块的四个驱动滑块和二自由度模块的两个驱动滑块的直线运动，实现运动模拟器动平台相对于其静平台的六自由度运动。

如图1所示，所述并联四自由度运动模块由四自由度动平台A₁A₂、转接件A₂A₃、二自由度动平台C₁C₂、二自由度动平台C₃C₄、静平台b₁b₂、连杆B₁C₁、连杆B₂C₂、连杆B₃C₃、连杆B₄C₄、驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃、驱动滑块B₄、从动滑块C₂和从动滑块C₄组成。

所述静平台b₁b₂由直线导轨b₁和b₂组成，二者均沿y轴方向，且位于同一水平面内。

所述连杆B₁C₁与连杆B₂C₂长度相同，二者中点处通过转动副P相连，转动副P沿x轴方向，使连杆B₁C₁与连杆B₂C₂构成“X”型。

所述连杆B₃C₃与连杆B₄C₄长度相同，二者中点处通过转动副Q相连，转动副Q沿x轴方向，使连杆B₃C₃与连杆B₄C₄构成“X”型。

所述连杆B₁C₁上端通过第一转动副与二自由度动平台C₁C₂相连，第一转动副轴线沿x轴方向；连杆B₁C₁下端通过第二转动副与驱动滑块B₁相连，第二转动副轴线沿x轴方向，驱动滑块B₁位于静平台导轨b₁上。

所述连杆B₂C₂上端通过第三转动副与从动滑块C₂相连，第三转动副轴线沿x轴方向；从动滑块C₂与二自由度动平台C₁C₂通过第一移动副相连，第一移动副沿C₁C₂方向；连杆B₂C₂下端通过第四转动副与驱动滑块B₂相连，第四转动副轴线沿x轴方向；驱动滑块B₂位于静平台导轨b₁上。

所述连杆B₃C₃上端通过第五转动副与二自由度动平台C₃C₄相连，第五转动副轴线沿x轴方向；连杆B₃C₃下端通过第六转动副与驱动滑块B₃相连，第六转动副轴线沿x轴方向，驱动滑块B₃位于静平台导轨b₂上。

所述连杆B₄C₄上端通过第七转动副与从动滑块C₄相连，第七转动副轴线沿x轴方向；从动滑块C₄与二自由度动平台C₃C₄通过第二移动副相连，第二移动副沿C₃C₄方向；连杆B₄C₄下端通过第八转动副与驱动滑块B₄相连，第八转动副轴线沿x轴方向；驱动滑块B₄位于静平台导轨b₂上。

所述四自由度动平台A₁A₂左端通过第一虎克铰与二自由度动平台C₁C₂相连，第一虎克铰的两根转轴垂直相交，其中第一根转轴沿z轴方向，第二根转轴平行于xy平面。四自由度动平台A₁A₂右端通过第三移动副与转接件A₂A₃相连，第三移动副沿A₁A₂方向。转接件A₂A₃通过第二虎克铰与二自由度动平台C₃C₄相连，第二虎克铰的两根转轴垂直相交，其中第一根转轴沿z轴方向，第二根转轴与第一虎克铰的第二根转轴平行。

通过协同控制驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃和驱动滑块B₄的直线运动，即可使动平台A₁A₂相对静平台b₁b₂进行沿y轴平移、沿z轴平移、绕y轴方向旋转以及绕z轴方向旋转的四自由度运动。

具体过程如下：

当驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃和驱动滑块B₄同时沿导轨b₁和b₂朝着同一方向做同步移动，则分别带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄朝着该方向做同步移动，从而带动动平台A₁A₂沿y轴来回平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此靠拢，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄也沿导轨彼此靠拢，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴正方向平移，从而带动动平台A₁A₂沿z轴正方向平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此远离，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄也沿导轨彼此远离，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴负方向平移，从而带动动平台A₁A₂沿z轴负方向平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此靠拢，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄沿导轨彼此远离；或者驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此远离，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄沿导轨彼此靠拢，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴朝着彼此相反的方向移动，从而带动动平台A₁A₂绕y轴方向旋转。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂同步沿导轨朝着某一方向移动，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄同步沿着导轨朝与之相反的方向移动，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿y轴朝着彼此相反的方向移动，从而带动动平台A₁A₂绕z轴方向旋转。

如图1所示，所述并联二自由度运动模块由动平台A₅A₆A₇、静平台b₅b₆b₇、连杆A₅B₅、连杆A₆B₆、连杆A₇B₇、从动滑块B₅、驱动滑块B₆和驱动滑块B₇组成。

所述静平台b₅b₆b₇由直线导轨b₅、b₆和b₇组成，三者都沿x轴方向且位于同一平面内。

所述连杆A₅B₅上端通过转动副I与动平台A₅A₆A₇相连，转动副I轴线沿x轴方向；下端与从动滑块B₅固连，从动滑块B₅位于静平台导轨b₅上。

所述连杆A₆B₆比连杆A₅B₅略长，其上端通过第一球副与动平台A₅A₆A₇相连，下端通过第二球副与驱动滑块B₆相连，驱动滑块B₆位于导轨b₆上。

所述连杆A₇B₇和连杆A₆B₆等长，其上端通过第三球副与动平台A₅A₆A₇相连，下端通过第四球副与驱动滑块B₇相连，驱动滑块B₇位于导轨b₇上。

通过协同控制驱动滑块B₆、驱动滑块B₇的直线运动，即可使动平台A₅A₆A₇相对静平台b₅b₆b₇执行沿x轴平移和绕x轴方向旋转的二自由度运动。

具体过程如下：

当驱动滑块B₆和驱动滑块B₇沿导轨同步移动，同时保持彼此相对距离不变，则带动动平台A₅A₆A₇沿x轴来回平移；当驱动滑块B₆和驱动滑块B₇沿导轨做彼此靠拢或远离的运动，则会带动动平台A₅A₆A₇绕x轴方向旋转。

通过将所述二自由度运动模块的静平台b₅b₆b₇固定在所述四自由度运动模块的动平台A₁A₂上，并使导轨b₅、b₆和b₇与所述第一虎克铰和第二虎克铰中心连线方向平行，组合成六自由度串、并混联机构，即为所述运动模拟器的机构构型。该六自由度串、并混联机构的动平台为二自由度运动模块的动平台A₅A₆A₇，静平台为四自由度运动模块的静平台b₁b₂。

应用上述六自由度运动模拟器的实施例如下：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明或简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“安装”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，或者是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2-11所示，为本发明实施例的运动模拟器。根据本发明实施例的运动模拟器机械系统总体结构如图2所示，其可看成由一个四自由度运动模块和一个二自由度运动模块串联而成。

如图2所示，所述四自由度运动模块包含：地面基座0、一号电机1、一号基座导轨2、一号丝杠3、二号丝杠4、二号电机5、三号电机6、三号丝杠7、四号丝杠8、二号基座导轨9、四号电机10、四号螺母滑块11、三号螺母滑块12、X型交叉连杆组件13、转接平台14、虎克铰转接件15、一号螺母滑块16、二号螺母滑块17、转接件18、一级动平台导轨19、一级动平台20。其中X型交叉连杆组件13由两个等长直杆通过位于两杆中心位置的转动副连接而成。

上述各零组件传动和连接关系为：一号电机1带动一号丝杠3旋转，一号丝杠3带动一号螺母滑块16沿一号基座导轨2滑动；二号电机5带动二号丝杠4旋转，二号丝杠4带动二号螺母滑块17沿一号基座导轨2滑动；三号电机6带动三号丝杠7旋转，三号丝杠7带动三号螺母滑块12沿二号基座导轨9滑动；四号电机10带动四号丝杠8旋转，四号丝杠8带动四号螺母滑块11沿二号基座导轨9滑动。

一号螺母滑块16和二号螺母滑块17分别通过转动副与X型交叉连杆组件13下端的两个分支相连，转动副轴线沿前后方向；X型交叉连杆组件13上端的一个分支与转接平台14通过转动副相连，X型交叉连杆组件13上端的另一个分支与转接平台14通过转动副和滑动副相连，转动副轴线沿前后方向，滑动副沿左右方向。转接平台14通过转动副与虎克铰转接件15相连，转动副轴线沿竖直方向。虎克铰转接件15通过转动副与一级动平台20相连，转动副轴线位于水平面内。

三号螺母滑块12和四号螺母滑块11分别通过转动副与X型交叉连杆组件13下端的两个分支相连，转动副轴线沿前后方向；X型交叉连杆组件13上端的一个分支与转接平台14通过转动副相连，X型交叉连杆组件13上端的另一个分支与转接平台14通过转动副和滑动副相连，转动副轴线沿前后方向，滑动副沿左右方向。转接平台14通过转动副与虎克铰转接件15相连，转动副轴线沿竖直方向。虎克铰转接件15通过转动副与转接件18相连，转动副轴线位于水平面内。转接件18通过移动副与一级动平台导轨19相连，一级动平台导轨19固定安装在一级动平台20上，导轨方向与所述两虎克铰中心连线方向一致。

一号电机1、二号电机5、三号电机6、四号电机10是所述四自由度运动模块的驱动装置，通过控制上述四个电机的协同运动，可使一级动平台20相对地面基座0执行规定的左右平移、升降、俯仰和偏航运动。

所述二自由度运动模块包含：一号直线模组21、二号直线模组22、三号直线模组23、二级动平台支撑杆24、二级动平台驱动杆25和二级动平台26。

一号直线运动模组21、二号直线运动模组22、三号直线运动模组23固定安装在一级动平台20上，上述三个直线运动模组的运动方向均与所述两虎克铰中心连线方向一致。其中一号直线运动模组21和三号直线运动模组23均由电机、减速器、联轴器、丝杠、导轨、滑块等组成；二号直线运动模组22由导轨和滑块组成，无驱动装置。二级动平台驱动杆25下端通过球副与一号直线运动模组21(三号直线运动模组23)的滑块相连，上端通过虎克铰与二级动平台26相连。二级动平台支撑杆24下端固定在二号直线运动模组22的滑块上，上端通过转动副与二级动平台26相连，转动副轴线方向与二号直线运动模组22导轨方向平行。支撑杆24在二级动平台26前后各布置一根，虽产生过约束，但有利于增加结构刚性。一号直线运动模组21和三号直线运动模组23是所述二自由度运动模块的驱动装置，通过控制二者协同运动，可使二级动平台26相对一级动平台20执行规定的前后平移和翻滚运动。

综上，通过将所述二自由度运动模块的静平台按图1所示位置关系安装在所述四自由度运动模块的动平台上，即可使运动模拟器具备六个自由度，从而可以模拟各种形式的运动。

根据本发明实施例的运动模拟器，结构紧凑，刚度好，承载能力强，左右平移、前后平移、升降运动行程大。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对该实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，其特征在于，由一个并联四自由度运动模块和一个并联二自由度运动模块以串联形式组合而成。

所述并联四自由度运动模块由四自由度动平台A₁A₂、转接件A₂A₃、二自由度动平台C₁C₂、二自由度动平台C₃C₄、静平台b₁b₂、连杆B₁C₁、连杆B₂C₂、连杆B₃C₃、连杆B₄C₄、驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃、驱动滑块B₄、从动滑块C₂和从动滑块C₄组成。

所述静平台b₁b₂由直线导轨b₁和b₂组成，二者均沿y轴方向，且位于平行于xoy平面的同一平面内。

所述连杆B₁C₁与连杆B₂C₂长度相同，二者中点处通过转动副P相连，转动副P沿x轴方向，使连杆B₁C₁与连杆B₂C₂构成“X”型。

所述连杆B₃C₃与连杆B₄C₄长度相同，二者中点处通过转动副Q相连，转动副Q沿x轴方向，使连杆B₃C₃与连杆B₄C₄构成“X”型。

所述连杆B₁C₁上端通过第一转动副与二自由度动平台C₁C₂相连，第一转动副轴线沿x轴方向；连杆B₁C₁下端通过第二转动副与驱动滑块B₁相连，第二转动副轴线沿x轴方向，驱动滑块B₁位于静平台导轨b₁上。

所述连杆B₂C₂上端通过第三转动副与从动滑块C₂相连，第三转动副轴线沿x轴方向；从动滑块C₂与二自由度动平台C₁C₂通过第一移动副相连，第一移动副沿C₁C₂方向；连杆B₂C₂下端通过第四转动副与驱动滑块B₂相连，第四转动副轴线沿x轴方向；驱动滑块B₂位于静平台导轨b₁上。

所述连杆B₃C₃上端通过第五转动副与二自由度动平台C₃C₄相连，第五转动副轴线沿x轴方向；连杆B₃C₃下端通过第六转动副与驱动滑块B₃相连，第六转动副轴线沿x轴方向，驱动滑块B₃位于静平台导轨b₂上。

所述连杆B₄C₄上端通过第七转动副与从动滑块C₄相连，第七转动副轴线沿x轴方向；从动滑块C₄与二自由度动平台C₃C₄通过第二移动副相连，第二移动副沿C₃C₄方向；连杆B₄C₄下端通过第八转动副与驱动滑块B₄相连，第八转动副轴线沿x轴方向；驱动滑块B₄位于静平台导轨b₂上。

所述四自由度动平台A₁A₂左端通过第一虎克铰与二自由度动平台C₁C₂相连，第一虎克铰的两根转轴垂直相交，其中第一根转轴沿z轴方向，第二根转轴平行于xy平面。四自由度动平台A₁A₂右端通过第三移动副与转接件A₂A₃相连，第三移动副沿A₁A₂方向。转接件A₂A₃通过第二虎克铰与二自由度动平台C₃C₄相连，第二虎克铰的两根转轴垂直相交，其中第一根转轴沿z轴方向，第二根转轴与第一虎克铰的第二根转轴平行。

通过协同控制驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃和驱动滑块B₄的直线运动，即可使动平台A₁A₂相对静平台b₁b₂进行沿y轴平移、沿z轴平移、绕y轴方向旋转以及绕z轴方向旋转的四自由度运动。

所述并联二自由度运动模块由动平台A₅A₆A₇、静平台b₅b₆b₇、连杆A₅B₅、连杆A₆B₆、连杆A₇B₇、从动滑块B₅、驱动滑块B₆和驱动滑块B₇组成。

所述静平台b₅b₆b₇由直线导轨b₅、b₆和b₇组成，三者都沿x轴方向且位于同一平面内。

所述连杆A₅B₅上端通过转动副I与动平台A₅A₆A₇相连，转动副I轴线沿x轴方向；下端与从动滑块B₅固连，从动滑块B₅位于静平台导轨b₅上。

所述连杆A₆B₆比连杆A₅B₅略长，其上端通过第一球副与动平台A₅A₆A₇相连，下端通过第二球副与驱动滑块B₆相连，驱动滑块B₆位于导轨b₆上。

所述连杆A₇B₇和连杆A₆B₆等长，其上端通过第三球副与动平台A₅A₆A₇相连，下端通过第四球副与驱动滑块B₇相连，驱动滑块B₇位于导轨b₇上。

通过协同控制驱动滑块B₆、驱动滑块B₇的直线运动，即可使动平台A₅A₆A₇相对静平台b₅b₆b₇执行沿x轴平移和绕x轴方向旋转的二自由度运动。

通过将所述二自由度运动模块的静平台b₅b₆b₇固定在所述四自由度运动模块的动平台A₁A₂上，并使导轨b₅、b₆和b₇与所述第一虎克铰和第二虎克铰中心连线方向平行，组合成六自由度串、并混联机构，即为所述运动模拟器的机构构型。该六自由度串、并混联机构的动平台为二自由度运动模块的动平台A₅A₆A₇，静平台为四自由度运动模块的静平台b₁b₂。

2.如权利要求1所述的一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，其特征在于，所述的四自由度运动具体过程如下：

当驱动滑块B₁、驱动滑块B₂、驱动滑块B₃和驱动滑块B₄同时沿导轨b₁和b₂朝着同一方向做同步移动，则分别带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄朝着该方向做同步移动，从而带动动平台A₁A₂沿y轴来回平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此靠拢，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄也沿导轨彼此靠拢，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴正方向平移，从而带动动平台A₁A₂沿z轴正方向平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此远离，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄也沿导轨彼此远离，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴负方向平移，从而带动动平台A₁A₂沿z轴负方向平移。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此靠拢，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄沿导轨彼此远离；或者驱动滑块B₁和驱动滑块B₂沿导轨彼此远离，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄沿导轨彼此靠拢，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿z轴朝着彼此相反的方向移动，从而带动动平台A₁A₂绕y轴方向旋转。

当驱动滑块B₁和驱动滑块B₂同步沿导轨朝着某一方向移动，同时驱动滑块B₃和驱动滑块B₄同步沿着导轨朝与之相反的方向移动，则会带动动平台C₁C₂和动平台C₃C₄沿y轴朝着彼此相反的方向移动，从而带动动平台A₁A₂绕z轴方向旋转。

3.如权利要求1所述的一种大平动行程和高响应速度的六自由度运动模拟器，其特征在于，所述的二自由度运动具体过程如下：

当驱动滑块B₆和驱动滑块B₇沿导轨同步移动，同时保持彼此相对距离不变，则带动动平台A₅A₆A₇沿x轴来回平移；当驱动滑块B₆和驱动滑块B₇沿导轨做彼此靠拢或远离的运动，则会带动动平台A₅A₆A₇绕x轴方向旋转。

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