CN111993389B - 一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台 - Google Patents

Abstract

一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，包括第一层折叠机构、第二层旋转机构、第三层移动吸盘机构和姿态监测模块；第一层折叠机构包括上顶板、下底板、折叠框架和线性驱动器；上顶板与下底板之间设置有折叠框架，第二层旋转机构包括法兰盖、上法兰、蜗轮、蜗杆、蜗轮架、下法兰、电机和电机架；第三层移动吸盘机构包括支撑板、伸缩式吸盘装置、座板、万向轮组件和支撑杆；支撑杆两侧还设置有伸缩式吸盘装置，伸缩式吸盘装置的吸盘能自由穿梭于座板，座板的底面还安装有万向轮组件，在座板上还安装有姿态监测模块。本发明具有结构紧凑、调节灵活、移动范围大、操作简便和稳定性好的特点，适用于多自由度的姿态调整与运动控制。

Description

一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台

技术领域

本发明涉及一种并联运动平台，特别涉及一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台及控制方法。

背景技术

运动平台被广泛应用于工业生产、娱乐休闲等领域，如运动模拟、稳定补偿、动感模拟等；并联机构由于具有刚度大、承载能力强、易于实现轨迹规划和控制等优点而被广泛应用于运动平台。

目前，多自由运动平台在市场上受到广泛关注，多自由度运动平台是由多支电动缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助多只电动缸的伸缩运动，完成上平台在空间多个自由度的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。目前，多自由度运动平台存在驱动方式单一，无法灵活移动等的问题。多自由度运动平台分为串联型运动平台与并联型运动平台，串联式运动平台存在运动效率低，但运行稳定性高，而并联式运动平台则克服了效率低的问题，可高效完成作业，但是仍存在运行不稳定自由度不够等一系列问题。以往的多自由度运动平台的设计中，自由度设计较为局限，运行中存在驱动单一的问题，可实现上下运动以及侧斜运动但缺乏大范围运动机构，无法进行大范围地平台运动，以及平台固定。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，该运动平台具有姿态控制灵活、移动范围大、操作简便的特点。

一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，包括第一层折叠机构、第二层旋转机构、第三层移动吸盘机构和姿态监测模块；

所述第一层折叠机构包括上顶板、下底板、折叠框架和线性驱动器；上顶板与下底板之间设置有N套折叠框架，N≥3，N套折叠框架分别与上顶板和下底板转动连接，线性驱动器分别与下底板和折叠框架转动连接，所述折叠框架包括连接套筒、上框架、中杆和下框架；上框架可转动地安装在连接套筒上，连接套筒与上顶板铰接，上框架和下框架分别可转动地安装在中杆上，下框架与下底板铰接，线性驱动器分别与中杆和下底板转动连接，每套折叠框架由一个线性驱动器驱动实现折展，以控制上顶板的升降及偏摆；所述下底板的下部设置有第二层旋转机构；

所述第二层旋转机构包括法兰盖、上法兰、蜗轮、蜗杆、蜗轮架、下法兰、电机和电机架；法兰盖固接在下底板的下表面上，上法兰固接在法兰盖的下表面上，上法兰与下法兰之间夹持有可转动的蜗轮，蜗轮与上法兰连接，电机安装在电机架上，蜗杆安装在电机的输出端，并可转动地设置在蜗轮架上，蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮架和电机架均安装在第三层移动吸盘机构上；

所述第三层移动吸盘机构包括支撑板、伸缩式吸盘装置、座板、万向轮组件和支撑杆；蜗轮架和电机架均安装在支撑板上，支撑板与座板之间设置有与二者连接的支撑杆，支撑杆两侧还设置有伸缩式吸盘装置，所述伸缩式吸盘装置的吸盘能自由穿梭于座板，座板的底面还安装有万向轮组件；

在座板上还安装有姿态监测模块，所述姿态监测模块包括单目相机、双目相机和相机架，所述上顶板的上表面中部安装有载物台，相机架安装在座板上，相机架上安装有用于实时录制物体运动画面的单目相机和用于分析载物台上物体的位置和姿态的双目相机。

本发明还提供一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台的控制方法，所述控制方法为：将第一层折叠机构、第二层旋转机构和第三层移动吸盘机构依次固定，将物品放置于上顶板上的载物台上，打开双目相机和单目相机，将第一层折叠机构中的线性驱动器打开，将第二层旋转机构中的电机打开，将第三层移动吸盘机构打开，载物台根据所需的位置，调整各层转向及角度；第一层折叠机构通过控制线性驱动器的伸缩，调节折叠框架的横向高度，第一层共有三个折叠框架，实现上顶板的侧向倾斜；第二层旋转机构通过电机驱动完成蜗轮和蜗杆传动，实现平台的转动；第三层移动吸盘机构通过直线电机完成吸盘的升降，通过气泵完成气泵软管的放松，以实现平台的固定与移动，万向轮组件通过驱动电机实现万向轮移动与固定，单目相机采用单目彩色相机，用于实时录制物体运动画面，利用双目相机分析平台上物体位置和姿态。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明设计多层混合驱动，在第一层采用折叠式线性驱动器组合驱动，第二层采用电机驱动涡轮蜗杆传动进行整体旋转，可有效提高运动过程中各层机构的空间利用率和灵活性。采用分层运动调节，并利用双目相机进性末端姿态检测，利用单目相机实时录制物体运动画面，可高效率实现末端运动的实时监测与调整。设计伸缩式吸盘装置与万向轮组件相结合的移动结构，即可实现大范围运动，还可保证运动平台的可靠固定，提高平台运动的稳定性。本发明具有结构紧凑、姿态控制灵活、移动范围大、稳定性好、操作简便的特点，可广泛适用于物体的多自由度姿态调整与运动控制。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1是本发明混合驱动移动式多自由度运动平台的整体结构示意图；

图2是第一层折叠机构的结构示意图；

图3是折叠框架的结构示意图；

图4是线性驱动器采用电动缸的结构示意图；

图5是连接套筒的结构示意图；

图6是一个方向看的第二层旋转机构的结构示意图；

图7是另一个方向看的第二层旋转机构的结构示意图；

图8是第三层移动吸盘机构的结构示意图；

图9是支撑板的结构示意图；

图10是从底部看的万向轮组件的结构示意图。

具体实施方式

参见图1-图7所示，本实施方式的一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，包括第一层折叠机构1、第二层旋转机构2、第三层移动吸盘机构3和监测模块4；

所述第一层折叠机构1包括上顶板1-1、下底板1-4、折叠框架1-2和线性驱动器1-3；上顶板1-1与下底板1-4之间设置有N套折叠框架1-2，N套折叠框架1-2分别与上顶板1-1和下底板1-4转动连接，N≥3，N为整数，线性驱动器1-3分别与下底板1-4和折叠框架 1-2转动连接，所述折叠框架1-2包括连接套筒1-2-1、上框架1-2-2、中杆1-2-4和下框架 1-2-5；上框架1-2-2可转动地安装在连接套筒1-2-1上，连接套筒1-2-1与上顶板1-1铰接，上框架1-2-2和下框架1-2-5分别可转动地安装在中杆1-2-4上，下框架1-2-5与下底板1-4 铰接，线性驱动器1-3分别与中杆1-2-4和下底板1-4转动连接，每套折叠框架1-2由一个线性驱动器1-3驱动实现折展，以控制上顶板1-1的升降及偏摆；所述下底板1-4的下部设置有第二层旋转机构2。

所述第二层旋转机构2包括法兰盖2-1、上法兰2-2、蜗轮2-4、蜗杆2-5、蜗轮架2-6、下法兰2-8、电机2-9和电机架2-10；法兰盖2-1固接在下底板1-4的下表面上，上法兰2-2 固接在法兰盖2-1的下表面上，上法兰2-2与下法兰2-8之间夹持有可转动的蜗轮2-4，蜗轮2-4与上法兰2-2连接，电机2-9安装在电机架2-10上，蜗杆2-5安装在电机2-9的输出端，并可转动地设置在蜗轮架2-6上，蜗杆2-5与蜗轮2-4啮合，蜗轮架2-6和电机架2-10 均安装在第三层移动吸盘机构3上；上法兰2-2和下法兰2-8分别与蜗轮2-4之间设置有上推力轴承2-3和下推力轴承2-7，以承受轴向载荷，提高稳定性。蜗轮2-4固定在轴上，轴与上法兰2-2连接，通过轴实现上顶板1-1转动。法兰盖2-1、上法兰2-2、上推力轴承2-3、蜗轮2-4、下推力轴承2-7和下法兰2-8依次通过轴连接。

所述第三层移动吸盘机构3包括支撑板3-1、伸缩式吸盘装置3-2、座板3-3、万向轮组件3-4和支撑杆3-5；蜗轮架2-6和电机架2-10均安装在支撑板3-1上，支撑板3-1与座板3-3之间设置有与二者连接的支撑杆3-5，支撑杆3-5两侧还设置有伸缩式吸盘装置3-2，所述伸缩式吸盘装置3-2的吸盘3-2-5能自由穿梭于座板3-3，座板3-3的底面还安装有万向轮组件3-4；设计第三层移动吸盘机构3的作用是以防止在使用过程中滑移的现象，当移动时吸盘3-2-5自动松开，万向轮滚动可实现平台的移动。混合驱动装置第三层移动吸盘机构 3通过万向轮组件3-4的多面运动可以实现平台的多面移动，当第三层移动吸盘机构3中的伸缩式吸盘装置3-2向下移动接触到地面，当吸盘3-2-5吸住时，平台将不再移动，以实现固定作用。气泵3-2-1开启时，可通过气泵软管3-2-2抽气，以使得吸盘3-2-5吸附地面实现固定。

在座板3-3上还安装有姿态监测模块，所述姿态监测模块包括单目相机4-3、双目相机 4-2和相机架4-4，所述上顶板1-1的上表面中部安装有载物台4-1，相机架4-4安装在座板 3-3上，相机架4-4上安装有用于实时录制物体运动画面的单目相机4-3和用于分析载物台上物体的位置和姿态的双目相机4-2。可选地，单目相机4-3为单目彩色相机。双目相机可通过相机双目视觉分析平台末端物体位置和姿态。

混合驱动平台及每层均为复合式结构，电机2-9可选用谐波电机，蜗轮2-4和蜗杆2-5 相互啮合实现传动，以实现上顶板1-1转动。

如图4所示，更近一步地，线性驱动器1-3为电动缸，电动缸的缸体1-3-2末端与下底板1-4铰接，电动缸的伸缩杆1-3-1与中杆1-2-4的中部铰接。连接套筒1-2-1通过上连接件 1-1-1与上顶板1-1铰接，下框架1-2-5通过下连接件1-2-6与下底板1-4铰接，电动缸通过固定连接件1-3-3与下底板1-4铰接。折叠框架1-2在电动缸的作用下，实现折叠和姿态调整。以3套折叠框架为例说明，如图2和图3所示，三套折叠框架沿周向均布在下底板1-4 上，当其中两套折叠框架1-2被电动缸作用，电动缸的伸缩杆1-3-1推动或反向拉动中杆 1-2-4，由于与上顶板1-1和下底板1-4铰接的作用，上框架1-2-2和下框架1-2-5发生相对转动，角度发生变化，转动过程中受另外1套折叠框架1-2的限位，上顶板1-1向动作的未动作折叠框架1-2倾斜或者向动作的折叠框架1-2倾斜，也可以三套折叠框架1-2都被电动缸作用，实现上顶板1-1的升降，运动过程稳定精确。

如图8所示，更重要地是，所述伸缩式吸盘装置3-2包括气泵3-2-1、气泵软管3-2-2、直线电机3-2-3和刚性气管3-2-4；气泵3-2-1和直线电机3-2-3分别安装在支撑板3-1的下表面上，气泵3-2-1连接气泵软管3-2-2，气泵软管3-2-2连接刚性气管3-2-4，刚性气管3-2-4 的末端连接吸盘3-2-5，直线电机3-2-3输出端与刚性气管3-2-4连接，实现刚性气管3-2-4 的上下伸缩运动。气泵可以抽气和充气，抽气就吸附，充气就松开；直线电机3-2-3控制刚性气管3-2-4升降以实现吸盘3-2-5接触或离开地面。配合万向轮组件3-4可实现大范围运动，还可保证运动平台的可靠固定，提高平台运动的稳定性。

更进一步地，如图9所示，座板3-3呈圆盘形，座板3-3中部有与吸盘3-2-5相对应的通孔，以使吸盘3-2-5穿过座板3-3接触固定地面。

如图8和图10所示，万向轮组件3-4的万向轮3-4-1通过支架可转动地安装在座板3-3 上，万向轮3-4-1由驱动电机3-4-2独立控制，实现滚动及固定。

另一个实施方式还提供一种基于混合驱动移动式多自由度并联运动平台的控制方法，所述控制方法为：

将第一层折叠机构1、第二层旋转机构2和第三层移动吸盘机构3依次固定，将物品放置于上顶板1-1上的载物台4-1上，打开双目相机4-2和单目相机4-3，将第一层折叠机构1中的线性驱动器1-3打开，将第二层旋转机构中的电机2-9打开，将第三层移动吸盘机构3打开，载物台4-1根据所需的位置，调整各层转向及角度；

第一层折叠机构1通过控制线性驱动器1-3的伸缩，调节折叠框架1-2的横向高度，第一层共有三个折叠框架1-2，实现上顶板1-1的侧向倾斜；第二层旋转机构2通过电机2-9驱动完成蜗轮2-4和蜗杆2-5传动，实现平台的转动；第三层移动吸盘机构3通过直线电机3-2-3完成吸盘3-2-5的升降，通过气泵3-2-1完成气泵软管3-2-2的放松，以实现平台的固定与移动，万向轮组件3-4通过驱动电机3-4-2实现万向轮3-4-1移动与固定，单目相机4-3采用单目彩色相机，用于实时录制物体运动画面，利用双目相机4-2分析平台上物体位置和姿态。使用者使用计算机操作，使用者使用前，先确认线路与计算机连接完好，且电力是否足够，将该运动平台置于平地，保持稳定状态。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (5)

1.一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，其特征在于：包括第一层折叠机构(1)、第二层旋转机构(2)、第三层移动吸盘机构(3)和姿态监测模块(4)；

所述第一层折叠机构(1)包括上顶板(1-1)、下底板(1-4)、折叠框架(1-2)和线性驱动器(1-3)；上顶板(1-1)与下底板(1-4)之间设置有N套折叠框架(1-2)，N≥3，N套折叠框架(1-2)分别与上顶板(1-1)和下底板(1-4)转动连接，线性驱动器(1-3)分别与下底板(1-4)和折叠框架(1-2)转动连接，所述折叠框架(1-2)包括连接套筒(1-2-1)、上框架(1-2-2)、中杆(1-2-4)和下框架(1-2-5)；上框架(1-2-2)可转动地安装在连接套筒(1-2-1)上，连接套筒(1-2-1)与上顶板(1-1)铰接，上框架(1-2-2)和下框架(1-2-5)分别可转动地安装在中杆(1-2-4)上，下框架(1-2-5)与下底板(1-4)铰接，线性驱动器(1-3)分别与中杆(1-2-4)和下底板(1-4)转动连接，每套折叠框架(1-2)由一个线性驱动器(1-3)驱动实现折展，以控制上顶板(1-1)的升降及偏摆；所述下底板(1-4)的下部设置有第二层旋转机构(2)；

所述第二层旋转机构(2)包括法兰盖(2-1)、上法兰(2-2)、蜗轮(2-4)、蜗杆(2-5)、蜗轮架(2-6)、下法兰(2-8)、电机(2-9)和电机架(2-10)；法兰盖(2-1)固接在下底板(1-4)的下表面上，上法兰(2-2)固接在法兰盖(2-1)的下表面上，上法兰(2-2)与下法兰(2-8)之间夹持有可转动的蜗轮(2-4)，蜗轮(2-4)与上法兰(2-2)连接，电机(2-9)安装在电机架(2-10)上，蜗杆(2-5)安装在电机(2-9)的输出端，并可转动地设置在蜗轮架(2-6)上，蜗杆(2-5)与蜗轮(2-4)啮合，蜗轮架(2-6)和电机架(2-10)均安装在第三层移动吸盘机构(3)上；

所述第三层移动吸盘机构(3)包括支撑板(3-1)、伸缩式吸盘装置(3-2)、座板(3-3)、万向轮组件(3-4)和支撑杆(3-5)；蜗轮架(2-6)和电机架(2-10)均安装在支撑板(3-1)上，支撑板(3-1)与座板(3-3)之间设置有与二者连接的支撑杆(3-5)，支撑杆(3-5)两侧还设置有伸缩式吸盘装置(3-2)，所述伸缩式吸盘装置(3-2)的吸盘(3-2-5)能自由穿梭于座板(3-3)，座板(3-3)的底面还安装有万向轮组件(3-4)；

在座板(3-3)上还安装有姿态监测模块，所述姿态监测模块包括单目相机(4-3)、双目相机(4-2)和相机架(4-4)，所述上顶板(1-1)的上表面中部安装有载物台(4-1)，相机架(4-4)安装在座板(3-3)上，相机架(4-4)上安装有用于实时录制物体运动画面的单目相机(4-3)和用于分析载物台上物体的位置和姿态的双目相机(4-2)。

2.根据权利要求1所述一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，其特征在于：所述线性驱动器(1-3)为电动缸，电动缸的缸体(1-3-2)末端与下底板(1-4)铰接，电动缸的伸缩杆(1-3-1)与中杆(1-2-4)的中部铰接。

3.根据权利要求2所述一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，其特征在于：所述伸缩式吸盘装置(3-2)包括气泵(3-2-1)、气泵软管(3-2-2)、直线电机(3-2-3)和刚性气管(3-2-4)；气泵(3-2-1)和直线电机(3-2-3)分别安装在支撑板(3-1)的下表面上，气泵(3-2-1)连接气泵软管(3-2-2)，气泵软管(3-2-2)连接刚性气管(3-2-4)，刚性气管(3-2-4)的末端连接吸盘(3-2-5)，直线电机(3-2-3)输出端与刚性气管(3-2-4)连接，实现刚性气管(3-2-4)的上下伸缩运动。

4.根据权利要求3所述一种混合驱动移动式多自由度并联运动平台，其特征在于：座板(3-3)呈圆盘形，座板(3-3)中部有与吸盘(3-2-5)相对应的通孔，以使吸盘(3-2-5)穿过座板(3-3)接触固定地面。

5.一种如权利要求1所述混合驱动移动式多自由度并联运动平台的控制方法，其特征在于：所述控制方法为：

将第一层折叠机构(1)、第二层旋转机构(2)和第三层移动吸盘机构(3)依次固定，将物品放置于上顶板(1-1)上的载物台(4-1)上，打开双目相机(4-2)和单目相机(4-3)，将第一层折叠机构(1)中的线性驱动器(1-3)打开，将第二层旋转机构中的电机(2-9)打开，将第三层移动吸盘机构(3)打开，载物台(4-1)根据所需的位置，调整各层转向及角度；

第一层折叠机构(1)通过控制线性驱动器(1-3)的伸缩，调节折叠框架(1-2)的横向高度，第一层共有三个折叠框架(1-2)，实现上顶板(1-1)的侧向倾斜；第二层旋转机构(2)通过电机(2-9)驱动完成蜗轮(2-4)和蜗杆(2-5)传动，实现平台的转动；第三层移动吸盘机构(3)通过直线电机(3-2-3)完成吸盘(3-2-5)的升降，通过气泵(3-2-1)完成气泵软管(3-2-2)的放松，以实现平台的固定与移动，万向轮组件(3-4)通过驱动电机(3-4-2)实现万向轮(3-4-1)移动与固定，单目相机(4-3)采用单目彩色相机，用于实时录制物体运动画面，利用双目相机(4-2)分析平台上物体位置和姿态。

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