CN112197128A

CN112197128A - 一种柔性六自由度平台

Info

Publication number: CN112197128A
Application number: CN202011186480.7A
Authority: CN
Inventors: 党海平; 谢建华; 王豫平; 钱荣盛; 巢雁楠; 章宇乾
Original assignee: Changzhou Guli High End Equipment Innovation Center Co ltd
Current assignee: Changzhou Guli High End Equipment Innovation Center Co ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112197128B

Abstract

本发明属于多自由度柔性平台技术领域，涉及一种柔性六自由度平台，包括可拆卸连接的上平台和下平台，所述下平台包括底座和通过第一驱动机构设置在底座上的安装板，所述安装板能够在第一驱动机构的作用下在底座上进行左右平移、前后平移及偏航运动，所述上平台通过第二驱动机构设置在安装板上，所述第二驱动机构能够驱动上平台在安装板上进行前后俯仰、左右摇摆及上下升降运动，所述第一驱动机构包括三套驱动组件，其中两套驱动组件平行设置，另外一套驱动组件与上述两套平行设置的驱动组件垂直设置。本发明不仅具备Stewart平台完整的六个自由度，同时具有结构紧凑，空间占用小，易于柔性化组合等特点，具有很大的市场价值，值得广泛推广应用。

Description

一种柔性六自由度平台

技术领域

本发明属于多自由度柔性平台技术领域，具体涉及一种柔性六自由度平台。

背景技术

六自由度平台广泛应用于动感飞行影院、飞行模拟器、动感舱、车辆驾驶模拟系统等领域，目前市场上大多数六自由度平台都是基于Stewart并联机构设计的，这种并联平台采用六套同规格的私服电缸、液压缸或气缸首、尾并联连接，具有刚性好、带重负载能力强、造价低等优点，从提出至今已经有几十年的发展历史；Stewart六自由度平台刚性好，使其可以以较大的加速度运行，而不会使结构产生明显变形，各结构件受力状况较好；Stewart平台具有带重负载能力强的特性，其所载负载可从几百公斤至几十吨的变化，具有串联型结构设备所不具备的优势；但是，由于其并联连接的结构特性，也致使其存在先天的不足，主要有以下几点：一、平台整体所占空间尺寸较大，目前，游乐设备行业及智能制造领域具有往小型化、集成化发展的倾向，主要体现在，各大游乐设备制造商推出以家庭娱乐中心(FEC)的创新型产品作为企业的利润增长点，智能制造领域，在满足现有的工业化需求的前提下，各大智能制造商都在积极探索消费级工业产品的创新型研发，而这一切都对设备的小型化、集成化提出了更高的要求，Stewart平台由于其占用的过大摆放空间，大大限制了其进一步应用；二、设备及相关零配件重复利用率低，由于Stewart平台的结构特性，其主要驱动部件往往专机专用、当外部参数出现较大调整或者客户需求出现变更时，Stewart平台及其相关零部件往往要重新设计、采购，这将造成极大的资源浪费；三、柔性化设计程度低，Stewart平台的主要驱动机构首、尾并联连接，具有六个自由度，这种特性致使其柔性化设计的实现非常困难，设计者很难按照客户的需求只定制六个自由度中的某几个自由度，制造商针对客户的这种需求，往往也只能重新修改设计，造成企业的人力资源浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的上述缺陷与不足，提供了一种柔性六自由度平台，具有结构紧凑，空间占用小，易于柔性化组合等优点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种柔性六自由度平台，包括可拆卸连接的上平台和下平台，所述下平台包括底座和通过第一驱动机构设置在底座上的安装板，所述安装板能够在第一驱动机构的作用下在底座上进行左右平移、前后平移及偏航运动，所述上平台通过第二驱动机构设置在安装板上，所述第二驱动机构能够驱动上平台在安装板上进行前后俯仰、左右摇摆及上下升降运动。

优选的，所述第一驱动机构包括三套驱动组件，其中两套驱动组件平行设置，另外一套驱动组件与上述两套平行设置的驱动组件垂直设置。

优选的，所述驱动组件包括正交布置的横向导轨组件和纵向导轨组件，以及设置在横向导轨组件上的转轴组件，所述纵向导轨组件安装在底座上，所述转轴组件连接安装板。

优选的，所述纵向导轨组件包括通过联轴器与伺服电机连接的滚珠丝杆，所述滚珠丝杆上设有纵向滑块，所述横向导轨组件包括设置在纵向滑块上的横向导轨，所述转轴组件包括设置在横向导轨上的转轴和圆锥滚子轴承。

优选的，所述第二驱动机构包括三套电缸组件，所述上平台与安装板之间还设有固定平衡架组件和活动平衡架组件。

优选的，所述电缸组件、固定平衡架组件和活动平衡架组件均包括缸体和活塞杆，所述缸体和活塞杆形成圆柱副，所述活塞杆既可以在缸体内实现轴向伸缩运动，也可以绕着缸体轴向实现回转运动。

优选的，所述电缸组件与上平台和安装板之间，以及固定平衡架组件和活动平衡架组件与上平台之间均设有虎克铰，所述虎克铰为有两个旋转自由度的十字型虎克铰。

优选的，所述底座下方设有福马轮，所述上平台与安装板之间设防尘罩。

采用上述技术方案后，本发明提供的一种柔性六自由度平台具有以下有益效果：

(1)本发明通过可拆卸连接的上平台和下平台的结构设计，实现了上下两套互相独立的三自由度结构设计，提供Stewart平台所拥有的六自由度的同时，还可根据需要进行拆卸，柔性化配置自由度的数目，在面对用户意图变更时，无需重新设计；

(2)本发明结构更加紧凑，整体占用空间小，可适应更多的应用场景，同时成本也随之降低；

(3)本发明相关零部件重复利用率高，下平台的驱动组件所用滚珠丝杆不同于Stewart平台的伺服电缸，为标准件，可方便其他设备使用，而不至于造成资源浪费。

附图说明

图1为本发明一种柔性六自由度平台的结构示意图；

图2为本发明中下平台的结构示意图；

图3为本发明中下平台的侧视图；

图4为图3中A-A侧剖视图；

图5为本发明中下平台的俯视图；

图6为图5中B-B侧剖视图；

图7为本发明中上平台的外观结构示意图；

图8为图7中去除防尘罩的结构示意图；

图9为图8的主视图；

图10为图9中C-C侧剖视图；

图11为图9中D-D侧剖视图；

图12为图9中E-E侧剖视图。

其中：上平台1、下平台2、底座3、安装板4、横向导轨组件5、纵向导轨组件6、转轴组件7、联轴器8、伺服电机9、滚珠丝杆10、纵向滑块11、横向导轨12、转轴13、圆锥滚子轴承14、电缸组件15、固定平衡架组件16、活动平衡架组件17、缸体18、活塞杆19、虎克铰20、福马轮21、防尘罩22。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明一种柔性六自由度平台，如图1所示，包括通过螺栓可拆卸连接的上平台1和下平台2，其中上平台1在伺服电缸、气缸或者液压缸的驱动作用下可实现前后俯仰、左右摇摆及上下升降运动；下平台2在伺服电机及丝杠的驱动左右下能完成沿X轴左右平移、沿Y轴前后平移及绕Z轴偏航运动，由此，动感平台便具备与Stewart平台一样的六个自由度，但结构更加紧凑，对场地占用空间要求小，同时由于上、下两个平台可拆卸设计，用户可根据需求自由选择、自由搭配，而无需重新设计运动平台。

具体的，如图2所示，所述下平台2包括底座3和通过第一驱动机构设置在底座3上的安装板4，所述安装板4能够在第一驱动机构的作用下在底座3上进行左右平移、前后平移及偏航运动，其中，底座3下方设有福马轮21，如图3所示，福马轮21用于设备的支撑，同时，当设备需要移动位置时，调整福马轮21，即可实现设备的自由移动；底座3与福马轮21通过螺栓连接，底座3使用空心方钢焊接而成。

如图4、图5及图6所示，所述第一驱动机构包括三套驱动组件，驱动组件为下平台2主要运动驱动机构，每套驱动组件都提供三个自由度，三套驱动组件可根据需要设置为同规格或者不同规格，每一套驱动组件的行程、导程、额定出力、额定速度都可以单独配置，图中三套驱动组件两套平行摆放，另一套与前述两套垂直摆放，但可根据实际需求调整三套驱动组件的位置，只要保证三套驱动组件的摆放轴向位置不同时全部平行即可，因此本发明的驱动组件摆放位置并不局限于图5布置；具体地，驱动组件通过螺栓锁附在底座3上，主要由横向导轨组件5、纵向导轨组件6、转轴组件7及其他附件组成，所述纵向导轨组件6安装在底座3上，所述转轴组件7连接安装板4，其中横向导轨组件5与纵向导轨组件6正交布置，并通过螺栓连接，转轴组件7提供一个旋转副，所述纵向导轨组件6包括通过联轴器8与伺服电机9连接的滚珠丝杆10，所述滚珠丝杆10上设有纵向滑块11，所述横向导轨组件5包括设置在纵向滑块11上的横向导轨12，所述转轴组件7包括设置在横向导轨12上的转轴13和圆锥滚子轴承14，伺服电机9提供驱动动力，通过滚珠丝杆10将电机的旋转运动转换为直线运动，驱动组件通过两组导轨组件的直线运动及旋转副共提供了三个自由度，具体的，下平台2在两套平行设置的驱动组件的驱动作用下可实现前后移动，在另一套驱动组件的驱动作用下可实现水平移动，在两套平行设置的驱动组件一个向前一个向后移动的驱动下，可实现偏航运动。

如图7、图8所示，所述上平台1通过第二驱动机构设置在安装板4上，所述第二驱动机构能够驱动上平台1在安装板4上进行绕Y轴的前后俯仰、绕X轴左右摇摆及沿Z轴上下升降运动，所述第二驱动机构包括三套电缸组件15，所述上平台1与安装板4之间还设有固定平衡架组件16和活动平衡架组件17，所述上平台1与安装板4之间设防尘罩22，用于防止电缸组件15、固定平衡架组件16和活动平衡架组件17等活动部件的相对运动面落入灰尘，影响使用寿命，同时防尘罩22也有利于改善设备的整体外观。

进一步的，如图7所示，上平台1选用座椅骨架为承载部件，主要用于人的承载，广泛用于游乐设备，但是选用座椅骨架作为承载部件，只是本发明具体实施的一种形式，而实际应用中，上平台1的选择并不仅限于座椅骨架，可以根据需要更改为其他承载部件，如用于车辆模拟、驾驶模拟、视觉动态追踪平台等领域。

如图9所示，三套电缸组件15、固定平衡架组件16及活动平衡架组件17都通过螺栓与上平台1连接，上述组件再整体与安装板4通过螺栓固定连接，从而形成一套完整的设备。

所述电缸组件15，如图10所示，主要由缸体、活塞杆、虎克铰组成，其中缸体与活塞杆组成圆柱副，电缸组件能完成轴向的伸缩运动，且活塞杆还能绕着缸体的轴向实现回转运动，电缸前后都装有两个旋转自由度的虎克铰，顶部虎克铰通过螺栓与上平台1连接，尾部虎克铰通过螺栓与下平台2的安装板4连接固定。

所述固定平衡架组件16，如图11所示，主要由缸体、活塞杆、虎克铰组成，固定平衡架缸体底部与下平台2的安装板4通过螺栓固定连接，顶部通过一组两自由度的虎克铰与上平台1连接，其中缸体以及活塞杆组成圆柱副，固定平衡架的活塞杆可以沿着缸体的轴向上下运动，还可以绕着缸体的轴向进行回转运动，固定平衡架活塞杆为空心的无缝钢管，外表面经过磨削加工，整体寿命更长，此外在缸体与活塞杆之间还设置有自润滑铜套，即自润滑铜套与缸体内壁接触，活塞杆外壁与自润滑铜套的内壁接触。

所述活动平衡架组件17，如图12所示，主要由基座、活塞杆、套筒\缸体、回转轴、虎克铰及其他附件组成，其中基座与下平台2的安装板4通过螺栓固定，中部转轴用于连接套筒\缸体与基座，使得套筒\缸体与基座可绕着回转轴进行相对回转运动，虎克铰设置在活塞杆顶部，通过螺栓与上平台1连接，活塞杆与套筒\缸体为圆柱副的连接，除了可沿着套筒\缸体轴向进行伸缩运动外，还可绕着套筒\缸体轴线进行回转运动，同样，活塞杆与套筒\缸体之间也设置了自润滑铜套，其中自润滑铜套外壁与套筒\缸体内壁接触，活塞杆外壁则与自润滑铜套内壁接触，同时，活塞杆外表面经过磨削加工处理，进一步提升设备整体使用寿命。

综上所述，本发明提供的一种柔性六自由度平台，不仅具备Stewart平台完整的六个自由度，同时具有结构紧凑，空间占用小，易于柔性化组合等特点，具有很大的市场价值，值得广泛推广应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种柔性六自由度平台，其特征在于：包括可拆卸连接的上平台(1)和下平台(2)，所述下平台(2)包括底座(3)和通过第一驱动机构设置在底座(3)上的安装板(4)，所述安装板(4)能够在第一驱动机构的作用下在底座(3)上进行左右平移、前后平移及偏航运动，所述上平台(1)通过第二驱动机构设置在安装板(4)上，所述第二驱动机构能够驱动上平台(1)在安装板(4)上进行前后俯仰、左右摇摆及上下升降运动。

2.根据权利要求1所述的一种柔性六自由度平台，其特征在于：所述第一驱动机构包括三套驱动组件，其中两套驱动组件平行设置，另外一套驱动组件与上述两套平行设置的驱动组件垂直设置。

3.根据权利要求2所述的一种柔性六自由度平台，其特征在于：所述驱动组件包括正交布置的横向导轨组件(5)和纵向导轨组件(6)，以及设置在横向导轨组件(5)上的转轴组件(7)，所述纵向导轨组件(6)安装在底座(3)上，所述转轴组件(7)连接安装板(4)。

4.根据权利要求3所述的一种柔性六自由度平台，其特征在于：所述纵向导轨组件(6)包括通过联轴器(8)与伺服电机(9)连接的滚珠丝杆(10)，所述滚珠丝杆(10)上设有纵向滑块(11)，所述横向导轨组件(5)包括设置在纵向滑块(11)上的横向导轨(12)，所述转轴组件(7)包括设置在横向导轨(12)上的转轴(13)和圆锥滚子轴承(14)。

5.根据权利要求1所述的一种柔性六自由度平台，其特征在于：所述第二驱动机构包括三套电缸组件(15)，所述上平台(1)与安装板(4)之间还设有固定平衡架组件(16)和活动平衡架组件(17)。

6.根据权利要求5所述的一种柔性六自由度平台，其特征在于：所述电缸组件(15)、固定平衡架组件(16)和活动平衡架组件(17)均包括缸体(18)和活塞杆(19)，所述缸体(18)和活塞杆(19)形成圆柱副，所述活塞杆(19)既可以在缸体(18)内实现轴向伸缩运动，也可以绕着缸体(18)轴向实现回转运动。

7.根据权利要求5所述的一种柔性六自由度平台，其特征在于：所述电缸组件(15)与上平台(1)和安装板(4)之间，以及固定平衡架组件(16)和活动平衡架组件(17)与上平台(1)之间均设有虎克铰(20)，所述虎克铰(20)为有两个旋转自由度的十字型虎克铰。

8.根据权利要求1所述的一种柔性六自由度平台，其特征在于：所述底座(3)下方设有福马轮(21)，所述上平台(1)与安装板(4)之间设防尘罩(22)。