CN112677139A - 三自由度并联运动平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并联运动平台技术领域，具体涉及三自由度并联运动平台及其控制方法，包括底座，底座上侧设有运动平台，运动平台通过三个均匀设置的运动机构与底座连接，三个运动机构之间呈三角型位置设置，运动机构包括固定设置在底座上的支撑座，支撑座上侧倾斜设有第一撑臂，第一撑臂下端与支撑座上端转动连接，移动座通过位置控制组件与底座连接，移动座上端转动连接有控制杆，第一撑臂和第二撑臂相互靠近的一端均设有开槽，第一撑臂远离第二撑臂的一端转动连接有连接座，连接座上侧设有球体，球体上侧通过短柱与运动平台固定连接。本发明结构紧凑、其运动的范围较大、对于空间的利用率较高、承载能力相对于现有的液压杆形式更强。

Description

三自由度并联运动平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及并联运动平台技术领域，具体涉及三自由度并联运动平台及其控制方法。

背景技术

多自由度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、飞行/驾驶模拟、地质运动模拟、稳定补偿、动感影院等；目前常见的是三自由度平台和六自由度运动平台，通过上下平台以及在其中设置的多个电动缸(或者气缸、液压缸)作为线性驱动单元的配合，实现对上平台的六自由度运动控制。

在申请号201710297248.2的中国申请中公开的三自由度并联运动平台，包括底座、动平台和至少三个驱动机构，驱动机构包括线性驱动单元、转动连接件和滑动组件；线性驱动单元被设置为沿竖直方向安装在底座上；滑动组件包括下主体和上主体；下主体上设有滑槽；上主体被设置为与动平台固定连接，且上主体与滑槽滑动配合。通过该方案可实现较高的动态响应，但是该平台结构采用近乎方形的整体构造，空间占用大，在一些影院以及商城的运营环境下，需要独立的1.5M*2M或者更大的空间，配套的场景设置以及空间相应增加，为VR动感影院和动感模拟仓带来额外的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平台结构紧凑的三自由度并联运动平台。

为达此目的，本发明的第一方面提出一种三自由度并联运动平台，包括底座，所述底座上侧设有运动平台，所述运动平台通过三个均匀设置的运动机构与底座连接，三个所述运动机构之间呈三角型位置设置，所述运动机构包括固定设置在底座上的支撑座，所述支撑座上侧倾斜设有第一撑臂，所述第一撑臂下端与支撑座上端转动连接，所述第一撑臂上端转动连接有第二撑臂，所述第一撑臂和第二撑臂之间设有限位组件，所述支撑座一侧设有移动座，所述移动座通过位置控制组件与底座连接，所述移动座上端转动连接有控制杆，所述第一撑臂和第二撑臂相互靠近的一端均设有开槽，所述控制杆上端延伸至两个开槽内并与第一撑臂以及第二撑臂转动连接，所述第一撑臂远离第二撑臂的一端转动连接有连接座，所述连接座上侧设有球体，所述连接座上端面设有与球体匹配的容纳槽，所述球体与容纳槽过盈连接，所述球体上侧通过短柱与运动平台固定连接。

进一步的，所述限位组件包括设置在第一撑臂和第二撑臂一侧的液压伸缩杆，所述液压伸缩杆两端均转动连接有连接座，两个所述连接座分别与第一撑臂以及第二撑臂固定连接。

进一步的，所述位置控制组件包括固定设置在移动座远离支撑座一侧的固定板，所述固定板远离移动座的端面上固定安装有伺服电机，所述固定板与支撑座之间水平对称设有两个滑杆，所述滑杆一端与固定板固定连接，所述滑杆另一端与支撑座固定连接，所述移动座滑动套设在两个滑杆上，两个所述滑杆之间设有螺杆，所述螺杆一端与固定板转动连接，所述螺杆另一端与支撑座转动连接，所述伺服电机输出端贯穿固定板并与螺杆同轴固定连接，所述移动座螺纹套接在螺杆上。

进一步的，所述移动座与支撑座之间设有第一测距传感器，所述第一测距传感器固定设置在移动座上。

进一步的，所述液压伸缩杆两端上侧均固定设置有固定块，两个所述固定块之间设有第二测距传感器，所述第二测距传感器固定设置在其中一个固定块上。

进一步的，所述第一撑臂和第二撑臂上的开槽宽度大于移动座宽度，所述开槽的深度大于控制杆的长度。

进一步的，所述底座上端面中心位置固定设置壳体，所述壳体内固定设置控制器，所述控制器与三个伺服电机、三个液压伸缩杆、第一测距传感器以及第二测距传感器均电连接。

根据本发明的第二方面还提出一种三自由度并联运动平台控制方法，包括以下步骤：

A)通过伺服电机工作，伺服电机带动螺杆转动，驱动移动座移动，移动座在两个滑杆上滑动，移动座进行移动的过程中，驱动控制杆进行移动并改变倾斜角度，从而通过控制杆带动第一撑臂和第二撑臂绕着支撑座进行转动，从而改变倾斜角度；

B)当第一撑臂和第二撑臂进行转动改变倾斜角度时，第一撑臂上端驱动连接座移动，第一撑臂上端与连接座转动连接，当连接座移动时带动其过盈连接的球体移动，球体移动时通过短柱带动运动平台移动，其他两个连接座此时并不移动并与相对应的球体产生滑动动作；

C)控制杆的控制作用达到极限状态时，液压伸缩杆进行伸缩，液压伸缩杆伸缩时带动两个连接座相对移动，液压伸缩杆两端分别与两个连接座转动，从而保证运动顺利进行，两个连接座相对移动时改变第一撑臂和第二撑臂之间的夹角，从而改变第一撑臂的倾斜角度，当第一撑臂倾斜角度改变，出现步骤B中的步骤，实现一个进一步的运动平台动作。

优选地，三自由度并联运动平台的运动控制过程包括：

S1、设定三个运动机构分别为x，y，z，设定三个运动机构的运动行程分别为x1，y1，z1，三个运动机构中位置控制组件的运动行程极限为x2，y2，z2；

S2，控制器接收控制指令，根据控制指令进行运动解算，判断需要运动的运动机构，并获得各个运动机构需要进行运动的行程x1，y1，z1，将预计行程等量代换至移动座移动行程长度为X，Y，Z；

S3，将预计行程与运动机构中位置控制组件的运行行程极限进行比较，例如将X和x2进行比较，当X＜x2时，控制对应伺服电机工作，带动螺杆转动，从而驱动完成行程动作；当X＞x2时，计算X—x2得到具体数值，将具体数值进行公式计算，将移动座移动行程长度换算成液压伸缩杆伸缩长度L，首先驱动对应伺服电机工作，带动螺杆转动并运动至极限位置，接着控制液压伸缩杆进行伸缩，其伸缩长度为L；

S4，在伺服电机进行工作，通过第一测距传感器进行检测，当第一测距传感器感应到移动座移动距离达到X时，向控制器发出信号，控制器控制对应伺服电机停止工作；在液压伸缩杆伸缩时，通过第二测距传感器进行检测，当第二测距传感器感应到液压伸缩杆伸缩长度达到L时，向控制器发出信号，控制器控制对应伺服电机停止工作向控制器发出信号，控制器控制对应液压伸缩杆停止工作。

本发明的有益效果：

本发明通过分支的运动机构形成运动操作，运动机构采用折叠结构可起到对驱动的行程放大作用，使运动平台本身结构紧凑的同时，又能形成较大的运动自由度。

同时，通过螺杆和液压伸缩杆的运动配合，螺杆部分使得整体装置的稳定性增加，操作精确度加工，同时液压伸缩杆扩大了运动行程范围，保证整体装置的空间使用率；该装置控制简单，运动响应较好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的三自由度并联运动平台的结构示意图；

图2为本发明的三自由度并联运动平台的俯视结构示意图；

图3为本发明的三自由度并联运动平台仰视结构示意图；

图4为本发明中第一撑臂和第二撑臂的连接结构示意图；

图5为本发明的三自由度并联运动平台的控制流程图。

图中各附图标记的含义如下：

1底座、2运动平台、3支撑座、4第一撑臂、5第二撑臂、6移动座、7控制杆、8连接座、9球体、10液压伸缩杆、11连接座、12伺服电机、13滑杆、14螺杆。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。

参照图1、图2和图3所示的三自由度并联运动平台，包括底座1，底座1上侧设有运动平台2，运动平台2通过三个均匀设置的运动机构与底座1连接。三个运动机构之间呈三角型位置设置，最大化空间设置。

可选的方案中，运动机构包括固定设置在底座1上的支撑座3，支撑座3上侧倾斜设有第一撑臂4，第一撑臂4下端与支撑座3上端转动连接，第一撑臂4与支撑座3之间可以进行转动动作。

第一撑臂4上端转动连接有第二撑臂5，第一撑臂4和第二撑臂5之间设有限位组件，支撑座3一侧设有移动座6，移动座6通过位置控制组件与底座1连接。

移动座6上端转动连接有控制杆7，第一撑臂4和第二撑臂5相互靠近的一端均设有开槽，控制杆7上端延伸至两个开槽内并与第一撑臂4以及第二撑臂5转动连接。

第一撑臂4远离第二撑臂5的一端转动连接有连接座8，连接座8上侧设有球体9，连接座8上端面设有与球体9匹配的容纳槽，球体9与容纳槽过盈连接，球体9上侧通过短柱与运动平台2固定连接。通过球体9与连接座8的连接方式，可实现运动平台2的任意移动。

如图4所示，限位组件包括设置在第一撑臂4和第二撑臂5一侧的液压伸缩杆10，液压伸缩杆10两端均转动连接有连接座11，两个连接座11分别与第一撑臂4以及第二撑臂5固定连接。由此，通过液压伸缩杆10的伸缩动作，可以控制第一撑臂4与第二撑臂5相对转动，实现运动动作。

如图4所示，位置控制组件包括固定设置在移动座6远离支撑座3一侧的固定板，固定板远离移动座6的端面上固定安装有伺服电机12，固定板与支撑座3之间水平对称设有两个滑杆13。

结合4所示，滑杆13一端与固定板固定连接，滑杆13另一端与支撑座3固定连接，移动座6滑动套设在两个滑杆13上，两个滑杆13对移动座6进行限位，实现驱动动作。

结合图1、2、4，两个滑杆13之间设有螺杆14，螺杆14一端与固定板转动连接，螺杆14另一端与支撑座3转动连接，伺服电机12输出端贯穿固定板并与螺杆14同轴固定连接，移动座6螺纹套接在螺杆14上，伺服电机12采用现有技术，伺服电机12工作可以带动螺杆14转动，从而驱动移动座6移动。

其中，移动座6与支撑座3之间设有第一测距传感器，第一测距传感器固定设置在移动座6上，第一测距传感器采用现有的高精度激光测距传感器或者红外测距传感器，用于检测移动座6与支撑座3之间的距离。

其中，液压伸缩杆10两端上侧均固定设置有固定块，两个固定块之间设有第二测距传感器，第二测距传感器固定设置在其中一个固定块上，第二测距传感器用于检测两个固定块之间的距离，从而实现检测液压伸缩杆10的伸缩量。

尤其优选低，第一撑臂4和第二撑臂5上的开槽宽度大于移动座6宽度，开槽的深度大于控制杆7的长度，便于第一撑臂4和第二撑臂5进行重叠，缩小整体的空间体积。

其中，底座1上端面中心位置固定设置壳体，壳体内固定设置控制器，控制器与三个伺服电机、三个液压伸缩杆10、第一测距传感器以及第二测距传感器均电连接，控制器采用PLC或者嵌入式控制系统，实现对整个平台的主控。

结合图1-3所示的示例的三自由度并联运动平台，其控制方法步骤包括：

A)通过伺服电机12工作，伺服电机12带动螺杆14转动，驱动移动座6移动，移动座6在两个滑杆13上滑动，移动座6进行移动的过程中，驱动控制杆7进行移动并改变倾斜角度，从而通过控制杆7带动第一撑臂4和第二撑臂5绕着支撑座3进行转动，从而改变倾斜角度；

B)当第一撑臂4和第二撑臂5进行转动改变倾斜角度时，第一撑臂4上端驱动连接座8移动，第一撑臂4上端与连接座8转动连接，当连接座8移动时带动其过盈连接的球体9移动，球体9移动时通过短柱带动运动平台2移动，其他两个连接座8此时并不移动并与相对应的球体9产生滑动动作；

C)控制杆7的控制作用达到极限状态时，液压伸缩杆10进行伸缩，液压伸缩杆10伸缩时带动两个连接座11相对移动，液压伸缩杆10两端分别与两个连接座11转动，从而保证运动顺利进行，两个连接座11相对移动时改变第一撑臂4和第二撑臂5之间的夹角，从而改变第一撑臂4的倾斜角度，当第一撑臂4倾斜角度改变，出现步骤B中的步骤，实现进一步的运动平台2动作。

结合图5所示的控制流程逻辑示意，在平台运动过程中，通过以下过程实现运动控制：

S1，设定三个运动机构分别为x，y，z，设定三个运动机构的运动行程分别为x1，y1，z1，三个运动机构中位置控制组件的运动行程极限为x2，y2，z2；

S2，控制器接收上位机放送的控制指令，根据控制指令进行运动解算，判断需要运动的运动机构，并获得各个运动机构需要进行运动的行程x1，y1，z1，将预计行程等量代换至移动座移动行程长度为X，Y，Z；

S3，将预计行程与运动机构中位置控制组件的运行行程极限进行比较，例如将X和x2进行比较，当X＜x2时，控制对应伺服电机工作，带动螺杆转动，从而驱动完成行程动作；当X＞x2时，计算X—x2得到具体数值，将具体数值进行公式计算，将移动座移动行程长度换算成液压伸缩杆伸缩长度L，首先驱动对应伺服电机工作，带动螺杆转动并运动至极限位置，接着控制液压伸缩杆进行伸缩，其伸缩长度为L；

S4，在伺服电机进行工作，通过第一测距传感器进行检测，当第一测距传感器感应到移动座移动距离达到X时，向控制器发出信号，控制器控制对应伺服电机停止工作；在液压伸缩杆伸缩时，通过第二测距传感器进行检测，当第二测距传感器感应到液压伸缩杆伸缩长度达到L时，向控制器发出信号，控制器控制对应伺服电机停止工作向控制器发出信号，控制器控制对应液压伸缩杆停止工作。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种三自由度并联运动平台，其特征在于，包括：

底座(1)，作为下平台；

运动平台(2)，作为上平台，所述运动平台(2)通过三个均匀设置的运动机构与底座(1)连接，三个所述运动机构之间呈三角型位置设置；

所述运动机构包括：

固定设置在底座(1)上的支撑座(3)；

第一撑臂(4)，在所述支撑座(3)上侧倾斜设置，所述第一撑臂(4)下端与支撑座(3)上端转动连接；

第二撑臂(5)，与所述第一撑臂(4)上端转动连接；

限位组件，设置在所述第一撑臂(4)和第二撑臂(5)之间；

移动座(6)设置在所述支撑座(3)一侧，所述移动座(6)通过位置控制组件与底座(1)连接；

控制杆(7)，与所述移动座(6)上端转动连接；

其中，所述第一撑臂(4)和第二撑臂(5)相互靠近的一端均设有开槽，所述控制杆(7)上端延伸至两个开槽内并与第一撑臂(4)以及第二撑臂(5)转动连接；

所述第一撑臂(4)远离第二撑臂(5)的一端转动连接有连接座(8)，所述连接座(8)上侧设有球体(9)；

所述连接座(8)上端面设有与球体(9)匹配的容纳槽，所述球体(9)与容纳槽过盈连接；

所述球体(9)上侧通过短柱与运动平台(2)固定连接。

2.根据权利要求1所述的三自由度并联运动平台，其特征在于，所述限位组件包括设置在第一撑臂(4)和第二撑臂(5)一侧的液压伸缩杆(10)，所述液压伸缩杆(10)两端均转动连接有连接座(11)，两个所述连接座(11)分别与第一撑臂(4)以及第二撑臂(5)固定连接。

3.根据权利要求1所述的三自由度并联运动平台，其特征在于，所述位置控制组件包括固定设置在移动座(6)远离支撑座(3)一侧的固定板，所述固定板远离移动座(6)的端面上固定安装有伺服电机(12)，所述固定板与支撑座(3)之间水平对称设有两个滑杆(13)，所述滑杆(13)一端与固定板固定连接，所述滑杆(13)另一端与支撑座(3)固定连接，所述移动座(6)滑动套设在两个滑杆(13)上，两个所述滑杆(13)之间设有螺杆(14)，所述螺杆(14)一端与固定板转动连接，所述螺杆(14)另一端与支撑座(3)转动连接，所述伺服电机(12)输出端贯穿固定板并与螺杆(14)同轴固定连接，所述移动座(6)螺纹套接在螺杆(14)上。

4.根据权利要求1所述的三自由度并联运动平台，其特征在于，所述移动座(6)与支撑座(3)之间设有第一测距传感器，所述第一测距传感器固定设置在移动座(6)上。

5.根据权利要求1所述的三自由度并联运动平台，其特征在于，所述液压伸缩杆(10)两端上侧均固定设置有固定块，两个所述固定块之间设有第二测距传感器，所述第二测距传感器固定设置在其中一个固定块上。

6.根据权利要求1所述的三自由度并联运动平台，其特征在于，所述第一撑臂(4)和第二撑臂(5)上的开槽宽度大于移动座(6)宽度，所述开槽的深度大于控制杆(7)的长度。

7.根据权利要求1所述的三自由度并联运动平台，其特征在于，所述底座(1)上端面中心位置固定设置壳体，所述壳体内固定设置控制器，所述控制器与三个伺服电机、三个液压伸缩杆(10)、第一测距传感器以及第二测距传感器均电连接。

8.一种根据权利要求1所述的三自由度并联运动平台的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)通过伺服电机(12)驱动螺杆(14)转动，驱动移动座(6)移动，移动座(6)在两个滑杆(13)上滑动，移动座(6)进行移动的过程中，驱动控制杆(7)进行移动并改变倾斜角度，从而通过控制杆(7)带动第一撑臂(4)和第二撑臂(5)绕着支撑座(3)进行转动，从而改变倾斜角度；

B)当第一撑臂(4)和第二撑臂(5)进行转动改变倾斜角度时，第一撑臂(4)上端驱动连接座(8)移动，第一撑臂(4)上端与连接座(8)转动连接，当连接座(8)移动时带动其过盈连接的球体(9)移动，球体(9)移动时通过短柱带动运动平台(2)移动，其他两个连接座(8)此时并不移动并与相对应的球体(9)产生滑动动作；

C)当控制杆(7)的控制作用达到极限状态时，液压伸缩杆(10)进行伸缩，从而带动两个连接座(11)相对移动，液压伸缩杆(10)两端分别与两个连接座(11)转动，从而保证运动顺利进行，两个连接座(11)相对移动时改变第一撑臂(4)和第二撑臂(5)之间的夹角，从而改变第一撑臂(4)的倾斜角度，当第一撑臂(4)倾斜角度改变，出现步骤B中的步骤，实现进一步的运动平台(2)动作。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S1、设定三个运动机构分别为x，y，z，设定三个运动机构的运动行程分别为x1，y1，z1，三个运动机构中位置控制组件的运动行程极限为x2，y2，z2；

S2、接收上位机发送的控制指令，根据控制指令进行运动解算，判断需要运动的运动机构，并获得各个运动机构需要进行运动的行程x1，y1，z1，将预计行程等量代换至移动座移动行程长度为X，Y，Z；

S3、将预计行程与运动机构中位置控制组件的运行行程极限进行比较，将移动座移动行程长度换算成液压伸缩杆伸缩长度L，首先驱动对应伺服电机工作，带动螺杆转动并运动至极限位置，接着控制液压伸缩杆进行伸缩，其伸缩长度为L；

S4、控制伺服电机工作，通过第一测距传感器进行检测，当第一测距传感器感应到移动座移动距离达到X时，向控制器发出信号，控制器控制对应伺服电机停止工作；在液压伸缩杆伸缩时，通过第二测距传感器进行检测，当第二测距传感器感应到液压伸缩杆伸缩长度达到L时，向控制器发出信号，控制器控制对应伺服电机停止工作向控制器发出信号，控制器控制对应液压伸缩杆停止工作。

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