CN112936231A - 一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，所述平台包括上平台、下平台、三组驱动机构、导向机构和重力平衡机构，所述上平台与下平台之间采用等腰三角方位安装三组驱动机构，驱动机构上端与上平台铰接，下端与下平台铰接，所述导向机构上端与上平台铰接，底部一端与下平台连接另一端与重力平衡机构连接，所述重力平衡机构位于上平台与下平台之间，与下平台固定连接。本发明能够根据上平台承受负载的不同，调节弹簧施加平衡力的大小，使弹簧施加的平衡力与上平台负载相符合，减轻驱动缸的负载，从而提高动平台的负载能力、安全性和运动灵活性。

Description

一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台

技术领域

本发明涉及运动模拟平台技术领域，尤其涉及一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台。

背景技术

多自由度运动平台是一种可以模拟载人设备运动状态的一种运动模拟装置，可以在影院、游戏厅和游乐园等多种领域使用。目前多自由度运动模拟平台大多采用六自由度并联平台实现运动模拟，但是在很多情况下，如车辆、舰船等模拟并不需要六自由度，采用六自由度运动平台便造成了浪费。多自由度运动平台广泛采用驱动缸进行支撑及运动控制，不存在重力平衡的能力，造成承载能力低、运动不灵活、安全性差等问题。

发明专利CN111739400A公开了一种电、气动混合控制的六自由度模拟训练器，属于训练器技术领域，旨在解决现有的六自由度模拟训练器承载能力差，不能用于大型和大载荷的运动载体的模拟设备中的问题；包括电动运动平台，电动运动平台包括基座、多个电动缸、顶板和控制器；电动缸的底部铰接置于基座上，顶部铰接置于顶板上，还包括气悬浮支撑单元；所述气悬浮支撑单元包括空气压缩机、过滤器、控制阀、总储气罐、多个储气罐和气动缸。发明中的设计，在实现六个自由度运动模拟的同时，能够有效平衡负载压力，减轻电动缸的负载，使电动缸加、减速运动更顺畅，提高了模拟训练器的整体承载能力，适用于大型和大载荷的运动载体的模拟设备中；但其中六自由度平台制造和使用成本过高，且平台结构和控制系统过于复杂，不便于维修。

发明专利CN108908305A公开一种三自由度运动平台，包括运动平台和底座，所述运动平台设置在底座的上方，所述运动平台和底座之间通过驱动机构和位移限制机构相连接；所述驱动机构的上下两端分别通过转动组件与运动平台和底座进行转动连接；所述位移限制机构包括主防扭臂、副防扭臂和防扭臂基座；所述防扭臂基座设置在第一电动缸组件和第二电动缸组件之间，所述主防扭臂的一端通过转动组件与运动平台进行转动连接，另一端与防扭臂基座相连接；所述副防扭臂的一端通过转动组件与运动平台进行转动连接，另一端与防扭臂基座相连接。该发明实现了伺服控制与三自由度运动相结合，结构简单，运动控制准确，但该运动平台不能够平衡负载压力，运动平台负载能力较低、运动不灵活、安全性差。

发明专利CN111672134A公开一种能够实现三维空间运动的运动平台，包括转动平台、安装平台、第一驱动单元和至少三个支撑驱动机构；第一驱动单元驱动转动平台旋转；支撑驱动机构包括第二驱动单元、支架、螺杆、关节轴承、滑块、固定块和两组支撑单元；第二驱动单元驱动螺杆转动；固定块固定于支架上；滑块套设于螺杆上，其上设置有与所述螺杆相适配的螺纹；每组所述支撑单元中均包括两个支撑件，每组支撑单元中的两个支撑件一端相互铰接，另一端分别铰接于滑块和固定块上；关节轴承设置于一组支撑单元的两个支撑件的相互铰接处。该发明虽然仅需启动第一驱动单元和第二驱动单元即可实现安装平台的运动控制，操作简便，使用便捷，但安装平台响应缓慢且运动范围受限。

发明专利CN111686454A公开一种多功能六自由度运动装置，该装置基于Stewart平台的动感赛车游戏驾驶模拟器的运动平台系统，包括机械系统、液压系统、控制系统。机械系统包括面板、支撑板、垫块、球铰、球铰座、平台。液压系统包括缸筒、前后端盖、活塞杆、拉杆、油管、油管座，虽然承载能力强，但响应速度慢，耗能较大。综上，现有技术中均存在一定的缺陷和不足之处，还具有进一步提升和完善的空间。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，以解决运动平台未平衡负载压力，造成驱动缸运动性能降低、运动平台承载能力低、运动不灵活、安全性差等问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，包括上平台、下平台、三组驱动机构、导向机构和重力平衡机构；所述上平台与下平台的边缘之间采用等腰三角方位安装三组驱动机构，所述驱动机构上端与上平台铰接，下端与下平台铰接，所述导向机构的上端与上平台中部连接，所述导向机构底部的一端与下平台连接，另一端与重力平衡机构连接，所述重力平衡机构固定连接在下平台上表面的中部。

进一步的，所述上平台包括上支撑框架、第一铰支座和第一U型座，所述第一铰支座呈等腰三角形排布，分别安装在上支撑框架边缘底部；所述第一U型座分别安装在上支撑框架中部的前后两侧，过等腰三角形顶点的对称轴线，且所述第一U型座的转轴平行于对称轴线。

进一步的，所述下平台包括下支撑框架、第二铰支座和第三铰支座；所述第二铰支座呈等腰三角形排布，分别安装在下支撑框架边缘上部，且所述第一铰支座组成的等腰三角形与第二铰支座组成的等腰三角形是相似图形；所述第三铰支座沿等腰三角形顶点的轴线对称分布，安装在下支撑框架前侧上部。

进一步的，所述驱动机构包括第一万向铰、回转支承件、驱动缸和第二万向铰；所述第一万向铰通过回转支承件与驱动缸活塞杆顶端固定连接，所述第二万向铰固定连接在驱动缸底部，形成一个SPU串联分支，所述第一万向铰与上平台上的第一铰支座铰接，所述第二万向铰与下平台上的第二铰支座铰接。

进一步的，所述导向机构包括第一转动组件、第一支撑杆、第二转动组件和第二支撑杆；所述第一转动组件套设于上平台中部前侧的第一U型座的转轴上，并与第一支撑杆上端固定连接，所述第一支撑杆下端与重力平衡机构后侧转动连接；所述第二转动组件套设于上平台中部后侧的第一U型座的转轴上，并与第二支撑杆上端固定连接，所述第二支撑杆下端与下平台前侧上部的第三铰支座转动连接。

进一步的，所述重力平衡机构包括基座、导轨、第一组滑块、第一连接板、第二组滑块、第二连接板、丝杠组件、弹簧和第二U型座；所述基座固定在下平台的上表面中部，所述丝杠组件位于基座的中间，所述导轨对称设置在基座上部的两侧；所述第一连接板固定连接在第一组滑块之间，所述第二连接板固定连接在第二组滑块之间，所述第一组滑块分别滑动配合在导轨的后侧，所述第二组滑块分别滑动配合在导轨的前侧，且所述第二连接板与丝杠组件的丝杠螺母固定连接；所述弹簧连接在第一连接板和第二连接板之间；所述第二U型座设置在第一组滑块的上表面，并与第一支撑杆下端转动连接。

进一步的，所述第一转动组件包括连接环和环外支撑，所述连接环套设于第一U型座的转轴上，并与环外支撑一端铰接，空间两转轴相互垂直，所述环外支撑与第一支撑杆上端固定连接；所述第二转动组件与第一转动组件结构相同。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明采用导向机构限制两移一转三个自由度，所述驱动机构不提供约束，使运动模拟平台转动重心离转轴距离小，所需转动力矩小，运动范围大；

2.本发明采用弹簧施加的平衡力平衡上平台的载荷，减轻驱动缸的负载，使动平台的承载能力大幅提高，从而改善动平台的安全性和运动灵活性；

3.本发明能够根据承受负载的不同，通过丝杆组件调节两组滑块间的距离，使弹簧施加的平衡力与上平台的负载相符合。

附图说明

图1是本发明所提出的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台一个实施例的整体结构示意图；

图2是图1中上平台的结构示意图；

图3是图1中下平台的结构示意图；

图4是图1中驱动机构和导向机构的结构示意图；

图5是图1中重力平衡机构的结构示意图；

图6是图4中第一转动组件的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指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。

参见附图1至6，给出了本发明所提出的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台一个实施例的具体结构。所述模拟平台包括上平台1、下平台2、三组驱动机构3、导向机构4和重力平衡机构5；所述上平台1与下平台2之间采用等腰三角方位安装三组驱动机构3，驱动机构3上端与上平台1铰接，另一端与下平台2铰接，所述导向机构4上端与上平台1连接，底部一端与下平台2连接另一端与重力平衡机构5连接，所述重力平衡机构5位于上平台1与下平台2之间，与下平台2固定连接；

如图2所示，所述上平台1包括上支撑框架11、第一铰支座12和第一U型座13；所述第一铰支座12有三个，呈等腰三角形排布，安装在上支撑框架11的边缘上；所述第一U型座13设置有两个，分别间隔一定距离的安装在上支撑框架11底部的前后两侧，过三个第一铰支座12组成的等腰三角形顶点的对称轴线，所述第一U型座13的转轴平行于该对称轴线。

如图3所示，所述下平台2包括下支撑框架21、第二铰支座22和第三铰支座23；所述第二铰支座有22设置有三个，呈等腰三角形排布，安装在下支撑框架21的边缘上，三个所述第一铰支座12构成的等腰三角形与下三个所述第二铰支座22构成的等腰三角形是相似图形，且在初始状态时，三个所述第一铰支座12构成的等腰三角形与下三个所述第二铰支座22构成的等腰三角形是位似图形；所述第三铰支座23沿等腰三角形顶点的轴线对称分布，安装在下支撑框架21上部的前侧。

如图4所示，所述驱动机构3包括第一万向铰31、回转支承件32、驱动缸33和第二万向铰34；所述第二万向铰34固定连接在驱动缸33底部，所述第一万向铰31通过回转支承件32固定连接在驱动缸33活塞杆顶端，形成一个SPU串联分支；三组所述驱动机构3结构均相同，并以三角形的方式布置于上平台1和与下平台2之间，各所述驱动机构3的上端分别通过第一万向铰31与上平台1边缘对应的第一铰支座12铰接，另一端与下平台2边缘对应的第二铰支座22铰接。

如图4所示，所述导向机构4包括第一转动组件41、第一支撑杆42、第二转动组件43和第二支撑杆44；所述第一转动组件41由连接环411和环外支撑412构成，所述连接环411套设于上平台1底部前侧的第一U型座13的转轴上，并与环外支撑412一端铰接，空间两转轴相互垂直，所述环外支撑412与第一支撑杆42上端固定连接，所述第一支撑杆42下端与重力平衡机构5的第二U型座59转动连接；所述第二转动组件43与第一转动组件41结构相同，其套设于上平台1底部后侧第一U型座13的转轴上，并与第二支撑杆44上端固定连接，第二支撑杆44下端与下平台2的第三铰支座23转动连接，导向机构限制运动模拟平台三个自由度，使运动模拟平台转动轴线在上平台周围，转动所需力矩较小。

如图5所示，所述重力平衡机构5包括基座51、导轨52、第一组滑块53、第一连接板54、第二组滑块55、第二连接板56、丝杠组件57、弹簧58和第二U型座59；所述基座51固定在下平台2上表面中部，所述丝杠组件57设置在基座51的中间，所述导轨52对称设置在基座51上部的左右两侧；所述第一连接板54固定连接在第一组滑块53之间，所述第一组滑块53滑动配合在两导轨52的后侧；所述第二连接板56固定连接在第二组滑块55之间，所述第二组滑块53滑动配合在两导轨52的前侧，且所述第二连接板56与丝杠组件57的丝杠螺母固定连接；本实施例中，所述弹簧58对称设置有两根，两根所述弹簧58的一端分别与第一连接板54的左右两侧连接，另一端分别与第二连接板56的左右两侧连接，所述第二U型座59位于第一组滑块53的上表面；所述重力平衡机构5在弹簧58的作用下，使运动模拟平台具有平衡上平台1负载的能力，该运动模拟平台采用弹簧58平衡自身重力，使动平台的承载能力大幅提高，改善了动平台的安全性和运动灵活性。

本发明的工作原理：起始时弹簧58处于自由伸缩状态无预紧力，首先将运动模拟平台恢复到初始位置，将所需运动模拟物体运上上平台1，根据上平台1承受负载的大小，通过丝杠组件57调节两组滑块间的距离，从而调整弹簧58的预紧力，使弹簧58的预紧力与上平台1承受负载相匹配，启动运动模拟，利用运动控制器调节驱动缸33的伸缩长度进行运动模拟；运动模拟结束后，利用运动控制器调节驱动缸33的伸缩长度，运动模拟平台恢复到初始位置，通过丝杠组件57调节两组滑块间的距离，使弹簧58处于自由伸缩状态无预紧力，将所需运动模拟物体从上平台1上移除，关闭运动模拟平台。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，其特征在于：所述平台包括上平台、下平台、三组驱动机构、导向机构和重力平衡机构；所述上平台与下平台的边缘之间采用等腰三角方位安装三组驱动机构，所述驱动机构上端与上平台铰接，下端与下平台铰接，所述导向机构的上端与上平台中部连接，所述导向机构底部的一端与下平台连接，另一端与重力平衡机构连接，所述重力平衡机构固定连接在下平台上表面的中部。

2.根据权利要求1所述的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，其特征在于：所述上平台包括上支撑框架、第一铰支座和第一U型座，所述第一铰支座呈等腰三角形排布，分别安装在上支撑框架边缘底部；所述第一U型座分别安装在上支撑框架中部的前后两侧，过等腰三角形顶点的对称轴线，且所述第一U型座的转轴平行于对称轴线。

3.根据权利要求2所述的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，其特征在于：所述下平台包括下支撑框架、第二铰支座和第三铰支座；所述第二铰支座呈等腰三角形排布，分别安装在下支撑框架边缘上部，且所述第一铰支座组成的等腰三角形与第二铰支座组成的等腰三角形是相似图形；所述第三铰支座沿等腰三角形顶点的轴线对称分布，安装在下支撑框架前侧上部。

4.根据权利要求3所述的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，其特征在于：所述驱动机构包括第一万向铰、回转支承件、驱动缸和第二万向铰；所述第一万向铰通过回转支承件与驱动缸活塞杆顶端固定连接，所述第二万向铰固定连接在驱动缸底部，形成一个SPU串联分支，所述第一万向铰与上平台上的第一铰支座铰接，所述第二万向铰与下平台上的第二铰支座铰接。

5.根据权利要求3所述的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，其特征在于：所述导向机构包括第一转动组件、第一支撑杆、第二转动组件和第二支撑杆；所述第一转动组件套设于上平台中部前侧的第一U型座的转轴上，并与第一支撑杆上端固定连接，所述第一支撑杆下端与重力平衡机构后侧转动连接；所述第二转动组件套设于上平台中部后侧的第一U型座的转轴上，并与第二支撑杆上端固定连接，所述第二支撑杆下端与下平台前侧上部的第三铰支座转动连接。

6.根据权利要求5所述的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，其特征在于：所述重力平衡机构包括基座、导轨、第一组滑块、第一连接板、第二组滑块、第二连接板、丝杠组件、弹簧和第二U型座；所述基座固定在下平台的上表面中部，所述丝杠组件位于基座的中间，所述导轨对称设置在基座上部的两侧；所述第一连接板固定连接在第一组滑块之间，所述第二连接板固定连接在第二组滑块之间，所述第一组滑块分别滑动配合在导轨的后侧，所述第二组滑块分别滑动配合在导轨的前侧，且所述第二连接板与丝杠组件的丝杠螺母固定连接；所述弹簧连接在第一连接板和第二连接板之间；所述第二U型座设置在第一组滑块的上表面，并与第一支撑杆下端转动连接。

7.根据权利要求5所述的一种实现重力平衡的三自由度运动模拟平台，其特征在于：所述第一转动组件包括连接环和环外支撑，所述连接环套设于第一U型座的转轴上，并与环外支撑一端铰接，空间两转轴相互垂直，所述环外支撑与第一支撑杆上端固定连接；所述第二转动组件与第一转动组件结构相同。

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