CN115854217A - 一种应用电磁球铰的六自由度运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用电磁球铰的六自由度运动平台，涉及运动平台技术领域；包括活动台和底座，所述底座上均匀环设有六个电机导轨机构，所述电机导轨机构上滑动设置有滑块；所述活动台和底座之间设置有六个连杆，六个所述连杆顶部分别通过电磁球铰机构与所述活动台底部连接，六个所述连杆底部分别通过电磁球铰机构与六个所述滑块对应连接。本发明提供的应用电磁球铰的六自由度运动平台，能够解决现有技术中六自由度运动平台存在的结构复杂、理论模型解算复杂、振动和冲击大导致运动平台损坏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及运动平台技术领域，特别是涉及一种应用电磁球铰的六自由度运动平台。
背景技术
并联机器人是通过使用至少两个独立的运动链将运动平台和固定平台进行互相连接，其机械结构具有两个或者两个以上可运动的自由度，这种并联机器人类型的设备大部分情况下主要应用于紧凑精密的场景竞争优势点集中在动态性能、速度和重复定位精度方面，目前在飞行模拟器、汽车测试台、运动模拟器、游戏设备和其他工业设备都已经用到了并联机器人。
传统的六自由度并联运动平台有着体积大、结构复杂、动力学模型复杂等缺点，在进行一些极限运动模拟时，容易出现由于振动和冲击力过大而导致运动平台损坏。因此，如何解决现有技术中六自由度运动平台存在的结构复杂、理论模型解算复杂、振动和冲击大导致运动平台损坏的问题是本领域技术人员所亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用电磁球铰的六自由度运动平台，能够解决现有技术中六自由度运动平台存在的结构复杂、理论模型解算复杂、振动和冲击大导致运动平台损坏的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种应用电磁球铰的六自由度运动平台，包括活动台和底座，所述底座上均匀环设有六个电机导轨机构，所述电机导轨机构上滑动设置有滑块；所述活动台和底座之间设置有六个连杆，六个所述连杆顶部分别通过电磁球铰机构与所述活动台底部连接，六个所述连杆底部分别通过电磁球铰机构与六个所述滑块对应连接。本发明结构简单、干涉少、工作空间大、位置精度高，能有效减少速度大小和加速度大小，相对于传统并联机构，运动时受到的冲击力较小且能有效隔绝振动和冲击。
可选的，六个所述电机导轨机构的中心延长线相交于一点，且相邻两个所述电机导轨机构的中心延长线之间的角度为60°。
可选的，所述电机导轨机构包括伺服电机、联轴器、轴承座、丝杠螺母、导轨；所述丝杠螺母的丝杠通过两个所述轴承座固定在所述底座上，所述联轴器的两端分别连接所述伺服电机和所述丝杠，所述导轨等距的固定在所述底座上；所述滑块滑动设置于所述导轨上，所述丝杠螺母的螺母与所述滑块固定连接，伺服电机通过所述联轴器将动力传输给所述丝杠，所述丝杠能够在所述轴承座的支撑下转动以带动所述滑块做直线运动。
可选的，所述电磁球铰机构包括磁球铰头、内壳磁滑杆机构、限位机构、基座外壳、外壳盖；所述基座外壳端面和外壳盖端面通过螺栓固定连接；所述磁球铰头位于所述外壳盖内的一端设有磁球，所述磁球铰头另一端贯穿外壳盖上的中心孔后与所述连杆一端连接；所述基座外壳、外壳盖在空间上分别均布安装有三个内壳磁滑杆机构，所述内壳磁滑杆机构外侧设有所述限位机构，所述内壳磁滑杆机构内侧设有与所述磁球极性相同的内壳电磁铁，通过给内壳电磁铁通电，使内壳滑杆呈现和磁球铰头相同的极性，进而和磁球铰头相互作用产生排斥力；所述基座外壳远离所述外壳盖的一端与所述活动台或滑块连接；设置外壳盖上套装的三个内壳磁滑杆机构的磁极性较强，设置所述基座外壳上套装的三个内壳磁滑杆机构的磁极性较弱，因此空间上的六个内壳磁滑杆机构可使磁球铰头绕固定球心转动，由于磁球铰头和内壳滑杆非接触，因此磁球铰机构可有效隔绝振动和冲击。当六自由度并联运动平台某一方向受冲击使受力超过设定阈值后，控制该方向所对应的一个或多个限位机构上限位电磁铁吸引限位滑杆脱离内壳滑杆上限位孔，此时内壳磁滑杆机构可沿其轴线轴向移动，磁球铰头和内壳磁滑杆机构之间的电磁力使对应的弹簧受力压缩，释放瞬间冲击力，保护装置安全。
可选的，所述内壳磁滑杆机构包括内壳滑杆，所述内壳滑杆包括由导磁材料制成的球壳瓣形状杆和非导磁材料制成的圆杆，所述圆杆贯穿所述基座外壳或外壳盖，所述球壳瓣形状杆一端与所述圆杆固定连接，另一端均匀分布于所述磁球外侧，所述内壳滑杆上依次套设有内壳电磁铁和弹簧，所述弹簧一端与所述内壳电磁铁抵接，另一端与所述基座外壳或外壳盖内壁抵接。
可选的，所述外壳盖上周向均布设置三个孔，孔的轴心线和基座外壳与外壳盖结合面之间的夹角为25°；外壳盖上的三个所述内壳磁滑杆机构分别套装在外壳盖上三个孔中，使弹簧的一个端面和外壳盖内壁接触，所述内壳滑杆伸出外壳盖外边部分加装有限位机构，所述限位机构能够对内壳磁滑杆机构进行轴向限位。
可选的，所述基座外壳上周向均布设置三个孔，孔的轴心线和基座外壳与外壳盖结合面之间的夹角为40°；基座外壳上的三个所述内壳磁滑杆机构套装在基座外壳上三个孔中，使弹簧的一个端面和基座外壳内壁接触，所述内壳滑杆伸出基座外壳外边部分加装有限位机构，所述限位机构能够对内壳磁滑杆机构进行轴向限位。
可选的，所述限位机构包括限位支座、限位电磁铁、限位滑杆，所述基座外壳的外壁上和外壳盖的外壁上均分别设置有三个所述限位支座，所述限位支座一端活动穿设有限位滑杆，另一端固定设置有限位电磁铁，所述内壳滑杆的圆杆位于所述基座外壳和外壳盖外部的一端开设有限位孔，所述限位滑杆靠近所述限位电磁铁的一端固定设置有永磁铁，所述限位滑杆远离所述限位电磁铁的一端能够活动插设于所述限位孔内；所述限位滑杆的轴线与所述内壳滑杆的轴线垂直设置。
可选的，所述限位滑杆沿轴线方向未安装永磁铁一侧的下表面侧壁为平面结构，上表面侧壁为斜面结构，随着限位滑杆沿其轴线方向移动，限位滑杆上表面侧壁的斜面结构能够与内壳滑杆限位孔的斜面配合，使内壳磁滑杆机构轴向固定。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的一种应用电磁球铰机构的六自由度运动平台结构简单、可快速进行理论模型解算，由于应用非接触式的电磁球铰机构，能够避免因振动和冲击大导致运动平台损坏的问题。
附图说明
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
图1为本发明实施例中六自由度运动平台的结构示意图；
图2为本发明实施例中电磁球铰机构的结构示意图；
图3为本发明实施例中电磁球铰机构的外壳盖局部剖结构示意图；
图4为本发明实施例中电磁球铰机构的剖视图。
附图标记说明：100-应用电磁球铰的六自由度运动平台；1-活动台；2-连杆；3-导轨；4-丝杠螺母；5-滑块；6-伺服电机；7-底座；20-电磁球铰机构；21-磁球铰头；22-限位机构；23-限位电磁铁；24-限位滑杆；25-限位支座；26-外壳盖；27-基座外壳；28-内壳磁滑杆机构；29-内壳滑杆；30-弹簧；31-内壳电磁铁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种应用电磁球铰的六自由度运动平台，能够解决现有技术中六自由度运动平台存在的结构复杂、理论模型解算复杂、振动和冲击大导致运动平台损坏的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明基于传统的六自由度并联运动平台提出了一种伞状六自由度并联运动平台，它能够实现主动驱动的六自由度位置、姿态调节操作，该平台中与活动台相连接的球铰运动轨迹交于一点，可使得该结构动力学模型的参数相比于传统运动平台的更少，从而使该平台动力学模型的计算速度更快。
具体的，如图1-4所示，本发明提供一种应用电磁球铰的六自由度运动平台100，包括活动台1、连杆2、滑块5、电机导轨机构、底座7、电磁球铰机构20；活动台1与六个连杆2用电磁球铰机构20联接，六个连杆2再与六个滑块5采用电磁球铰机构20联接。六个滑块5与六个电机导轨机构联接。
如图1所示，于本实施例中，六个电机导轨机构均匀分布在底座7上。即六个电机导轨机构的中心延长线相交于一点，中心延长线之间的角度为60°。
如图1所示，于本实施例中，电机导轨机构包括伺服电机6、联轴器、轴承座、丝杠螺母4、导轨3。丝杠螺母4的丝杠通过两个轴承座固定在底座7上，联轴器的两端分别连接伺服电机6和丝杠，导轨3等距的固定在底座7上。伺服电机6通过联轴器将动力传输给丝杠，丝杠能够在轴承座的支撑下转动以带动螺母直线运动，由于螺母与滑块5固定连接，所以丝杠螺母4能够带动滑块5在导轨3上做直线运动。
如图2所示，于本实施例中，电磁球铰机构20包括磁球铰头21、内壳磁滑杆机构28、限位机构22、基座外壳27、外壳盖26。基座外壳27和外壳盖26端面结合，通过螺栓固定。磁球铰头21贯穿外壳盖26上的中心孔。
如图3、图4所示，于本实施例中，内壳磁滑杆机构28包括内壳滑杆29、内壳电磁铁31、弹簧30，内壳电磁铁31、弹簧30依次套装在内壳滑杆29上；内壳滑杆29由两部分组成，分别是前段由导磁材料制成的球壳瓣形状杆和后段非导磁材料制成的圆杆。
如图3、图4所示，于本实施例中，外壳盖26上周向均布设置三个孔，孔的轴心线和基座外壳27与外壳盖26结合面之间的夹角为25°；内壳磁滑杆机构28套装在外壳盖26上三个孔中，使弹簧30的一个端面和外壳盖26内壁接触，内壳滑杆29伸出外壳盖26外边部分加装限位机构22对其进行轴向限位。基座外壳27上周向均布设置三个孔，孔的轴心线和基座外壳27与外壳盖26结合面之间的夹角为40°；内壳磁滑杆机构28套装在基座外壳27上三个孔中，使弹簧30的一个端面和基座外壳27内壁接触，内壳滑杆29伸出基座外壳27外边部分加装限位机构22对其进行轴向限位。
如图3所示，于本实施例中，基座外壳27、外壳盖26在空间上分别均布安装三个内壳磁滑杆机构28和限位机构22，通过给内壳电磁铁31通电，使内壳滑杆29呈现和磁球铰头21相同的极性，进而和磁球铰头21相互作用产生排斥力。
如图4所示，于本实施例中，限位机构22包括限位支座25、限位电磁铁23、限位滑杆24，限位滑杆24沿轴向的一端安装有永磁铁，沿轴向的另一端下表面为平面，上表面为斜面，随着限位滑杆24沿其轴线方向移动上表面的斜面可与内壳滑杆29限位孔的斜面配合，使内壳磁滑杆机构28轴向固定。
使用时，设置外壳盖26上套装的三个内壳磁滑杆机构28的磁极性较强，设置基座外壳27上套装的三个内壳磁滑杆机构28的磁极性较弱，因此空间上的六个内壳磁滑杆机构28可使磁球铰头21绕固定球心转动，由于磁球铰头21和内壳滑杆29非接触，因此磁球铰机构可有效隔绝振动和冲击。当六自由度并联运动平台某一方向受冲击使受力超过设定阈值后，控制该方向所对应的一个或多个限位机构22上限位电磁铁23吸引限位滑杆24脱离内壳滑杆29上限位孔，此时内壳磁滑杆机构28可沿其轴线轴向移动，磁球铰头21和内壳磁滑杆机构28之间的电磁力使对应的弹簧30受力压缩，释放瞬间冲击力，保护装置安全。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：包括活动台和底座，所述底座上均匀环设有六个电机导轨机构，所述电机导轨机构上滑动设置有滑块；所述活动台和底座之间设置有六个连杆，六个所述连杆顶部分别通过电磁球铰机构与所述活动台底部连接，六个所述连杆底部分别通过电磁球铰机构与六个所述滑块对应连接。
2.根据权利要求1所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：六个所述电机导轨机构的中心延长线相交于一点，且相邻两个所述电机导轨机构的中心延长线之间的角度为60°。
3.根据权利要求1所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：所述电机导轨机构包括伺服电机、联轴器、轴承座、丝杠螺母、导轨；所述丝杠螺母的丝杠通过两个所述轴承座固定在所述底座上，所述联轴器的两端分别连接所述伺服电机和所述丝杠，所述导轨等距的固定在所述底座上；所述滑块滑动设置于所述导轨上，所述丝杠螺母的螺母与所述滑块固定连接。
4.根据权利要求1所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：所述电磁球铰机构包括磁球铰头、内壳磁滑杆机构、限位机构、基座外壳、外壳盖；所述基座外壳端面和外壳盖端面通过螺栓固定连接；所述磁球铰头位于所述外壳盖内的一端设有磁球，所述磁球铰头另一端贯穿外壳盖上的中心孔后与所述连杆一端连接；所述基座外壳、外壳盖在空间上分别均布安装有三个内壳磁滑杆机构，所述内壳磁滑杆机构外侧设有所述限位机构，所述内壳磁滑杆机构内侧设有与所述磁球极性相同的内壳电磁铁；所述基座外壳远离所述外壳盖的一端与所述活动台或滑块连接。
5.根据权利要求4所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：所述内壳磁滑杆机构包括内壳滑杆，所述内壳滑杆包括由导磁材料制成的球壳瓣形状杆和非导磁材料制成的圆杆，所述圆杆贯穿所述基座外壳或外壳盖，所述球壳瓣形状杆一端与所述圆杆固定连接，另一端均匀分布于所述磁球外侧，所述内壳滑杆上依次套设有内壳电磁铁和弹簧，所述弹簧一端与所述内壳电磁铁抵接，另一端与所述基座外壳或外壳盖内壁抵接。
6.根据权利要求5所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：所述外壳盖上周向均布设置三个孔，孔的轴心线和基座外壳与外壳盖结合面之间的夹角为25°；外壳盖上的三个所述内壳磁滑杆机构分别套装在外壳盖上三个孔中，使弹簧的一个端面和外壳盖内壁接触，所述内壳滑杆伸出外壳盖外边部分加装有限位机构，所述限位机构能够对内壳磁滑杆机构进行轴向限位。
7.根据权利要求5所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：所述基座外壳上周向均布设置三个孔，孔的轴心线和基座外壳与外壳盖结合面之间的夹角为40°；基座外壳上的三个所述内壳磁滑杆机构套装在基座外壳上三个孔中，使弹簧的一个端面和基座外壳内壁接触，所述内壳滑杆伸出基座外壳外边部分加装有限位机构，所述限位机构能够对内壳磁滑杆机构进行轴向限位。
8.根据权利要求5所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：所述限位机构包括限位支座、限位电磁铁、限位滑杆，所述基座外壳的外壁上和外壳盖的外壁上均分别设置有三个所述限位支座，所述限位支座一端活动穿设有限位滑杆，另一端固定设置有限位电磁铁，所述内壳滑杆的圆杆位于所述基座外壳和外壳盖外部的一端开设有限位孔，所述限位滑杆靠近所述限位电磁铁的一端固定设置有永磁铁，所述限位滑杆远离所述限位电磁铁的一端能够活动插设于所述限位孔内；所述限位滑杆的轴线与所述内壳滑杆的轴线垂直设置。
9.根据权利要求8所述的应用电磁球铰的六自由度运动平台，其特征在于：所述限位滑杆沿轴线方向未安装永磁铁一侧的下表面侧壁为平面结构，上表面侧壁为斜面结构，随着限位滑杆沿其轴线方向移动，限位滑杆上表面侧壁的斜面结构能够与内壳滑杆限位孔的斜面配合，使内壳磁滑杆机构轴向固定。
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