CN116129732A - 一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台 - Google Patents

一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台 Download PDF

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Abstract

一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台，以解决现有六自由度模拟平台不能完全模拟和再现船体在复杂海况上遇到的情况的问题。本发明的单自由度转台安装于上台面，并通过单自由度转台上的Z轴电机驱动，主动轮与被动轮之间的啮合实现转动控制，六自由度平台采用并联机构方案，利用伺服电机驱动切向摆杆式控制六个环形均匀分布在上下台面的支点之间距离，实现X、Y、Z方向的平动和转动。六自由度运动平台与单自由度转台的协同作用不仅可以模拟船舶在海上航行时遇到的大部分情况，例如横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇等的复合运动，还可以在任意位置实现第七自由度绕Z轴转动及360°回转，连续无死点。

Description

一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台
技术领域
本发明涉及船舶航行运动安全领域，具体涉及一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台。
背景技术
海上航行环境恶劣，由于海浪的持续干扰会使得船舶运动过程中的摇荡运动不断加剧，从而威胁到船舶的航行安全。因此，研究船舶在海浪作用下的运动模型对于提高船舶航行过程中的安全性以及稳定性具有重要意义。船舶运动模拟平台是一种发展迅速、应用广泛的典型运动模拟平台。它可以模拟再现船体在复杂海况上遇到的大部分情况。
船舶在海面上航行的运动可以看作是刚体在空间中的运动，因此可以用三维空间中的六个自由度来描述他们的运动状况，即沿着三维坐标系各个轴的平动和转动。为了在实验室环境下模拟船舶在海面上航行时的运动情况，必须要依赖六自由度运动平台，六自由度运动平台可以实现空间中六个自由度的复杂运动，用来模拟船舶在海面上航行时海浪作用下产生的各种短时、复杂特征的运动和加速度。
六自由度运动平台属于Stewart并联机构，对于传统的Stewart机构而言，其较串联机构刚度与强度都较高，具有高载荷自重比的特点，在船舶运动模拟平台的设计过程中得到了广泛应用。但是，Stewart机构由于其具有六个自由度和构型的特点，现在还没有求解出其运动学正解的解析解，很难实现高精度的运动。而这一缺点也直接影响了通过六自由度运动平台仿真得到的船舶海面上航行运动结果的准确性，并且六自由度运动平台只能模拟横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇等运动，而不能绕Z轴转动及360°回转，不能模拟持续大范围的精确角运动。因此，单一的六自由度模拟平台不能完全模拟和再现船体在复杂海况上遇到的情况。
发明内容
本发明为解决现有六自由度模拟平台不能完全模拟和再现船体在复杂海况上遇到的情况的问题，而提供的一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台。
一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台，其组成包括六自由度运动平台、负载支撑板、单自由度转台和六个底座；
六自由度运动平台包括上台面、下台面、六个联动机构和六个隔块，每个联动机构包括伺服电机、摆杆、连杆和万向节，摆杆的输入端与伺服电机的输出轴固接，连杆的一端与摆杆铰接，连杆的另一端与万向节连接；六个联动机构沿同一圆周均布设置在上台面与下台面之间，万向节的上端与上台面固接，伺服电机的壳体与下台面固接，每相邻两个伺服电机之间设置一个隔块，隔块与下台面固接；
单自由度转台包括Z轴电机、主动轮、从动轮和法兰轴套，主动轮固装在Z轴电机的输出轴上，从动轮与主动轮啮合，从动轮套装在法兰轴套上；
单自由度转台设置在负载支撑板的下面，且从动轮与负载支撑板通过连接元件连接，从动轮位于六自由度并联机构的上台面上，且法兰轴套与上台面通过连接元件连接，Z轴电机的外壳与上台面连接，六个底座均布设置在下台面的下方，且六个伺服电机与六个底座上下一一对应。
进一步的，所述负载支撑板上设置有走线孔和固定孔。
进一步的，所述模拟平台在零位时，模拟平台的高度为1117mm，模拟平台的直径为Ф1300mm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明利用六自由度运动平台与单自由度转台的协同作用可以实现七自由度运动模拟平台任意位置绕Z轴转动，并且是360°回转，其中六自由度运动平台可以实现空间中六个自由度的复杂运动，用来模拟船舶在海面上航行时海浪作用下产生的各种短时、复杂特征的运动和加速度，绕Z轴转动的单自由度转台则模拟持续大范围的精确角运动。因此，本发明不仅可以模拟船舶在海上航行时遇到的大部分情况，例如横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇等的复合运动，还可以在任意位置实现第七自由度绕Z轴转动及360°回转，连续无死点，回转速度≥0.5°/s，因此，本发明能够完全有效的模拟和再现船体在复杂海况上遇到的大部分情况。
2、本发明的六自由度运动平台采用并联机构方案，以达到结构紧凑、负载能力大、运动速度高、运动精度高等优点，通过伺服电机驱动切向摆杆控制六个联动机构在上下台面的支点之间距离，实现X、Y、Z方向的平动和转动。
3、本发明采用伺服电机驱动切向摆杆式的方案调整上下支点间距离，提高了六自由度并联机构响应速度。
4、本发明的有效载荷≥100kg。
5、本发明结构紧凑、响应速度快、可控精度高的模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台。
附图说明
图1是本发明一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台的整体结构立体图；
图2是本发明一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台的主视图；
图3是图2的俯视图；
图4是负载支撑板2的结构示意图；
图5是单自由度转台3的整体结构立体图；
图6是单自由度转台3的主视图；
图7是图6的A-A剖视图；
图8为本发明的模拟平台沿Z方向平动-150mm的主视状态图；
图9为本发明的模拟平台沿Z方向平动前处于零位的主视状态图；
图10为本发明的模拟平台沿Z方向平动+150mm的主视状态图；
图11是本发明的模拟平台沿X方向平动-180mm的俯视状态图；
图12是本发明的模拟平台沿X、Y方向平动前处于零位的俯视状态图；
图13是本发明的模拟平台沿X方向平动+180mm的俯视状态图；
图14是本发明的模拟平台沿Y方向平动+180mm的俯视状态图；
图15是本发明的模拟平台沿Y方向平动-180mm的俯视状态图；
图16是本发明的模拟平台绕X方向转动+30°的主视状态图(即模拟平台俯仰)；
图17是本发明的模拟平台绕X方向转动-30°的主视状态图(即模拟平台俯仰)；
图18是本发明的模拟平台绕Y方向转动+30°的主视状态图(即模拟平台横滚)；
图19是本发明的模拟平台绕Y方向转动-30°的主视状态图(即模拟平台横滚)；
图20是本发明的模拟平台绕Z方向转动+30°的俯视状态图(即模拟平台偏航)；
图21是本发明的模拟平台绕Z方向转动前处于偏航零位的俯视状态图；
图22是本发明的模拟平台绕Z方向转动-30°的俯视状态图(即模拟平台偏航)；
图23是六个摆杆的俯视排序图。
其中，1、六自由度运动平台；2、负载支撑板；3、单自由度转台；4、底座；11、上台面；12、下台面；13、联动机构；14、隔块；131、伺服减速电机；132、摆杆；133、连杆；134、万向节；21、走线孔；22、固定孔。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图7描述本实施方式，本实施方式包括六自由度运动平台1、负载支撑板2、单自由度转台3和六个底座4；六自由度运动平台1包括上台面11、下台面12、六个联动机构13和六个隔块14，每个联动机构13包括伺服电机131、摆杆132、连杆133和万向节134，摆杆132的输入端与伺服电机131的输出轴固接，连杆133的一端与摆杆132铰接，连杆133的另一端与万向节134连接；六个联动机构13沿同一圆周均布设置在上台面11与下台面12之间，万向节134的上端与上台面11固接，伺服电机131的壳体与下台面12固接，每相邻两个伺服电机131之间设置一个隔块14，隔块14与下台面12固接；
单自由度转台3包括Z轴电机31、主动轮32、从动轮33和法兰轴套34，主动轮32固装在Z轴电机31的输出轴上，从动轮33与主动轮32啮合，从动轮33套装在法兰轴套34上；
单自由度转台3设置在负载支撑板2的下面，且从动轮33与负载支撑板2通过连接元件连接，从动轮33位于六自由度并联机构1的上台面11上，且法兰轴套34与上台面11通过连接元件连接，Z轴电机31的外壳与上台面11连接，六个底座4均布设置在下台面12的下方，且六个伺服电机131与六个底座4上下一一对应。
负载支撑板2上设置有走线孔21和固定孔22，负载支撑板2的尺寸为0.4m×0.4m，负载支撑板2整体重约9.4kg。
模拟平台在零位时，模拟平台的高度为1117mm，该高度为负载支撑板2的上端面至底座4的下端面，模拟平台的直径为Ф1300mm。
七自由度运动模拟平台可以分解为一个六自由度运动平台1和一个单自由度转台3，六自由度运动平台1实现X、Y、Z方向的平动和转动。单自由度转台3实现绕竖直方向的转动。
本发明模拟船体海上摇荡行为的六个自由度：
⑴、六自由度运动平台1实现Z方向升降：伺服电机131未启动时，摆杆132处于水平位置状态，负载支撑板2处于零位状态，见图9、图12和图21；六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第三摆杆Ⅲ、第五摆杆Ⅴ顺时针转动，第二摆杆Ⅱ、第四摆杆Ⅳ、第六摆杆Ⅵ逆时针转动，见图23，连杆133随之向下移动，当六个摆杆132转动至向下竖直位置时，通过连杆133带动上台面11向下的位移量为-150mm，见图8；当第一摆杆Ⅰ、第三摆杆Ⅲ、第五摆杆Ⅴ逆时针转动，第二摆杆Ⅱ、第四摆杆Ⅳ、第六摆杆Ⅵ顺时针转动，六个摆杆132转动至向上竖直时，通过连杆133带动上台面11向上的位移量为+150mm，见图10；六自由度运动平台1沿Z方向位移量的范围为±150mm之间，六自由度运动平台1最高速度≥0.5m/s，最高加速度≥10m/s2，重复定位精度优于1mm。
⑵、六自由度运动平台1实现纵向(沿Y方向)移动：六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第四摆杆Ⅳ、第五摆杆Ⅴ逆时针转动，第二摆杆Ⅱ、第三摆杆Ⅲ、第六摆杆Ⅵ顺时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11沿纵向(Y方向)位移+180mm，见图14；六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第四摆杆Ⅳ、第五摆杆Ⅴ顺时针转动，第二摆杆Ⅱ、第三摆杆Ⅲ、第六摆杆Ⅵ逆时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11沿纵向(Y方向)位移-180mm，见图15；六自由度运动平台1沿Y方向位移量的范围为±180mm之间，六自由度运动平台1最高速度≥0.5m/s，最高加速度≥10m/s2，重复定位精度优于1mm。
⑶、六自由度运动平台1实现侧向(沿X方向)移动：六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第三摆杆Ⅲ、第四摆杆Ⅳ、第六摆杆Ⅵ逆时针转动，第二摆杆Ⅱ、第五摆杆Ⅴ顺时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11沿侧向(X方向)位移-180mm，见图11；六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第三摆杆Ⅲ、第四摆杆Ⅳ、第六摆杆Ⅵ顺时针转动，第二摆杆Ⅱ、第五摆杆Ⅴ逆时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11沿侧向(X方向)位移+180mm，见图13；六自由度运动平台1沿X方向位移量的范围为±180mm之间，六自由度运动平台1最高速度≥0.5m/s，最高加速度≥10m/s2，重复定位精度优于1mm。
⑷、六自由度运动平台1实现俯仰(绕X方向转动)：六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第二摆杆Ⅱ、第四摆杆Ⅳ顺时针转动，第三摆杆Ⅲ、第五摆杆Ⅴ、第六摆杆Ⅵ逆时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11绕X方向转动+30°，见图16；六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第四摆杆Ⅳ、第五摆杆Ⅴ逆时针转动，第二摆杆Ⅱ、第三摆杆Ⅲ、第六摆杆Ⅵ顺时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11绕X方向转动-30°，见图17；六自由度运动平台1绕X方向转动范围为±30°，六自由度运动平台1最高转动速度≥60°/s，最高加速度≥600°/s2，重复定位精度优于0.1°。
⑸、六自由度运动平台1实现横滚(绕Y方向转动)：六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第三摆杆Ⅲ、第四摆杆Ⅳ、第六摆杆Ⅵ顺时针转动，第二摆杆Ⅱ、第五摆杆Ⅴ逆时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11绕Y方向转动+30°，见图18；六个伺服电机131同时启动，分别带动第一摆杆Ⅰ、第三摆杆Ⅲ、第四摆杆Ⅳ、第六摆杆Ⅵ逆时针转动，第二摆杆Ⅱ、第五摆杆Ⅴ顺时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11绕Y方向转动-30°，见图19；六自由度运动平台1绕Y方向转动范围为±30°，六自由度运动平台1最高转动速度≥60°/s，最高加速度≥600°/s2，重复定位精度优于0.1°。
⑹、六自由度运动平台1实现偏航(绕Z方向转动)：六个伺服电机131同时启动，带动六个摆杆132顺时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11绕Z方向转动+30°，见图20；六个伺服电机131同时启动，带动六个摆杆132逆时针转动，连杆133随摆杆转动产生倾斜，并带动上台面11绕Z方向转动-30°，见图22；六自由度运动平台1绕Z方向转动范围为±30°，六自由度运动平台1最高转动速度≥60°/s，最高加速度≥600°/s2，重复定位精度优于0.1°。
本发明模拟船体海上摇荡行为的第七个自由度：
⑺、负载支撑板2实现绕Z轴转动：启动Z轴电机31，带动主动轮32和从动轮33转动，从而实现负载支撑板2绕Z轴360°回转，连续无死点转动，回转速度≥0.5°/s。

Claims (3)

1.一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台，其特征在于：所述模拟平台包括六自由度运动平台(1)、负载支撑板(2)、单自由度转台(3)和六个底座(4)；
六自由度运动平台(1)包括上台面(11)、下台面(12)、六个联动机构(13)和六个隔块(14)，每个联动机构(13)包括伺服电机(131)、摆杆(132)、连杆(133)和万向节(134)，摆杆(132)的输入端与伺服电机(131)的输出轴固接，连杆(133)的一端与摆杆(132)铰接，连杆(133)的另一端与万向节(134)连接；六个联动机构(13)沿同一圆周均布设置在上台面(11)与下台面(12)之间，万向节(134)的上端与上台面(11)固接，伺服电机(131)的壳体与下台面(12)固接，每相邻两个伺服电机(131)之间设置一个隔块(14)，隔块(14)与下台面(12)固接；
单自由度转台(3)包括Z轴电机(31)、主动轮(32)、从动轮(33)和法兰轴套(34)，主动轮(32)固装在Z轴电机(31)的输出轴上，从动轮(33)与主动轮(32)啮合，从动轮(33)套装在法兰轴套(34)上；
单自由度转台(3)设置在负载支撑板(2)的下面，且从动轮(33)与负载支撑板(2)通过连接元件连接，从动轮(33)位于六自由度并联机构(1)的上台面(11)上，且法兰轴套(34)与上台面(11)通过连接元件连接，Z轴电机(31)的外壳与上台面(11)连接，六个底座(4)均布设置在下台面(12)的下方，且六个伺服电机(131)与六个底座(4)上下一一对应。
2.根据权利要求1所述的一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台，其特征在于：所述负载支撑板(2)上设置有走线孔(21)和固定孔(22)。
3.根据权利要求1所述的一种模拟船舶海上摇摆的七自由度运动模拟平台，其特征在于：所述模拟平台在零位时，模拟平台的高度为1117mm，模拟平台的直径为Ф1300mm。
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