CN117284963A - 电机驱动的六自由度摇摆装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机驱动的六自由度摇摆装置及工作方法，涉及运动模拟仿真技术领域，解决了现有摇摆装置负载能力差、速度慢的问题，提高了负载能力以及运动速度，具体方案如下：包括运动平台以及竖向设置在运动平台下方的三个支撑平台，三个支撑平台呈等边三角形分布，每个支撑平台均通过两条支链与运动平台连接，每个支撑平台上的两条支链沿着竖直方向呈轴对称布置，每条支链对应设有一个滑块，所述滑块与支撑平台上竖向设置的导轨滑动连接，每个滑块的底部连接一个剪叉机构，每个剪叉机构均通过至少一组电机驱动单元驱动，所述电机驱动单元固定设置在支撑平台的底座上，所述支撑平台上还固定设有用于控制电机驱动单元的控制器。

Description

电机驱动的六自由度摇摆装置及工作方法

技术领域

本发明涉及运动模拟仿真技术领域，特别是涉及一种电机驱动的六自由度摇摆装置及工作方法。

背景技术

六自由度摇摆装置广泛应用于运动模拟仿真领域，为了实现六自由度的倾斜和摇摆，摇摆装置一般采用经典的Stewart并联式结构设计。此外，早期的摇摆装置一般采用液压系统作为驱动力，但液压系统维护成本高、占地面积大、定位精度不高，随着电机技术的发展，目前越来越多的摇摆装置采用了电机驱动方式。

发明人发现，现有通过电机驱动的六自由度摇摆装置受其结构的影响，导致其摇摆角度、负载能力以及速度受到严重限制，例如，专利CN110202547A介绍了一种电机驱动的六自由度并联机构，由于单个电机驱动单元的负载能力有限，采用多组并联的电机驱动单元来提高驱动力，但Stewart并联机构由于自身特性，摇摆角度一般不超过30°，采用多组电机驱动后进一步造成摇摆空间受限，此外多组电机驱动单元必须同步运动，对控制系统要求很高。

专利CN114323627A介绍了一种电机驱动的七自由度摇摆试验平台，是在Stewart并联机构实现六自由度摇摆运动的基础上，通过额外增加某一方向的摇摆运动来实现该方向的大角度摇摆，该方案由于增加了一个自由度的运动，且需要与其他六个自由度运动进行联动控制，使得控制系统设计难度大，且只能实现某个特定方向的大角度运动，此外新增的自由度导致不能在运动平台中心开孔，筒状试验件无法在该运动平台上开展倾斜摇摆试验。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种电机驱动的六自由度摇摆装置及工作方法，通过剪叉机构带动连杆运动，每个剪叉机构由至少一组电机驱动单元驱动，大大提高了其运动速度，解决了现有摇摆装置负载能力差、速度慢的问题。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特点在于，包括：

运动平台以及竖向设置在所述运动平台下方的三个支撑平台，三个所述支撑平台呈等边三角形分布，每个所述支撑平台均通过两条支链与所述运动平台连接，每个所述支撑平台上的两条所述支链沿着竖直方向呈轴对称布置，每条所述支链对应设有一个滑块，所述滑块与所述支撑平台上竖向设置的导轨滑动连接，每个所述滑块的底部连接一个剪叉机构，每个所述剪叉机构均通过至少一组电机驱动单元驱动，所述电机驱动单元固定设置在所述支撑平台的底座上，所述支撑平台上还固定设有用于控制所述电机驱动单元的控制器。

根据本发明的一个实施例，所述支链还设有连杆和用于辅助所述剪叉机构的气动平衡系统，所述连杆的一端通过第一虎克铰与所述运动平台的转动座连接，另一端通过第二虎克铰与所述滑块连接，所述每个滑块对应连接一个所述气动平衡系统，所述气动平衡系统固定设置在所述支撑平台的底座上。

根据本发明的一个实施例，所述连杆长度固定，所述连杆的内部设有转动副，所述转动副通过力传感器与第一虎克铰连接，所述滑块上设有位移传感器。

根据本发明的一个实施例，所有第一虎克铰中心所围合成的圆的直径小于所有第二虎克铰中心所围合成的圆的直径。

根据本发明的一个实施例，所述剪叉机构从上向下由多组依次交叉连接的剪叉臂组成，所述剪叉机构的最上方通过转轴与所述滑块连接，所述剪叉机构最下方的两端通过滑座与所述电机驱动单元相连，每个滑座至少对应连接一个所述电机驱动单元。

根据本发明的一个实施例，所述气动平衡系统由滑轮组件、钢丝绳以及用于能量回收利用的气动弹簧组成，所述气动弹簧固定设置在所述支撑平台的底座上，所述滑轮组件固定设置在所述支撑平台的顶部，所述钢丝绳一端与所述气动弹簧连接，另一端绕过所述滑轮组件与所述滑块连接。

根据本发明的一个实施例，所述气动弹簧由伸缩油缸、蓄能器、增压气泵以及电动补油泵组成，所述伸缩油缸的活塞杆与所述钢丝绳连接，所述蓄能器通过管路分别与所述伸缩油缸、所述电动补油泵、所述增压气泵连接，所述蓄能器与所述增压气泵、所述电动补油泵连接的管路上分别设有一个单向阀。

根据本发明的一个实施例，所述运动平台的中心位置处开设有孔洞。

根据本发明的一个实施例，所述控制器与远程的人机交互控制平台连接。

本发明还提供了一种电机驱动的六自由度摇摆工作方法，其特点在于，具体如下：

将摇摆试验件安装在运动平台上，人机交互控制所述运动平台根据预先设置的小幅度摇摆运动生成轨迹点指令并发送给控制器，所述控制器控制电机驱动单元运动，运动过程中连杆上的力传感器实时获得载荷信息并传送给人机交互控制平台，所述人机交互控制平台计算出摇摆试验件的荷载信息；

根据所述荷载信息，所述人机交互控制平台判断预设的摇摆试验运动指令是否满足运行要求，当不符合运行要求时修改运动指令直至满足运行要求，所述人机交互控制平台将修改后的摇摆试验运动生成轨迹点指令并通过所述控制器控制所述电机驱动单元运动。

根据本发明的一个实施例，三个所述支撑平台围合形成容置腔室，所述支链、所述电机驱动单元均位于所述容置腔室内；

所述运动平台位于所述支撑平台上方。

根据本发明的一个实施例，所述支撑平台上方还设有静态支撑机构，所述静态支撑机构包括伸出状态和缩回状态；

在所述伸出状态下，多个所述静态支撑机构朝向容置腔室一侧伸出，并用于对所述运动平台进行静态支撑；

在所述缩回状态下，所述静态支撑机构收回至背离所述容置腔室一侧。

根据本发明的一个实施例，所述连杆一端与所述滑块之间二自由度转动配合；

所述连杆另一端与所述运动平台之间三自由度转动配合。

根据本发明的一个实施例，所述气动平衡系统一端与所述滑块相连接，用于平衡所述电机驱动单元的出力。

根据本发明的一个实施例，所述伸缩油缸的输出端设有滑动轮；

所述钢丝绳一端固设于所述支撑平台，所述支撑平台上设有导向块，所述钢丝绳的自由端跨设于所述导向块、所述滑轮组件与所述滑块相连接；

所述滑动轮卡设于所述钢丝绳内侧，所述伸缩油缸通过驱动所述滑动轮收缩，以驱动所述钢丝绳的自由端拉动所述滑块。

根据本发明的一个实施例，所述滑轮组件包括至少两个定滑轮，且两个所述定滑轮设于所述支撑平台的上方。

根据本发明的一个实施例，所述导向块两侧、所述滑轮组件两侧的所述钢丝绳平行设置。

根据本发明的一个实施例，所述钢丝绳靠近所述滑块的端部的轴向与所述导轨的长度延伸方向一致。

根据本发明的一个实施例，所述蓄能器内设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接。

根据本发明的一个实施例，所述力传感器和所述位移传感器均与所述控制器电连接。

根据本发明的一个实施例，所述剪叉机构的周向尺寸由上至下递增。

根据本发明的一个实施例，每一所述剪叉机构两侧连接的所述电机驱动单元同步运行。

根据本发明的一个实施例，所述支撑平台内侧开设有避让空间，用于避让部分所述剪叉机构和所述电机驱动单元。

根据本发明的一个实施例，每一所述电机驱动单元具有两个并排的电机单元以及共同的一个输出轴，所述输出轴与所述剪叉机构的侧端连接，以在所述电机驱动单元的驱动下所述剪叉机构收缩。

根据本发明的一个实施例，所述支撑平台与所述滑块之间还设有调平板，所述调平板与所述支撑平台之间通过至少两个螺纹连接件可拆卸连接。

上述本发明的有益效果如下：

本发明每条支链对应一个剪叉机构，每个剪叉机构下端与至少一组电机驱动单元相连，不仅增大了支链末端输出推力，而且提高了支链的运动速度，从而实现了大负载高速摇摆运动，满足大负载、高速度的极限摇摆工况要求。

本发明电机驱动单元作为固定部件，不随连杆和滑块一起运动，不仅降低了运动支链的质量及转动惯量，提高了摇摆装置的动态响应特性，而且摇摆装置中驱动/控制线缆因此不会产生弯折疲劳，提高了电机驱动的可靠性。

本发明与运动平台相连的连杆末端设置的力传感器可以获取摇摆试验件的载荷，通过计算能够得到试验件的重量、质心、转动惯量等信息，形成了一套试验件精确测量系统，避免试验件重量超过摇摆装置最大负载，保证装置运行安全。

本发明运动平台中心设置的开孔便于细长型筒状试验件穿过平台安装，六个连杆分散均布在运动平台下方，保证了筒状试验件摇摆运动时不会与连杆发生干涉，拓展了摇摆试验适用范围。

本发明对应的并联机构工作空间形状近似于圆柱体，因而具有更大的有效工作空间，实现更大的摇摆角度，能够满足舰船等摇摆试验标准中规定的最大45°的摇摆角度要求。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1(a)是本发明根据一个或多个实施方式的一种电机驱动的六自由度摇摆装置的整体结构示意图；

图1(b)是本发明根据一个或多个实施方式的一种电机驱动的六自由度摇摆装置的俯视结构示意图；

图2(a)是本发明根据一个或多个实施方式的支链系统的主视结构示意图；

图2(b)是本发明根据一个或多个实施方式的支链的侧视结构示意图；

图3(a)是本发明根据一个或多个实施方式的方形试验件在运动平台上安装的结构示意图；

图3(b)是本发明根据一个或多个实施方式的筒状试验件在运动平台上安装的结构示意图；

图4(a)是本发明根据一个或多个实施方式的连杆的结构示意图；

图4(b)是图4(a)所示结构中的A-A剖面示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的气动平衡系统的结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的气动弹簧的结构示意图；

图7(a)是本发明根据一个或多个实施方式的剪叉机构的主视结构示意图；

图7(b)是本发明根据一个或多个实施方式的剪叉机构的侧视结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、运动平台；2、支撑平台；

3、支链；31、连杆；311、第一虎克铰；312、转动副；313、力传感器；314、第二虎克铰；32、导轨；33、滑块；34、剪叉机构；341、第一剪叉臂；342、第二剪叉臂；343、第三剪叉臂；344、转轴；345、第四剪叉臂；346、滑座；35、气动平衡系统；351、滑轮组件；352、钢丝绳；353、气动弹簧；3531、伸缩油缸；3532、蓄能器；3533、增压气泵；3534、电动补油泵；4、电机驱动单元；5、控制器；6、方形试验件；7、筒状试验件。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1(a)-图7(b)所示，提出一种电机驱动的六自由度摇摆装置，包括，运动平台1、支撑平台2、支链3、电机驱动单元4以及控制器5。

其中，支撑平台2竖向设置，支撑平台2设有三个，三个支撑平台2位于运动平台1的下方，且三个支撑平台2呈等边三角形排布，即三个支撑平台2分别位于等边三角形的一个角处。

具体地，三个支撑平台2围合形成放置支链3以及电机驱动单元4的容置空间，且运动平台1在支撑平台2的上方移动，如此运动平台1的运动不受支撑平台2的干涉，进而运动平台1满足大角度的运动需求。

本发明中，多个支链3并联对运动平台1进行运动控制，且采用轴对称的方式，六条支链3两两一组，分为三组，每组支链3沿着竖直方向，呈轴对称布置，如此支链3的布置方式使得驱动可以固定布置，同时承受更大的负载。

进一步地，支撑平台2上方还设有静态支撑机构，静态支撑机构包括伸出状态和缩回状态。在伸出状态下，多个静态支撑机构朝向容置腔室一侧伸出，并用于对运动平台1进行静态支撑；而在缩回状态下，静态支撑机构收回至背离容置腔室一侧。

也即，为避免电机驱动单元4一直处于运动状态，所以设置静态支撑机构。当运动平台1的运动模拟试验完成后，静态支撑机构伸出对运动平台1形成支撑，由此便可以关闭电机驱动单元4，起到节能的效果。

具体地，静态支撑机构与支撑平台2之间通过螺纹连接件可拆卸连接，静态支撑机构包括滑动块和支撑块，滑动块与支撑块滑动配合，支撑块在电机的驱动下可以沿滑动块到达支撑位置，进而对静态的运动平台进行支撑。而当需要进行运动模拟试验时，则可以收回支撑块，避免支撑块对连杆31和运动平台1的运动产生干涉。

在实际应用过程中，可以先利用电机驱动单元4将对于滑块33的驱动力提升至足够完成对滑块33运动的值，然后在电机驱动单元4和气动平衡系统35足够完成对运动平台1的支撑后，将支撑块进行收回，如此可以避免运动平台1在运动初期突然下降对连杆31、滑块33以及电机驱动单元4造成损伤。

在一个实施方式中，支链3设有六条，两条支链3为一组，每个支撑平台2的侧部通过一组支链3与运动平台1的底部连接，每个支撑平台2上的两条支链3沿着竖直方向呈轴对称布置，同一个支撑平台2上的两条支链3之间的夹角为120°。

支撑平台2上设有两条导轨32，导轨32竖向设置，同一个支撑平台2上的两条支链3分别对应一个导轨32，支链3的端部通过滑块33与导轨32滑动连接。

滑块33与导轨32之间采用卡接的方式，由此可以避免滑块33与导轨32滑动时彼此脱离。

电机驱动单元4固定设置在支撑平台2的底座上，且位于支链3的下方，每个支撑平台2至少设有两个电机驱动单元4，两个电机驱动单元4相对设置，每个支链3与两个相对设置的电机驱动单元4连接，可通过至少一组电机驱动单元4驱动支链3运动。电机驱动单元4作为固定部件，不随连杆31和滑块33一起运动，不仅降低了支链3的质量及转动惯量，提高了摇摆装置的动态响应特性，而且摇摆装置中驱动/控制线缆不会产生弯折疲劳，提高了电机驱动单元4的可靠性。

具体地，位于支链3两侧的电机驱动单元4同步运行，如此可以确保滑块33的运行稳定性。

在一个实施方式中，控制器5固定设置在支撑平台2上，控制器5与远程的人机交互控制平台连接，人机交互控制平台能够根据输入的摇摆运动指令进行轨迹规划，并得到每条支链3的轨迹点指令并发送给控制器5，然后进行运动学反解计算得到电机位置，通过闭环控制和补偿控制算法使得每组电机驱动单元4进行相应的动作，驱动每组剪叉机构34上、下运动，带动对应的滑块33同步运动，从而使支链3按照指定的轨迹摆动，最终实现给定的摇摆运动。

具体如图2(a)所示，每个支撑平台2上设有两条支链3，支链3由连杆31、导轨32、滑块33、剪叉机构34以及气动平衡系统35组成。其中，导轨32竖向设置在支撑平台2的侧部，滑块33滑动设置在导轨32上且滑块33上固定设有位移传感器，连杆31的一端与运动平台1的底部铰接，另一端与滑块33铰接。滑块33的底部通过剪叉机构34与至少一组电机驱动单元4连接，电机驱动单元4为现有的电机结构，每组电机驱动单元4设有两个电机，两个电机相对设置在剪叉机构34的两侧，通过电机驱动剪叉机构34的升降，进而通过剪叉机构34带动滑块33沿导轨32移动，通过滑块33带动连杆31运动，最终实现运动平台1的动作。

如图4(a)-图4(b)所示，连杆31的一端通过第一虎克铰311与运动平台1的转动座连接，另一端通过第二虎克铰314与滑块33铰接，能够将滑块33的竖向移动转换成摆动动作。

连杆31的内部设有转动副312，转动副312与第一虎克铰311之间设有力传感器313，转动副312通过力传感器313与第一虎克铰311连接，能够将运动平台1的受力传递给力传感器313，用于参与控制算法计算，其中，所有第一虎克铰311中心所围合成的圆的直径小于所有第二虎克铰314中心所围合成的圆的直径。

需要注意的是，连杆31为固定长度，连杆31的中间段不可伸缩，具体的长度需根据实际设计要求确定，这里不做过多的限制。

具体地，连杆31一端与运动平台1之间利用第一虎克铰311三自由度转动配合，而连杆31一端与滑块33之间利用第二虎克铰314二自由度转动配合。由此满足运动平台1在空间上六自由度的转动需求。

六根连杆31分设于运动平台1的边角位置，由此运动平台1在不同角度运动时，避免局部位置的连杆31受到的力过于集中，进而起到保护连杆31的作用。而且，六根连杆31也可以满足重载的支撑需求，且每根连杆31对应一个滑块33、一组剪叉机构34以及两组电机驱动单元4，电机驱动单元4的数量足够多，有利于满足重载的驱动需求。

在一个实施方式中，气动平衡系统35一端与滑块33相连接，用于平衡电机驱动单元4的出力。

如图7(a)-图7(b)所示，剪叉机构34从上向下由多组依次交叉连接的剪叉臂组成，剪叉机构34的最上方通过转轴344与滑块33连接，剪叉机构34最下方的两端通过滑座346与电机驱动单元4相连，每个滑座346对应连接一个电机驱动单元4，具体的，本实施例中剪叉臂分别为第一剪叉臂341、第二剪叉臂342、第三剪叉臂343以及第四剪叉臂345；

其中，第一剪叉臂341与第二剪叉臂342结构相同，第一剪叉臂341与第二剪叉臂342的端部通过转轴344连接并与滑块33连接，第一剪叉臂341、第二剪叉臂342远离滑块33的一端分别对应连接一个第三剪叉臂343，两个第三剪叉臂343交叉设置且中间位置通过转轴344连接，第三剪叉臂343的一端与邻近的第一剪叉臂341/第二剪叉臂342的端部通过转轴344连接，另一端对应连接一个第四剪叉臂345；两个第四剪叉臂345交叉设置且中间位置通过转轴344连接，第四剪叉臂345的一端与邻近的第三剪叉臂343的端部通过转轴344连接，另一端通过连接座与邻近的至少一个电机驱动单元4连接，第四剪叉臂345与连接座之间铰接。

由于每个第四剪叉臂345均至少与一个电机驱动单元4连接，因此，剪叉机构34至少会被两个电机驱动单元4驱动，大大提高了其驱动力，进而提高了支链3的速度。

可以理解的是，在其他实施例中，剪叉机构34的剪叉臂的数量可根据实际设计要求进行适应性的增加或减少，具体的这里不做过多的限制。

由于剪叉机构34随着自身夹角的变化而导致自身负载能力发生改变，仅依靠剪叉机构34驱动滑块33并不能持续提供大负载的需求，因此，将剪叉机构34与气动平衡系统35配合使用，以保证滑块33输出力始终满足设计要求。

具体地，剪叉机构34的周向尺寸由上至下递增，如此剪叉机构34整体呈三角形，对于滑块33和运动平台1的支撑稳定性更强。

在一个实施方式中，对于剪叉机构34，支撑平台2内侧开设有避让空间，用于避让部分剪叉机构34和电机驱动单元4。

可知，三个支撑平台2围合形成的容置腔室内，剪叉机构34两侧各设置一个电机驱动单元4，如此使得电机驱动单元4和剪叉机构34之间的横向尺寸非常大，进而致使容置空间的尺寸很大，相邻的支撑平台2的间距变大，无法满足摇摆装置小型化的设计需求。

基于此，本申请在支撑平台2朝向容置空间的内侧设置避让空间，使得其中一个电机驱动单元4和部分剪叉机构34位于避让空间内，由此大幅缩小相邻支撑平台2的间距，进而有利于满足摇摆装置小型化的设计。

因为将传统的液压杆改为电机驱动单元4，电机驱动单元4的尺寸相较于液压杆大大降低，同时每个电机所能达到的驱动力则不如液压杆，因此需要多个电机驱动单元4配合使用。同时为了确保多个电机驱动单元4不会造成摇摆装置尺寸过大的风险，所以将支撑平台2内侧设置避让空间，由此容纳部分电机驱动单元4，且运动平台1在支撑平台2的上方运行，由此在满足小型化设计的前提下也满足了运动平台1大角度的运动需求。

进一步地，为进一步确保驱动力的情况下缩小摇摆装置的尺寸，每一电机驱动单元4具有并排的电机单元以及共同的一个输出轴，输出轴与剪叉机构34的侧端连接，以在电机驱动单元4的驱动下剪叉机构34收缩。

在一个实施方式中，支撑平台2与滑块33之间还设有调平板，调平板与支撑平台2之间通过至少两个螺纹连接件可拆卸连接。

至少两个螺纹连接件可以为螺钉或者螺纹，此处以两个螺纹连接件为例进行说明。

两个螺纹连接件位于调平板的上下两端，通过调整螺纹连接件与支撑平台2的连接深度来调整滑块33和导轨32的水平度或者竖直度，进而确保支撑平台2自身的加工误差对运动平台1的运动精度产生影响。

具体如图5所示，气动平衡系统35由滑轮组件351、钢丝绳352以及气动弹簧353组成，每个支撑平台2设有两个气动平衡系统35，两个气动平衡系统35相对设置在剪叉机构34的两侧，其中，气动弹簧353固定设置在支撑平台2的底座上，滑轮组件351固定设置在支撑平台2的顶部，钢丝绳352一端与气动弹簧353连接，另一端绕过滑轮组件351与滑块33连接。

如图6所示，气动弹簧353由伸缩油缸3531、蓄能器3532、增压气泵3533以及电动补油泵3534组成，伸缩油缸3531的活塞杆与钢丝绳352连接，蓄能器3532通过管路分别与伸缩油缸3531、电动补油泵3534连接，蓄能器3532还通过管路与增压气泵3533连接，其中，蓄能器3532与增压气泵3533、电动补油泵3534连接的管路上分别设有一个单向阀，以防止回流。

具体地，伸缩油缸3531的输出端设有滑动轮；钢丝绳352一端固设于支撑平台2，支撑平台2上设有导向块，钢丝绳352的自由端跨设于导向块、滑轮组件351与滑块33相连接；滑动轮卡设于钢丝绳352内侧，伸缩油缸3531通过驱动滑动轮收缩，以驱动钢丝绳352的自由端拉动滑块33。

进一步地，滑轮组件351包括至少两个定滑轮，且至少两个定滑轮设于支撑平台2的上方。

本发明以两个定滑轮为例进行说明，但不对此进行限定。定滑轮的设置增加了钢丝绳352的行程，配合电机驱动单元4共同作用于滑块33，有利于提高钢丝绳352的自由端的响应速度。也即钢丝绳352施加于滑块33的响应速度。

在一个实施方式中，导向块两侧、滑轮组件351两侧的钢丝绳352平行设置。由此钢丝绳352对于滑块33的施力与电机驱动单元4对于滑块33的施力同向。也即，钢丝绳352靠近滑块33的端部的轴向与导轨32的长度延伸方向一致。

蓄能器3532内还设有压力传感器，压力传感器与控制器5电连接。而对于力传感器和位移传感器，也均与控制器5相连接。

气动平衡系统35的工作原理如下：

在滑块33处于最底部即剪叉机构34处于最低点时，此时剪叉机构34各个剪叉臂之间的夹角最大，支撑能力最小，气动弹簧353通过钢丝绳352输出最大的拉力，以辅助剪叉机构34；在滑块33向下移动的过程中通过钢丝绳352带动活塞杆向上移动，当活塞杆向上运动时，液压油被压到蓄能器3532里使蓄能器3532的气囊压缩，气囊被压缩的同时气囊内的压力增大，使作用在活塞上的油压压力增大，进而增大活塞杆上的力，以辅助剪叉机构34对滑块33的支撑。

在滑块33处于最顶部即剪叉机构34处于最高点时，此时剪叉机构34各个剪叉臂之间的夹角最小，支撑能力最强，滑块33通过钢丝绳352带动活塞杆向下移动，气动弹簧353通过钢丝绳352输出最小的拉力，主要起到蓄能的作用；当活塞杆向下运动时，蓄能器3532的油被压到油缸内使蓄能器3532的气囊膨胀，气囊膨胀的同时气囊的压力降低，使作用在活塞上的油压压力减小，进而降低活塞杆上的力，通过增压气泵3533调节气囊的初始压力，可以调节气动弹簧353的出力范围，以适应不同的负载及工况。正常情况下，气动弹簧353内的液压油处于封闭腔内不会发生泄漏，但当液压油由于长时间的工作出现油膜泄漏时，可以通过电动补油泵3534进行补油。

如图3(a)-图3(b)所示，运动平台1的中心位置处开设有圆形的孔洞，不仅可以安装方形试验件6开展摇摆试验，还可以安装筒状试验件7进行摇摆试验，运动平台1中心设置的开孔便于细长型筒状试验件7穿过平台安装，六个连杆31分散均布在运动平台下方，保证了筒状试验件7摇摆运动时不会与连杆31发生干涉，拓展了摇摆试验的适用范围。

本实施例中并联机构工作空间形状近似于圆柱体，因而具有更大的有效工作空间，实现更大的摇摆角度，能够满足舰船等摇摆试验标准中规定的最大45°的摇摆角度要求。

综上，本发明提供的电机驱动的六自由度摇摆装置至少具备如下优势：

一、运动平台1的运动角度大。

本发明摇摆装置整体为圆柱形，与实际测试试验所需求的运动相匹配，内部具备更大的有效工作空间，有效工作空间内的机构也不易发生干涉和奇异，运动能力更大，且由于运动平台1位于支撑平台2的上方，进而在支链3的驱动下，运动平台1满足大角度的运动需求。

二、承载能力好。

本申请采用剪叉机构34配合气动平衡系统35，在满足运动平台1运行安全性的基础上，提高了运动平台1的运行稳定性。

传统的驱动装置安装在运动支链3上，机构在运行时是增加了驱动装置的重量，这部分的重量不仅耗费能源，还降低了整体系统的动态响应特性。

本发明中的电机驱动单元4、剪叉机构34、气动平衡系统35不随连杆31和运动平台1运动，使得连杆31和运动平台1的质量更加轻盈，动态响应特性好，而且节约能源。

三、稳定可靠。

电机驱动单元4、气动平衡系统35安装在机架上，不随机构运行而摆动，增加了驱动系统的稳定性，特别是完全解决了传统摇摆装置中驱动/控制线缆的弯折疲劳问题。

四、运动精度高。

利用调平板解决了支撑平台2与其他结构安装时存在的安装误差以及自身的加工误差，由此使得滑块33的竖向移动精度更高，进而对于运动平台1的运动位置控制精度也更高。

实施例2

本发明的另一种典型的实施方式中，提出了一种电机驱动的六自由度摇摆装置的工作方法，具体如下：

将摇摆试验件安装在运动平台1上，并将摇摆试验运动指令输入到人机交互控制平台，人机交互控制平台根据预先设置的小幅度摇摆运动生成轨迹点指令，并发送给控制器5，控制器5通过运动学反解得到电机驱动单元4运动位移并控制电机驱动单元4运动，摇摆运动过程中连杆31上的力传感器313实时获得载荷信息并传送给人机交互控制平台，人机交互控制平台计算出摇摆试验件的重量、质心、转动惯量等荷载信息，避免试验件重量超过摇摆装置最大负载，保证装置运行安全；

根据获得的摇摆试验件的重量、质心、转动惯量等荷载信息，人机交互控制平台判断是否可按给定的摇摆试验运动指令运行，若超出六自由度摇摆装置的运行要求，则提示修改摇摆试验运动指令，直至满足运行要求为止，在满足运行要求后，人机交互控制平台将摇摆试验运动生成轨迹点指令，并发送给控制器5，控制器5通过运动学反解计算电机位置，通过连杆31上的力传感器313获得的载荷信息计算连杆刚度数据，从而对计算得到的电机位置进行修正，最终驱动电机进行运动，并通过位移传感器进行闭环控制。

可以理解的是，本实施例中所采用的运动学反解计算、刚度计算均为现有的技术手段，这里不再过多的赘述。

控制器5可通过连杆31上的力传感器313监测到的数据计算得到连杆31的变形量，进而通过控制算法补偿变形带来的运动误差，通过与滑块33上的位移传感器配合使用，形成了一套精确定位控制系统，使得摇摆运动的定位精度大大提高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，包括运动平台以及竖向设置在所述运动平台下方的三个支撑平台，三个所述支撑平台呈等边三角形分布，每个所述支撑平台均通过两条支链与所述运动平台连接，每个所述支撑平台上的两条所述支链沿着竖直方向呈轴对称布置，每条所述支链对应设有一个滑块，所述滑块与所述支撑平台上竖向设置的导轨滑动连接，每个所述滑块的底部连接一个剪叉机构，每个所述剪叉机构均通过至少一组电机驱动单元驱动，所述电机驱动单元固定设置在所述支撑平台的底座上，所述支撑平台上还固定设有用于控制所述电机驱动单元的控制器。

2.根据权利要求1所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述支链还设有连杆和用于辅助所述剪叉机构的气动平衡系统，所述连杆的一端通过第一虎克铰与所述运动平台的转动座连接，另一端通过第二虎克铰与所述滑块连接，所述每个滑块对应连接一个所述气动平衡系统，所述气动平衡系统固定设置在所述支撑平台的底座上。

3.根据权利要求2所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述连杆长度固定，所述连杆的内部设有转动副，所述转动副通过力传感器与第一虎克铰连接，所述滑块上设有位移传感器。

4.根据权利要求2所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所有第一虎克铰中心所围合成的圆的直径小于所有第二虎克铰中心所围合成的圆的直径。

5.根据权利要求1所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述剪叉机构从上向下由多组依次交叉连接的剪叉臂组成，所述剪叉机构的最上方通过转轴与所述滑块连接，所述剪叉机构最下方的两端通过滑座与所述电机驱动单元相连，每个滑座至少对应连接一个所述电机驱动单元。

6.根据权利要求2所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述气动平衡系统由滑轮组件、钢丝绳以及用于能量回收利用的气动弹簧组成，所述气动弹簧固定设置在所述支撑平台的底座上，所述滑轮组件固定设置在所述支撑平台的顶部，所述钢丝绳一端与所述气动弹簧连接，另一端绕过所述滑轮组件与所述滑块连接。

7.根据权利要求6所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述气动弹簧由伸缩油缸、蓄能器、增压气泵以及电动补油泵组成，所述伸缩油缸的活塞杆与所述钢丝绳连接，所述蓄能器通过管路分别与所述伸缩油缸、所述电动补油泵、所述增压气泵连接，所述蓄能器与所述增压气泵、所述电动补油泵连接的管路上分别设有一个单向阀。

8.根据权利要求1所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述运动平台的中心位置处开设有孔洞。

9.根据权利要求1所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述控制器与远程的人机交互控制平台连接。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置的工作方法，其特征在于，具体如下：

将摇摆试验件安装在运动平台上，人机交互控制所述运动平台根据预先设置的小幅度摇摆运动生成轨迹点指令并发送给控制器，所述控制器控制电机驱动单元运动，运动过程中连杆上的力传感器实时获得载荷信息并传送给人机交互控制平台，所述人机交互控制平台计算出摇摆试验件的荷载信息；

根据所述荷载信息，所述人机交互控制平台判断预设的摇摆试验运动指令是否满足运行要求，当不符合运行要求时修改运动指令直至满足运行要求，所述人机交互控制平台将修改后的摇摆试验运动生成轨迹点指令并通过所述控制器控制所述电机驱动单元运动。

11.根据权利要求1所述的一种电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，三个所述支撑平台围合形成容置腔室，所述支链、所述电机驱动单元均位于所述容置腔室内；

所述运动平台位于所述支撑平台上方。

12.根据权利要求11所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述支撑平台上方还设有静态支撑机构，所述静态支撑机构包括伸出状态和缩回状态；

在所述伸出状态下，多个所述静态支撑机构朝向容置腔室一侧伸出，并用于对所述运动平台进行静态支撑；

在所述缩回状态下，所述静态支撑机构收回至背离所述容置腔室一侧。

13.根据权利要求2所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述连杆一端与所述滑块之间二自由度转动配合；

所述连杆另一端与所述运动平台之间三自由度转动配合。

14.根据权利要求2所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述气动平衡系统一端与所述滑块相连接，用于平衡所述电机驱动单元的出力。

15.根据权利要求7所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述伸缩油缸的输出端设有滑动轮；

所述钢丝绳一端固设于所述支撑平台，所述支撑平台上设有导向块，所述钢丝绳的自由端跨设于所述导向块、所述滑轮组件与所述滑块相连接；

所述滑动轮卡设于所述钢丝绳内侧，所述伸缩油缸通过驱动所述滑动轮收缩，以驱动所述钢丝绳的自由端拉动所述滑块。

16.根据权利要求15所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述滑轮组件包括至少两个定滑轮，且两个所述定滑轮设于所述支撑平台的上方。

17.根据权利要求15所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述导向块两侧、所述滑轮组件两侧的所述钢丝绳平行设置。

18.根据权利要求15所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述钢丝绳靠近所述滑块的端部的轴向与所述导轨的长度延伸方向一致。

19.根据权利要求15所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述蓄能器内设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接。

20.根据权利要求3所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述力传感器和所述位移传感器均与所述控制器电连接。

21.根据权利要求5所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述剪叉机构的周向尺寸由上至下递增。

22.根据权利要求21所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，每一所述剪叉机构两侧连接的所述电机驱动单元同步运行。

23.根据权利要求22所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述支撑平台内侧开设有避让空间，用于避让部分所述剪叉机构和所述电机驱动单元。

24.根据权利要求22所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，每一所述电机驱动单元具有两个并排的电机单元以及共同的一个输出轴，所述输出轴与所述剪叉机构的侧端连接，以在所述电机驱动单元的驱动下所述剪叉机构收缩。

25.根据权利要求1所述的电机驱动的六自由度摇摆装置，其特征在于，所述支撑平台与所述滑块之间还设有调平板，所述调平板与所述支撑平台之间通过至少两个螺纹连接件可拆卸连接。