CN1200211C - 冗余输入驱动器及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冗余输入驱动器，其特征在于它包括基座、平行安装在基座上的两根或两根以上的丝杠，每一根丝杠上都配装有一个螺母，每个螺母分别通过轴承与一个套装在所有丝杠上的动平台连接，并且所述的螺母被传动装置所连接。本发明冗余输入驱动器具有结构简单，控制容易，均力输入，使用寿命长，制造成本低，无污染之虞的优点。其典型用途之一是将其作为驱动模块单独或并联接入两维或两维以上运动的模拟装置上。

Description

冗余输入驱动器及其用途

技术领域

本发明涉及机械学领域，具体为一种两个及两个以上机械信号同时输入而只有一个机械信号输出的冗余输入驱动器及其用途技术。

背景技术

冗余输入驱动技术是一种两个及两个以上机械信号同时输入而只有一个机械信号输出的驱动技术。其主要作用是采用多个驱动源分担一个总驱动力的驱动技术(参见文献《一种局部并联冗余驱动机械手》(T.Kokkinis，P.Millies.A parallel Robot-Arm Regional Structures with Actuator Redundancy.Mechanism and Machine Theory.1991，26：629-64)和《动力冗余并联操作器的运动性能》(T.Kokkinis，P.Millies.Kinetostatic Performance of aDynamically Redundant Parallel Manipulator.Int.Journal of Robotics andAutomation.1992，7：30-37))。冗余输入驱动技术可降低单驱动源功率，减小传动系统受力，为实现重载驱动，如大型模拟设备的电气-机械伺服系统驱动提供了可能性。然而，由于机械传动系统刚度较大，驱动工作过程中的运动误差，会引起各个驱动单元间的不同步现象，造成各个驱动单元间的受力不均，甚至会产生瞬时载荷方向相反的现象，使得驱动单元在一个工作循环内的平均载荷激增。一方面增大了驱动单元的功率；另一方面也严重损坏了传动系统的寿命。为避免这一问题，一般采用力反馈控制。力反馈控制是通过在各驱动单元加装力传感器作为反馈信号之一，按驱动单元受力动态调整各驱动单元运动，以达到受力均衡目的的控制技术。显然，这种技术将对力传感器提出较高的要求，特别是在重载和/或高速场合下使用力反馈控制，必须使用动力特性好、承载能力强的力传感器，而且力反馈控制的算法是非线性的，非常复杂，因而导致控制难度和制造成本大幅度增加，并且控制的稳定性变差。

多自由度的模拟器特别是六自由度并联模拟器(模拟平台)主要应用于大型模拟设备的制造，如飞行模拟训练器运动系统，地震模拟测试系统等。目前广泛采用斯蒂瓦特(Stewart)机构(参见文献《一种六自由度平台》(D.Stewart.A platform with Six Degrees of Freedom.Proc.of the Institution ofMechanical Engineers，London，UK，1965，180(15)：371-386.))，由六个输入获得六个输出自由度。这类平台通常承载质量大，加速度高，在高速运动时需要很大的驱动力；静止或低速运行时则还需承受很大的垂直方向重力。为了保证寿命并可获得需要的驱动力，驱动源被限制在液压驱动，多采用大型伺服油缸驱动，并需配备大型蓄能装置，因此设备庞大，制造、维护费用高，液压油易泄漏、造成环境污染等缺点。分析斯蒂瓦特结构模拟平台发现，其不能使用电气机械系统驱动的主要原因是：无论上平台的加速度大小，垂直方向一直需承受很大重力，使一个工作循环内所需的平均驱动力很大，造成机械传动系统易损；另一方面是没有符合其动力要求的合适伺服电机。因此所述的冗余输入驱动技术可以有助于解决该问题，但同样需要解决冗余输入驱动器的均力输入问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明主要解决的技术问题是提供一种冗余输入驱动器，它具有结构简单，控制容易，均力输入，使用寿命长，制造成本低，无污染之虞的优点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种冗余输入驱动器，其特征在于它包括基座、平行安装在基座上的两根或两根以上的丝杠，每一根丝杠上都配装有一个螺母，每个螺母分别通过轴承与一个套装在所有丝杠上的动平台连接，并且所述的螺母被传动装置所连接。

本发明驱动器由于设计了包括两个或两个以上简单并联的丝杠、配套螺母和传动装置机构作为冗余驱动输入源，由同一动平台统一输出的冗余输入驱动方式，因此结构简单，成本低廉，工作可靠，无液压漏油污染之虞的优点是明显的，特别是所设计的连接着各个螺母的连杆机构，可以使任意一个螺母旋转时，同时带动其余螺母产生牵连转动，构成驱动器内部均力机构，有效地解决了冗余输入驱动的受力不均衡问题，可以完成稳定、均匀地分担总驱动力的作用。由于丝杠寿命与驱动力的3次方成反比，因此本发明冗余输入驱动器当使用N个丝杠均力驱动时，可将其寿命提高为单丝杠寿命的N3倍，从而大大提高了设备的质量和使用寿命，降低了制造和使用成本。目前国内外尚没有发现与本发明相似的文献报道。

附图说明

图1为本发明主要由两根螺纹方向相反的丝杠2及配套螺母4构成的二均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的5为连杆传动装置的一种实施例；

图2为本发明主要由两根螺纹方向相同的丝杠2及配套螺母4构成的二均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的51为连杆传动装置的一种实施例；

图3为本发明主要由三根螺纹方向相同的丝杠2及配套螺母4构成的三均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的52为连杆传动装置的一种实施例；

图4为本发明主要由螺纹方向二右旋、一左旋的三根丝杠2及配套螺母4构成的三均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的53为连杆传动装置的一种实施例；

图5为本发明主要由螺纹方向一右旋、二左旋的三根丝杠2及配套螺母4构成的三均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的54为连杆传动装置的一种实施例；

图6为本发明主要由四根螺纹方向相同的丝杠2及配套螺母4构成的四均力冗余输入驱动器，也即由图2所示的二均力冗余输入驱动器作为一个单元设计的两单元四均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的55为连杆传动装置的一种实施例；

图7为本发明主要由五根螺纹方向相同的丝杠2及配套螺母4构成的五均力冗余输入驱动器，也即由图2所示的二均力冗余输入驱动器作为一个单元与由图3所示的三均力冗余输入驱动器作为一个单元组成的两单元五均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的56为连杆传动装置的一种实施例；

图8主要由八根螺纹方向相同的丝杠2及配套螺母4构成的八均力冗余输入驱动器实施例，也即由图2所示的二均力冗余输入驱动器作为一个单元设计的四单元八均力冗余输入驱动器实施例示意图；图中的57为连杆传动装置的一种实施例；

图9为本发明所述的二均力冗余输入驱动器作为一个驱动单元并联接入六自由度运动模拟器的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明冗余输入驱动器(参见图1，以下简称驱动器)的特征在于它包括基座1、平行安装在基座1上的两根或两根以上的丝杠2，每一根丝杠2上都配装有一个螺母4，每个螺母4分别通过轴承3与一个套装在所有丝杠2上的动平台6连接，并且所述的螺母4被传动装置5所连接。

本发明冗余输入驱动器的工作原理是：连接在基座1上的丝杠2通过螺母4及轴承3连接着所述的动平台6；所述的丝杠2为输入动力源，其只能相对基座1作纯转动；所述的传动装置5连接着各个螺母4。当某一螺母旋转时，可以带动其余螺母产生牵连转动，即螺母牵连转动产生均力作用，由此构成本发明的内部均力机构。当所述的丝杠2旋转时，可将其转动变为配装其上螺母4的轴向移动，并且由其带动所述的动平台6做轴向移动，同时通过动平台6把多个输入转化为驱动器的单一输出。当任一丝杠2或螺母4因各种可能的原因(如存在间隙或螺距误差等)造成各螺母受力不同或不均衡时，受力大的螺母4首先转动，并通过所述的传动装置5(如连杆机构5)带动其余螺母4旋转，直至各螺母4受力相同或达到平衡。因此本发明冗余输入驱动器可以称为均力冗余输入驱动器。

本发明最简单也最典型的实施例是主要由两根同向螺纹或一右旋螺纹一左旋螺纹的所述丝杠2以及配装所述丝杠2上两个螺母4，并且两个螺母4被连杆机构5(图2中为51)连接所构成的驱动器，称为二均力驱动器或双均力驱动器(参见图1、2)。

本发明另一典型的实施例是三均力驱动器(参见图3、4、5)，即由所述的丝杠2为同向螺纹、或二右旋螺纹一左旋螺纹、或一右旋螺纹二左旋螺纹的三根，配装所述丝杠2上的三个螺母4被连杆机构5(图3、4、5中分别为52、53和54)所连接构成的驱动器。这个实施例也意味着所述丝杠2的螺纹方向及其组合没有限制。

本发明的进一步特征是可以将所述的二均力驱动器作为一个单元模块来设计两个单元或两个以上的多单元的冗余输入驱动器。例如四均力驱动器(参见图6)、六均力驱动器、八均力驱动器(参见图8)等，也即按所述的原理可以设计任意2^N(N＝1、2、3……)根所述丝杠2和所述配装螺母4的均力驱动器。所述的单元之间也被所述的连杆机构5(图6、8中分别为55和57)所连接。所述丝杠2的螺纹方向和其组合没有限制。

本发明的进一步特征还可以是将所述的三均力驱动器作为一个单元模块，与所述的双均力驱动器单元模块一并来设计两个单元或两个以上的多单元的冗余输入驱动器。例如五均力驱动器(参见图7)、七均力驱动器、九均力驱动器等，也即按所述的原理可以设计任意2^N-1(N＝3、4、5……)根所述丝杠2和所述螺母4的均力驱动器。所述的单元之间也被所述的连杆机构5(图7中为56)所连接。所述丝杠2的螺纹方向和其组合没有限制。

在本发明实施例中，所述的丝杠2可用滚动丝杠，也可用滑动丝杠；所述的轴承3可用滚动轴承，也可用滑动轴承；所述的传动装置可以采用结构简单的连杆机构5，根据需要也可采用齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置之一作为传动装置5来连接所述的螺母4。本发明虽然仅给出了连杆机构5作为传动装置的实施例示意图，但本领域的技术人员不经创造性劳动使用任意一种所述公知的传动装置来连接所述的螺母4都是容易作到的。

在本发明所述的多级均力驱动器中，连接所述螺母4的传动装置5(连杆机构5)的设计应当以任一所述螺母4的转动都可以带动其他所有螺母4转动的最简单连接为原则，具体方式不受实施例的限制。在多级均力驱动器中，每个单元内或单元之间的所述的丝杠2既可以采用同向螺纹，也可以采用反向螺纹，但需要连接方式的配合变化(参见图1-8)。

本发明驱动器的典型用途之一是将其作为驱动模块单独或并联接入两维或两维以上运动的模拟装置上。例如大型模拟设备的制造的模拟装置，如飞行模拟训练器运动系统，地震模拟测试系统等。图9给出了本发明驱动器并联接入一种比较复杂的六自由度运动的模拟器示意图，图中的8就是并联接入的本发明驱动器的用途实施例示意图。当然，六自由度模拟器同样适用于单自由度或多自由度的模拟操作。同样道理，本发明驱动器也适用于做单自由度或其他多自由度模拟器的冗余驱动。这种驱动方式可以将模拟台及其上被测物体的重力和运动力均匀分散给各个驱动器，既便于控制操作，又不需要现有技术庞大的液压驱动源(特别是蓄能装置)，因此解决了设备结构复杂，制造和维护费用高，液压系统易泄漏、造成环境污染等问题；另一方面，使用本发明驱动器可使平均驱动力下降，有条件选择合适的伺服驱动电机，使设备制造容易，并进一步降低成本。由于机械传动系统如丝杠的寿命与轴向力的3次方成反比，因此双驱动分担驱动力可使机械传动系统受力减小了一半，即可提高寿命8倍，能够充分满足设备实际使用的寿命要求。当然，使用两根丝杠以上的多驱动分担驱动力的驱动器更可以使模拟器机械传动系统受力均分减轻或承载更大的模拟实验或测试重量，同时制造成本大降。目前国内外尚未见到类似于使用本发明冗余输入驱动器模拟器的文献报道。

Claims (8)

1.一种冗余输入驱动器，其特征在于它包括基座(1)、平行安装在基座(1)上的两根或两根以上的丝杠(2)，每一根丝杠(2)上都配装有一个螺母(4)，每个螺母(4)分别通过轴承(3)与一个套装在所有丝杠(2)上的动平台(6)连接，并且所述的螺母(4)被传动装置(5)所连接。

2.根据权利要求1所述的冗余输入驱动器，其特征在于所述的丝杠(2)为同向螺纹或一右旋螺纹、一左旋螺纹的两根，配装所述丝杠(2)上的两个螺母(4)被连杆机构(5)所连接。

3.根据权利要求1所述的冗余输入驱动器，其特征在于所述的丝杠(2)为同向螺纹、或二右旋螺纹一左旋螺纹、或一右旋螺纹二左旋螺纹的三根，配装所述丝杠(2)上的三个螺母(4)被连杆机构(5)所连接。

4.根据权利要求1所述的冗余输入驱动器，其特征在于将权利要求2或权利要求3所述的冗余输入驱动器作为一个单元模块来设计两个单元或两个以上的多单元的冗余输入驱动器；所述的单元之间也被所述的连杆机构(5)所连接。

5.根据权利要求1所述的冗余输入驱动器，其特征在于将权利要求2与权利要求3所述的冗余输入驱动器作为一个单元模块来设计两个单元或两个以上的多单元的冗余输入驱动器；所述的单元之间也被所述的连杆机构(5)所连接。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的冗余输入驱动器，其特征在于所述的螺母(4)被齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置之一所连接。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的冗余输入驱动器，特征在于将其作为驱动模块单独或并联接入两维或两维以上运动的模拟装置上。

8.根据权利要求6所述的冗余输入驱动器，特征在于将其作为驱动模块单独或并联接入两维或两维以上运动的模拟装置上。

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