CN1462664A - 冗余输入并联模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冗余输入并联模拟器，包括由三个相互垂直面板A、B、C组成的机架，模拟平台和连接机架与模拟平台的至少三个分别与所述机架三个面板A、B、C垂直连接的接口模块，以及与接口模块对应连接的驱动装置，其特征在于所述的接口模块为机械组件，包括导轨、与导轨配合的滑台，用铰链分别与滑台一端和模拟平台连接的连杆，与滑台另一端连接的驱动装置。本发明模拟器具有结构简单，控制容易，使用寿命长，制造成本低，无污染之虞的优点。

Description

冗余输入并联模拟器

技术领域

本发明涉及机械学领域，具体为多自由度的模拟器特别是六自由度的冗余输入并联模拟器技术。

背景技术

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.Aplatform with SixDegrees of Freedom.Proc.of the Institution of Mechanical 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。

冗余输入驱动技术是一种用多个驱动源分担一个总驱动力的技术(参见文献1.《一种局部并联冗余驱动机械手》(T.Kokkinis，P.Millies.A parallelRobot-Arm Regional Structures with Actuator Redundancy.Mechanism andMachine Theory.1991，26：629-64)；2.《动力冗余并联操作器的运动性能》(T.Kokkinis，P.Millies.Kinetostatic Performance of a Dynamically RedundantParallel Manipulator.Int.Journal ofRobotics and Automation.1992，7：30-37)；3.《冗余驱动并联机构的刚度逆解》(B.J.Yi.Geometric Analysis ofAntagonistic Stiffness in Redundantly Actuated Parallel Mechanisms.Journal ofRobotic Systems.1993，10：581-603.))，为实现大型模拟平台的电气机械系统驱动提供了可能性。但一般电气机械驱动单元刚度较大，会使各冗余驱动单元间的受力不均衡，造成传动系统误差，为避免该缺陷，现有技术需使用力反馈控制，这无疑增加了设备的复杂程度和控制的难度以及制造成本；同时，前述垂直方向重力的持续作用仍然制约着机械传动系统寿命的提高。

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并联模拟器，具有结构简单，控制容易，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：设计一种冗余输入并联模拟器，包括由三个相互垂直面板A、B、C组成的机架1，模拟平台8和连接机架1与模拟平台8的至少三个分别与所述机架1三个面板A、B、C垂直或近似垂直连接的接口模块，以及与接口模块对应连接的驱动装置12，其特征在于所述的接口模块为机械组件，包括导轨13、与导轨13配合的滑台14，用铰链16分别与滑台14一端和模拟平台8连接的连杆15，与滑台14另一端连接的驱动装置12。

本发明设计由于采用了一套纯机械驱动系统代替现有技术的液压—机械驱动系统，不需要庞大的液压驱动源(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、造成环境污染等缺点；另一方面，本发明设计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。

配重的加入，消除了模拟台8对垂直驱动单元的重力作用，使垂直驱动单元的受力与加速度成正比，因此在匀速运动阶段和小加速度阶段的受力明显降低，从而降低了一个工作循环内的平均驱动力。由于模拟器的运动都存在大加速段、小加速度段和匀速动动阶段，且一般小加速段和匀速运动段的时间较大，故配重的加入一般可将平均驱动力减小到原来的50％-60％。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，因此配重的加入可提高寿命5-8倍。而双驱动分担驱动力使机械传动系统受力减小了一半，即可提高寿命8倍。这样，本发明冗余输入并联模拟器可将机械传动系统的寿命提高40倍以上，能够充分满足设备实际使用的寿命要求。此外，本发明的每个驱动接口模块都使用均力机构将冗余并联输入转化为系统的单一输入，使整个系统的控制难度相对降低。目前国内外尚未见到类似于本发明的冗余输入并联模拟器的文献报道。

附图说明

图1为本发明冗余输入并联模拟器整体结构实施例示意图；

图2为本发明冗余输入并联模拟器的垂直方向带配重的实施例示意图；

图3为本发明驱动接口模块结构实施例示意图；

图4为本发明单丝杠双螺母均力机构的实施例示意图；

图5为本发明反向螺旋双丝杠双螺母均力机构的实施例示意图；

图6为本发明同向螺旋双丝杠双螺母均力机构的实施例示意图；

图7为本发明单驱动接口模块的实施例示意图；

图8为本发明采用两个双驱动接口模块(一个与所述的面板A垂直或近似于连接，一个与所述的面板C垂直或近似于连接)，其余采用单驱动接口模块的实施例示意图；

图9为本发明六自由度上均采用双驱动接口模块的实施例示意图。

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：

本发明冗余输入并联模拟器(参见图1，以下简称模拟器)，包括由三个相互垂直的面板A、B、C组成的机架1，模拟平台8和连接机架1与模拟平台8的至少三个分别与所述机架1三个面板A、B、C垂直或近似垂直连接的接口模块，以及与接口模块连接的驱动装置12，其特征在于所述的接口模块为机械组件，包括导轨13、与导轨13配合的滑台14，用铰链16分别与滑台14一端和模拟平台8连接的连杆15，与滑台14另一端连接的驱动装置12。

本发明模拟器适用于单自由度、多自由度的模拟操作。这主要取决于接口模块的数量。考虑到三维空间的模拟，所述的接口模块至少设计三个，分别与所述的机架1三个面板A、B、C垂直或近似垂直连接。根据需要接口模块还可设计为4-6个。很明显，六自由度的模拟器相对复杂得多，所以本发明实施例以六自由度模拟器为例来详细叙述本发明。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。

固连在机架1上的六个驱动接口模块2、3、4、5、6、7连接着模拟平台8(参见图1)。其中，水平方向上分别有二个驱动接口模块2、3和一个驱动接口模块7，接口模块2、3与机架1面板B并联连接，接口模块7与机架1面板A连接；垂直方向有三个驱动接口模块4、5、6，呈三角形分布；所述的六个驱动接口模块在空间呈正交或近似正交布置。所述的六个驱动接口模块2、3、4、5、6、7与模拟平台8和机架1的三个面板A、B、C的连接位置和分布设计，并不受图示实施例的限制，例如，与模拟平台8水平方向上分别连接的二个驱动接口模块2、3和一个驱动接口模块7，完全可以对调位置，即接口模块2、3与机架1面板A并联连接，接口模块7与机架1面板B连接。

本发明模拟器的进一步特征是在所述的垂直方向的三个驱动接口模块4、5、6分别附加配重重锤9、10、11。重锤9、10、11的重量大小取决于模拟平台8及放置于其上实验物体的重量。设计附加配重重锤的意义在于消除了模拟平台8的重力对垂直方向的三个驱动接口模块的重力作用，降低一个工作循环的平均驱动力，延长使用寿命。

本发明所述的驱动接口模块为机械组件，包括导轨13、与导轨13配合的滑台14，用铰链16分别与滑台14一端和模拟平台8连接的连杆15，与滑台14另一端连接的驱动装置12(参见图3)。所述的铰链16可以是球铰链，也可以是虎克铰与转动副的组合。

本发明所述的每个驱动接口模块均可联接一个所述的驱动装置12或多个驱动装置12。采用多个驱动装置12时可以局部并联方式。多个驱动装置12提供的多端输入经所述的驱动接口模块可转化为系统的单一输入。所述的驱动装置12可为丝杠螺母副、齿轮齿条副、油缸或其他公知传动装置。

本发明所述驱动装置12实施例优选丝杠螺母副。采用丝杠螺母副驱动时，可以有以下具体实施例设计：单丝杠单螺母机构；单丝杠双螺母均力机构；双丝杠双螺母均力机构，包括同向螺旋双丝杠双螺母均力机构和反向螺旋双丝杠双螺母均力机构。

所述的单丝杠双螺母均力机构(参见图4)，其特征在于该均力机构包括滑块1201、两个螺母1204分别通过轴承1205与所述滑块1201连接，并且两个螺母1204被连杆机构1203所连接。所述的两个螺母1204装置在配套的丝杠上，丝杠两端被支架所支撑。所述的轴承1205可用滚动轴承，也可采用滑动轴承。其工作原理是：当任一螺母1204转动时，通过连杆机构1203可带动另一螺母1204反向旋转。当丝杠螺母副存在间隙或螺距误差，造成丝杠上的螺母1204受力不同或不平衡时，受力大的螺母便会转动并带动另一螺母做反向旋转，直至两个螺母1204受力相同或平衡。所述的连杆机构1203可用齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置代替。

本发明设计的双丝杠双螺母副驱动时，可通过双丝杠双螺母均力机构平均分担驱动力矩，从而可以驱动更大的载荷。所述的反向螺旋双丝杠双螺母副均力机构(参见图5)包括滑块1211、两根平行安装的反向螺旋丝杠1212，其上分别配装有螺母1214，所述两个螺母1214分别通过轴承1215与所述滑块1211连接，并且两个螺母1214被连杆机构1213所连接。所述的丝杠1212两端被支架所支撑。所述的轴承1215可用滚动轴承，也可采用滑动轴承。其工作原理是：当任一螺母1214转动时，通过连杆机构1213可带动另一螺母1214同向旋转。当丝杠螺母副存在间隙或螺距误差，造成丝杠上的螺母1214受力不同或不平衡时，受力大的螺母便会转动并带动另一螺母做同向旋转，直至两个螺母1214受力相同或平衡。所述的连杆机构1213可用齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置代替。

所述的同向螺旋双丝杠双螺母均力机构(参见图6)包括滑块1211、两根平行安装的同向螺旋丝杠1222，其上分别配装有螺母1214，所述两个螺母1214分别通过轴承1215与所述滑块1211连接，并且两个螺母1214被连杆机构1223所连接。所述的两个螺母1214装置在配套的丝杠上，丝杠1222两端被支架所支撑。所述的轴承1215可用滚动轴承，也可采用滑动轴承。其工作原理是：当任一螺母1214转动时，通过连杆机构1213可带动另一螺母1214反向旋转。当丝杠螺母副存在间隙或螺距误差，造成丝杠上的螺母1224受力不同或不平衡时，受力大的螺母便会转动并带动另一螺母做反向旋转，直至两个螺母1224受力相同或平衡。所述的连杆机构1223可用齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置代替。

Claims (9)

1.一种冗余输入并联模拟器，包括由三个相互垂直面板A、B、C组成的机架(1)，模拟平台(8)和连接机架(1)与模拟平台(8)的至少三个分别与所述机架(1)三个面板A、B、C垂直或近似垂直连接的接口模块，以及与接口模块对应连接的驱动装置(12)，其特征在于所述的接口模块为机械组件，包括导轨(13)、与导轨(13)配合的滑台(14)，用铰链(16)分别与滑台(14)一端和模拟平台(8)连接的连杆(15)，与滑台(14)另一端连接的驱动装置(12)。

2.根据权利要求1所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于所述的接口模块为4-6个，且与所述机架(1)面板A或B连接的接口模块数量不超过两个；所述的铰链(16)为球铰链或者虎克铰与转动副的组合。

3.根据权利要求1或2所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于与所述机架(1)面板C垂直或近似垂直连接的接口模块上配有重锤。

4、根据权利要求3所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于所述的驱动装置(12)为丝杠螺母副。

5.根据权利要求1或2所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于所述的驱动装置(12)为齿轮齿条副、油缸或其他公知的传动装置。

6.根据权利要求4所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于所述的驱动装置(12)为单丝杠双螺母副均力机构；该均力机构包括滑块(1201)、两个螺母(1204)分别通过轴承(1205)与所述滑块(1201)连接，并且两个螺母(1204)被连杆机构(1203)所连接。

7.根据权利要求4所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于所述的驱动装置(12)为反向螺旋双丝杠双螺母副均力机构；该均力机构包括滑块(1211)、两根平行安装的反向螺旋丝杠(1212)，其上分别配装有螺母(1214)，所述两个螺母(1214)分别通过轴承(1215)与所述滑块(1211)连接，并且两个螺母(1214)被连杆机构(1213)所连接。

8.根据权利要求4所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于所述驱动装置(12)为同向螺旋双丝杠双螺母副均力机构；该均力机构包括滑块(1211)、两根平行安装的同向螺旋丝杠(1222)，其上分别配装有螺母(1214)，所述两个螺母(1214)分别通过轴承(1215)与所述滑块(1211)连接，并且两个螺母(1214)被连杆机构(1223)所连接。

9.根据权利要求6、7或8所述的冗余输入并联模拟器，其特征在于所述驱动装置(12)上的连杆机构(1203)或(1213)或(1223)可用齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置代替。

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