CN102941571A - 低空间双杆导向式三自由度运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低空间双杆导向式三自由度运动平台，包括三组双杆水平导向式电动执行器、下平台刚性结构件、上平台刚性结构件每组双杆水平导向式电动执行器包括设置在下固定组件上的电机及其连接的同步轮同步带组件，同步轮同步带组件两端分别穿过左轴承及固定式轴承座副、右轴承及固定式轴承座副连接左、右丝杆传动装置，左、右丝杆传动装置分别包括左丝杆及左丝杆螺母副、右丝杆及右丝杆螺母副，左丝杆螺母副及右丝杆螺母副上分别连接有左定长杆下铰链和右定长杆下铰链，三组双杆水平导向式电动执行器安装并连接支撑上平台刚性结构件和下平台刚性结构件。可以在满足高性价比的同时实现高精度、大行程、高速度、高加速度、低高度空间的可靠运行。

Description

低空间双杆导向式三自由度运动平台

技术领域

本发明涉及一种低空间双杆导向式三自由度运动平台，属于多自由度运动模拟器技术领域。

背景技术

三自由度运动平台通常指可模拟空间三个自由度的运动平台，例如模拟在空间Z轴向的平移运动和绕着X、Y轴的旋转运动。该种平台在模拟驾驶、影剧院虚拟现实、游戏人机交互、兵器、船舶、航天、航空、电子等国防工业部门和地震、交通等民用工业部门广泛应用，相对于六自由度运动平台性价比较高，容易市场推广，且维护使用成本低，易于应用。

三自由度运动平台包括三组执行机构，可以采用液压、气动或电动方式，结构上分串联、并联和混合运动机构，并联机构平台具有负荷大、结构刚性好、简单可靠的特点，随着现代电力传动技术的发展，并联机构平台逐渐由液压驱动转为采用伺服电机电动驱动方式，具有功耗低、低噪音、无污染、精度高、小负荷动态性能高的特点。

传统并联三自由度运动平台典型结构如图1所示，主要由上刚性平台、下刚性平台、三只倾斜向上或垂直的直线执行器（每只执行器上下各设一只铰链与上下平台连接）、独立的前后左右和偏航约束机构组成，由于倾斜或垂直安装的直线执行器每单位直线行程至少需要2倍单位直线行程以上的执行器结构体积，所以传统并联三自由度运动平台垂直方向的空间利用率较低，无法满足低空间平台应用。   

但在低位平台游戏人机交互应用领域，在小高度空间模拟驾驶领域，传统的一种低空间双杆导向式三自由度运动平台因其上下驱动结构特点很难将平台总高度控制在300mm以下，指承载大于300KG以上，支撑分布圆大于600mm，上下行程大于100mm的运动平台。目前市场上的产品，其垂直的作动器的设计只能在低运动范围低速低载荷低精度运行，不能实现连续空间控制，不能满足高性能低空间三自由度运动平台需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种垂直方向的空间利用率较高，满足低空间平台应用的三自由度运动平台。

本发明的技术方案是：

一种低空间双杆导向式三自由度运动平台，包括三组双杆水平导向式执行器、下平台刚性结构件、上平台刚性结构件，每组双杆水平导向式执行器包括设置在下固定组件上的动力源及其连接的传动组件，传动组件两端分别穿过左轴承及固定式轴承座副、右轴承及固定式轴承座副连接左、右丝杆传动装置，左、右丝杆传动装置分别包括左丝杆及左丝杆螺母副、右丝杆及右丝杆螺母副，左、右丝杆螺旋方向相反，左丝杆螺母副及右丝杆螺母副上分别连接有左定长杆下铰链和右定长杆下铰链，左定长杆下铰链和右定长杆下铰链分别连接左定长杆和右定长杆的下端，左定长杆和右定长杆的上端通过左定长杆上铰链和右定长杆上铰链连接上固定组件，左丝杆螺母副及右丝杆螺母副的下方分别设置有左导轨滑块和右导轨滑块，左导轨滑块和右导轨滑块可在下固定组件上设置的左直线导轨和右直线导轨内滑动，

三组双杆水平导向式执行器安装并连接支撑上平台刚性结构件和下平台刚性结构件。

每组双杆水平导向式执行器，传动组件是同步带同步轮组件或涡轮蜗杆组件或链传动组件或齿轮箱组件。

每组双杆水平导向式执行器，动力源是电机或液压马达或气动马达。

每组双杆水平导向式执行器，定长杆上铰链为分别设置的左定长杆上铰链和右定长杆上铰链。

有益效果：本发明是一种低空间双杆导向式三自由度运动平台采用三组双杆水平导向式执行器驱动，每组双杆水平导向式执行器是一种下边长度变化的空间运动梯形，或一种下边长度变化的空间运动三角形，无论是运动梯形还是运动三角形，利用其下边水平运动变化的运动特点使得单组双杆水平导向式执行器垂直空间高度利用率大大提高。这意味着该型三自由度运动平台可应用在低位、低空间平台游戏人机交互领域，小高度空间模拟驾驶领域，该型平台是并联六自由度运动平台的衍生简化机构版本，可以在满足低空间应用的同时实现高性价比、高精度、大行程、高速度、高加速度、低高度空间的可靠运行。

附图说明

图1是现有的三自由度运动平台示意图；

图2是本发明的单组双杆水平导向式执行器的结构示意图；

图3是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图所示，一种低空间双杆导向式三自由度运动平台，包括三组双杆水平导向式执行器、下平台刚性结构件、上平台刚性结构件，每组双杆水平导向式执行器包括设置在下固定组件10上的电机20及其连接的传动组件19，传动组件19两端分别穿过左轴承及固定式轴承座副11、右轴承及固定式轴承座副1连接左、右丝杆传动装置，左、右丝杆传动装置分别包括左丝杆14及左丝杆螺母副12、右丝杆4及右丝杆螺母副2，左、右丝杆螺旋方向是相反的，左丝杆螺母副12及右丝杆螺母副2上分别连接有左定长杆下铰链16和右定长杆下铰链6，左定长杆下铰链16和右定长杆下铰链6分别连接左定长杆17和右定长杆7的下端，左定长杆17和右定长杆7的上端通过左定长杆上铰链18和右定长杆上铰链8连接上固定组件9，左丝杆螺母副12及右丝杆螺母副2的下方分别设置有左导轨滑块13和右导轨滑块3，左导轨滑块13和右导轨滑块3可在下固定组件10上设置的左直线导轨15和右直线导轨5内滑动，

三组双杆水平导向式执行器安装并连接支撑上平台刚性结构件25和下平台刚性结构件24。

每组双杆水平导向式执行器，其传动组件19类型可以是同步带同步轮组件、涡轮蜗杆组件、链传动组件、齿轮箱组件。

每组双杆水平导向式执行器，其，动力源可以是电机或液压马达也可以是气动马达。

每组双杆水平导向式执行器，定长杆上铰链为分别设置的左定长杆上铰链18和右定长杆上铰链8。左定长杆上铰链、右定长杆上铰链合二为一，形成一只下边长度变化的空间运动三角形。

每组双杆水平导向式执行器的左丝杆14或右丝杆4行程两端分别设置一只行程感应开关，感应开关感应丝杆左丝杆螺母副12及右丝杆螺母副2的极限位置，左丝杆螺母副12及右丝杆螺母副2同时设置内外极限行程挡块。感应开关感应信号用于左丝杆螺母副12和右丝杆螺母副2极限位置电气信号保护和零位判断，左丝杆螺母副12和右丝杆螺母副2同时设置内外极限行程挡块，以避免螺母副滑脱故障。

单组双杆水平导向式执行器工作过程是：伺服电机20输出转速及扭矩通过传动组件19传递旋转运动到左丝杆14和右丝杆4，左丝杆14和右丝杆4螺旋方向是相反的，且左轴承及固定式轴承座副11和右轴承及固定式轴承座副1完全刚性连接在下固定组件10上、这样左丝杆14、右丝杆4的旋转运动直接转化为驱动左丝杆螺母副12和右丝杆螺母副2同时向外或向内运动，由于左定长杆上铰链18、左定长杆下铰链16、右定长杆上铰链8、右定长杆下铰链6构成了以四个无约束铰链形成的空间运动梯形，其上边即左定长杆上铰链18和右定长杆上铰链8中心连线、左边即左定长杆上铰链18和左定长杆下铰链16中心连线、右边即右定长杆上铰链8和右定长杆下铰链8中心连线长度是固定不变的，下边即左定长杆下铰链16和右定长杆下铰链6中心连线的长度是随着左丝杆螺母副12和右丝杆螺母副2同时向外或向内运动变化的，所以驱动上固定组件9产生相对于下固定组件10的近似上下运动。

当上述三组双杆水平导向式执行器21、22、23在水平面上采用120度夹角分布安装并连接支撑上平台刚性结构件25和下平台刚性结构件24后（图二）、低空间双杆水平导向式一种低空间双杆导向式三自由度运动平台就构成了，三组双杆水平导向式执行器21、22、23和下平台刚性结构件24、上平台刚性结构件25形成了完全运动约束。

单组双杆水平导向式执行器是电机通过传动组件传递旋转运动到的左右丝杆，左右丝杆螺旋方向是相反的，且左右轴承及固定式轴承座副完全刚性连接在下固定组件上、这样左右丝杆的旋转运动直接驱动左右丝杆螺母副同时向外或向内运动，导致上固定组件产生相对于下固定组件的近似上下运动（仍有一方向处于无运动约束状态），由左定长杆上铰链、左定长杆下铰链、右定长杆上铰链、右定长杆下铰链则构成以四个无约束铰链形成的空间运动梯形，其上边（左右定长杆上铰链中心连线）、左边（左定长杆上铰链、左定长杆下铰链中心连线）、右边（右定长杆上铰链、右定长杆下铰链中心连线）长度是固定不变的，下边（左定长杆下铰链、右定长杆下铰链中心连线）长度是可变的。

这样对于单组双杆水平导向式执行器来说，其原理是一个下边长度变化的空间运动梯形，左定长杆上铰链、右定长杆上铰链也可以合二为一，形成一只下边长度变化的空间运动三角形，无论是运动梯形还是运动三角形，利用其下边水平运动变化的运动特点使得单组双杆水平导向式执行器垂直空间高度利用率大大提高，意味着执行器可安装在狭窄的高度空间内实现大幅度的上下位移，其上下位移幅度和高度空间占用比大于300%。当三组双杆水平导向式执行器以一定角度（一般在水平面上采用120度夹角分布）安装并连接支撑上下平台刚性结构件后、低空间双杆水平导向式一种低空间双杆导向式三自由度运动平台就构成了，三组双杆水平导向式执行器和下平台刚性结构件、上平台刚性结构件在电机不运转时（即下边长度不变时）形成完全运动约束，

低空间双杆水平导向式三自由度运动平台是一种全新设计的三自由度运动平台，可以在满足低空间应用的同时实现高性价比、高精度、大行程、高速度、高加速度的可靠运行，具有广泛的市场应用潜力。

Claims (4)

1.一种低空间双杆导向式三自由度运动平台，包括三组双杆水平导向式执行器、下平台刚性结构件、上平台刚性结构件，其特征在于：每组双杆水平导向式执行器包括设置在下固定组件（10）上的动力源（20）及其连接的传动组件（19），传动组件（19）两端分别穿过左轴承及固定式轴承座副（11）、右轴承及固定式轴承座副（1）连接左、右丝杆传动装置，左、右丝杆传动装置分别包括左丝杆（14）及左丝杆螺母副（12）、右丝杆（4）及右丝杆螺母副（2），左、右丝杆螺旋方向相反，左丝杆螺母副（12）及右丝杆螺母副（2）上分别连接有左定长杆下铰链（16）和右定长杆下铰链（6），左定长杆下铰链（16）和右定长杆下铰链（6）分别连接左定长杆（17）和右定长杆（7）的下端，

左定长杆（17）和右定长杆（7）的上端通过定长杆上铰链连接上固定组件（9），

左丝杆螺母副（12）及右丝杆螺母副（2）的下方分别设置有左导轨滑块（13）和右导轨滑块（3），左导轨滑块（13）和右导轨滑块（3）可在下固定组件（10）上设置的左直线导轨（15）和右直线导轨（5）内滑动，

三组双杆水平导向式执行器安装并连接支撑上平台刚性结构件（25）和下平台刚性结构件（24）。

2.根据权利要求1所述的低空间双杆导向式三自由度运动平台，其特征在于：每组双杆水平导向式执行器，传动组件（19）是同步带同步轮组件或涡轮蜗杆组件或链传动组件或齿轮箱组件。

3.根据权利要求1所述的低空间双杆导向式三自由度运动平台，其特征在于：每组双杆水平导向式执行器，动力源（20）是电机或液压马达或气动马达。

4.根据权利要求1所述的低空间双杆导向式三自由度运动平台，其特征在于：每组双杆水平导向式执行器，定长杆上铰链为分别设置的左定长杆上铰链（18）和右定长杆上铰链（8）。

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