CN106903676A - 一种气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构 - Google Patents

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张振涛
何景峰
孟强
张辉
侯伟钦
佟志忠
叶正茂
黄其涛
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Abstract

本发明公开了一种气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：包括动平台、固定架、回转导向组件、支链，其中回转导向组件、6条结构相同的支链固定在动平台与固定架之间；6条支链之间设置气动人工肌肉。在机构运动过程中，6条支链中的气动人工肌肉在压缩气体作用下收缩，拉动平台运动，中间回转导向组件对动平台提供支撑，使得动平台具有横滚、俯仰、偏航及垂向四个自由度；采用气动人工肌肉作为并联机构驱动元件，使得机构具有更好的柔性、更快的响应速度；在支链中安装力传感器，使其与气动人工肌肉直接连接，即能够通过气压与拉力测量预估气动人工肌肉伸缩量，不必额外安装位移传感器，简化了机构的结构。

Description

一种气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构
技术领域
本发明涉及一种工业机器人，尤其涉及一种气动人工肌肉的四自由度并联机构，属于机械设备领域。
背景技术
随着虚拟现实(VR)技术的发展，对运动载体提出越来越多的要求。并联机构是一种由多个并行链构成的闭环***，其具有高刚度、高精度、高承载能力，结构简单紧凑以及易于实现高速运动等一系列优点，被广泛应用于飞机飞行、战车道路模拟、潜艇模拟等运动模拟器领域，可以很好地满足VR技术中对运动载体的要求。但以往并联机构多采用液压缸或电动缸作为驱动元件，驱动元件既是驱动元件也是动平台的主支撑构件，存在体积大、重量重、易出故障等问题，这些问题制约着并联机构在VR领域的大范围应用。
发明内容
本发明旨在提高并联机构的适用性，降低故障率，提高机构可靠性。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：包括固定架(10)、动平台(20)、回转导向组件(30)、支链(40)，其中：回转导向组件(30)固定在固定架(10)与动平台(20)之间，包括虎克铰(31)、回转轴承(32)、直线运动轴承(33)、弹簧端盖(34)、弹簧壳(35)、弹簧(36)及位移传感器(37)；支链(40)，6条结构相同的支链设置在固定架(10)与动平台(20)之间，包括气动人工肌肉(41)、上铰座(42)、上球铰(43)、拉力传感器(44)、下球铰(45)、下铰座(46)。
本发明的优选方案中，所述回转导向组件(30)的直线运动轴承(33)由轴(331)和轴套(332)组成；所述虎克铰(31)通过所述回转轴承(32)与所述直线运动轴承(33)的轴(331)连接；所述直线运动轴承(33)的轴(331)与所述弹簧端盖(34)固定连接；所述弹簧壳(35)下端与所述固定架(10)连接；所述弹簧(36)上端与所述弹簧端盖(34)连接、下端与所述固定架(10)连接，并套在所述弹簧壳(35)周围；所述位移传感器(37)上端与所述弹簧端盖(34)连接、下端与所述固定架(10)连接。
本发明的优选方案中，所述回转导向组件(30)的虎克铰(31)与所述动平台(20)通过螺栓固定连接。
本发明的优选方案中，所述支链(40)的上铰座(42)与所述上球铰(43)连接；所述上球铰(43)与所述拉力传感器(44)连接；所述拉力传感器(44)与所所述气动人工肌肉(41)上端连接；所述气动人工肌肉(44)下端与所述下球铰(45)连接；所述下球铰(45)与所述下铰座(46)连接；所述下铰座(46)与所述固定架(10)连接。
本发明的优选方案中，所述动平台(20)与所述支链(40)的上铰座(42)连接。
本发明的优选方案中，机构运动过程中，所述6条支链(40)中的气动人功肌肉(41)在压缩气体作用下收缩，拉动所述动平台(20)运动；所述回转导向组件(30)对所述动平台(20)进行支撑；所述动平台(20)在所述回转导向组件(30)与所述6条支链(40)的作用下进行横滚、俯仰、偏航及垂向四个自由度方向的运动。
本发明的优选方案中，在机构运动过程中，所述气动人工肌肉(41)对所述动平台(20)的作用力通过位于所述上球铰(42)与所述气动人工肌肉(41)之间的所述拉力传感器(44)测量；所述动平台(20)的上、下运动位移由连接在所述弹簧端盖(34)与所述固定架(10)之间的所述位移传感器(37)测量。
本发明的优点在于：
(1)柔性好、响应速度快：本发明采用气动人工肌肉作为并联机构驱动元件，通过气压控制气动人工肌肉的力量大小及其伸缩量；
(2)重量轻、结构紧凑：驱动支链不作为动平台主支撑结构，重量轻；为减小机构质量，本发明将气导杆壳等零件中间掏空；直接将拉力传感器与气动人工肌肉连接，通过气压与气动人工肌肉出力测量预估气动人工肌肉伸缩量，不必额外安装位移传感器，使得机构结构更紧凑；
(3)稳定性好：弹簧上下分别通过导向组件连接在固定架与动平台之间，始终能保持较高的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过本实施例对本发明的结构及工作原理进行进一步说明。
如图1所示，一种气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，包括固定架(10)、动平台(20)、回转导向组件(30)、支链(40)，其中：所述回转导向组件(30)固定在所述固定架(10)与所述动平台(20)之间，所述回转导向组件(30)包括虎克铰(31)、回转轴承(32)、直线运动轴承(33)、弹簧端盖(34)、弹簧壳(35)、弹簧(36)及位移传感器(37)；所述6条结构相同的支链(40)设置在所述固定架(10)与所述动平台(20)之间，所述支链(40)包括气动人工肌肉(41)、上铰座(42)、上球铰(43)、拉力传感器(44)、下球铰(45)、下铰座(46)。
根据附图1中所示，所述回转导向组件(30)对所述动平台(20)提供约束，限制所述动平台(20)两个方向的平动，使得所述动平台(20)仅具有横滚、俯仰、偏航及垂向四个自由度；在机构运动过程中，所述6条支链(40)中的所述气动人工肌肉(41)提供所述动平台(20)运动的动力；所述气动人工肌肉(41)在压缩气体作用下发生收缩，且压缩气体的压力不同收缩量也不同，这样通过调节所述气动人工肌肉(41)的供气压力，所述6条支链(40)会对所述动平台(20)不同方向作用不同的力；所述动平台(20)在所述6条支链(40)不同作用力及所述回转导向组件(30)约束下会产生不同的运动；如向6条所述气动人工肌肉(41)提供相同压力的压缩气体，所述气动人工肌肉(41)产生相同的压缩量，对所述动平台(20)产生相同的作用力，则在6个相同作用力及中间所述回转导向组件(30)约束作用下，所述动平台(20)会产生垂直方向运动。
以上描述了本发明的结构和基本工作原理，本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都列入要求保护范围内，本发明要求保护范围由所述权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：包括固定架(10)、动平台(20)、回转导向组件(30)、支链(40)，其中：回转导向组件(30)固定在固定架(10)与动平台(20)之间，包括虎克铰(31)、回转轴承(32)、直线运动轴承(33)、弹簧端盖(34)、弹簧壳(35)、弹簧(36)及位移传感器(37)；支链(40)，6条结构相同的支链(40)设置在固定架(10)与动平台(20)之间，包括气动人工肌肉(41)、上铰座(42)、上球铰(43)、拉力传感器(44)、下球铰(45)、下铰座(46)。
2.根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：所述回转导向组件(30)的直线运动轴承(33)由轴(331)和轴套(332)组成；所述虎克铰(31)通过所述回转轴承(32)与所述直线运动轴承(33)的轴(331)连接；所述直线运动轴承(33)的轴(331)与所述弹簧端盖(34)固定连接；所述弹簧壳(35)下端与所述固定架(10)连接；所述弹簧(36)上端与所述弹簧端盖(34)连接、下端与所述固定架(10)连接，并套在所述弹簧壳(35)周围；所述位移传感器(37)上端与所述弹簧端盖(34)连接、下端与所述固定架(10)连接。
3.根据权利要求2所述的气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：所述回转导向组件(30)的虎克铰(31)与所述动平台(20)通过螺栓固定连接。
4.根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：所述支链(40)的上铰座(42)与所述上球铰(43)连接；所述上球铰(43)与所述拉力传感器(44)连接；所述拉力传感器(44)与所所述气动人工肌肉(41)上端连接；所述气动人工肌肉(44)下端与所述下球铰(45)连接；所述下球铰(45)与所述下铰座(46)连接；所述下铰座(46)与所述固定架(10)连接。
5.根据权利要求4所述的气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：所述动平台(20)与所述支链(40)的上铰座(42)连接。
6.根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：机构运动过程中，所述6条支链(40)中的气动人工肌肉(41)在压缩气体作用下收缩，拉动所述动平台(20)运动；所述回转导向组件(30)对所述动平台(20)进行支撑；所述动平台(20)在所述回转导向组件(30)与所述6条支链(40)的作用下进行横滚、俯仰、偏航及垂向四个自由度方向的运动。
7.根据权利要求1所述的气动人工肌肉驱动的四自由度并联机构，其特征在于：在机构运动过程中，所述气动人工肌肉(41)对所述动平台(20)的作用力通过位于所述上球铰(42)与所述气动人工肌肉(41)之间的所述拉力传感器(44)测量；所述动平台(20)的上、下运动位移由连接在所述弹簧端盖(34)与所述固定架(10)之间的所述位移传感器(37)测量。
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