CN108032281A - 六自由度运动平台以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度运动平台以及电子设备。该运动平台包括定平台、动平台和三个支链组件，每个支链组件包括转动驱动装置、转动连接件和自动伸缩装置，转动驱动装置被构造为用于驱动转动连接件转动，转动连接件与定平台转动连接，自动伸缩装置的沿伸缩方向的一端与转动连接件铰接，并且另一端通过球铰链与动平台连接，三个转动连接件的连线构成三角形，三个铰接点的连线构成三角形。该运动平台结构简单，并且能实现空间内的各种运动。

Description

六自由度运动平台以及电子设备

技术领域

本发明涉及运动平台技术领域，更具体地，涉及一种六自由度运动平台以及电子设备。

背景技术

近年来，并联六自由度平台得到广泛的应用，如运动模拟器，并联机床，飞行器风洞试验、VR体验椅等。并联平台由于具有刚度高、承载能力强、精度高、结构紧凑等诸多优点。

目前最常见的是六个伸缩缸驱动，并作为支链的Stewart平台。传统的Stewart平台的六支链的机构自身体积大、质量大，工作行程小，灵活性差，由于支链之间互相关联耦合，奇异位形相对较多，运动学正解复杂，很少求得有效的解析解，所以少支链六自由度的机构成为研究六自由度并联机构的热点。

针对上述问题，采用多连杆闭环运动链作为支链的平台被提出来。这种平台可以做到三支链，但此结构造成平台整体刚度不高，承载能力不强，限制了该平台的使用范围。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种六自由度运动平台的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种六自由度运动平台。该运动平台包括定平台、动平台和三个支链组件，每个所述支链组件包括转动驱动装置、转动连接件和自动伸缩装置，所述转动驱动装置被构造为用于驱动转动连接件转动，所述转动连接件与所述定平台转动连接，所述自动伸缩装置的沿伸缩方向的一端与所述转动连接件铰接，并且另一端通过球铰链与所述动平台连接，三个所述转动连接件的连线构成三角形，三个铰接点的连线构成三角形。

可选地，三个所述转动连接件的连线构成正三角形，三个铰接点的连线构成正三角形。

可选地，所述转动连接件的连线构成的正三角形的尺寸大于所述铰接点的连线构成的正三角形的尺寸。

可选地，还包括底座，所述底座与所述定平台连接，在所述底座与所述定平台之间形成容置空间，所述转动驱动装置被设置在所述容置空间内。

可选地，所述转动连接件通过轴承与所述定平台转动连接。

可选地，所述自动伸缩装置为电缸或者气缸。

可选地，所述转动驱动装置包括伺服电机和转角行星减速器，所述伺服电机与所述转角行星减速器传动连接，所述转角行星减速器与所述转动连接件传动连接。

可选地，三个所述支链组件的尺寸和型号是相同的。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种电子设备。该电子设备包括本发明提供的所述六自由度运动平台。

根据本公开的一个实施例，定平台通过三个支链组件形成对动平台支撑，并通过三个支链组件的协调运动实现动平台的各种运动。该运动平台具有六个自由度。

此外，该运动平台的结构简单，组装容易。

此外，该运动平台的刚度高，承载能力强，应用范围广。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明的一个实施例的六自由度运动平台的结构示意图。

图2-4是根据本发明的一个实施例的不同运动状态的六自由度运动平台的结构示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的自由度计算原理图。

附图标记说明：

10：动平台；11：球铰链；12：电缸；12a：第一电缸；12b：第二电缸；12c：第三电缸；13：转动连接件；13a：第一转动连接件；13b：第二转动连接件；13c：第三转动连接件；14：转角行星减速器；15：伺服电机；20：定平台；21：底座。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的一个实施例，提供了一种六自由度运动平台，其用于运动模拟器、并联机床、飞行器风洞试验装置、VR体验椅等。该运动平台包括定平台20、动平台10和三个支链组件。定平台20是固定的平台。在运行过程中，定平台20不发生移动。动平台10是运动平台运动输出部。三个支链组件协调作用，并通过动平台10进行运动输出。例如，动平台10能够进行平移、升降、翻转、摇摆等。

每个支链组件包括转动驱动装置、转动连接件13和自动伸缩装置。转动驱动装置被构造为用于驱动转动连接件13转动。转动连接件13与定平台20转动连接。转动连接件13能相对于定平台20发生转动。

在一个例子中，转动连接件13通过轴承与定平台20转动连接。在定平台20上设置有安装孔。例如，安装孔为贯穿孔。转动连接件13通过轴承被连接在安装孔处。轴承可以有效减小转动连接件13与定平台20之间的摩擦力，以使转动连接件13的转动更灵活。

自动伸缩装置的沿伸缩方向的一端与转动连接件13铰接，并且另一端通过球铰链11与动平台10连接。自动伸缩装置能沿设定方向进行自动伸、缩。例如，自动伸缩装置为电缸12或者气缸。在安装时，电缸12或者气缸的缸体作为一个连接端，以与转动连接件13铰接。伸缩杆作为另一个连接端，以通过球铰链11与动平台10连接。这样，动平台10能相对于定平台20进行伸、缩。此外，电缸12或者气缸的承载能力强。

球铰链11包括球头和球壳。球头在球壳内绕设定的球心转动。例如，在伸缩杆一端设置有球头。在动平台10上设置有球壳。通过这种方式，自动伸缩装置能绕球心摆动，以使动平台10发生平移、翻转、扭转等运动。当然也可采用类似功能的其他变形结构组件，在此不再进行赘述。

在一个例子中，三个支链组件的尺寸和型号是相同的。这使得运动平台的受力、以及运动更均衡，避免出现各个组件的相互干涉。

此外，动平台10的运动幅度能够更大。

在一个例子中，三个转动连接件13的连线构成三角形。三个铰接点的连线构成三角形。这种结构使得运动平台的整体刚度高。

在本发明实施例中，定平台20通过三个支链组件形成对动平台10支撑，并通过三个支链组件的协调运动实现动平台的各种运动。

此外，该运动平台的结构简单，组装容易，并且质量轻，体积小，灵活性好。

此外，该运动平台的刚度高，承载能力强，应用范围广。

此外，该运动平台具有六个自由度。参照图5，自由度计算过程如下：

自由度计算公式为：

其中，F为自由度，n为构件数，g为运动副个数，f_i为第i个运动副的自由度。

在该平台中，构件数n为11，其包括：定平台20、动平台10、3个转动连接件13、3个自动伸缩装置(每个自动伸缩装置包括相对运动的两个构件，例如缸体和伸缩杆)。

运动副g为12，其包括：3个球铰链11构成的球面副、3个自动伸缩装置构成的移动副、3个铰接点构成的转动副、3个转动驱动装置与转动连接件13之间的转动副。

其中，球铰链11构成的球面副的自由度为3，自动伸缩装置构成的移动副的自由度为1、铰接点构成的转动副的自由度为1，转动驱动装置与转动连接件13之间的转动副的自由度为1。

将上述各个参数的值代入式(I)中，得出该运动平台的自由度：

F＝6(11-12-1)+3*3+1*3+1*3+1*3＝6

根据自由度计算结果以及该运动平台的结构特点，可以得出该运动平台的自由度为6，即能够实现三维空间内的任何运动形式，如图1-4所示。

下面示例性地描述六自由度运动平台的几种运动：

1、横移(沿Y轴移动)：第三转动连接件13c被相应的转动驱动装置带动，以使摆动面平行于Y轴方向。第一转动连接件13a和第二转动连接件13b被各自的转动驱动装置带动，以使两个转动连接件13a,13b分别位于第三转动连接件13c的摆动面的两侧。第一电缸12a和第二电缸12b同步伸出，第三电缸12c缩回，并保持动平台平行；或者是第一电缸12a和第二电缸12b同步缩回，第三电缸12c伸出，并保持动平台平行，以使动平台10沿Y轴移动。

2、纵移(沿X轴移动)：第一转动连接件13a被相应的转动驱动装置带动，以使摆动面平行于X轴方向。第三转动连接件13c和第二转动连接件13b被各自的转动驱动装置带动，以使两个转动连接件13c,13b分别位于第三转动连接件13a的摆动面的两侧。第三电缸12c和第二电缸12b同步伸出，第一电缸12a缩回，并保持动平台平行；或者是第三电缸12c和第二电缸12b同步缩回，第一电缸12a，并保持动平台平行，以使动平台10沿Y轴移动。

3、升沉(沿Z轴移动)、三个电缸12a,12b,12c呈中心对称分布，并且同步伸出或者同步缩回，并保持动平台平行，以实现动平台10沿Z轴移动。

4、俯仰(绕Y轴转动)：第三转动连接件13c被相应的转动驱动装置带动，以使摆动面平行于Y轴方向。第一转动连接件13a和第二转动连接件13b被各自的转动驱动装置带动，以使两个转动连接件13a,13b分别位于第三转动连接件13c的摆动面的两侧。第二电缸12b缩回，第一电缸12a同步伸出，第三电缸12c的伸缩量不变；或者是第二电缸12b伸出，第一电缸12a同步缩回，第三电缸12c的伸缩量不变，以使动平台10绕Y转动。

5、翻滚(绕X轴转动)：第一转动连接件13a被相应的转动驱动装置带动，以使摆动面平行于X轴方向。第三转动连接件13c和第二转动连接件13b被各自的转动驱动装置带动，以使两个转动连接件13c,13b分别位于第一转动连接件13a的摆动面的两侧。第二电缸12b缩回，第三电缸12c同步伸出，第一电缸12a的伸缩量不变；或者是第二电缸12b伸出，第三电缸12c同步缩回，第一电缸12a的伸缩量不变，以使动平台10绕X转动。

6、偏航(绕Z轴转动)：三个电缸12a,12b,12c呈中心对称分布，并沿顺时针或者逆时针朝同一方向同步伸出或者同步缩回，并保持动平台平行，以实现动平台10绕Z轴转动。

当然，该六自由度运动平台的运动不限于上述几种，还能够实现各种组合的运动。本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。

在一个例子中，如图1-4所示，三个转动连接件13的连线构成正三角形。三个铰接点的连线构成正三角形。在该例子中，三个自动伸缩装置呈空间对称的方式设置，这使得动平台10的受力能够跟均衡，运动平台整体的刚度更高，承载能力更强。

此外，该运动平台的运动更加灵活，动作更加到位，避免出现各个组件的相互干涉，提升了用户体验。

在一个例子中，如图1-4所示，转动连接件13的连线构成的正三角形的尺寸大于铰接点的连线构成的正三角形的尺寸。在该例子中，定平台20通过三个支链组件对动平台10形成支撑。转动连接件13形成的正三角形的尺寸大于球铰链11的铰接点形成的正三角形的尺寸，这使得定平台20对动平台10的支撑更加牢固。

此外，运动平台的顶部的质量轻，这使得在运动过程中，运动平台的质心更低，不易发生倾斜，可靠性更高。

此外，通过这种方式，运动平台的质心的投影落在定平台以内，而不是落在定平台以外，这样能够有效防止运动平台发生倾倒。

在一个例子中，运动平台还包括底座21。底座21与定平台20连接。在底座21与定平台20之间形成容置空间。转动驱动装置被设置在容置空间内。

如图1-4所示，定平台20和底座21均呈板状结构，并且二者平行设置，以形成容置空间。通过支撑柱将定平台20和底座21固定在一起。通过这种方式，运动平台的结构更紧凑，体积更小，便于运动平台的转运。

此外，容置空间为运动平台提供了作业空间，这使得支链组件的安装、拆卸变得容易。

在一个例子中，如图1-4所示，转动驱动装置包括伺服电机15和转角行星减速器14。伺服电机15与转角行星减速器14传动连接。转角行星减速器14与转动连接件13传动连接。该装置的结构简单，安装容易。

转角行星减速器包括齿圈、伞齿组件、太阳轮和多个行星轮。多个行星轮的转动轴铰接在连接板上。连接板的中心设置有输出轴。太阳轮位于多个行星轮的中心，并且太阳轮与多个行星轮啮合。多个太阳轮与位于外侧的齿圈啮合。伞齿组件包括相互啮合的两个伞齿。伞齿组件用于使运动转向。伞齿组件的一个伞齿与伺服电机的输出轴连接，另一个伞齿与太阳轮连接。

在安装时，将伺服电机15和转角星形减速器放置到容置空间中，并且固定在底座21上。例如，三台伺服电机15和转角星形减速器呈空间中心对称布置在底座21上。通过这种方式，运动平台的结构更紧凑，体积更小。

此外，伺服电机15和转角行星减速器14的质量通常较大，这种设置方式使得运动平台的质心更低，在运动时能够更加平稳。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种电子设备。该电子设备包括本发明提供的六自由度运动平台。该电子设备具有结构简单，质量轻，体积小，运动形式多，结构强度高的特点。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种六自由度运动平台，其特征在于，包括定平台、动平台和三个支链组件，每个所述支链组件包括转动驱动装置、转动连接件和自动伸缩装置，所述转动驱动装置被构造为用于驱动转动连接件转动，所述转动连接件与所述定平台转动连接，所述自动伸缩装置的沿伸缩方向的一端与所述转动连接件铰接，并且另一端通过球铰链结构与所述动平台连接，三个所述转动连接件的连线构成三角形，三个铰接点的连线构成三角形。

2.根据权利要求1所述的六自由度运动平台，其特征在于，三个所述转动连接件的连线构成正三角形，三个铰接点的连线构成正三角形。

3.根据权利要求2所述的六自由度运动平台，其特征在于，所述转动连接件的连线构成的正三角形的尺寸大于所述铰接点的连线构成的正三角形的尺寸。

4.根据权利要求1所述的六自由度运动平台，其特征在于，还包括底座，所述底座与所述定平台连接，在所述底座与所述定平台之间形成容置空间，所述转动驱动装置被设置在所述容置空间内。

5.根据权利要求1所述的六自由度运动平台，其特征在于，所述转动连接件通过轴承与所述定平台转动连接。

6.根据权利要求1所述的六自由度运动平台，其特征在于，所述自动伸缩装置为电缸或者气缸。

7.根据权利要求1所述的六自由度运动平台，其特征在于，所述转动驱动装置包括伺服电机和转角行星减速器，所述伺服电机与所述转角行星减速器传动连接，所述转角行星减速器与所述转动连接件传动连接。

8.根据权利要求1所述的六自由度运动平台，其特征在于，三个所述支链组件的尺寸和型号是相同的。

9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中的任意一项所述的六自由度运动平台。