CN112483786A - 一种六自由度平台及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于六自由度机械结构技术领域，更具体地，涉及一种六自由度平台及其应用。所述六自由度平台包括：基座、动平台、将基座与动平台连接的6个驱动装置，任一个所述6个驱动装置用于带动所述动平台完成六个自由度的运动；所述驱动装置包括液压缸、第一合页梁、与该第一合页梁铰接的第二合页梁，所述液压缸一端与第一合页梁连接，另一端与第二合页梁连接，用于改变第一合页梁和第二合页梁之间的角度；所述第一合页梁和第二合页梁分别与基座和动平台转动连接。本发明利用第一合页梁与第二合页梁形成的合页结构实现液压缸活塞杆直线运动的速度放大，保证液压缸工作平稳、安全，增大液压缸的使用寿命。

Description

一种六自由度平台及其应用
技术领域
本发明属于六自由度机械结构技术领域，更具体地，涉及一种六自由度平台及其应用。
背景技术
六自由度平台可以实现在空间六个自由度的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用于各种训练模拟器中，如飞行模拟器、汽车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域中。在加工业可制成六轴联动机床、机器人等。
目前，现有技术中液压驱动的六自由度平台结构是由基座、动平台、基座与动平台铰链安装座和六只液压缸连接而成。其中基座相对地面固定，六只液压缸为直线液压缸，通过改变六只液压缸活塞杆的行程，推拉动平台运动，实现动平台在三维空间内沿X轴平动、Y轴平动、Z轴平动、绕X轴转动、绕Y轴转动、绕Z轴转动等的一系列复合运动，即实现在空间六个自由度的运动。
但是，在高速重载情况下，液压缸活塞杆的运动速度无法满足工作要求，过高的速度会导致液压***产生较大的冲击，同时会显著降低液压缸密封部件的寿命。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种六自由度平台及其应用，其目的在于利用第一合页梁与第二合页梁形成的合页结构实现液压缸活塞杆直线运动的速度放大，保证液压缸工作平稳、安全，增大液压缸的使用寿命，由此解决高速重载情况下，液压缸活塞杆的运动速度无法满足工作要求，过高的速度会导致液压***产生较大的冲击的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种六自由度平台，包括：基座、动平台、将基座与动平台连接的6个驱动装置，所述6个驱动装置用于带动所述动平台完成六个自由度的运动；
其中，任一个所述驱动装置包括液压缸、第一合页梁、与该第一合页梁铰接的第二合页梁，所述液压缸一端与第一合页梁连接，另一端与第二合页梁连接，用于改变第一合页梁和第二合页梁之间的角度；所述第一合页梁和第二合页梁分别与基座和动平台转动连接。
优选地，任一个所述驱动装置包括至少两个液压缸，该至少两个液压缸一端与同一根第一合页梁连接，另一端与同一根第二合页梁连接。
优选地，所述液压缸为差动式液压缸，液压缸的缸筒通过第一回转铰链连接于第一合页梁上，液压缸的活塞杆通过第二回转铰链连接于第二合页梁上。
优选地，所述第二合页梁的长度大于所述第一合页梁的长度，所述第一回转铰链距第一合页梁和第二合页梁铰接处的距离小于第二回转铰链距第一合页梁和第二合页梁铰接处的距离。
优选地，所述第一合页梁通过第一铰接组件与基座转动连接，所述第一铰接组件包括基座铰链和将所述基座铰链转动连接于基座上的固定件，所述第一合页梁的一端为与所述基座铰链相配合的连接部，第一合页梁与基座铰链铰接时能够绕铰接处转动。
优选地，所述固定件为第一连接轴，所述基座铰链的对称轴上以及所述基座上设置固定孔，通过第一连接轴和固定孔将基座铰链与基座连接，以使得基座铰链能够绕第一连接轴转动。
优选地，所述第二合页梁通过第二铰接组件与动平台转动连接，
所述第二铰接组件包括合页回转头、动平台铰链和双头连接件；其中，所述动平台铰链与所述动平台固定连接，所述合页回转头通过第二连接轴与所述第二合页梁连接，使得第二合页梁能够绕该第二连接轴转动，所述合页回转头与所述动平台铰链通过所述双头连接件连接，使得合页回转头和第二合页梁能够绕双头连接件进行两个自由度的转动。
优选地，所述动平台铰链包括两个对称设置的凸起部，凸起部上设置通孔，所述双头连接件穿过通孔卡置于该两个凸起部之间，双头连接件中心处设置通孔，通过第三连接轴穿过该通孔将合页回转头与双头连接件进行连接，使得合页回转头能够绕两个凸起部上通孔之间的连线转动；
所述合页回转头的宽度d小于所述凸起部之间的距离D，使得合页回转头可以绕第三连接轴转动。
优选地，所述6个驱动装置每两个为一组，同一组的两个驱动装置与所述动平台的连接处相互靠近，三组该驱动装置与所述动平台的连接处在所述动平台上均布设置，同一组的两个驱动装置与基座连接的位置使该同一组的两个驱动装置呈一定角度对称布置。
按照本发明的另一方面，提供了一种六自由度平台的应用，在预设速度和预设负载工况下的六自由度运动模拟，所述预设速度≤5m/s，所述预设负载为≤70吨。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明中驱动机构采用合页的形式，其运动方式为绕第一合页梁与第二合页梁的铰接处转动，故合页梁上任意位置角速度相等；合页梁末端相对于合页梁铰接点处运动半径最大，故在合页梁上适当位置添加液压缸驱动，可以实现将合页梁上液压缸速度放大至期望的合页梁末端处，可以满足运动模拟平台的高速性要求。本发明中液压缸并不是直接与基座和动平台连接，而是与铰接的第一合页梁与第二合页梁相配合后再连接于基座和动平台上，第一合页梁与第二合页梁形成的合页结构缓冲了高速重载条件下对液压缸的冲击，避免了液压缸的直接受力。因此，相比于普通的液压缸直连平台而言，所述合页驱动机构可以实现液压缸活塞杆直线运动的速度放大，保证液压缸工作平稳、安全，增大液压缸的使用寿命。
(2)本发明中采用合理设置第一回转铰链和第二回转铰链在第一合页梁和第二合页梁上的位置，以及合理设置第一合页梁和第二合页梁的长度，二者协同设置可以实现将合页梁上液压缸速度放大至期望的合页梁末端处，可以满足运动模拟平台的高速性要求。
(3)本发明中采用若采用液压驱动各驱动装置的运动，避免了现有技术中采用电动缸驱动，需要极大功率的电机才能实现高速重载的需求的问题。液压驱动的六自由度平台可以在更大载荷要求的环境中进行工作；譬如大型运载设备的等比例运动模拟平台等。差动式液压缸的结构，其有杆腔油路与液压***的压力油路相通，可以减小***工作时的流量需求和功率需求，提高***的工作效率，***使用更加节能高效。
(4)本发明中采用第二铰接组件将第二合页梁与动平台转动连接，通过合页回转头、动平台铰链和双头连接件共同构成3自由度铰接，保证六自由度并联平台运动支链自由度要求，同时该第二铰接组件与传统球铰链相比，提供的转动范围大、成本低，使用维护保养方便。
(5)本发明中采用基座铰链实现了2自由度的铰接，对于并联六自由度平台运动支链在运动过程中存在的旋转运动，基座铰链布置方式使驱动装置的重力始终在第一合页梁与所述第二合页梁所构成的平面内，满足平台自由度的要求的同时令平台受力更加合理安全。
(6)本发明中1个驱动装置中设置至少两个液压缸，可以进一步满足重载高速的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的六自由度平台结构示意图；
图2是本发明实施例提供的六自由度平台一个视角下的全视图；
图3是本发明实施例提供的六自由度平台中驱动装置的侧视结构示意图；
图4是本发明实施例提供的六自由度平台中驱动装置的正视结构示意图；
图5是本发明实施例提供的六自由度平台中第二合页梁与动平台连接处的***图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-基座；2-基座铰链；3-固定件；4-第一合页梁；5-第一回转铰链；6-缸筒；7-活塞杆；8-第二回转铰链；9-第一合页梁与第二合页梁铰接的铰接轴；10-第二合页梁；11-合页回转头；12-双头连接件；13-动平台铰链；14-动平台；15-液压缸；16-第一铰接组件；17-第二铰接组件；18-第二连接轴；19-第三连接轴；13a-凸起部。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明一个实施例提供了一种六自由度平台，参见图1和图2，包括：基座1、动平台14、将基座1与动平台14连接的6个驱动装置，所述6个驱动装置用于带动所述动平台14完成六个自由度的运动；
其中，任一个所述驱动装置包括液压缸15、第一合页梁4、与该第一合页梁4铰接的第二合页梁10，所述液压缸15一端与第一合页梁4连接，另一端与第二合页梁10连接，用于改变第一合页梁4和第二合页梁10之间的角度；所述第一合页梁4和第二合页梁10分别与基座1和动平台14转动连接。
在本实施例一种可行的方式中，参见图3，任一个所述驱动装置包括至少两个液压缸15，该至少两个液压缸15一端与同一根第一合页梁4连接，另一端与同一根第二合页梁10连接。本发明对液压缸15的数量不作具体限制，可以根据实际情况进行调节，例如可以采用如本发明图1中所示的3个液压缸15并列设置。
在本实施例一种可行的方式中，所述液压缸15为差动式液压缸，液压缸15的缸筒6通过第一回转铰链5连接于第一合页梁4上，液压缸15的活塞杆7通过第二回转铰链8连接于第二合页梁10上。且所述第二合页梁10的长度大于所述第一合页梁4的长度，所述第一回转铰链5距第一合页梁4和第二合页梁10铰接处的距离小于第二回转铰链8距第一合页梁4和第二合页梁10铰接处的距离。这样，液压缸位置的合理设置可以实现将合页梁上液压缸速度放大至期望的合页梁末端处，可以满足运动模拟平台的高速性要求。
值得注意的是，参见图2-图4，所述第一合页梁1通过第一铰接组件16与基座1转动连接，所述第一铰接组件16包括基座铰链2和将所述基座铰链2转动连接于基座1上的固定件3，所述第一合页梁4的一端为与所述基座铰链2相配合的连接部，第一合页梁4与基座铰链2铰接时能够绕铰接处转动。所述固定件3为第一连接轴，所述基座铰链2的对称轴上以及所述基座1上设置固定孔，通过第一连接轴和固定孔将基座铰链2与基座1连接，以使得基座铰链2在基座1上能够绕第一连接轴转动，该转动为1个自由度的运动。
本实施例中基座铰链2可以为齿梳状，第一合页梁4的一端的连接部也可以为齿梳状，二者通过一个固定轴以齿梳交叉设置的方式进行铰接。由此，第一合页梁4可以绕该固定轴进行转动，为另一个自由度的运动，由此，第一铰接组件16与基座1以及第一合页梁4的连接可以形成2个自由度。
另外，固定件3与基座1平面垂直，将第一合页梁4与基座铰链2进行连接的固定轴与基座1平面平行，从而保证第一合页梁4与第二合页梁10始终处于竖直面内。使驱动装置受力更加合理，降低驱动装置扭转强度需求，提高***安全性，降低驱动装置成本，降低基座铰链2安装难度，易于实现基座铰链2的安装精度要求，保证整个机构的安全性和精度。
在本实施例一种可行的方式中，参见图5，所述第二合页梁10通过第二铰接组件17与动平台14转动连接，所述第二铰接组件17包括合页回转头11、动平台铰链13和双头连接件12；其中，所述动平台铰链13与所述动平台14固定连接，所述合页回转头11通过第二连接轴18与所述第二合页梁10连接，使得第二合页梁10能够绕该第二连接轴18转动，所述合页回转头11与所述动平台铰链13通过所述双头连接件12连接，使得合页回转头11和第二合页梁10能够绕双头连接件12进行两个自由度的转动。
具体地，所述动平台铰链13包括两个对称设置的凸起部13a，凸起部13a上设置通孔，所述双头连接件12穿过通孔卡置于该两个凸起部13a之间，双头连接件12中心处设置通孔，通过第三连接轴19穿过该通孔将合页回转头11与双头连接件12进行连接，使得合页回转头11能够绕两个凸起部13a上通孔之间的连线转动；所述合页回转头11的宽度d小于所述凸起部13a之间的距离D，使得合页回转头11可以绕第三连接轴19转动。
由此，如图5所示，第二合页梁10可以绕轴1转动，第二合页梁10和合页回转头11可以绕轴2和轴3转动，通过合页回转头、动平台铰链和双头连接件共同构成3自由度铰接，保证六自由度并联平台运动支链自由度要求。
所述6个驱动装置每两个为一组，同一组的两个驱动装置与所述动平台14的连接处相互靠近，三组该驱动装置与所述动平台14的连接处在所述动平台14上均布设置，同一组的两个驱动装置与基座1连接的位置使该同一组的两个驱动装置呈一定角度对称布置。
需要说明的是，第一合页梁与第二合页梁通过铰接轴9进行铰接，第一合页梁与第二合页梁均可以绕该铰接轴9转动。液压缸缸筒6与第一合页梁4之间、液压缸活塞杆7与第二合页梁10之间的铰接方式与第一合页梁与第二合页梁之间的铰接方式相同，因此，在第一回转铰链5和第二回转铰链8中均设置有连接轴。上述铰接轴9、液压缸缸筒6与第一合页梁4的第一回转铰链5中设置的连接轴、液压缸活塞杆7与第二合页梁10的第二回转铰链8中设置的连接轴，在运动过程中这些连接轴或铰接轴始终与基座1平面平行，使驱动装置受力更加合理，降低合页机构扭转强度需求，提高***安全性，降低驱动装置成本。
另外，在运动过程中，较低的液压缸活塞杆7运动速度保证了液压缸密封部件的良好工作条件，增大了液压缸安全性及使用寿命。
本发明另一个实施例提供了一种六自由度平台的应用，在预设速度和预设负载工况下的六自由度运动模拟，所述预设速度≤5m/s，所述预设负载为≤70吨。
解决了在高速重载情况下，现有技术中直立连式液压缸活塞杆的运动速度无法满足工作要求，过高的速度会导致液压***产生较大的冲击，同时会显著降低液压缸密封部件的寿命的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种六自由度平台，其特征在于，包括：基座(1)、动平台(14)、将基座(1)与动平台(14)连接的6个驱动装置，所述6个驱动装置用于带动所述动平台(14)完成六个自由度的运动；
其中，任一个所述驱动装置包括液压缸(15)、第一合页梁(4)、与该第一合页梁(4)铰接的第二合页梁(10)，所述液压缸(15)一端与第一合页梁(4)连接，另一端与第二合页梁(10)连接，用于改变第一合页梁(4)和第二合页梁(10)之间的角度；所述第一合页梁(4)和第二合页梁(10)分别与基座(1)和动平台(14)转动连接。
2.根据权利要求1所述的六自由度平台，其特征在于，任一个所述驱动装置包括至少两个液压缸(15)，该至少两个液压缸(15)一端与同一根第一合页梁(4)连接，另一端与同一根第二合页梁(10)连接。
3.根据权利要求1或2所述的六自由度平台，其特征在于，所述液压缸(15)为差动式液压缸，液压缸(15)的缸筒(6)通过第一回转铰链(5)连接于第一合页梁(4)上，液压缸(15)的活塞杆(7)通过第二回转铰链(8)连接于第二合页梁(10)上。
4.根据权利要求3所述的六自由度平台，其特征在于，所述第二合页梁(10)的长度大于所述第一合页梁(4)的长度，所述第一回转铰链(5)距第一合页梁(4)和第二合页梁(10)铰接处的距离小于第二回转铰链(8)距第一合页梁(4)和第二合页梁(10)铰接处的距离。
5.根据权利要求1所述的六自由度平台，其特征在于，所述第一合页梁(1)通过第一铰接组件(16)与基座(1)转动连接，
所述第一铰接组件(16)包括基座铰链(2)和将所述基座铰链(2)转动连接于基座(1)上的固定件(3)，
所述第一合页梁(4)的一端为与所述基座铰链(2)相配合的连接部，第一合页梁(4)与基座铰链(2)铰接时能够绕铰接处转动。
6.根据权利要求5所述的六自由度平台，其特征在于，所述固定件(3)为第一连接轴，所述基座铰链(2)的对称轴上以及所述基座(1)上设置固定孔，通过第一连接轴和固定孔将基座铰链(2)与基座(1)连接，以使得基座铰链(2)能够绕第一连接轴转动。
7.根据权利要求1所述的六自由度平台，其特征在于，所述第二合页梁(10)通过第二铰接组件(17)与动平台(14)转动连接，
所述第二铰接组件(17)包括合页回转头(11)、动平台铰链(13)和双头连接件(12)；其中，所述动平台铰链(13)与所述动平台(14)固定连接，所述合页回转头(11)通过第二连接轴(18)与所述第二合页梁(10)连接，使得第二合页梁(10)能够绕该第二连接轴(18)转动，所述合页回转头(11)与所述动平台铰链(13)通过所述双头连接件(12)连接，使得合页回转头(11)和第二合页梁(10)能够绕双头连接件(12)进行两个自由度的转动。
8.根据权利要求7所述的六自由度平台，其特征在于，所述动平台铰链(13)包括两个对称设置的凸起部(13a)，凸起部(13a)上设置通孔，所述双头连接件(12)穿过通孔卡置于该两个凸起部(13a)之间，双头连接件(12)中心处设置通孔，通过第三连接轴(19)穿过该通孔将合页回转头(11)与双头连接件(12)进行连接，使得合页回转头(11)能够绕两个凸起部(13a)上通孔之间的连线转动；
所述合页回转头(11)的宽度d小于所述凸起部(13a)之间的距离D，使得合页回转头(11)可以绕第三连接轴(19)转动。
9.根据权利要求1所述的六自由度平台，其特征在于，所述6个驱动装置每两个为一组，同一组的两个驱动装置与所述动平台(14)的连接处相互靠近，三组该驱动装置与所述动平台(14)的连接处在所述动平台(14)上均布设置，同一组的两个驱动装置与基座(1)连接的位置使该同一组的两个驱动装置呈一定角度对称布置。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的六自由度平台的应用，其特征在于，在预设速度和预设负载工况下的六自由度运动模拟，所述预设速度≤5m/s，所述预设负载为≤70吨。
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