CN1276894A - 改进的作动装置 - Google Patents

Abstract

向载荷作动的装置,包括用来向所述载荷施加力的装置及所述载荷的柔性支承,其中,提供装置来实现所述支承的柔性在装置工作过程中的动态变化,以优化装置的能量效率。所述装置可以用来控制一个平台和一个基准面之间的多自由度的相对运动,所述柔性装置用来支承所述平台的重量,所述施力装置是在所述平台和所述基准面之间施加扰动力的一个或者多个作动器。控制装置用来控制所述作动器在某个方向运动,从而使所述平台相对于所述基准面产生位移。至少部分所述柔性支承可以是气压弹簧,在一种实施例中,它是支承所述平台的波纹管。

Description

改进的作动装置

本发明涉及一种能够向载荷作动(imparting motion)以对其定位，或者控制、修正其运动的作动装置。本发明可应用于广泛的装置，例如包括加工制造机械的定位装置。通常，这样的机械装置不需要所述定位装置对材料进行机械加工(例如切割材料或者使材料变形)，而是要控制在低摩擦的支承***上移动的材料体的位置。这样的机械装置经常要高重复率地进行精确限定的定位动作，并且要有很低的错误发生率。在这样的机械装置中，与其他类型的作动器相比，使用电磁作动筒(electromagnetic ram)更具优势：其构造真正地简单，反冲和控制传递时滞(control tranport lag)均为零。这些有用的特性令电磁作动器能够极为精确和可靠地产生迅捷的运动。用之可以以每秒几米的速度施加20公吨以上的力，并具有几个微米的定位精度。

这样的装置也用于例如训练或者娱乐用的模拟器中。通常，在这样的用途中，使一个平台相对于一个静止结构运动，以使一个固定在该运动平台上的座舱中的乘员产生连续运动的感受。这样的装置还用于测试悬挂***和减摇装置，利用所述运动平台来针对要测试的减摇装置的运转产生标定的干扰加速度。

作动装置的所述运动平台通常是用一组作动器装置或者可以用液压流体或者压缩气体驱动的作动筒(“rams”)驱动的，或者是用一组通过球状螺母与螺杆机构电操控的类似作动筒的装置驱动的。最近，已经设计出了一种装置，使用安装到一个旋转马达上的齿轮减速曲柄，或者在一个运动的活塞状的电枢和一个圆柱形定子之间利用直接的电磁相互作用。在后一种的电及电磁装置的情况下，对于作动装置而言，其需要通过某些手段加以支承，以克服所述座舱及其乘员的重力。这一点是很重要的，因为若非如此，在所述电力驱动的装置中，为了产生推力用来克服作用于座舱的持续不断的重力，就要持续不断地耗费能量。这样会很快地使马达过热。在其他的用途中，这种情况也会遇到。

在公开号为WO93/01577的国际专利申请中，说明了一种企图解决这个问题的方案。该文献描述了一种技术，利用一个低有效弹簧常数的平衡装置来承载所述运动平台的负荷。作为特例，其中描述了一种可转向气压弹簧(cranked gas spring)***。按照WO93/01577的说明构造而成的装置的工作经验表明，其中所说明的平衡装置的设计未对电磁运动基座提供最佳的支承。本发明在一方面就是基于这样的认识：要实现最佳支承，需要具有大弹簧常数的一个或者一组受控弹簧。

迄今为止，已有许多种关于电磁作动器或者直线马达的设计。比如在WO93/01646中就描述了前述装置的各种设计方案。该文献公开了一种柱面对称工作(operate with cylindrical symmetry)的电磁装置，用作一个塞-缸式作动装置(piston-in-cylinder machine)。这种构造形式的主要优点在于，装置中的永久磁体和环绕之的磁性材料之间的强吸引力关于一个中心轴均衡了，因此装置的支承***不需要承受巨大的磁力。

所述柱形构造的另一个优点是，装置的磁场被封闭在所述作动器或者作动筒的钢外壳内，并可以使所述磁场高效率地切割装置的电线圈。

所述柱形构造的另一个优点是，所述作动筒的电枢可以在其与作动筒的定子内表面之间有一个滑动密封垫，从而构成一流体作动装置的活塞。在需要产生快速作用的电磁力与稳定的或者缓慢变化的力相叠加或间歇作用时，这种构造就是有用的。所述后一类型的稳定或缓慢变化的力最好由流体作动器装置产生。如果要由所述电磁部件自身提供所述稳定不变或者缓慢变化的力，所述电磁部件就要持续不断地消耗电能。

另外，所述柱形的塞-缸式构造适合于所述作动筒在许多工业控制用途中的应用，在这些应用领域，现在使用的是液压或气压作动筒。这是因为，所述作动筒的磁场被完全封闭在所述柱形外壳中，因而使得所述作动筒能够耐受碎屑或者其他磁粉的存在，而这种存在对于其他类型的电磁直线作动器来说就是一个问题。

本发明试图提供这样的一种结构：将电磁作动器的柱形定子腔通过所述活塞/电枢部件上的密封垫分割为两部分，并包括这样的装置，通过它，所述电枢组件也可以用作一种液压控制***的动力输出部件，例如作为气压弹簧的一部分。

应当注意到，WO93/01646及其相关的未结案申请WO93/01577描述了一种用于运动基座装置的作动筒构造，其中，所述作动筒的气压弹簧性能设计为只在一个方向作用以支承重量，即抗重力。为此，WO93/01646描述了在所述作动筒缸体的仅仅一部分(即活塞的下方)与构成气压弹簧的一部分的加压流体储罐之间的液流连接通道。WO93/01646和WO93/01577均说明了所述活塞的上方部分可以直接地或经由一个排气储罐连通到大气。

最理想的是，联合使用气压和电磁力，以获得一种比WO93/01577所述更为有效的方法来控制模拟装置的作动器的运动，其中，对所述气压弹簧的各个力及力的变化率关于负载的尺度进行优化，使得装置所消耗的能量最少。为此，在各作动筒的所述活塞下方作用的所述气压弹簧不应当象WO93/01577那样设计为只用来支承载荷，还应当用作临时储罐，在其中存储所述作动筒的电磁作用所产生的势能，在较短的时间之后可以对之循环利用。这种能量循环利用技术可以节约能量消耗，从而改进电磁作动器的性能，并减少电磁作动器的建造和运行成本。

因此，本发明一方面试图提供一种作动***，在其中以一种尤其有效的方式支承持续载荷部件。本发明的实施例的一个特征是，当应用于所谓的运动基座时，其形式适于支承多种形状的座舱，稳定、牢固，产生大角度的俯仰和侧滚运动的能力得到增强，并易于进行检查和维护。

按照本发明的一个方面，提供用来向载荷作动的装置，包括向载荷施加扰动力的装置和载荷的柔性支承，其中，提供用来在装置操作的过程中动态改变所述支承的柔性(compliance)的装置。

在本发明的一个实施例中，所述施力装置是一个电磁作动器。对于许多用途来说，尽管也可以使用旋转作动器，但最好使用直线电磁作动器。

在任何这样的情况下，所述柔性的变化都可以由施加到所述电磁作动器上的位置命令信号的积分所产生的信号进行控制。

为此，所述柔性的变化最好基于克服载荷使所述电磁作动器运动所需的电流进行控制。

所述柔性装置可以是气压弹簧，通过改变可变容积气室中的气体量而实现所述柔性的变化。

这样的变化可以通过控制阀门实现，所述阀门可允许气体进出所述气室。

或者，所述柔性支承可以包括一个流体作动器，比如可以是液压作动器，其工作流体可以进出所述作动器以改变其柔性。

柔性的变化例如可以通过调节各气压弹簧的压强而实现。在一种实施例中，这是基于运动中的电磁作动器的电流对时间的积分而实现的。通过这种手段，所述柔性支承装置的特性得到优化，从而允许所述电磁作动筒在其自身的额定功率内工作，并能减少整个装置所消耗的能量。

在本发明的包括电磁作动器的一个实施例中，所述电机的电枢和定子包括一个塞缸装置，所述活塞或者说电枢在长度上比所述缸体或者说定子短，并且在任何时候都完全被包含在其中，所述缸体在两端用端头部件封闭，活塞上有一个连杆或者推力输出部件(thrust element)穿出至少一个所述端头部件，所述端头部件上有一个或若干个气体密封垫，所述电枢或者说活塞部件也有一个气体密封垫，从而将缸体分为两个气室，所述电枢包括用来产生一个磁场分布的第一装置，所述磁场分布包括至少两个极性相反的磁极，如果多于两个磁极的话，所包括的磁场就这样分布，使得沿着所述电枢的至少部分轴长具有交变的极性，所述定子具有第二装置，用来产生另一个具有至少两个极性相反的磁极的磁场分布，如果多于两个磁极的话，磁极就这样分布，使得沿着所述定子的至少部分轴长具有交变的极性，这样安排所述第二磁场分布，以使之与所述第一磁场分布相互作用从而产生一个轴向的力。

所述装置的物理和电学参数最好这样安排，使得电流端子可以连接到一个或多个普通的电子驱动装置以控制所述至少一个磁场分布的相位和幅值，从而在所述活塞和所述电枢之间产生所需的轴向电磁力。

所述两个气室各自在所述活塞的每一侧，具有随着活塞在所述柱形电枢中的位置而变化的容积，这两个气室之间最好具有管道连接，以便控制气室中的流体。这样，使得所述活塞可以同时用作电磁装置和往复式流体作动筒(double-acting fluid ram)。

因此，按照本发明的另一方面，提供装置，用来控制一个平台和一个基准面之间的多个自由度的相对运动，该装置包括用来支承平台重量的柔性装置，一个或多个用来在所述平台和所述基准面之间施加扰动力的作动器，以及用来控制所述作动器在某方向运动以相对于所述基准面移动所述平台的控制装置，其特征在于，所述柔性支承装置的柔性是可变的，提供装置，用来根据施加到该装置的控制信号来动态地改变所述柔性支承装置的柔性。

在运动基座式的实施例中，在所述运动平台(它可以是装置的一个固定部分)和所述固定基准面之间可以有三个作动器。所述作动器以枢轴和铰接连接到装置的限定所述固定基准面的部分，以将所述作动器的运动轨迹限定在相应的平面内。这样确定的三个平面沿着一条垂直线相交，该垂直线连接所述作动器的枢轴形成的下三角形的面心与所述作动器的上端连接点所形成的运动平台三角形的面心。所述作动器的上端的接头具有全方位自由度，因而通过选择三个作动器各自的长度，可使运动平台在合理的升降、俯仰和侧滚运动限度内采取任何选定的姿态。载荷质心的定位最好在运动平台面心的上方且接近该面心，并具有一个支承部件，后者全方位自由地连接在所述下部固定三角形的面心和所述上部(运动)三角形的面心之间，其柔性根据运动平台的尺度加以优化。

一种更有利的方案是，由所述作动器的端部限定的所述上部运动三角形的尺度小于装置的限定所述基准面的固定部分上的相应三角形，以允许行程有限的作动器所产生的运动平台的俯仰和侧滚运动的偏差可让人接受，并简化座舱在运动平台上的固定问题。

最好，所述作动器与所述运动平台正向水平(工作)位置的水平面之间的角度约为45°。所述中央支承可以是简单部件，或者是组件，可以是金属的或者塑料的弹簧、气动作动筒，或者是以流体作用于作动器中的活塞的作动筒，远离所述活塞的流体表面用储存在储气罐中的气体施以压强。

或者，所述柔性支承可以是一个波纹管装置，其好处是在波纹管与所述固定的和运动的平台之间的连接处不需要万向连接，所述波纹管的压缩长度可以小于其伸展长度的一半。另外，波纹管不需要滑动活塞所需要的那种内部滑动密封垫。作为另一种替代方案，或者是附加方案，所述中央支承可以由一系列压缩气体撑杆构成，这些撑杆的布置使得可以提供一种偏心肘板作用(over-centre toggle action)，可在运动平台高度最小时或在装载位置时去除大部分支承力。

最好，所述作动器为电磁作动器，且设计得具有充足的推力备用余量，以能够适应运动平台质心位置相对于理想位置的实际偏差，所述理想位置靠近所述上部运动三角形的精确面心。

可以理解，当作动***(此后称为运动基座)在工作时，存在一个中央正向水平位置，座舱必须不断地回到该位置。封闭座舱中的乘员要不觉察到这种频繁的定中作用(centering action)，必须对定中作用加以仔细控制，使之融合到其他的运动背景中去。使座舱返回其起始位置所需的能量与使其离开起始位置所需的能量是一样的，这些能量可以存储在一个弹簧***中。另外，由于有效载荷的质心不可避免地是在运动平台面心之上方，就存在不小的转矩加剧平台的任何俯仰或者侧滚运动，因此必须采取手段比如用弹簧作用将所述转矩抵销。但是，由弹簧支承产生的存储力不能太大，不然的话，就需要作动器以不成比例的巨大的力来进行初始加力。

当试图将WO93/01577的原理应用于普通形式的六作动筒、六轴运动平台(以其设计者命名为Stewart平台)时，碰到了许多困难。具体来说，实验表明，如果静态载荷超过某个明确的界限，取决于载荷在运动平台面心上方的高度，整个装置就易于在前进运动和俯仰运动的综合作用下产生垂直俯冲现象(“nose-dive”)，在垂直俯冲状态，运动平台就不能单靠电磁力恢复位置。这个缺陷严格制约了有效载荷能力，因此也制约了装置的用途。

因此，另一方面，本发明提供了一种具有六个自由度的利用六个如同Stewart所述那样布置的作动器的作动***，其中，不使用国际专利申请WO93/01577所述的设计亦即所谓重力平衡***，而是以一种不同的、特殊而有效的方式施加用以支承所述静态载荷的力，对于任意给定有效载荷，所述方式可以大大减小作动器的电磁功率需量，从而提高有效载荷极限，改进装置的动力学性能。

因此，按照本发明的另一方面，提供用来在多个自由度上控制运动平台和基准面之间的相对运动的装置，包括用来支承所述运动平台的重量的装置，一个或多个在所述平台和基准面之间断续加力的作动器，以及控制所述作动器以改变所述平台相对于所述基准面的位置和/或取向的装置，其特征在于，用来支承运动平台重量的所述支承装置包括分别与所述各作动器相连的相应的柔性支承部件。

在本发明中，在Stewart平台的理想情形下，所述运动平台的在一个三角形上的三点通过六个电磁作动器连接到在作动装置的确定所述基准面的部分上确定一个三角形的三个相应的点，所述电磁作动器具有在所述作动器和所述固定平台之间的接合部上提供全方位自由度的接头，并在所述作动器和所述运动平台之间具有类似的接头，这样，通过选择六个作动器各自的长度，就可以通过通常称之为升降、冲动、横摆、首摇、俯仰和侧滚(heave，surge，sway，yaw，pitch，roll)运动中的任何运动或它们的任意组合，来移动所述运动平台，使之采取范围宽广的各种取向。载荷质心的定位最好在所述运动平台面心的上方并靠近该面心，运动平台圆的直径与所述固定基准面圆的直径之间最好有一个最佳比例。所谓的平台或者基准面的“圆”，在此意指绕所述作动器的端部与所述平台或所述基准面之间的连接点的外接圆。每个电磁作动筒可以与一个单独的弹簧相连接，或者如此设计并安装到所述运动基座上，以同时用作各弹簧的输出作动器，所述弹簧用来支承处于中央正向水平位置的运动平台(及其上的任何载荷)的重量。

本发明的一个特征是，相对于装置的功率消耗优化所述弹簧常数，并且，最好用一个监控***来调节由各弹簧施加的力，以将有关作动器的电流在选定时间段上的积分减至零。

最好，所述上部运动圆在尺度上小于作动装置的确定所述基准面的固定部分上的相应的圆，选择两个圆的半径比，以优化所述功率需量。基座尺寸的该最优比接近1∶1.5。

所述两个半径的实际值最好如此选择，使得当所有六个作动器都伸展50％时所述作动器与水平面约成45度角。

如果使用气压弹簧支承，当作动器完全伸展至密封容积时和当作动器完全缩回时，每个气压弹簧***的密封容积比最好也加以选择，以使装置的工作功率消耗最小。本发明认为气压弹簧容积的该最优比在1.8左右。

最好，提供装置来监控每个作动器的电流需求的幅值和方向，并在工作中基于该电流需求频繁地调节每个气压弹簧中的压强，以维持电流功率需量在选定时间段上的积分对称(integrated symmetry)。

在本发明的实施例中，所述运动平台的三点可以通过作动器连接到作动装置的确定所述基准面的固定部分上的相应三点，所述作动器在其与所述基准面之间及其与所述运动平台之间的连接处具有全方位的自由度，因此，通过选择三个作动筒各自的长度，就可以移动所述运动平台，使之在作动器的升降、俯仰和侧滚运动的位移限度内采取任意姿态。载荷质心的定位最好在所述运动平台面心的上方并靠近该面心，并最好有一个支承部件以全方位自由度连接在所述基准面的面心和所述运动平台的面心之间。在这里，假定平台或者基准面的面心就是由所述三个连接到所述三个(或六个)作动器的点所确定的三角形的面心。所述支承的弹簧常数最好根据所述平台的参数和载荷加以优化。

在一个优选实施例中，作动器与所述运动平台间的连接点的三角形在尺度上小于作动装置的确定所述基准面的固定部分上的相应三角形，以允许行程有限的作动器的作动筒所产生的上部平台的俯仰和侧滚运动的偏差可让人接受，并简化座舱在运动平台上的固定问题。最好，确定所述基准面的所述固定(基座)平台与所述运动平台的尺度比约为1.5∶1。

最好，当所有三个作动器都处于运动平台的正向水平(工作)位置时，所述作动器与水平面约成45度角。

所述中央支承最好是一个波纹管装置。这样的好处是所述波纹管的上端和下端可以直接固定到所述运动平台和确定所述基准面的固定基座上。所述波纹管的压缩长度可以小于其伸展长度的一半，并且不需要有内部滑动密封垫。可以理解，波纹管组件的一个特征是，在竖直的或者说垂直轴的方向上，其允许进行垂直运动，并且其上端可以相对于下端倾斜任何俯仰角或者侧滚角，但是，波纹管不易进行侧移运动(冲动或者横摆)，也完全不能进行轴向旋转(首摇)。这样，波纹管组件既可以用作气压弹簧装置，又可以用作约束装置。

最好，所述作动器为电磁作动器，且设计得具有充足的推力备用余量，以能够适应运动平台质心位置相对于理想位置的实际偏差，所述理想位置靠近所述上部运动三角形的精确面心。

下面将对本发明的各种实施例通过举例加图解的方式进行更为详细具体的说明，附图中：

图1是作为本发明的一个实施例的作动器的轴向剖面图；

图2是本发明第二种实施例的作动器和控制部件的简图；

图3是作动器的另一种控制方案的简图；

图4是另一种控制方案的图解；

图5是现有技术中对作动装置的设计的立体示意图；

图6是现有技术中作动装置另一种设计方案的立体示意图；

图7是按照本发明的原理构成的作动装置的立体示意图；

图8是本发明的另一个实施例的立体示意图；

图9是本发明的另一个实施例的立体示意图；

图10是作为本发明的另一个实施例的Stewart平台的简化图；

图11是图10所示平台的俯视平面图；

图12是图10所示实施例第一种工作方案的简图；

图13是用以说明另一个实施例的示意图，其中基准面小于所述运动平台；

图14是图12所示实施例的俯视平面图；

图15是图13所示实施例的俯视平面图；

图16是图12所示实施例的俯视平面图，但运动平台位移到了右侧；

图17是图13所示实施例的俯视平面图，其中所述运动平台位移到了右侧，本图与图15所示格局相互参照；

图18的平面示意图示出了作为本发明的一个实施例的Stewart平台的预期最佳尺寸；

图19是作为本发明的一种实施例的一个典型的Stewart平台作动装置的功率消耗三维曲线图；

图20是一个曲线图，用以说明作动器的功率需量如何随着运动类型而变化；

图21A和图21B的方框图示出的是作为本发明的实施例的作动器的控制程序。

现在参看附图。图1所示的作动器包括一个在一缸体或者定子1中移动的活塞或者电枢8。所述活塞与一个连杆或者推管7相连，连杆或推管通过气体密封垫3穿出端头部件2之一。所述活塞8上装有一个密封环5，将所述缸体分隔为两个气室，该两个气室可以通过管道连接4a和4b适当地进行加压或排空。所述活塞还装有轴承环(bearing ring)6，其功能是约束活塞的位置，使之沿着装置的中心轴平滑地运动。

可以理解，当出入口4关闭时，气体密封垫5的作用会使活塞在缸体中的运动压缩其中一个气室中的气体而使相对的另一个气室中的气体膨胀。在无论哪侧，都会产生在没有电能的情况下令活塞回到其基准位置的力。通过调节封闭在所述两个气室中的气量，由两个气体弹簧产生的力就可以预先确定，并且通过选择两侧充气压强的比，也可以预先设定所述基准(或者说平衡)位置。如果有必要将气压弹簧常数降到一个较低的值，可以对所述端头部件2的构造加以改进，使得可以将一个外部储气罐连接到各气室。

当用一个驱动装置对作动筒供给能量以对载荷进行周期性或者伪随机定位时，可以根据作动筒中的电流来控制连接到所述出入口4的管线中的气体阀门(图中未示出)，下面就描述这样的控制装置。通过提供装置对所述相对的两个气压弹簧的参数进行准连续的调节，并与作动筒中的驱动电流的对称相关，可以将作动筒所消耗的功率最小化，从而实现作动筒物理性能相当大的经济性。

在图2中，示出的是将本发明应用于一个电磁作动器。所述活塞8具有一个密封垫5，通过该密封垫，缸体1的内部空间被分隔为两个气室A和B。每个气室中的气量受阀门9和10的控制，所述阀门由压力控制装置11供能。作动筒所产生的电磁力由装置12控制，后者接收位置命令13和来自某个连接到作动筒推力输出杆或者推管7的适当的传感器(图中未示出)的位置反馈信号14。装置12沿着控制线路17向作动筒提供能量。由作动筒定位控制器12产生的信号15是重要的过程参数，要设计所述压力控制装置11来对之进行控制，如下文举例所述。

如果所述作动筒用作上文所述类型的运动基座的一部分，气室B的空间可以保持在大气压。所述阀门装置9不存在，气室B的出入口4b具有很大的口径，使周围环境的空气可以自由出入。事实上，通过采用端部全开放的设计，所述作动筒的构造可以完全取消气室B。为了实现充分小的弹簧常数，对于气室A来说可能有必要通过一个大口径的管道连接到一个外部储气罐。类似的考虑适用于需要作动筒在垂直或近似垂直轴的方向上支承负载的工业用途，或者其他的用途，比如起重机。

那么，所述控制器11就通过阀门装置10起作用，当所述参数15表明作动器的电流需量主要在加大气室A容积的方向上时，就增加气室A中的气量，反之亦然。可以理解，通过这种手段，所述气动***可将作动筒所需的电流降到最低，提高整个***的效率。也可以理解，所述方案可耐受无论哪个方向上的气压泄漏、温度变化以及工作循环的变化或者作动筒作出的准随机的系列运动。对于静负荷值的变化，***是自补偿的，并能适应作动筒在任何时候进入停车位置的运动。对所述***进行的数学分析表明，所述压力调节能够耐受最终平衡区的误差，控制循环具有高度的稳定性。

现在考虑这样的情况：作动筒不承受倾向于减小气室A容积的恒力(例如重力)。例如，作动筒可能用来在不断重复的循环中对惯性载荷在某个摩擦系数小的水平轨道上定位。

那么，就需要控制器12来计算作动筒的平均位置：将所述位置传感器信号14的值在至少一个完整运动周期上平均，或者，在伪随机运动的情形下，在一个较长的时间段上平均。那么，就要求控制器12测量作动筒的瞬时电流，并将该值乘以作动筒到该时刻计算出的平均位置的距离。然后将这些积(或者叫“电流矩”)的累积和(rolling sum)传送到所述阀门控制器11，作为所述过程参数15。

所述控制器11然后起作用，当所述参数15表明电流需量主要在倾向于增加气室A的容积而将作动筒向其中央位置移动时，就增加气室A中的气量。如果所述参数15表明电流需量主要在相反的方向，就令控制器11减少气室A中的气量。

这样配置气室B中的压强，使得当所述作动筒静止于其计算出的平均位置时，所述活塞8相对两侧的压强取得平衡。

如图2所示，***包括压力传感器20和21，它们通过低通滤波器(图中未示出)T型连接到从阀门***9和10接出的管线。传感器20指示气室B中的平均压强，传感器21指示气室A中的平均压强。那么，控制器11就作用于阀门9，令压强值20乘以气室B中的活塞表面积等于压强值21乘以气室A中的活塞表面积。可以理解，这种平衡功能也可以用具有预置比例装置(preset ratio facility)的薄膜制动气压控制器更为简单地实现。在用于某些机器时，所述装置可能是一种更佳的方案。

根据***所要求的动力特性，可以，也可以不，向气室A和气室B连接外部储气罐，其功能是降低气压弹簧的弹簧常数。

图3示出的是本发明应用于直线电动马达驱动时的情况，其构造不允许气动力直接作用于动力输出端。例如，所述直线马达可以是开放的平直构造，使用适于连接到一个三相伺服马达装置的永久磁体电枢。在这种情况下，所述直线马达25及其输出部件26以适当的装置28连接到一个气动作动筒27，后者具有如前所述的一个活塞8和气室A和B等。

其工作方式是一样的。如果负载主要是恒定的(例如重力)，作动筒27的气室B(其构成气压弹簧***的输出部件)就通至大气，并控制气室A中的气量，使两相反方向上的推力的电流需量得到平衡。如果负载主要是惯性载荷，就控制其中一个气室中的压强，平衡电流需量关于作动器平均位置的电流矩，同时调节另一个气室中的压强，平衡在***的平衡位置作用于所述活塞8的力。

图4示出的是本发明应用于由一旋转马达驱动的直线定位装置的情况。在本实施例中，我们选择了皮带传动方案，但本发明同样地可应用于例如齿轮传动曲柄驱动装置(geared crank drive)或者球头螺杆作动器(ballscrew actuator)。

在这里，所述旋转马达25以传动带30移动滑动部件29。输出部件26通过适当的连接装置28连接到气压弹簧。***在重力载荷或者惯性载荷两种情形下的工作模式与前述一样，各部件的标号也具有与前述相同的含义。

可以理解，本发明并不局限于所有的弹簧力都由所述装置11和阀门9和10控制的气压弹簧或气压弹簧组提供的装置。对于下面这种装置，使用本发明可以有更好的效果：这种装置的定位装置要安装额外的弹簧，所述弹簧无论是气压的还是金属的，特征是要进行预置，以为装置存储部分能量。

可以理解，装置的有效工作所需的所有弹簧力都可以由金属弹簧或者气压弹簧提供，弹簧由经过训练的人员手工设定到正确的值。为了进行所述调节，所述人员要观测电动马达的电耗特征。

现在参看图5。所述静止或者说基座平台标以31，所述运动平台标以32。作动筒33构成所述静止和运动部件之间的连接。可以理解，通过使所述作动筒的长度发生适当的变化，就可以相对于所述静止平台改变所述运动平台的姿态和位置。可以理解，当各作动筒伸展或者收缩时，作动筒和水平面之间的角度必须改变。所述作动筒绕其下端铰接在垂直面内旋转。

为了加强平台的俯仰和侧滚能力，提高装置的建造、维护、维修的方便性，本发明的一个特征是如此构造三角架支撑，使之采用如图6所示的更为传统的形式。在图6中，上部平台42比下部平台41要小。可以看出，作动筒43(它们是承受最大应力的装置部件)下端的铰接或枢轴在所述运动基座的外沿，使得其自身及作动筒的主体更易于接近，以方便安装、检查和维护。还可以看到，所述固定平台的表面不受约束框架的妨碍，因此在需要时可畅通无阻地接近其中央区域。这种方案的另一个优点是，所述运动平台和模拟器座舱之间的接合面积减小了，这样，对于座舱底板的设计以及座舱入口的布置，约束因素就更少了。

但是，示于图6的装置具有这样的缺点：在某些极端运动情况下，运动平台42和水平面间的角度可能会大于至少一个作动筒43和水平面间的角度，从而使装置发生肘节反拐现象，进入卡机位置(toggles intoa locked position)。为了防止这种情况的发生，所述上部运动平台42与所述下部固定平台41的相对尺度，以及所述作动筒的长度都要采用合适的比例，使所述肘节反拐作用(toggle action)不能发生。通常是减小所述固定平台41和所述运动平台42的尺寸比。图7示出了这种改进，其中，装置的各部件具有与图6所示实施例相同的标号。

图8示出的实施例具有一个中央垂直柔性支承部件或者组件45，通过它平衡掉所述运动平台42的静态载荷，以便所述电磁作动筒43不必产生持续不断的力。可以理解，所述中央柔性支承部件的弹簧常数需要根据所述运动基座的总体设计及其工作参数加以优化。如果所述支承部件是一个气压弹簧作动器，它就可能需要与一个容积适当的相邻压缩气体储罐(图中未示出)相通。

或者，所述单个的垂直作动器可以由两个或多个作动器取代或者辅助，所述两个或多个作动器向内向所述运动三角形的面心倾斜，其按比例配置，以便随着运动平台的升降能在垂直平面内旋转一定的角度。所述倾斜作动器可以是预加压的气体撑杆，比如用于支撑汽车行李箱盖的那种，其如此布置，以使其具有一种偏心作用(over-centreaction)，在必要时可将所述运动平台固定在装载位置。

图9示出的实施例具有一个中央垂直波纹管装置，通过它平衡掉所述运动平台42的静负荷，以便所述电磁作动筒43不必产生持续不断的力。可以理解，所述中央波纹管装置的垂直弹簧常数必须根据所述运动基座的总体设计及其工作参数加以优化。这意味着所述波纹管装置的柔性部分可以安装在一个选定高度的中央刚性底座上。(图8中没有单独示出该刚性底座)。

所述波纹管装置的弹性作用可以由两个或多个专用气体撑杆(图中未示出)加强，它们如此设置，以便随着运动平台的升降能在垂直平面内旋转一定的角度。它们如此设计，以使其具有一种偏心作用，在必要时可将所述运动平台固定在装载(最低)位置，而不需要将波纹管装置降压，这样就减少了压缩气体的消耗。

可以理解，用波纹管装置作为所述中央约束部件并不排除所述电磁作动器的任何安装和连接方案，因此所述电磁作动器也可以用作各气压弹簧，取代所述波纹管装置和/或气体撑杆或者与它们产生的力联合作用。当所述电磁作动器也用作气压弹簧部件时，最好提供装置来对压强进行频繁的调节，以将作动器电流的长期积分(long-termintegral)最小化，从而将功率消耗最小化。

本发明的作动装置包括这样的一个机构，其中的一个部件(所述基座平台)可以视为静止的，另一个部件(所述运动平台)可以视为由所述作动器定位。

图10是一个Stewart平台的示意图，示出的运动平台51由作动筒53支承在所述基座平台52的上方。在该示意图中，所述运动平台圆的半径54小于所述基座平台的半径55。图11示出了该平台的平面图。

图12和图13示出了半径54小于半径55的Stewart平台(如图12所示)和半径54大于半径55的Stewart平台(如图13所示)的设计差异。考虑运动平台向前(向图6的右侧)冲动(surges forward)时所述气压弹簧中的力。对于运动平台小于基座平台的情况，在运动平台“前端”的作动筒56被压缩，产生倾向于将所述平台的边缘向上推的力，而平台“后端”的作动筒57就伸展开，减小其支承力的向上分量，令所述运动平台的后沿下沉。这样的设计方案因而预期能够令所述运动平台在前冲时向上仰(图16)。相反地，类似的道理，运动平台半径大于基座平台半径的装置的性能能使所述运动平台在前冲时向下俯(图17)。

因此，在所述两个极端之间必然有一个最佳方案，其中的冲动运动既不导致爬升又不导致俯冲。考虑任意给定的作动筒尺度组合，所述下部平台尺寸与所述上部平台尺寸的最佳比例预期为2∶1，如图18的示意图所示。

图19是一种典型的Stewart平台的运动基座对于所有六种可能的运动(升降、冲动、横摆、俯仰、侧滚和首摇)的合理的同步组合的功率消耗三维曲线图。其中一个轴表示所述运动基座的功率消耗如何随着所述固定和运动平台的尺寸比而变化，另一个轴表示功率消耗如何随着所述气压弹簧***的容积比(或者随着等效的固体弹簧***的弹簧常数)而变化。

可以看出，所述最佳的平台尺寸比在1.5左右，所述最佳气压弹簧比在1.8左右。对于目前所考察的所有类型的作动筒和运动基座，所述比例都是适用的。

图20示出了作动筒功率需量如何随着运动类型和装置的“弹性”(springiness)而变化，所述“弹性”系由所述气压弹簧容积比所决定的。应当注意到，软支承的(soft)或者“均衡的(counterbalanced)”运动基座会具有很大的气压弹簧储气罐和小的容积比，位于曲线图的左侧，而硬弹簧支承的(“hard-sprung”)运动基座则位于曲线图的右侧。同预期的一样，对于任何运动，在曲线图的边缘，随着弹簧硬度的增加，功率消耗急剧上升。

但是，可以注意到，当装置的弹性对于升降运动最优化时，俯仰运动所消耗的功率却非常大，这是当装置为“均衡”基座时。还可以注意到，通过将***的弹性加大到某个最优值，俯仰运动所消耗的功率可以减少许多。所述最优值小于所述“硬”弹力开始占主导地位时的值。对于其他的基座运动模式，存在类似的最佳支承特性，但俯仰运动是主要的。(要记住，WO93/01577的设计主要就失败在俯仰运动模式上)。可以理解，尽管本发明的原理是参照称为Stewart平台的六轴运动***进行阐述的，所述原理同样地适用于其他类型的运动基座，比如在WO93/01577中提及的三轴***，以及在本申请人的未结案专利申请中所述及的其他的各种运动基座设计。

还可以理解的是，所述模拟器装置在减摇平台方面有一个镜像等效装置，其中(例如)，所述下部平台产生运动，这些运动必须由作动筒的相关运动加以抵销以维持所述上部平台不动。因此在这里所描述的运动基座装置的最佳设计同样地适用于基于Stewart设计的减摇平台，并且所述原理总的来说适用于其他类型的减摇平台。

现在看图21A，该图示出了具有相连的或者一体的柔性支承的电磁作动器的控制功能的主要程序，考虑到参数比如瞬时位置、命令位置、负载、加速度、速度等的变化，所述柔性支承的柔性是可变的。在本实施例中，所述柔性随着瞬时载荷而变化，而瞬时载荷是作为所述电磁作动器响应命令信号而产生的电流的函数被确定的。图21A示出了气压弹簧的柔性的变化所遵循的步骤序列。在步骤201，由适当的传感器测得的驱动电流输入所述控制***。该信号在步骤202关于相继的取样时间段进行累积积分(rolling integral)，所述取样时间段的长度取决于具体的环境，但，例如在娱乐用运动基座的情况下，可以在三秒钟左右。

然后将这样得到的积分在步骤203与预定的阈值比较。超过阈值的量(如果存在的话)就控制控制信号或者驱动脉冲的生成，所述驱动脉冲的长度正比于所述超过阈值的量。该信号控制阀门的开启，将气体放入或放出与以前述任何方式与电磁作动器相连的气压弹簧(图中未示出)的封闭气室。这样，通过连续地改变或者说根据作动器的动力学状态调节所述气压弹簧的柔性，就改变了其给予所述载荷的支承力。如果，例如，某作动器在迅速地伸展中，就开启所述阀门以允许气体进入其容积正在加大的那个气室，从而减小运动的阻力。这样选择所述阈值，使得对所述气压弹簧的调节把短期返回运动的可能性考虑在内，使所述气室没有必要放进必须立即就释放的气体，而是要在充分长的时间段上通过计算确定引入或者释放气体的必要性，从而使急速的瞬变过程变得平滑。

在图21B中，示出了支承往复运动质量的***的主要步骤，所述往复运动质量的位移由一个电磁作动器驱动。就运动基座而论，在步骤206测定并施加电磁作动器驱动电流，但是在这种情况下，在步骤207测定往复运动活塞或者其他的作动器往复运动部件的位置，并且在步骤209还施加所述中心基准信号208。根据这些信号，计算出电流关于所述运动部件的中心位置的电流矩，此后，在步骤210，将所述驱动电流值在相当于所述往复运动质量的确切运动周期数的一段时间上积分，所述时间段要留下一段时间盈余，以解决运动的中断问题。

同前述一样，将所述积分值在步骤211与阈值进行比较，并在步骤212确定施加到阀门上的信号的驱动脉冲长度。将该信号施加到所述活塞的一侧，在此即为步骤213所指的气体压力推杆一侧，然后在步骤214，确定一个压强，该压强是所述平均压力值的预定比例，以在步骤215确定所述活塞另一侧所需的气体压强，以平衡引入所述气室活塞的所述第一侧的变化。

Claims (17)

1.向载荷作动的装置，包括向所述载荷施加扰动力的装置及所述载荷的柔性支承，其中，提供用来在装置工作过程中动态改变所述支承的柔性的装置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，由作动器以至少一个自由度控制所述载荷的位置，该作动器包括用来向所述载荷施加扰动力以使之位移的装置，除了所述的断续的力之外，所述柔性支承能够向所述载荷施加力，所述用来动态改变所述柔性支承装置的柔性的装置的工作方式与施加到所述载荷上的力有关，从而自动地与其位移相配合。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，施加所述扰动力的所述装置是电磁作动器。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述作动器是直线电磁作动器。

5.如权利要求3或4所述的装置，其中，所述柔性的变化根据加速所述载荷所需的电流进行控制。

6.如权利要求3到5之任何一项所述的装置，其中，所述柔性的变化由施加到所述电磁作动器上的位置命令信号的积分所产生的信号进行控制。

7.如权利要求1到6之任何一项所述的装置，其中，至少部分所述柔性装置是气压弹簧，通过改变可变容积气室中的气体量而实现所述柔性的变化。

8.如权利要求7所述的装置，其中，至少部分所述柔性装置是气压弹簧，所述柔性的变化通过控制阀门实现，所述阀门可允许气体进出所述气室。

9.用来控制一个平台和一个基准面之间的多个自由度的相对运动的装置，包括用来支承平台重量的柔性装置，一个或多个用来在所述平台和所述基准面之间施加扰动力的作动器，以及用来控制所述作动器在某方向运动以相对于所述基准面移动所述平台的控制装置，其特征在于，所述柔性支承装置的柔性是可变的，并提供装置，用来根据输入到该装置的控制信号来动态地改变所述柔性支承装置的柔性。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述作动器以枢轴连接到装置的限定所述固定基准面的部分，这样，每个作动器就受到约束，在各自的平面内绕着所述枢轴连接转动。

11.如权利要求9或10所述的装置，其中，一支承部件以全方位自由度连接在所述运动平台和所述基准面之间。

12.如权利要求11所述的装置，其中，根据所述运动平台的参数选择所述支承部件的柔性。

13.如权利要求12所述的装置，其中，所述运动平台在静止位置时，所述作动器与水平面间的倾角约为45°。

14.用来控制运动平台和基准面之间的多自由度相对运动的装置，包括用来支承运动平台的重量的装置，一个或多个在所述平台和基准面之间施加扰动力的作动器，以及控制所述作动器以改变所述平台相对于所述基准面的位置和/或取向的装置，其特征在于，用来支承所述运动平台重量的所述支承装置包括分别与所述各作动器相连的相应的柔性支承部件。

15.如权利要求14所述的装置，其中，所述作动器的端部与所述运动平台的连接点的外接圆的直径，及所述作动器的端部与装置的确定所述基准面的部分的连接点的外接圆的直径的比在1∶1.5左右。

16.用来控制运动平台和基准面之间的多自由度相对运动的装置，包括用来支承运动平台的重量的装置，一个或多个在所述平台和基准面之间施加扰动力的作动器，以及通过所述作动器的操作来控制所述作动器以改变所述平台相对于所述基准面的位置和/或取向的装置，其特征在于，还提供约束装置，以防止所述运动平台和所述基准面之间的所述作动器产生有害的运动。

17.如权利要求16所述的装置，其中，所述约束装置由一个波纹管装置构成或者包括一个波纹管装置装置。

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