專利名稱：冗余容錯運(yùn)動模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械自動化技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種冗余容錯運(yùn)動模擬
o
背景技術(shù)：
多自由度運(yùn)動模擬器是模擬或再現(xiàn)物體運(yùn)動狀態(tài)的專用設(shè)備，應(yīng)用于航空航天 器運(yùn)動模擬、機(jī)車駕駛訓(xùn)練、抗震試驗(yàn)及可靠性研究等重要領(lǐng)域。其機(jī)構(gòu)目前廣泛采用 Stewart機(jī)構(gòu)(參見文獻(xiàn)《一種六自由度平臺》(StewartD.，API at form with Six Degree of Freedom[C], IME. . Part 1(15:) :p. 371-386.))，為六輸入六輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu)。此類機(jī)構(gòu)通 常具有承載能力強(qiáng)、慣性低、剛度好、加速度高等特點(diǎn)。為了保證使用壽命并可獲得強(qiáng)大的 驅(qū)動力，驅(qū)動源被限制在液壓驅(qū)動上，多采用大型伺服油缸驅(qū)動，并配備大型蓄能裝置，導(dǎo) 致設(shè)備龐大，制造、維護(hù)費(fèi)用高，液壓油易泄漏造成控制精度降低、環(huán)境污染，內(nèi)部摩擦力大 導(dǎo)致傳動效率降低、浪費(fèi)能源，液壓油對溫度和塵土敏感使之不能在高溫、低溫或灰塵多的 工作環(huán)境下工作。以伺服電機(jī)為驅(qū)動源的電氣機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動雖無上述液壓驅(qū)動的缺點(diǎn)，但 目前沒有符合其動力要求的合適伺服電機(jī)，且大功率伺服電機(jī)的研發(fā)費(fèi)用高并存在技術(shù)瓶 頸。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，《一種局部并聯(lián)冗余驅(qū)動機(jī)械手》(T.Kokkinis， P. Millies. AParallel Robot-Arm Regional Structures with Actuational Redundancy. Mechanism andMachine Theory. 1991,6(26) :629_641)；以及文獻(xiàn)《動力 冗余并聯(lián)操作器的運(yùn)動性能》(Kokkinis, T, Millies, P. Kinetostatic Performance of a Dynamically Redundant Parallel Robot. International Journal of Robotics&Automation. 1992，7(1) 30-37)；《冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度逆解》(Yi，BJ， Freeman,RA. Geometric Analysis of Antagonistic Stiffness in RedundantlyActuated Parallel Mechanisms. Journal of Robotic Systems. 1993，10 :581_603.)等文獻(xiàn)，從理論 上提出了一些冗余驅(qū)動的方法并進(jìn)行了一定的性能指標(biāo)分析，為實(shí)現(xiàn)多電機(jī)冗余輸入替代 液壓驅(qū)動提供了可能。用多個較小電機(jī)作為驅(qū)動源，提供較大的驅(qū)動力和輸出功率，不但可 以克服上述液壓驅(qū)動的缺點(diǎn)，而且相對于同功率大電機(jī)驅(qū)動也能夠降低成本。但是文獻(xiàn)中所提及的冗余驅(qū)動多為局部的驅(qū)動冗余且僅僅停留于理論推導(dǎo)，也并 未考慮實(shí)際的機(jī)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)組成。特別是對于具有大型運(yùn)動模擬器特點(diǎn)的電氣機(jī)械冗余 驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)形式以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)并未涉及?，F(xiàn)有技術(shù)的另一不足是并未從機(jī)構(gòu)上解決大型運(yùn)動模擬器冗余支鏈過約束所引 起的問題，系統(tǒng)也不具備協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元間受力不均勻的容錯模塊。無論是液壓的冗余 驅(qū)動還是電機(jī)的冗余驅(qū)動，都存在冗余驅(qū)動引起的過約束問題。過約束對系統(tǒng)的變形和制造、安裝 及控制誤差敏感，其存在對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面1)導(dǎo)致構(gòu)件及運(yùn)動副元 素在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的強(qiáng)制變形，使運(yùn)動副中的作用力急劇增大，機(jī)械效率降低；還使運(yùn)動服的磨損加快，降低機(jī)械工作的可靠性、精度和使用壽命。2)要求各部件具有較高的制造精度、 裝配精度和結(jié)構(gòu)剛度，提高了制造、安裝拆卸的難度和成本。3)對控制精度要求較高，不允 許地位對等的約束任何一方出現(xiàn)運(yùn)行故障，也不允許出現(xiàn)較大的控制誤差，提高了控制系 統(tǒng)的成本和難度。一般的電氣機(jī)械驅(qū)動單元剛度較大，當(dāng)存在系統(tǒng)誤差或控制誤差時，各冗 余驅(qū)動單元間的受力不均衡，為避免該缺陷，現(xiàn)有技術(shù)需使用力反饋控制，而在重載、高速 場合必須使用動力特性好、承載能力強(qiáng)的力傳感器，且控制算法復(fù)雜并引入新的非線性化 因素，導(dǎo)致控制難度和制造成本大幅度提高，控制的穩(wěn)定性和魯棒性下降。液壓冗余驅(qū)動雖 因液壓油的非絕對不可壓縮性和低剛性而對過約束表現(xiàn)出一定的容忍性，但一旦出現(xiàn)大的 誤差和地位對等的驅(qū)動源中有一個或幾個出現(xiàn)故障，也必然造成各冗余驅(qū)動單元間的受力 不均衡，以致影響部件壽命，甚至損壞部件造成模擬平臺傾覆等災(zāi)難性事故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種冗余容錯運(yùn)動模擬器，具有無過 約束及容錯功能的運(yùn)動模擬器，具有承載力大、容錯性能好、無過約束、制造成本低、無污染 等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括運(yùn)動模擬平臺、六條運(yùn)動支鏈以 及十六個冗余驅(qū)動電機(jī)，其中運(yùn)動模擬平臺的三個不同的正交側(cè)面上分別布置有三個、兩 個和一個運(yùn)動支鏈，每個運(yùn)動支鏈的末端分別設(shè)有兩個或四個冗余驅(qū)動電機(jī)。所述的運(yùn)動支鏈為I型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)或II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)，其中I型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)包括兩個冗余容錯驅(qū)動單元、I型傳動部件和機(jī)架，其中1型 傳動部件的兩端分別與運(yùn)動模擬平臺和冗余容錯驅(qū)動單元相連接，兩個冗余容錯單元均固 定設(shè)置于機(jī)架上，機(jī)架固定設(shè)置于地面。所述的冗余容錯驅(qū)動單元包括冗余容錯協(xié)調(diào)裝置、雙螺母滑塊和導(dǎo)軌、兩組絲杠 和兩臺電機(jī)，其中冗余容錯協(xié)調(diào)裝置分別與雙螺母滑塊固定連接，導(dǎo)軌安裝于機(jī)架上，滑 塊活動設(shè)置于導(dǎo)軌上，兩組絲杠與雙螺母滑塊配合組成雙絲杠螺母副，用于提供冗余驅(qū)動 力的兩臺電機(jī)分別與絲杠配合并固定于機(jī)架上。所述的I型傳動部件包括與運(yùn)動平臺連接的第一球鉸、與第一球鉸另一端連接 的第一連桿、與第一連桿連接的第二球鉸、與第二球鉸另一端連接的第二桿件、連接件以及 連接件與冗余容錯雙螺母滑塊之間的第三桿件，其中連接件和第三桿件組成雙四桿機(jī)構(gòu)。所述的II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)包括一個冗余容錯驅(qū)動單元、II型傳動部件和機(jī)架， 其中11型傳動部件的兩端分別與運(yùn)動模擬平臺和冗余容錯驅(qū)動單元相連接，冗余容錯單 元固定設(shè)置于機(jī)架上，機(jī)架固定設(shè)置于地面；所述的II型傳動部件包括與運(yùn)動平臺連接的第一球鉸、與第一球鉸另一端連接 的第一桿件、與第一桿件另一端連接的第二球鉸、與第二球鉸另一端連接的第二桿件。本發(fā)明通過以下二級冗余容錯協(xié)調(diào)方式進(jìn)行模擬，具體實(shí)施方案為第一級無論是I型運(yùn)動支鏈還是II型運(yùn)動支鏈的滑臺上，均裝有冗余容錯協(xié)調(diào) 模塊。其工作方式是當(dāng)兩冗余電機(jī)中的任何一個發(fā)生故障而停機(jī)時，滑臺仍能輸出，系統(tǒng)仍 能工作，避免了因其中一個電機(jī)損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng)停止工作或進(jìn)一步損壞系統(tǒng)的事故發(fā) 生。而當(dāng)兩電機(jī)均正常工作時，冗余容錯協(xié)調(diào)模塊也可以協(xié)調(diào)冗余電機(jī)之間的位置不同步或力不均衡。第一級冗余容錯協(xié)調(diào)為驅(qū)動級協(xié)調(diào)。第二級由于II型運(yùn)動支鏈?zhǔn)怯蓛蓚€冗余容錯驅(qū)動單元共同驅(qū)動的，對連接件來 說存在冗余輸入，因此需要兩條支鏈的不同步協(xié)調(diào)和力協(xié)調(diào)。連接件上采用具有三自由度 的球鉸，可以使連桿和連接件件之間有靈活的轉(zhuǎn)動；而兩滑臺和連接件之間由于分別采用 了雙四桿機(jī)構(gòu)連接，使得連接件只能在豎直平面內(nèi)的兩個方向移動。當(dāng)兩個冗余容錯驅(qū)動 單元不同步或出力不均勻時，此機(jī)構(gòu)總能進(jìn)行協(xié)調(diào)；當(dāng)其中任何一個冗余容錯驅(qū)動單元的 雙電機(jī)同時壞掉時，此機(jī)構(gòu)也能在一定范圍內(nèi)工作，具有容錯功能。第二級冗余容錯協(xié)調(diào)為 II型支鏈的傳動級容錯。本發(fā)明解決了大型運(yùn)動模擬器使用傳統(tǒng)液壓設(shè)備導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維護(hù)費(fèi) 用高，傳動效率低，受溫度和環(huán)境制約，液壓系統(tǒng)易泄漏、造成環(huán)境污染和控制精度低等缺 點(diǎn)；由于本發(fā)明設(shè)計在機(jī)構(gòu)構(gòu)型上的合理布局和巧妙構(gòu)思，使其具有多達(dá)16個電機(jī)的輸 入，增強(qiáng)了設(shè)備的承載力和驅(qū)動能力，此構(gòu)型布局也從份考慮了豎直方向承載力大和水平 兩向驅(qū)動能力應(yīng)相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)；由于本發(fā)明設(shè)計在每個冗余驅(qū)動模塊上均采用冗余容錯協(xié)調(diào) 裝置，解決了過約束對系統(tǒng)造成的影響，對設(shè)備制造、安裝及控制精度無苛刻要求，使設(shè)備 制造和安裝容易，控制系統(tǒng)中也無須價格昂貴的力傳感器，進(jìn)一步降低了成本；由于本發(fā)明 設(shè)計所述的冗余容錯協(xié)調(diào)裝置具有容忍故障特性，使得當(dāng)?shù)匚粚Φ鹊娜哂囹?qū)動源之間不同 步或發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，避免了驅(qū)動源因載荷相反且超出額定載荷而導(dǎo)致系 統(tǒng)部件損壞或運(yùn)動平臺傾覆等災(zāi)難性事故，使得設(shè)備的安全性和可靠性得到保證。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明機(jī)構(gòu)中I型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明機(jī)構(gòu)中II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例包括運(yùn)動模擬平臺1、六條運(yùn)動支鏈以及十六個冗余驅(qū)動 電機(jī)8，其中運(yùn)動模擬平臺1的三個不同的正交側(cè)面上分別布置有三個、兩個和一個運(yùn)動 支鏈，每個運(yùn)動支鏈的末端分別設(shè)有兩個或四個冗余驅(qū)動電機(jī)8。所述的運(yùn)動支鏈為I型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)或II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)。如圖2所示，所述的I型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)包括兩個冗余容錯驅(qū)動單元、I型傳動部 件和機(jī)架13，其中1型傳動部件的兩端分別與運(yùn)動模擬平臺1和冗余容錯驅(qū)動單元相連 接，兩個冗余容錯單元均固定設(shè)置于機(jī)架上13，機(jī)架13固定設(shè)置于地面。所述的冗余容錯驅(qū)動單元包括冗余容錯協(xié)調(diào)裝置3、雙螺母滑塊7和導(dǎo)軌11、兩 組絲杠12和兩臺電機(jī)8，其中冗余容錯協(xié)調(diào)裝置3與雙螺母滑塊7固定連接，導(dǎo)軌11安 裝于機(jī)架13上，雙螺母滑塊7活動設(shè)置于導(dǎo)軌11上，兩組絲杠12與雙螺母滑塊7配合組 成雙絲杠螺母副，用于提供冗余驅(qū)動力的電機(jī)8分別與絲杠12配合并固定于機(jī)架13上。
所述的I型傳動部件包括與運(yùn)動平臺1連接的第一球鉸4、與第一球鉸4另一端 連接的第一連桿5、與第一連桿5連接的第二球鉸6、與第二球鉸6另一端連接的第二桿件 2、連接件9以及連接件9與冗余容錯雙螺母滑塊7之間的第三桿件10，其中連接件9和 第三桿件10組成雙四桿機(jī)構(gòu)。如圖3所示，所述II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)包括一個冗余容錯驅(qū)動單元、II型傳動部 件和機(jī)架13，其中11型傳動部件的兩端分別與運(yùn)動模擬平臺1和冗余容錯驅(qū)動單元相連 接，冗余容錯單元固定設(shè)置于機(jī)架13上，機(jī)架13固定設(shè)置于地面。所述II型傳動部件包括與運(yùn)動平臺1連接的第一球鉸4、與第一球鉸4另一端 連接的第一桿件5、與第一桿件5另一端連接的第二球鉸6、與第二球鉸6另一端連接的第 二桿件2。冗余容錯驅(qū)動單元均為冗余驅(qū)動，雙螺母滑臺7與絲杠12組成雙螺母雙絲杠副， 容錯協(xié)調(diào)裝置3安裝于滑臺7的前端或后端。當(dāng)由于某種誤差使雙絲杠12轉(zhuǎn)動不同步時， 容錯協(xié)調(diào)裝置3可以自動進(jìn)行協(xié)調(diào)，使兩螺母輸出速度相同即滑臺7兩端不偏轉(zhuǎn)，以消除不 同步引起的反向載荷，提高絲杠和電機(jī)的壽命和傳動效率；當(dāng)由于某種原因冗余驅(qū)動中的 某一驅(qū)動電機(jī)發(fā)生故障而不能工作時，未發(fā)生故障電機(jī)仍可以通過容錯協(xié)調(diào)裝置3驅(qū)動滑 臺7工作，只是驅(qū)動能力降低，但不至于因反向載荷存在而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障。動力源以多伺服電機(jī)8取代液壓泵站和液壓缸，解決了設(shè)備龐大，制造、維護(hù)費(fèi)用 高，液壓油易泄漏造成控制精度降低、環(huán)境污染，內(nèi)部摩擦力大導(dǎo)致效率降低、浪費(fèi)能源，受 工作環(huán)境溫度和清潔度影響等缺點(diǎn)。本實(shí)施例中電機(jī)可以通過連軸器與絲杠直接相連，也可以在電機(jī)與絲杠之間加入 齒輪副、齒輪齒條副、帶及帶輪或其他公知的傳動裝置代替。
權(quán)利要求
一種冗余容錯運(yùn)動模擬器，其特征在于，包括運(yùn)動模擬平臺、六條運(yùn)動支鏈以及十六個冗余驅(qū)動電機(jī)，其中運(yùn)動模擬平臺的三個不同的正交側(cè)面上分別布置有三個、兩個和一個運(yùn)動支鏈，每個運(yùn)動支鏈的末端分別設(shè)有兩個或四個冗余驅(qū)動電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余容錯運(yùn)動模擬器，其特征是，所述的運(yùn)動支鏈為I型運(yùn)動 支鏈結(jié)構(gòu)或II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)，其中I型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)包括兩個冗余容錯驅(qū)動單元、I型傳動部件和機(jī)架，其中1型傳動 部件的兩端分別與運(yùn)動模擬平臺和冗余容錯驅(qū)動單元相連接，兩個冗余容錯單元均固定設(shè) 置于機(jī)架上，機(jī)架固定設(shè)置于地面；II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)包括一個冗余容錯驅(qū)動單元、II型傳動部件和機(jī)架，其中11型傳 動部件的兩端分別與運(yùn)動模擬平臺和冗余容錯驅(qū)動單元相連接，冗余容錯單元固定設(shè)置于 機(jī)架上，機(jī)架固定設(shè)置于地面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冗余容錯運(yùn)動模擬器，其特征是，所述的冗余容錯驅(qū)動單元 包括冗余容錯協(xié)調(diào)裝置、雙螺母滑塊和導(dǎo)軌、兩組絲杠和兩臺電機(jī)，其中冗余容錯協(xié)調(diào) 裝置分別與雙螺母滑塊固定連接，導(dǎo)軌安裝于機(jī)架上，滑塊活動設(shè)置于導(dǎo)軌上，兩組絲杠與 雙螺母滑塊配合組成雙絲杠螺母副，用于提供冗余驅(qū)動力的兩臺電機(jī)分別與絲杠配合并固 定于機(jī)架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冗余容錯運(yùn)動模擬器，其特征是，所述的I型傳動部件包 括與運(yùn)動平臺連接的第一球鉸、連接件、與連接件連接的第二球鉸、與兩球鉸連接的第一 桿件、與兩個冗余容錯雙螺母滑塊相連的第二桿件，其中連接件和第二桿件組成雙四桿機(jī) 構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余容錯運(yùn)動模擬器，其特征是，所述的II型傳動部件包括 與運(yùn)動平臺連接的第一球鉸、與冗余容錯雙螺母滑塊連接的第二球鉸以及與兩球鉸連接的 第二桿件。
全文摘要
一種機(jī)械自動化技術(shù)領(lǐng)域的冗余容錯運(yùn)動模擬器，包括運(yùn)動模擬平臺、六條運(yùn)動支鏈以及十六個冗余驅(qū)動電機(jī)，其中運(yùn)動模擬平臺的三個不同的正交側(cè)面上分別布置有三個、兩個和一個運(yùn)動支鏈，每個運(yùn)動支鏈的末端分別設(shè)有兩個或四個冗余驅(qū)動電機(jī)，所述的運(yùn)動支鏈為I型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)或II型運(yùn)動支鏈結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比增強(qiáng)了承載力和驅(qū)動力，制造和安裝容易，當(dāng)?shù)匚粚Φ鹊娜哂囹?qū)動源之間不同步或發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，避免了驅(qū)動源因載荷相反且超出額定載荷而導(dǎo)致系統(tǒng)部件損壞或運(yùn)動平臺傾覆等災(zāi)難性事故，使得設(shè)備的安全性和可靠性得到保證。
文檔編號G09B25/00GK101863016SQ20101015730
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者張建政, 趙現(xiàn)朝, 郭為忠, 馬春翔, 高峰 申請人:上海交通大學(xué)