用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统

摘要

本发明提供一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统，具有上平台、万向节、液缸、气缸、底座万向节、底座、气动阀、液压阀和位移传感器。本发明的设计考虑到气体具有较大的可压缩性，可以提高系统的柔性，而液体部分又能提供适当的阻尼，提高系统刚度，二者的结合使得该运动平台具有刚柔兼并的良好特性。故此本发明提供的一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统具有相对于气动、电动驱动平台的高刚度和相对于液压驱动平台的柔性运动特性强等优点，提高了运动模拟器的关键特性。

说明书

技术领域

本发明专利属于运动模拟平台技术领域，特别是属于一种新型结构的六自由度并联平台系统。

背景技术

运动模拟是在相应的模拟器上，利用虚拟动感、虚拟视景、虚拟声音再现真实运动感觉的过程。运动模拟主要用来代替真实设备来训练操作者对真实设备的驾驭能力或体验某种运动形式。运动模拟能大幅度降低各种运动作业的训练成本，目前几乎所有的民用、军用航空器驾驶员的大部分飞行训练都是在模拟器上完成的。除此以外，运动模拟器在各种娱乐等设备的应用也非常广泛。数十年的使用经验表明，运动模拟在有关航空、航天、航海、车辆的道路运动模拟以及娱乐设备的开发过程中都发挥着十分重要的作用。

最早的6-DOF并联机构是1965年D.Stewart提出并研制的6-SPS机构，即著名的Stewart并联机器人机构。六自由度平台的发展大致来说分为以下几个阶段，60年代开始用来开发飞行器和其它运动模拟器，70年代提出并联机械手的概念，80年代末期开始研制并联机床，90年代利用并联机构开发起重机，并用并联机构开发宇宙飞船的空间对接器。当前国内外一些游乐场所已经有六自由度体感模拟器、大航海体验馆、太空穿梭机和动感电影等娱乐模拟器。世界上研制六自由度并联机构的国家较多，主要有加拿大、美国、英国、法国、德国、日本和俄罗斯等国。我国运动模拟器的研制工作开展比较晚，与国外的模拟技术相比还存在较大的差距，清华大学、中科院沈阳自动化所、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、燕山大学和天津大学等单位也作了很多关于六自由度运动模拟平台的研究。他们为运动模拟器系统的发展与进步作出了巨大的贡献，其中一些研究成果已经申请了专利。

迄今为止，六自由度运动平台的驱动主要有液压、电动、气动以及电动液压混合四种方式。其运作过程中都有各自的优点及不足之处。液压驱动方式的优点是刚度大、功率-重量比大，缺点是设计维护复杂、成本高。电动驱动方式的特点是执行机构的速度和位置精度较高，系统设计和实现简单，但是受电机功率限制，其承载能力有限。电动液压混合驱动方式采用伺服电机控制液压执行元件，无需液压阀和液压泵站，大大降低了成本和设计维护难度，其不足之处是系统的频率响应较低，并且受电机功率的制约，承载能力和速度都不大。

目前有关气液运动模拟系统的文献报道不多，据发明人所知，有关六自由度气液运动模拟系统的专利文献几乎没有。本发明的设计考虑到气体具有较大的可压缩性，可以提高系统的柔性，而液体部分又能提供适当的阻尼，液体具有较高刚度的特性，二者的结合使得该模拟器具有刚柔兼具的良好特性。故此本发明专利提供的一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统具有相对于气动、电动驱动平台的高刚度和相对于液压驱动平台的柔性运动特性强等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统，考虑到气体具有较大的可压缩性，可以提高系统的柔性，而液体部分又能提供适当的阻尼，提高系统刚度，从系统机构的改进上提高了运动模拟器系统的整体性能。

本发明是这样实现的，构造一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统：其特征在于：具有上平台、万向节、液缸、气缸、底座万向节、底座、气动阀、液压阀和位移传感器；底座承托整个系统元件；液压缸和气压缸串联结合成气液串联缸；气液串联缸与底座之间由底座万向节固定；气液串联缸与上平台之间由万向节固定；气液串联缸为单杆对称式结构，其中，气缸作为主控缸对气液缸的位移进行控制，位移传感器分别安装于各气液缸上，用于测量气液缸活塞杆的伸缩量。

根据本发明所述的一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统：其特征在于：气压缸采用比例阀、开关阀或流量阀，液压缸采用比例阀、开关阀或流量阀；其中，位移传感器共六个。

根据本发明所述的一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统：其特征在于：具有以下两种运作形式：

形式一：

液压缸通过单向节流阀控制及调节，以达到一定的系统阻尼，气压缸通过气动阀进行闭环控制。通过各个位移传感器的信号解算出六自由度平台的位姿，这种运动方式可以通过开环调整液压缸的阻尼达到不同的运动特性；

该实施方案的工作过程：

根据六自由度并联平台需要的运动姿态，解算出各个气液缸需要达到的位置，通过气缸的闭环位置控制达到指定姿态，液压缸单向节流阀通过开环控制调整系统阻尼大小；

形式二：

液压缸通过高速开关阀闭环控制，达到一定的系统阻尼，同时，气压缸通过气动阀进行闭环控制，通过各个位移传感器的信号解算出六自由度平台的位姿，这种运动方式可以通过闭环在线调整液压缸的阻尼达到不同的运动特性，

该实施方案的工作过程：

根据六自由度并联平台需要的运动姿态，解算出各个气液缸需要达到的位置，通过气缸的闭环位置控制达到指定姿态，液压缸通过闭环控制高速开关阀调整系统阻尼大小。

本发明的优点在于：本发明专利采用了气压缸和液压缸串联型式组成气液串联缸构成六自由度运动平台，由于气体本身具有可压缩的柔性特性，液体具有较高刚度的特性，二者的结合使得该模拟器具有刚柔兼具的良好特性。本发明专利提供的一种用于运动模拟的气液驱动六自由度运动平台系统具有相对于液压驱动平台的柔性运动特性强和相对于气动、电动驱动平台的高刚度等优点，提高了运动模拟器的关键特性。

附图说明

附图1为气液驱动六自由度并联运动平台原型样机结构图。

附图2为气液驱动六自由度并联运动平台原型样机俯视图。

图中1.上平台，2.万向节，3.液缸，4.气缸，5.底座万向节，6.底座。

具体实施方式

下面将结合附图1-2对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统，如图1-2所示，可以采用如下方式予以实施；具有上平台1、万向节2、液缸3、气缸4、底座万向节5、底座6、气动阀、液压阀和位移传感器(未标记)。底座承托整个系统元件；气液串联缸由液压缸3和气压缸4串联结合；气液串联缸与底座6由底座万向节5固定；气液串联缸与上平台1由万向节2固定；气液串联缸为单杆对称式结构，其中，气缸作为主控缸对气液缸的位移进行控制。气压缸可采用各种形式的气压阀(如：比例阀、开关阀、流量阀等)，液压缸可采用各种形式的液压阀(如：比例阀、开关阀、流量阀等)。位移传感器(图中略去)共六个，分别安装于各气液缸上，用于测量气液缸活塞杆的伸缩量。

本发明的基于气液驱动六自由度并联运动平台的两种运作形式及工作原理。

实施例一

液压缸通过单向节流阀控制及调节，以达到一定的系统阻尼。气压缸通过气动阀进行闭环控制。通过各个位移传感器的信号解算出六自由度平台的位姿。这种运动方式可以通过开环调整液压缸的阻尼达到不同的运动特性。

该实施方案的工作过程：

根据六自由度并联平台需要的运动姿态，解算出各个气液缸需要达到的位置，通过气缸的闭环位置控制达到指定姿态。液压缸单向节流阀通过开环控制调整系统阻尼大小。

实施例二

液压缸通过高速开关阀闭环控制，达到一定的系统阻尼。同时，气压缸通过气动阀进行闭环控制。通过各个位移传感器的信号解算出六自由度平台的位姿。这种运动方式可以通过闭环在线调整液压缸的阻尼达到不同的运动特性。

该实施方案的工作过程：

根据六自由度并联平台需要的运动姿态，解算出各个气液缸需要达到的位置，通过气缸的闭环位置控制达到指定姿态。液压缸通过闭环控制高速开关阀调整系统阻尼大小。

本发明所述的这种用于运动模拟的气液驱动六自由度并联运动平台系统具有制造成本低、系统刚度可调、控制简单等优点，可应用于各种轻型运动模拟领域中，节约研制经费，提高产品的运动特性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。