專利名稱：冗余容錯運動模擬器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機械自動化技術領域的裝置，具體是一種冗余容錯運動模擬
o
背景技術：
多自由度運動模擬器是模擬或再現物體運動狀態(tài)的專用設備，應用于航空航天 器運動模擬、機車駕駛訓練、抗震試驗及可靠性研究等重要領域。其機構目前廣泛采用 Stewart機構(參見文獻《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)機構。此類機構通 常具有承載能力強、慣性低、剛度好、加速度高等特點。為了保證使用壽命并可獲得強大的 驅動力，驅動源被限制在液壓驅動上，多采用大型伺服油缸驅動，并配備大型蓄能裝置，導 致設備龐大，制造、維護費用高，液壓油易泄漏造成控制精度降低、環(huán)境污染，內部摩擦力大 導致傳動效率降低、浪費能源，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。以伺服電機為驅動源的電氣機械系統(tǒng)驅動雖無上述液壓驅動的缺點，但 目前沒有符合其動力要求的合適伺服電機，且大功率伺服電機的研發(fā)費用高并存在技術瓶 頸。經過對現有技術的檢索發(fā)現，《一種局部并聯(lián)冗余驅動機械手》(T.Kokkinis， P. Millies. AParallel Robot-Arm Regional Structures with Actuational Redundancy. Mechanism andMachine Theory. 1991,6(26) :629_641)；以及文獻《動力 冗余并聯(lián)操作器的運動性能》(Kokkinis, T, Millies, P. Kinetostatic Performance of a Dynamically Redundant Parallel Robot. International Journal of Robotics&Automation. 1992，7(1) 30-37)；《冗余驅動并聯(lián)機構的剛度逆解》(Yi，BJ， Freeman,RA. Geometric Analysis of Antagonistic Stiffness in RedundantlyActuated Parallel Mechanisms. Journal of Robotic Systems. 1993，10 :581_603.)等文獻，從理論 上提出了一些冗余驅動的方法并進行了一定的性能指標分析，為實現多電機冗余輸入替代 液壓驅動提供了可能。用多個較小電機作為驅動源，提供較大的驅動力和輸出功率，不但可 以克服上述液壓驅動的缺點，而且相對于同功率大電機驅動也能夠降低成本。但是文獻中所提及的冗余驅動多為局部的驅動冗余且僅僅停留于理論推導，也并 未考慮實際的機構形式和結構組成。特別是對于具有大型運動模擬器特點的電氣機械冗余 驅動系統(tǒng)的機構構型、結構形式以及實現技術并未涉及。現有技術的另一不足是并未從機構上解決大型運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)調冗余驅動單元間受力不均勻的容錯模塊。無論是液壓的冗余 驅動還是電機的冗余驅動，都存在冗余驅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)的影響主要表現在以下幾個方面1)導致構件及運動副元 素在運轉過程中的強制變形，使運動副中的作用力急劇增大，機械效率降低；還使運動服的磨損加快，降低機械工作的可靠性、精度和使用壽命。2)要求各部件具有較高的制造精度、 裝配精度和結構剛度，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運行故障，也不允許出現較大的控制誤差，提高了控制系 統(tǒng)的成本和難度。一般的電氣機械驅動單元剛度較大，當存在系統(tǒng)誤差或控制誤差時，各冗 余驅動單元間的受力不均衡，為避免該缺陷，現有技術需使用力反饋控制，而在重載、高速 場合必須使用動力特性好、承載能力強的力傳感器，且控制算法復雜并引入新的非線性化 因素，導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出一定的容忍性，但一旦出現大的 誤差和地位對等的驅動源中有一個或幾個出現故障，也必然造成各冗余驅動單元間的受力 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難性事故。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種冗余容錯運動模擬器，具有無過 約束及容錯功能的運動模擬器，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。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括運動模擬平臺、六條運動支鏈以 及十六個冗余驅動電機，其中運動模擬平臺的三個不同的正交側面上分別布置有三個、兩 個和一個運動支鏈，每個運動支鏈的末端分別設有兩個或四個冗余驅動電機。所述的運動支鏈為I型運動支鏈結構或II型運動支鏈結構，其中I型運動支鏈結構包括兩個冗余容錯驅動單元、I型傳動部件和機架，其中1型 傳動部件的兩端分別與運動模擬平臺和冗余容錯驅動單元相連接，兩個冗余容錯單元均固 定設置于機架上，機架固定設置于地面。所述的冗余容錯驅動單元包括冗余容錯協(xié)調裝置、雙螺母滑塊和導軌、兩組絲杠 和兩臺電機，其中冗余容錯協(xié)調裝置分別與雙螺母滑塊固定連接，導軌安裝于機架上，滑 塊活動設置于導軌上，兩組絲杠與雙螺母滑塊配合組成雙絲杠螺母副，用于提供冗余驅動 力的兩臺電機分別與絲杠配合并固定于機架上。所述的I型傳動部件包括與運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構。所述的II型運動支鏈結構包括一個冗余容錯驅動單元、II型傳動部件和機架， 其中11型傳動部件的兩端分別與運動模擬平臺和冗余容錯驅動單元相連接，冗余容錯單 元固定設置于機架上，機架固定設置于地面；所述的II型傳動部件包括與運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)調方式進行模擬，具體實施方案為第一級無論是I型運動支鏈還是II型運動支鏈的滑臺上，均裝有冗余容錯協(xié)調 模塊。其工作方式是當兩冗余電機中的任何一個發(fā)生故障而停機時，滑臺仍能輸出，系統(tǒng)仍 能工作，避免了因其中一個電機損壞而導致整個系統(tǒng)停止工作或進一步損壞系統(tǒng)的事故發(fā) 生。而當兩電機均正常工作時，冗余容錯協(xié)調模塊也可以協(xié)調冗余電機之間的位置不同步或力不均衡。第一級冗余容錯協(xié)調為驅動級協(xié)調。第二級由于II型運動支鏈是由兩個冗余容錯驅動單元共同驅動的，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)調和力協(xié)調。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動；而兩滑臺和連接件之間由于分別采用 了雙四桿機構連接，使得連接件只能在豎直平面內的兩個方向移動。當兩個冗余容錯驅動 單元不同步或出力不均勻時，此機構總能進行協(xié)調；當其中任何一個冗余容錯驅動單元的 雙電機同時壞掉時，此機構也能在一定范圍內工作，具有容錯功能。第二級冗余容錯協(xié)調為 II型支鏈的傳動級容錯。本發(fā)明解決了大型運動模擬器使用傳統(tǒng)液壓設備導致的結構復雜，制造和維護費 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；由于本發(fā)明設計在機構構型上的合理布局和巧妙構思，使其具有多達16個電機的輸 入，增強了設備的承載力和驅動能力，此構型布局也從份考慮了豎直方向承載力大和水平 兩向驅動能力應相當的特點；由于本發(fā)明設計在每個冗余驅動模塊上均采用冗余容錯協(xié)調 裝置，解決了過約束對系統(tǒng)造成的影響，對設備制造、安裝及控制精度無苛刻要求，使設備 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，進一步降低了成本；由于本發(fā)明 設計所述的冗余容錯協(xié)調裝置具有容忍故障特性，使得當地位對等的冗余驅動源之間不同 步或發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，避免了驅動源因載荷相反且超出額定載荷而導致系 統(tǒng)部件損壞或運動平臺傾覆等災難性事故，使得設備的安全性和可靠性得到保證。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構原理示意圖。圖2為本發(fā)明機構中I型運動支鏈結構示意圖。圖3為本發(fā)明機構中II型運動支鏈結構示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括運動模擬平臺1、六條運動支鏈以及十六個冗余驅動 電機8，其中運動模擬平臺1的三個不同的正交側面上分別布置有三個、兩個和一個運動 支鏈，每個運動支鏈的末端分別設有兩個或四個冗余驅動電機8。所述的運動支鏈為I型運動支鏈結構或II型運動支鏈結構。如圖2所示，所述的I型運動支鏈結構包括兩個冗余容錯驅動單元、I型傳動部 件和機架13，其中1型傳動部件的兩端分別與運動模擬平臺1和冗余容錯驅動單元相連 接，兩個冗余容錯單元均固定設置于機架上13，機架13固定設置于地面。所述的冗余容錯驅動單元包括冗余容錯協(xié)調裝置3、雙螺母滑塊7和導軌11、兩 組絲杠12和兩臺電機8，其中冗余容錯協(xié)調裝置3與雙螺母滑塊7固定連接，導軌11安 裝于機架13上，雙螺母滑塊7活動設置于導軌11上，兩組絲杠12與雙螺母滑塊7配合組 成雙絲杠螺母副，用于提供冗余驅動力的電機8分別與絲杠12配合并固定于機架13上。
所述的I型傳動部件包括與運動平臺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組成雙四桿機構。如圖3所示，所述II型運動支鏈結構包括一個冗余容錯驅動單元、II型傳動部 件和機架13，其中11型傳動部件的兩端分別與運動模擬平臺1和冗余容錯驅動單元相連 接，冗余容錯單元固定設置于機架13上，機架13固定設置于地面。所述II型傳動部件包括與運動平臺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。冗余容錯驅動單元均為冗余驅動，雙螺母滑臺7與絲杠12組成雙螺母雙絲杠副， 容錯協(xié)調裝置3安裝于滑臺7的前端或后端。當由于某種誤差使雙絲杠12轉動不同步時， 容錯協(xié)調裝置3可以自動進行協(xié)調，使兩螺母輸出速度相同即滑臺7兩端不偏轉，以消除不 同步引起的反向載荷，提高絲杠和電機的壽命和傳動效率；當由于某種原因冗余驅動中的 某一驅動電機發(fā)生故障而不能工作時，未發(fā)生故障電機仍可以通過容錯協(xié)調裝置3驅動滑 臺7工作，只是驅動能力降低，但不至于因反向載荷存在而導致系統(tǒng)發(fā)生故障。動力源以多伺服電機8取代液壓泵站和液壓缸，解決了設備龐大，制造、維護費用 高，液壓油易泄漏造成控制精度降低、環(huán)境污染，內部摩擦力大導致效率降低、浪費能源，受 工作環(huán)境溫度和清潔度影響等缺點。本實施例中電機可以通過連軸器與絲杠直接相連，也可以在電機與絲杠之間加入 齒輪副、齒輪齒條副、帶及帶輪或其他公知的傳動裝置代替。
權利要求
一種冗余容錯運動模擬器，其特征在于，包括運動模擬平臺、六條運動支鏈以及十六個冗余驅動電機，其中運動模擬平臺的三個不同的正交側面上分別布置有三個、兩個和一個運動支鏈，每個運動支鏈的末端分別設有兩個或四個冗余驅動電機。
2.根據權利要求1所述的冗余容錯運動模擬器，其特征是，所述的運動支鏈為I型運動 支鏈結構或II型運動支鏈結構，其中I型運動支鏈結構包括兩個冗余容錯驅動單元、I型傳動部件和機架，其中1型傳動 部件的兩端分別與運動模擬平臺和冗余容錯驅動單元相連接，兩個冗余容錯單元均固定設 置于機架上，機架固定設置于地面；II型運動支鏈結構包括一個冗余容錯驅動單元、II型傳動部件和機架，其中11型傳 動部件的兩端分別與運動模擬平臺和冗余容錯驅動單元相連接，冗余容錯單元固定設置于 機架上，機架固定設置于地面。
3.根據權利要求2所述的冗余容錯運動模擬器，其特征是，所述的冗余容錯驅動單元 包括冗余容錯協(xié)調裝置、雙螺母滑塊和導軌、兩組絲杠和兩臺電機，其中冗余容錯協(xié)調 裝置分別與雙螺母滑塊固定連接，導軌安裝于機架上，滑塊活動設置于導軌上，兩組絲杠與 雙螺母滑塊配合組成雙絲杠螺母副，用于提供冗余驅動力的兩臺電機分別與絲杠配合并固 定于機架上。
4.根據權利要求2所述的冗余容錯運動模擬器，其特征是，所述的I型傳動部件包 括與運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 構。
5.根據權利要求1所述的冗余容錯運動模擬器，其特征是，所述的II型傳動部件包括 與運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
一種機械自動化技術領域的冗余容錯運動模擬器，包括運動模擬平臺、六條運動支鏈以及十六個冗余驅動電機，其中運動模擬平臺的三個不同的正交側面上分別布置有三個、兩個和一個運動支鏈，每個運動支鏈的末端分別設有兩個或四個冗余驅動電機，所述的運動支鏈為I型運動支鏈結構或II型運動支鏈結構。本發(fā)明與現有技術相比增強了承載力和驅動力，制造和安裝容易，當地位對等的冗余驅動源之間不同步或發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，避免了驅動源因載荷相反且超出額定載荷而導致系統(tǒng)部件損壞或運動平臺傾覆等災難性事故，使得設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)先權日2010年4月27日
發(fā)明者張建政, 趙現朝, 郭為忠, 馬春翔, 高峰 申請人:上海交通大學