專利名稱：基于齒輪副的能圍繞z軸無限旋轉的模擬器平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種駕駛模擬器平臺，尤其是涉及一種基于齒輪副的能圍繞Z軸無限旋轉的模擬器平臺。
背景技術：
駕駛模擬器是模擬駕駛體驗的機械裝置，盡可能的模擬在真實設備中的感覺(如車輛的振動、上下坡、轉彎等)，用于在室內訓練駕駛員，駕駛員不會因模擬駕駛中的事故而受傷。駕駛模擬器的特性決定了它具有以下優(yōu)點1)安全性好，使用駕駛模擬裝置可以安全地進行高速、極限行駛以及非常危險的安全性實驗，可大幅提高訓練的安全性；2)復現(xiàn)性好，由于車輛狀態(tài)和實驗條件等因素很難控制，實車試驗再現(xiàn)性較差，使用駕駛模擬器則可以方便地進行數(shù)據(jù)采集、車輛模型的選擇和模擬環(huán)境的設定，復現(xiàn)性好；幻經濟性高，與真車試驗相比，駕駛模擬器可以軟件環(huán)境中設定各種實驗條件和參數(shù)，大幅提高訓練效率、 各種環(huán)境及參數(shù)的可變性，而成本不會增加；4)駕駛模擬器有利于相關設備的研發(fā)，幫助設計者迅速發(fā)現(xiàn)設計缺陷、錯誤，從而降低研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。因此，駕駛模擬器常常用來代替真實設備，以訓練操作者對真實設備的操縱能力以及研發(fā)相關設備作模擬，駕駛模擬器在飛機、車輛及船舶等駕駛員高級培訓中的應用越來越普遍。國外方面早在19 年美國的埃德文 林克就設計了第一臺飛行駕駛模擬器，并逐漸應用到車輛駕駛模擬器及航海駕駛模擬器，在駕駛模擬及工程開發(fā)中得到廣泛的應用。 國內方面北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等都對駕駛模擬器進行了相關研究，北京藍天航空科技有限公司也研制了飛行駕駛模擬器；吉林大學、南京大學、也開發(fā)了汽車駕駛模擬器，裝甲兵工程學院研制了水陸坦克駕駛訓練模擬器；浙江大學與大連海事大學聯(lián)合開發(fā)了航海駕駛模擬器等。先進的駕駛模擬器一般由一個高仿真的駕駛艙和一個六自由度運動模擬平臺等組成。駕駛艙內布置的方向盤、油門、剎車、擋位等與被模擬的對象在布局上和功能性能上幾乎一致，操作人員通過對其操作來控制運動模擬平臺的運動，使人身臨其境獲取真實的感觀。六自由度運動模擬平臺都是基于經典的Mewart結構，如圖1所示，它包括動平臺、 靜平臺、并分別通過鉸鏈或萬向節(jié)與六個液壓缸連接，通過對六個油缸的獨立控制，可以實現(xiàn)動平臺在X、Y、Z三個方向的移動與轉動，以模擬車輛的垂直平移、水平平移、橫向平移、 俯仰、側傾和旋轉六個自由度的運動，達到駕駛員與坐在真實設備里面駕駛類似的感覺的目的。這種六自由度運動模擬平臺具有結構簡單、傳動鏈短、剛度大、質量輕、成本低、可控性、無破壞性、可靠性、安全性以及出色的動力學性能，特別是很容易實現(xiàn)“六軸聯(lián)動”，具有良好的動態(tài)性能和高的位置精度等優(yōu)點，但它同時具有工作行程短、各方向轉向角度小等問題。它最大的缺點就是圍繞ζ軸旋轉的角度非常有限，其旋轉到極限位置時如圖2所示，這種結構應用于駕駛模擬器時大大降低了模擬轉彎時駕駛員的真實感受。
同時，由于模擬器平臺的運動行程有限，不可能完全再現(xiàn)真實設備的運動軌跡 (如長距離上下坡、90度直角轉彎等)，因此為了能產生連續(xù)的真實感，在完成一次運動后， 必須采用特殊的算法使得模擬器平臺緩慢地返回到中位，以確保下一步運動模擬具有足夠的行程，這種算法被稱為洗出(Washout)濾波算法。洗出(Washout)濾波算法的目標是在受限的模擬器工作空間內復現(xiàn)真實環(huán)境中人所能感受到的角速度和力，將真實設備動力學模型輸出的信號中人體無法感受到的高頻和低頻部分濾掉，減少運動平臺的動作量，并在適當?shù)臅r候將平臺的位置帶回到中位附近， 以提供較大的工作空間。由于在車輛駕駛中，由于車輛自身的限制，道路的俯仰(繞Y軸轉動)、側傾(繞X 軸轉動)一般不會超過30°，因此模擬器模擬俯仰、側傾基本能符合實際情況；然而車輛在轉彎時不可能就這么一個角度，其有可能是90°直角轉彎，也有可能是180°掉頭，模擬器偏航(即繞Z軸轉動)角度則遠遠小于實際需求。如果模擬器平臺能有更大的偏航角度，則對洗出(Washout)濾波算法降低了要求，并且更能符合模擬駕駛的感受。

發(fā)明內容
針對各種洗出濾波算法不能消除真實感受與駕駛模擬器的運動感覺之間的差異， 特別是不能圍繞Z軸方向連續(xù)旋轉的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于齒輪副的能圍繞Z軸無限旋轉的模擬器平臺。本發(fā)明采用的技術方案是本發(fā)明包括靜平臺基礎，動平臺和支撐靜平臺基礎、動平臺的六套結構完全相同的支腿結構，每套支腿結構包括液壓缸上底座、液壓缸和液壓缸下底座；靜平臺基礎上端依次同軸固定有環(huán)形齒輪和環(huán)形導軌，六套移動部件中的滑塊下端分別與環(huán)形導軌滑動連接，每套移動部件的上端分別與各自的液壓缸下底座連接，每套支腿結構的液壓缸上底座均勻分布在動平臺上；每套移動部件中的滑塊的上端與滑塊固定板連接，L型的電機固定板安裝在滑塊固定板一側的中部，伺服電機通過減速器安裝在電機固定板的下端，減速器輸出軸與傳動軸連接，外齒輪套在傳動軸上并與環(huán)形齒輪嚙合，滑塊固定板下側的四個角上分別安裝滑輪，兩個滑輪的凹槽與環(huán)形導軌外側面的凸邊相貼合，另外兩個滑輪的凹槽與環(huán)形導軌內側面的凸邊相貼合；安裝于靜平臺基礎內控制箱的控制線與分別六個伺服電機連接，并且控制箱能跟隨動平臺圍繞Z軸轉動。所述的環(huán)形齒輪為內齒輪或外齒輪。本發(fā)明具有的有益效果是1、駕駛模擬器平臺可以圍繞Z軸無限旋轉，避免了圍繞Z軸旋轉方向的洗出濾波算法，從而有效地提高模擬的真實性。2、有效地提高了 X、Y、Z三個方向的行程，特別Z方向上的行程。3、大大增加了駕駛模擬器平臺的工作空間。本發(fā)明可以應用于飛機、各種車輛及船舶等的高級駕駛模擬器。


圖1是經典的Mewart模擬器平臺圖。圖2是經典的Mewart模擬器平臺旋轉到極限位置圖。圖3是本發(fā)明的總體示意圖。圖4是本發(fā)明的總體結構圖。圖5是本發(fā)明移動移動部件結構圖。圖6是本發(fā)明移動移動部件沿著A-A方向的剖視圖。圖中1、靜平臺基礎，2、移動部件，3、液壓缸下底座，4、液壓缸，5、液壓缸上底座， 6、動平臺，7、控制箱，8、伺服電機，9、減速器，10、傳動軸，11、外齒輪，12、環(huán)形齒輪，13、環(huán)形導軌，14、滑塊，15、滑塊固定板，16、滑輪，17、模擬器座艙，18、電機固定板，19、控制箱固定板，20、旋轉基礎臺。
具體實施例方式以下結合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步的描述。如圖3、圖4、圖5、圖6所示，本發(fā)明包括靜平臺基礎，動平臺和支撐靜平臺基礎、 動平臺的六套結構完全相同的支腿結構，每套支腿結構包括液壓缸上底座5、液壓缸4和液壓缸下底座3。靜平臺基礎1上端依次同軸固定有環(huán)形齒輪12和環(huán)形導軌13，六套移動部件2中的滑塊14下端分別與環(huán)形導軌13滑動連接，每套移動部件2的上端分別與各自的液壓缸下底座3連接，每套支腿結構的液壓缸上底座5均勻分布在動平臺6上；每套移動部件2中的滑塊14的上端與滑塊固定板15連接，L型的電機固定板18安裝在滑塊固定板15 一側的中部，伺服電機8通過減速器9安裝在電機固定板18的下端，減速器9輸出軸與傳動軸10連接，外齒輪11通過鍵套在傳動軸10上并與環(huán)形齒輪12嚙合，滑塊固定板15下側的四個角上分別安裝滑輪16，兩個滑輪16的凹槽與環(huán)形導軌13外側面的凸邊相貼合，另外兩個滑輪16的凹槽與環(huán)形導軌13內側面的凸邊相貼合；安裝于靜平臺基礎1內控制箱 7的控制線與分別六個伺服電機8連接，并且控制箱7能跟隨動平臺6圍繞Z軸轉動。模擬器座艙17安裝在動平臺6上。所述的環(huán)形齒輪12為內齒輪或外齒輪。靜平臺基礎1上固定著環(huán)形齒輪12，環(huán)形齒輪12上面安裝有環(huán)形導軌13，六套移動部件2分別安裝在環(huán)形導軌13上，因此每套移動部件2都可以在環(huán)形導軌13上移動。每套移動部件2上安裝有液壓缸下底座3，液壓缸下底座3通過球鉸鏈與液壓缸4 的下端連接，液壓缸4的上端通過球鉸鏈與液壓缸上底座5連接，六個液壓缸上底座5分別平均地安裝在動平臺6上。液壓缸下底座3與液壓缸4、液壓缸4與液壓缸上底座5之間的鏈接也可以通過萬向節(jié)連接。如圖5所示，移動部件2包括伺服電機8、減速器9、傳動軸10、外齒輪11、滑塊 14、滑塊固定板15、滑輪16、電機固定板18。移動部件2中的滑塊14位于環(huán)形導軌13上， 并主要依靠滑塊14承受動平臺6上傳下來的垂向的作用力，以及在環(huán)形導軌13上滑動?；瑝K14的上端與滑塊固定板15連接，滑塊固定板15下側的四個角上分別安裝四個滑輪16，滑輪16的凹槽與環(huán)形導軌13側面的凸邊相貼合，這樣滑輪16也可以沿著環(huán)形導軌13的側面滑動，并且環(huán)形導軌13的兩個側面各有兩個滑輪16，因此滑輪16也可以承受動平臺6上傳下來的側向作用力。同時，滑塊固定板15—側的中部安裝有L型的電機固定板18，電機固定板18連接減速器9的一端，減速器9的另一端連接伺服電機8，減速器9靠近滑塊固定板15 —端的軸與傳動軸10連接，傳動軸10又通過鍵與外齒輪11連接，并且外齒輪11與環(huán)形齒輪12嚙合，因此，伺服電機8轉動會帶動減速器9的軸以及傳動軸10降速轉動，并帶動外齒輪11 圍繞環(huán)形齒輪12轉動。所述的環(huán)形齒輪12可以是內齒輪，也可是外齒輪。當環(huán)形齒輪12是內齒輪時，伺服電機8、減速器9、傳動軸10、外齒輪11均位于環(huán)形齒輪12的圈內；當環(huán)形齒輪12是外齒輪時，伺服電機8、減速器9、傳動軸10、外齒輪11均位于環(huán)形齒輪12的圈外。有一塊水平放置的控制箱固定板19通過滑塊與具有環(huán)形導軌的旋轉基礎臺20連接，控制箱7安裝在控制箱固定板19上，控制箱固定板19下側的中心與一個固定的電機連接。當傳感器檢測到動平臺6旋轉的角度，驅動器驅動控制箱7的電機轉動相同的角度，因此不管動平臺6旋轉多少圈，控制箱7也旋轉多少圈，連接在伺服電機8上的控制線不會纏繞甚至團縮在一起。只有電源線會產生扭動，因此只要電源線足夠長，它就可以無限的轉動?？刂葡?里面裝有控制器、驅動器等，控制箱7連接出來的各種控制線與伺服電機 8連接，控制伺服電機8的旋轉角度，配合液壓缸4的伸縮，達到控制動平臺6的位置與姿態(tài)的目的；控制箱7與外部的通訊依靠無線通訊，以解決通訊數(shù)據(jù)線由于控制箱7的不斷旋轉而纏繞的問題；控制箱7的電源線則比較長，保證控制箱7在旋轉的過程中電源線不會團縮
在一塊。整個系統(tǒng)的工作流程如下1.計算機檢測模擬器應該處于的位置、姿態(tài)，并通過位姿反解得到各個液壓缸4 伸長的長度或伺服電機8旋轉的角度或者是兩者的組合；此時，如果伺服電機8不旋轉，只有液壓缸4伸縮，就是相當于一個Mewart平臺；如果液壓缸4不運動，只有伺服電機8旋轉，也可實現(xiàn)平臺六個自由度的運動，但工作空間就小了很多；如果既要液壓缸4伸縮，還要伺服電機8旋轉，也能滿足平臺六個自由度運動的需求，而且位姿反解得到的解更多，可以根據(jù)不同的情況選擇不同的解，即液壓缸4伸縮多少，伺服電機8旋轉多少有更多的選擇。2.當模擬器需要轉彎時，將真實設備需要轉彎的半徑計算轉變?yōu)槟M器座艙17 及動平臺6在靜平臺基礎1旋轉的角度，因此，每個移動部件2圍繞相同的方向旋轉的角度相同，即伺服電機8的旋轉量相同；此時，液壓缸4仍然保持不斷的伸縮狀態(tài)，保證轉彎時其它的感覺(如上下坡即俯仰、路面?zhèn)葍A)與真實設備類似。3.由于在此運動過程中動平臺6發(fā)生了旋轉，傳感器檢測到此旋轉，驅動器立即驅動連接控制箱固定板19的電機轉動相同的角度，保證控制箱7與動平臺6圍繞Z軸旋轉的角度相同，由于固定伺服電機8的移動部件2與動平臺6之間通過是通過液壓缸4連接， 因此它們之間的最遠距離就是液壓缸4最大伸長量的長度，而控制箱7與動平臺6保持了相同的角度，因此控制箱7與移動部件2上的伺服電機8的最遠距離也可確定，這個最遠距離即是伺服電機8的控制線的長度，不管整個平臺怎么運動，此長度都可以保證伺服電機8 的控制線連接在控制箱7上。
4.當真實設備運動至不同的位置時，即模擬器座艙18在動平臺6上的位置與姿態(tài)處于不同的狀態(tài)，只需要液壓缸4伸長或縮短至相應的長度或各個移動部件2旋轉至不同的角度即可，也可以液壓缸4伸縮、各個移動部件2旋轉組合運動也可達到使得動平臺6處于不同的位置與姿態(tài)的目的；由于單獨伸縮液壓缸4或者旋轉伺服電機8都可以實現(xiàn)平臺六個自由度的運動，因此如果將兩者結合起來，平臺的運動空間起到了累加的效果，比傳統(tǒng)的Mewart平臺的工作空間更大。
權利要求
1.一種基于齒輪副的能圍繞Z軸無限旋轉的模擬器平臺，包括靜平臺基礎，動平臺和支撐靜平臺基礎、動平臺的六套結構完全相同的支腿結構，每套支腿結構包括液壓缸上底座(5)、液壓缸(4)和液壓缸下底座(3)；其特征在于靜平臺基礎(1)上端依次同軸固定有環(huán)形齒輪(1 和環(huán)形導軌(13)，六套移動部件中的滑塊(14)下端分別與環(huán)形導軌(13) 滑動連接，每套移動部件( 的上端分別與各自的液壓缸下底座C3)連接，每套支腿結構的液壓缸上底座( 均勻分布在動平臺(6)上；每套移動部件( 中的滑塊(14)的上端與滑塊固定板(15)連接，L型的電機固定板(18)安裝在滑塊固定板(15) —側的中部，伺服電機(8)通過減速器(9)安裝在電機固定板(18)的下端，減速器(9)輸出軸與傳動軸(10) 連接，外齒輪(11)套在傳動軸(10)上并與環(huán)形齒輪(1 嚙合，滑塊固定板(1 下側的四個角上分別安裝滑輪，兩個滑輪的凹槽與環(huán)形導軌(1 外側面的凸邊相貼合，另外兩個滑輪的凹槽與環(huán)形導軌(13)內側面的凸邊相貼合；安裝于靜平臺基礎⑴內控制箱(7)的控制線與分別六個伺服電機連接，并且控制箱(7)能跟隨動平臺(6)圍繞Z軸轉動。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于齒輪副的能圍繞Z軸無限旋轉的模擬器平臺，其特征在于所述的環(huán)形齒輪(1 為內齒輪或外齒輪。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于齒輪副的能圍繞Z軸無限旋轉的模擬器平臺。在靜平臺基礎上端依次同軸固定有環(huán)形齒輪和環(huán)形導軌，六套移動部件中的滑塊下端分別與環(huán)形導軌滑動連接；每套移動部件中的滑塊的上端與滑塊固定板連接，伺服電機通過減速器安裝在滑塊固定板一側的L型電機固定板下端，外齒輪套在傳動軸上并與環(huán)形齒輪嚙合，滑塊固定板下側的四個角上分別安裝滑輪與環(huán)形導軌內、外側面的凸邊相貼合；安裝于靜平臺基礎內控制箱的控制線與分別六個伺服電機連接。本模擬器平臺圍繞Z軸無限旋轉，避免了圍繞Z軸旋轉方向的洗出濾波算法，從而有效地提高模擬的真實性；有效地提高了X、Y、Z三個方向特別是Z方向上的行程；大大增加了模擬器的工作空間。
文檔編號G09B9/02GK102176290SQ201110008598
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權日2011年1月17日
發(fā)明者嚴偉鑫, 余小勇, 周曉軍, 張微微, 楊富春, 陳俊, 魏燕定, 黃茫茫, 黎建軍 申請人:浙江大學