專利名稱：氣動混聯機構的三自由度運動模擬器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種氣體驅動的運動模擬器，尤其涉及氣動混聯機構的三自由度
運動模擬器，是一種利用氣缸和氣動人工肌肉混合驅動，實現了兼備并聯和串聯機構的新 型氣動混聯機構的三自由度運動模擬器。
背景技術：
并聯機構具有剛度大、承載能力強、自重負荷比小、響應速度快、動力性能好等特 點，特別適合于工作空間較小、負載卻較大的應用場合。目前國內外絕大多數并聯系統是電 機或液壓驅動的。對于電機系統來說，電動機起動容易，且可設計成低轉動慣量，加減速特 性都很好，但要獲得大的功率輸出，會造成電動機的質量體積較大。新型驅動器的研究、開 發及應用，一直是科學研究的重要方向之一。 一類基于生物肌肉運動原理而設計開發出來 的驅動器-氣動人工肌肉(簡稱PMA)，近年來得到了廣泛的研究與應用。氣動人工肌肉具 有機構簡單、緊湊，安裝簡便，高度柔性，價格低廉使用安全，高效節能，重量小，輸出力/自 重量比很高，能自緩沖，自帶阻尼，無內泄漏，且防塵抗污染能力強等特點。同時，氣動人工 肌肉還具有與生物肌肉類似的力學特性，所以在運動模擬器的驅動方面表現出非凡的應用 前景。
目前，國內外許多研究工作者都在進行氣動人工肌肉的系統應用研究。 在國內，華中科技大學提出一種基于氣動人工肌肉的并聯機器人平臺，作為水中
運動模擬裝置；上海交通大學研究了氣動人工肌肉并聯驅動的多自由度平臺；浙江大學提
出一種機構簡單的氣動人工肌肉并聯關節。 盡管并聯機構具有較高的剛度/精度之比和較高的承載/強度之比，且驅動方便。 但是并聯機構缺乏串聯機構工作空間大的特點，因此其工作空間往往比較小，不適合工作 空間較大的應用領域。串聯和并聯機構各有其優缺點，這些優缺點具有互補的關系，在機構 上和性能特點上也具有對偶關系。從工作空間和性能價格比等綜合效果來看，氣動混聯機 構更具使用價值。因此，在機構設計和實際應用當中，可以用一種將串聯和并聯有機結合起 來的機構，即氣動混聯機構，充分發揮串、并聯機構各自的優點，進一步提高了運動模擬器 的性能。 根據以上所述，本實用新型設計了由一個氣動人工肌肉驅動的兩自由度空間并聯 機構和一個由氣缸驅動的行程可測的串聯機構組成的新型氣動混聯機構三自由度運動模 擬器，使之充分發揮串、并聯機構各自的優點，進一步擴大了運動模擬器的應用領域。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種具有氣動混聯機構的三自由度運動模擬器；驅動 方式采用氣缸和氣動人工肌肉混合驅動；運動模擬器由一個兩自由度空間并聯機構和一個 行程可測的氣缸串聯機構組成。 為了實現上述目的，本實用新型是通過以下技術方案來實現的[0009] 本實用新型的氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，包括一個氣動人工肌肉驅動 的兩自由度空間并聯機構和一個由氣缸驅動的行程可測的串聯機構組成和氣動控制機構； 其中，空間并聯機構由第一角度傳感器、第二角度傳感器、十字軸、胡克鉸、氣動人工肌肉、 上平臺和下平臺組成；下平臺設計成草帽形狀，上平臺和下平臺頂部之間采用胡克鉸聯接， 用于實現并聯機構的兩個轉動自由度；串聯機構由氣缸、底座、直線軸承、導軌和法蘭組成， 其中氣缸的伸縮量能夠實現模擬器整體上下運動的自由度；串聯機構通過螺紋同并聯機構 的下平臺聯接；氣動控制機構包括四個電氣比例閥和一個比例方向控制閥，用于實現三自 由度運動模擬器的伺服控制。 所述人工肌肉有四根，由柔性鋼絲聯接在上平臺和下平臺之間；四根導軌垂直安 裝底座上，第一角度傳感器和第二角度傳感器安裝在胡克鉸的十字軸上；并聯機構的上平 臺具有繞X軸和繞Y軸的兩個轉動自由度，這兩個獨立的轉動自由度各自使用一對氣動人 工肌肉對拉來實現，其轉動角度分別可由安裝在胡克鉸十字軸上的第一角度傳感器和第二 角度傳感器測得；四根導軌用于防止并聯機構整體沿氣缸軸向轉動和在氣動肌肉未充氣時 給上平臺提供支撐力。 所述氣動控制機構的四個電氣比例閥用于驅動四根氣動人工肌肉，通過控制氣動
人工肌肉的腔內壓力并利用第一角度傳感器和第二角度傳感器反饋運動模擬器繞X軸和
Y軸的角度信號來實現氣動人工肌肉的位置伺服控制；所述的比例方向控制閥用于驅動氣
缸，通過控制流入氣缸的流量并利用氣缸的反饋位移來實現氣缸的位置伺服控制。 所述胡克鉸包括十字軸和四個L形狀的塊，這四個塊與十字軸的四個軸用軸承聯
接，實現并聯機構上平臺的轉動帶動十字軸的轉動。 工作時，先給四根氣動人工肌肉充氣預緊，再讓氣缸升高至所需位置，使上平臺與 四根導軌脫離接觸，保證了上平臺的轉動空間。通過控制氣缸行程可以使并聯機構整體實 現升降，分別控制四根氣動肌肉的收縮或伸長可以實現并聯機構上平臺轉動。并聯機構升 降時，其下平臺通過直線軸承在導軌上滑動。 本實用新型機構簡單，三個自由度相互獨立，可控性好，其利用氣動控制響應快的 優點，又利用氣動人工肌肉柔性好的特點。 由于采用了上述技術方案，本實用新型具有如下優點和特點 1、本實用新型是一種混聯運動模擬器，充分利用并聯機構負載能力大和串聯機構 工作空間大的優點，取長補短； 2、本實用新型是一種混合驅動模擬器，充分利用氣缸和氣動人工肌肉各自的優 點； 3、運動模擬器有三個自由度，且這三個自由度相互獨立，可以實現分別繞X軸和Y 軸做旋轉運動，以及在Z軸方向的移動； 4、胡克鉸的轉動軸上方便安裝角度傳感器，這樣就非常容易獲得上平臺的姿態 角，這樣不必在人工肌肉上安裝價位較高的測量肌肉伸縮位移的傳感器了，而且可以避開 一般并聯平臺復雜的運動學正解，控制十分方便； 5、上平臺的控制可以直接在工作空間進行，而目前絕大多數的并聯平臺的控制都 是在關節空間進行的。
圖1為運動模擬器整體示意圖； 圖2為運動模擬器剖視圖； 圖3為胡克鉸示意圖； 圖4為氣動系統示意圖； 圖5為控制系統框圖； 圖6為肌肉關節階躍響應示意圖； 圖7為肌肉關節正弦跟蹤示意圖； 圖中，1-第一角度傳感器、2-第二角度傳感器、3-十字軸、4_胡克鉸、5_氣動人工 肌肉、6-氣缸、7_下平臺、8_上平臺、9-底座、10-直線軸承、11-導軌、12-法蘭、13_電氣比 例閥、14_比例方向控制閥。
具體實施方式下面接合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。 本實用新型的氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，包括一個氣動人工肌肉驅動 的兩自由度空間并聯機構和一個由氣缸驅動的行程可測的串聯機構組成和氣動控制機構； 其中，空間并聯機構由第一角度傳感器、第二角度傳感器、十字軸、胡克鉸、氣動人工肌肉、 上平臺和下平臺組成；下平臺設計成草帽形狀，上平臺和下平臺頂部之間采用胡克鉸聯接， 用于實現并聯機構的兩個轉動自由度；其中胡克鉸的十字軸長度為110mm，半徑為20mm，胡 克鉸的四個L形塊長度均為45mm，高度為95mm ;上平臺半徑為250mm，下平臺半徑為250mm， 下平臺套筒半徑為220mm，高度為540mm ;氣動人工肌肉直徑為400mm，氣動人工肌肉長度為 450mm，氣動人工肌肉的接頭長度為90mm ;串聯機構由氣缸、底座、直線軸承、導軌和法蘭組 成，其中氣缸的伸縮量能夠實現模擬器整體上下運動的自由度；串聯機構通過螺紋同并聯 機構的下平臺聯接；其中氣缸直徑為100mm，行程為400mm ;底座正六邊形邊長為300mm，導 軌長度為780mm ;上下平臺距離為700mm，下平臺距底座距離為80mm ;肌肉安裝位置的半徑 為200mm，導軌安裝位置的半徑為160mm ;氣動控制機構包括四個電氣比例閥和一個比例方 向控制閥，用于實現三自由度運動模擬器的伺服控制。 所述氣動人工肌肉有四根，由柔性鋼絲聯接在上平臺和下平臺之間；四根導軌垂 直安裝底座上，第一角度傳感器和第二角度傳感器安裝在胡克鉸的十字軸上；并聯機構的 上平臺具有繞X軸和繞Y軸的兩個轉動自由度，這兩個獨立的轉動自由度各自使用一對氣 動人工肌肉對拉來實現，其轉動角度分別可由安裝在胡克鉸十字軸上的第一角度傳感器和 第二角度傳感器測得；四根導軌用于防止并聯機構整體沿氣缸軸向轉動和在氣動肌肉未充 氣時給上平臺提供支撐力。 所述氣動控制機構的四個電氣比例閥用于驅動四根氣動人工肌肉，通過控制氣 動人工肌肉的腔內壓力并利用第一角度傳感器和第二角度傳感器反饋運動模擬器繞X軸 和Y軸的角度信號來實現氣動人工肌肉的位置伺服控制，其轉動角度范圍X軸轉動角度 為-15°到+15° ，Y軸轉動角度為-15。到+15° ;所述的比例方向控制閥用于驅動氣缸， 通過控制流入氣缸的流量并利用氣缸的反饋位移來實現氣缸的位置伺服控制，其上下移動 范圍為0到400mm。[0033] 所述胡克鉸包括十字軸和四個L形狀的塊，這四個塊與十字軸的四個軸用軸承聯 接，實現并聯機構上平臺的轉動帶動十字軸的轉動。 工作時，先給四根氣動人工肌肉充氣預緊，再讓氣缸升高至所需位置，使上平臺與 四根導軌脫離接觸，保證了上平臺的轉動空間。通過控制氣缸行程可以使并聯機構整體實 現升降，分別控制四根氣動肌肉的收縮或伸長可以實現并聯機構上平臺轉動。并聯機構升 降時，其下平臺通過直線軸承在導軌上滑動。
權利要求氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，其特點在于包括一個氣動人工肌肉驅動的兩自由度空間并聯機構和一個由氣缸驅動的行程可測的串聯機構組成和氣動控制機構；其中，空間并聯機構由第一角度傳感器、第二角度傳感器、十字軸、胡克鉸、氣動人工肌肉、上平臺和下平臺組成；下平臺設計成草帽形狀，上平臺和下平臺頂部之間采用胡克鉸聯接，用于實現并聯機構的兩個轉動自由度；串聯機構由氣缸、底座、直線軸承、導軌和法蘭組成，其中氣缸的伸縮量能夠實現模擬器整體上下運動的自由度；串聯機構通過螺紋同并聯機構的下平臺聯接；氣動控制機構包括四個電氣比例閥和一個比例方向控制閥，用于實現三自由度運動模擬器的伺服控制。
2. 如權利要求1所述的氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，其特點在于所述人工 肌肉有四根，由柔性鋼絲聯接在上平臺和下平臺之間；四根導軌垂直安裝底座上，第一角度 傳感器和第二角度傳感器安裝在胡克鉸的十字軸上；并聯機構的上平臺具有繞X軸和繞Y 軸的兩個轉動自由度，這兩個獨立的轉動自由度各自使用一對氣動人工肌肉對拉來實現， 其轉動角度分別可由安裝在胡克鉸十字軸上的第一角度傳感器和第二角度傳感器測得；四 根導軌用于防止并聯機構整體沿氣缸軸向轉動和在氣動肌肉未充氣時給上平臺提供支撐 力。
3. 如權利要求l所述的氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，其特點在于所述氣動 控制機構的四個電氣比例閥用于驅動四根氣動人工肌肉，通過控制氣動人工肌肉的腔內壓 力并利用第一角度傳感器和第二角度傳感器反饋運動模擬器繞X軸和Y軸的角度信號來實 現氣動人工肌肉的位置伺服控制；所述的比例方向控制閥用于驅動氣缸，通過控制流入氣 缸的流量并利用氣缸的反饋位移來實現氣缸的位置伺服控制。
4. 如權利要求1所述的氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，其特點在于所述胡克 鉸包括十字軸和四個L形狀的塊，這四個塊與十字軸用軸承聯接，實現并聯機構上平臺的 轉動帶動十字軸的轉動。
專利摘要本實用新型屬于氣動技術領域。涉及一種氣體驅動的運動模擬器，尤其涉及氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，是一種利用氣缸和氣動人工肌肉混合驅動，實現兼備并聯機構和串聯機構的新型氣動混聯機構的三自由度運動模擬器，其中，并聯機構由第一角度傳感器、第二角度傳感器、十字軸、胡克鉸、氣動人工肌肉、上平臺和下平臺組成，用于實現兩個轉動自由度；串聯機構由氣缸、底座、直線軸承、導軌和法蘭組成，用于實現上下運動的自由度；串聯機構通過螺紋同并聯機構的下平臺聯接；通過氣動控制機構實現三自由度運動模擬器的伺服控制；本實用新型結構簡單，三個自由度相互獨立，可控性好，既有氣動控制響應快的優點，又有氣動人工肌肉柔性好的特點。
文檔編號B25J11/00GK201493846SQ20092010684
公開日2010年6月2日 申請日期2009年3月24日 優先權日2009年3月24日
發明者張宏立, 彭光正, 申珉珉, 范偉 申請人:北京理工大學