專利名稱：并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機械工程技術領域的裝置，具體是一種并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器。
背景技術：
并聯式冗余輸入驅動技術是一種用多個驅動源分擔一個總驅動力的技術，通過對輸入驅動器的并聯組合，可以通過純機械電氣系統產生較大的驅動力，而不需要采用龐大的液壓系統，改善了系統占用空間大、成本高、易污染、不易控制等缺點。目前，多自由度冗余容錯驅動模擬器特別是六自由度并聯模擬器主要應用于大型模擬設備的制造，如海浪模擬系統、地震模擬器、以及核電站等。在并聯機構領域，冗余輸入是指機構運動輸入的數目大于其結構自由度數目。并聯機器人具有承載能力大、精度高、運動反解簡單、誤差小、自重負荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優點，但是在幾何特性方面也具有很大欠缺，如工作空間小、靈活性差以及工作空間內存在奇異位形等，加入冗余度可以改善它的幾何特性。由于冗余機器人在工作空間、靈活性、避障能力及動力特性等方面具有優點，因而受到了越來越多的重視。與一般并聯機構相比，并聯式冗余輸入機構具有更高的剛度、更大的承載力、更大的加速度和更優的性能等許多鮮明的特征，并且可以優化輸入力、降低機構關節內力，從而提高其力傳遞能力，改善動力學性能等。現有的并聯輸入冗余驅動模擬器冗余度較小，能達到的功率較小，主要采用絲杠傳動，采用雙連桿協調運動。目前普遍使用的是由六個輸入獲得六個輸出自由度。經對現有文獻檢索發現，中國專利申請號為:03122951.4，名稱為:一種冗余輸入并聯模擬器。該模擬器的接口模塊包括導軌、滑臺、連桿、電機，通過接口模塊與面板的連接，實現模擬器的運行。但是 該技術的冗余輸入模擬器能夠冗余的電機數目較少，故可達最大功率較小，每個電機要求功率很大，成本很高；而且不能差動輸出，協調性不好，可操作噸位相對低，不能適應海浪模擬系統、地震模擬器、以及核電站等重型機械設備的使用需求。
發明內容
本發明針對上述現有技術的不足，提供一種并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，結構、原理簡單，控制容易，利用并聯輸入可獲得較大的功率，每個接口能冗余6個電機，共有36個電機，因此每個電機的功率需求降低，能差動輸出，故可達功率大，模塊化設計，故可擴展性強。本發明是通過以下技術方案實現的:一種并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，包括:工作平臺、三個面板、六個六輸入單輸出冗余驅動機構，其中:三個面板兩兩相互垂直，第一六輸入單輸出冗余驅動機構的一端、第二六輸入單輸出冗余驅動機構的一端和第三六輸入單輸出冗余驅動機構的一端分別固定在第二面板上，第一六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端、第二六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端和第三六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端分別通過球鉸固定在工作平臺上，第四六輸入單輸出冗余驅動機構的一端固定在第三面板上，第四六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端通過球鉸固定在工作平臺上，第五六輸入單輸出冗余驅動機構的一端和第六六輸入單輸出冗余驅動機構的一端分別固定在第一面板上，第五六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端和第六六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端分別通過球鉸固定在工作平臺上。所述的六輸入單輸出冗余驅動機構包括:第一滑臺、六個驅動裝置、四個協調裝置、四個驅動桿組件和三個接口裝置，其中:六個驅動裝置的一端分別固定在面板上，第一驅動裝置的另一端和第二驅動裝置的另一端與第一接口裝置固連，第三驅動裝置的另一端和第四驅動裝置的另一端與第二接口裝置固連，第五驅動裝置的另一端和第六驅動裝置的另一端與第三接口裝置固連，第一協調裝置固定在第一接口裝置上，第二協調裝置固定在第二接口裝置上，第三協調裝置固定在第三接口裝置上，第一驅動桿組件的一端固定在第一協調裝置上，第二驅動桿組件的一端固定在第二協調裝置上，第三驅動桿組件的一端固定在第三協調裝置上，第一驅動桿組件的另一端、第二驅動桿組件的另一端和第三驅動桿組件的另一端分別固定在第一滑臺的下表面，第四協調裝置固定在第一滑臺的上表面，第四驅動桿組件的一端固定在第四協調裝置上，第四驅動桿組件的另一端與工作平臺固連。所述的六輸入單輸出冗余驅動機構包括:第一滑臺、六個驅動裝置、四個協調裝置、七個驅動桿組件和三個接口裝置，其中:六個驅動裝置的一端分別固定在面板上，第一驅動裝置的另一端和第二驅動裝置的另一端與第一接口裝置固連，第三驅動裝置的另一端和第四驅動裝置的另一端與第二接口裝置固連，第五驅動裝置的另一端和第六驅動裝置的另一端與第三接口裝置固連，第一協調裝置固定在第一接口裝置上，第二協調裝置固定在第二接口裝置上，第三協調裝置固定在第三接口裝置上，第一驅動桿組件的一端和第二驅動桿組件的一端分別固定在第一協調裝置上，第三驅動桿組件的一端和第四驅動桿組件的一端分別固定在第二協調裝置上，第五驅動桿組件的一端和第六驅動桿組件的一端分別固定在第三協調裝置上，第一驅動桿組件的另一端、第二驅動桿組件的另一端、第三驅動桿組件的另一端、第四驅動桿組·件的另一端、第五驅動桿組件的另一端和第六驅動桿組件的另一端分別固定在第一滑臺的下表面，第四協調裝置固定在第一滑臺的上表面，第七驅動桿組件的一端固定在第四協調裝置上，第七驅動桿組件的另一端與工作平臺固連。所述的驅動裝置包括:電機、電機軸和減速器，其中:電機的一端固定在面板上，電機的另一端與電機軸的一端相連，電機軸的另一端與減速器相連，減速器與接口裝置相連。所述的驅動桿組件包括:一個連桿和兩個球鉸，其中:連桿的兩端均與球鉸相連。所述的協調裝置是齒輪，或者是滑輪，或者是凸輪。所述的電機是伺服電機，或者是步進電機。所述的接口裝置包括:導軌、滑臺和兩個絲杠，其中:絲杠的一端與驅動裝置固連，絲杠的另一端與導軌固連，絲杠穿過滑臺，協調裝置固定在滑臺的上表面上。與現有技術相比，本發明的優點是:1、采用雙絲杠驅動，可以減半單個絲杠的平均應力，延長了絲桿的使用壽命。由于機械傳動系統如絲杠的壽命與軸向力的三次方成反比，因此雙絲杠驅動分擔驅動力使機械傳動系統受力減小了一半，壽命就提高了 8倍。這樣，本發明并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器可將機械傳動系統的壽命提高50倍以上，滿足了實際使用中的要求。2、通過協調裝置協調傳動，即兩個絲桿間的齒輪嚙合傳動作為協調裝置來協調傳動，使兩根絲杠保持同步，提高了裝置的協調能力。3、由于采用了多冗余度并聯驅動方式，不需要單個電機的功率太大，因此單個電機成本較低、結構簡單，設備制造容易，節約了成本。4、本發明所述的六個六輸入單輸出冗余驅動裝置完全一樣，便于裝配與批量化生產，在控制方面也會更加容易。5、由于并聯輸入，且存在冗余度，因此可通過控制驅動裝置，使其分時段輸入，從而控制了各個自由度的輸出，形成了差動輸入、輸出，因此控制靈活，可以觀測單個自由度的運動、位置情況。本發明可以很好的適應海浪模擬系統、地震模擬器、以及核電站等重型機械設備的使用需求。
圖1是本發明一實施例的整體結構示意
其中:A—第一面板、B—第二面板、C一第三面板、I一工作平臺、2—第一六輸入單輸出冗余驅動機構、3—第二六輸入單輸出冗余驅動機構、4 一第三六輸入單輸出冗余驅動機構、5—第四六輸入單輸出冗余驅動機構、6—第五六輸入單輸出冗余驅動機構、7—第六六輸入單輸出冗余驅動機構。圖2是圖1所示實施例中第一六輸入單輸出冗余驅動機構的結構示意圖。其中:8—第一導軌、9一第一絲桿、10—第一驅動裝置、11一第二驅動裝置、12—第二絲杠、13—第三驅動裝置、14 一第四驅動裝置、15—第三絲桿、16—第四絲桿、17—第五驅動裝置、18—第六驅動裝置、19 一第六絲桿、20—第五絲桿、21—第二導軌、22—第四滑臺、23—第二協調裝置、24—第二導軌、25—第五球絞、26—第二連桿、27—第六球絞、28—第一滑臺、29—第四協調裝置、30—第七球鉸、31—第四連桿、32—第八球鉸、33—第四球鉸、34一第二連桿、35—第二球絞、36—第一連桿、37—第二球絞、38—第二協調裝置、39—第二滑臺、40—第一球鉸、41 一第一協調裝置、42—第二滑臺。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的裝置進一步描述:本實施例在以本發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:第一面板A、第二面板B、第三面板C、工作平臺1、第一六輸入單輸出冗余驅動機構2、第二六輸入單輸出冗余驅動機構3、第三六輸入單輸出冗余驅動機構4、第四六輸入單輸出冗余驅動機構5、第五六輸入單輸出冗余驅動機構6和第六六輸入單輸出冗余驅動機構7，其中:第一六輸入單輸出冗余驅動機構2的一端、第二六輸入單輸出冗余驅動機構3的一端和第三六輸入單輸出冗余驅動機構4的一端分別固定在第二面板B上，第一六輸入單輸出冗余驅動機構2的另一端、第二六輸入單輸出冗余驅動機構3的另一端和第三六輸入單輸出冗余驅動機構4的另一端分別固定在工作平臺I的下表面上，第四六輸入單輸出冗余驅動機構5的一端固定在第三面板C上，第四六輸入單輸出冗余驅動機構5的另一端固定在工作平臺I的一個側表面上，第五六輸入單輸出冗余驅動機構6的一端和第六六輸入單輸出冗余驅動機構7的一端分別固定在第一面板A上,第五六輸入單輸出冗余驅動機構6的另一端和第六六輸入單輸出冗余驅動機構7的另一端分別固定在工作平臺I的另一個側表面上。上述六個六輸入單輸出冗余驅動機構的結構相同。如圖2所示，第一六輸入單輸出冗余驅動機構2包括:第一滑臺28、第一驅動裝置10、第二驅動裝置11、第三驅動裝置12、第四驅動裝置13、第五驅動裝置17、第六驅動裝置18、第一協調裝置41、第二協調裝置38、第三協調裝置23、第四協調裝置29、四個驅動桿組件和三個接口裝置，其中:驅動裝置的一端固定在第二面板B上，第一驅動裝置10的另一端與第一接口裝置固連，第二驅動裝置11的另一端與第一接口裝置固連，第三驅動裝置12的另一端與第二接口裝置相連，第四驅動裝置13的另一端與第二接口裝置相連，第五驅動裝置17的另一端與第三接口裝置相連，第六驅動裝置18的另一端與第三接口裝置相連，第一協調裝置41固定在第一接口裝置上，第二協調裝置38固定在第二接口裝置上，第三協調裝置23固定在第三接口裝置上，第一驅動桿組件的一端固定在第一協調裝置41上，第二驅動桿組件的一端固定在第二協調裝置38上，第三驅動桿組件的一端固定在第三協調裝置23上，第一驅動桿組件的另一端、第二驅動桿組件的另一端和第三驅動桿組件的另一端分別固定在第一滑臺28的下表面，第四協調裝置29固定在第一滑臺28的上表面上，第四驅動桿組件的一端固定在第四協調裝置29上，第四驅動桿組件的另一端與工作平臺I的下表面固連。上述四個驅動裝置相同，都包括:電機、電機軸和減速器，其中:電機的一端固定在第二面板B上，電機的另一端與電機軸的一端相連，電機軸的另一端與減速器相連，減速器與接口裝置相連。該電機是伺服電機，改用步進電機也同樣適用于所述的四個驅動裝置。上述第一接口裝置包括:第一導軌8、第二滑臺42、第一絲杠9和第二絲杠12，其中:第一絲杠9的一端與第一驅動裝置10固連，第一絲杠9的另一端與第一導軌8固連，第二絲杠12的一端與第二驅動裝置11固連，第二絲杠12的另一端與第一導軌8固連，第一絲杠9和第二絲杠12都穿過第二滑臺42，第一協調裝置41固定在第二滑臺42的上表面。上述第二接口裝置包括:第二導軌21、第三滑臺39、第三絲杠15和第四絲杠16，其中:第三絲杠15的一端與第三驅動裝置12固連，第三絲杠15的另一端與第二導軌21固連，第四絲杠16的一端與第四驅動裝置11固連，第四絲杠16的另一端與第二導軌21固連，第三絲杠15和第四絲杠16都穿過第三滑臺39，第二協調裝置38固定在第三滑臺39的上表面。上述第三接口裝置包括:第三導軌24、第四滑臺22、第五絲桿20和第六絲桿19，其中:第五絲杠20的一端與第五驅動裝置17固連，第五絲杠20的另一端與第三導軌24固連，第六絲杠19的一端與第六驅動裝置18固連，第六絲杠19的另一端與第三導軌24固連，第五絲桿20與第六絲桿19都穿過第四滑臺22，第三協調裝置23固定在第四滑臺22的上表面。上述第一驅動桿組件包括:第一連桿36、第一球鉸40和第二球鉸35，其中:第一連桿36的一端與第一球鉸40相連，第一連桿36的另一端與第二球鉸35相連，第一球鉸40固定在第一協調裝置41上，第二球鉸35固定在第一滑臺28的下表面。上述第二驅動桿組件包括:第二連桿34、第三球鉸37和第四球鉸33，其中:第二連桿34的一端與第三球鉸37相連，第二連桿34的另一端與第四球鉸33相連，第三球鉸37固定在第一協調裝置41上，第四球鉸33固定在第一滑臺28的下表面。上述第三驅動桿組件包括:第三連桿26、第五球鉸25和第六球鉸27，其中:第三連桿26的一端與第五球鉸25相連，第三連桿26的另一端與第六球鉸27相連，第五球鉸25固定在第二協調裝置38上，第六球鉸27固定在第一滑臺28的下表面。上述第四驅動桿組件包括:第四連桿31、第七球鉸30和第八球鉸32，其中:第四連桿31的一端與第七球鉸30相連，第四連桿31的另一端與第八球鉸32相連，第七球鉸30固定在第四協調裝置29上，第八球鉸32與工作平臺I固連。上述協調裝置是齒輪，改用滑輪或者是凸輪也同樣適用于所述的六個六輸入單輸出冗余驅動機構。本實施例中絲杠的參數:長度為1000mm,直徑為60mm ;第一連桿36、第二連桿34和第三連桿26的參數:長度為800mm，直徑為IOOmm ;第四連桿31的參數:長度為1200mm，直徑為120mm。 本實施例的工作過程:工作平臺I可實現六個自由度的運動,通過第一六輸入單輸出冗余驅動機構2、第二六輸入單輸出冗余驅動機構3和第三六輸入單輸出冗余驅動機構4的協調控制實現上下運動，通過第四六輸入單輸出冗余驅動機構5的協調控制實現左右運動，通過第五六輸入單輸出冗余驅動機構6和第六六輸入單輸出冗余驅動機構7的協調控制實現前后運動，通過對六個六輸入單輸出冗余驅動機構的聯合控制可以實現三個平面內的轉動運動。本實施例中六輸入單輸出冗余驅動機構包括四個驅動桿組件，也可以為七個驅動桿組件，其中:第一驅動桿組件的一端和第二驅動桿組件的一端分別固定在第一協調裝置上，第三驅動桿組件的一端和第四驅動桿組件的一端分別固定在第二協調裝置上，第五驅動桿組件的一端和第六驅動桿組件的一端分別固定在第三協調裝置上，第一驅動桿組件的另一端、第二驅動桿組件的另一端、第三驅動桿組件的另一端、第四驅動桿組件的另一端、第五驅動桿組件的另一端和第六驅動桿組件的另一端分別固定在第一滑臺的下表面，第四協調裝置固定在第一滑臺的上表面，第七驅動桿組件的一端固定在第四協調裝置上，第七驅動桿組件的另一端與工作平臺固連。本實施例由于采用了多冗余度并聯驅動方式，并聯了 36個驅動電機，在實際應用中不需要單個電機的功率太大，由于單個低功率電機成本較低、結構簡單，設備制造容易，降低成本；采用雙絲杠驅動，提高了機械傳動系統的使用壽命；可通過控制驅動裝置，使其分時段輸入，從而控制了各個自由度的輸出，形成了差動輸入、輸出，因此控制靈活。
權利要求
1.一種并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，包括:工作平臺和面板，其特征在于，所述的面板為三個，且，三個面板兩兩相互垂直；還包括六個六輸入單輸出冗余驅動機構，所述六個六輸入單輸出冗余驅動機構的一端分別通過球鉸固定在工作平臺上，其中，第一六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端、第二六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端和第三六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端分別固定在第二面板上，第四六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端固定在第三面板上，第五六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端和第六六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端分別固定在第一面板上。
2.根據權利要求1所述的并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，其特征在于，所述的六輸入單輸出冗余驅動機構包括:第一滑臺、六個驅動裝置、四個協調裝置、四個驅動桿組件和三個接口裝置； 其中:六個驅動裝置的一端分別固定在面板上，第一驅動裝置的另一端和第二驅動裝置的另一端與第一接口裝置固連，第三驅動裝置的另一端和第四驅動裝置的另一端與第二接口裝置固連，第五驅動裝置的另一端和第六驅動裝置的另一端與第三接口裝置固連，第一協調裝置固定在第一接口裝置上，第二協調裝置固定在第二接口裝置上，第三協調裝置固定在第三接口裝置上，第一驅動桿組件的一端固定在第一協調裝置上，第二驅動桿組件的一端固定在第二協調裝置上，第三驅動桿組件的一端固定在第三協調裝置上，第一驅動桿組件的另一端、第二驅動桿組件的另一端和第三驅動桿組件的另一端分別固定在第一滑臺的下表面，第四協調裝置固定在第一滑臺的上表面，第四驅動桿組件的一端固定在第四協調裝置上，第四驅動桿組件的另一端與工作平臺固連。
3.根據權利要求1所述的并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，其特征在于，所述的六輸入單輸出冗余驅動機構包括:第一滑臺、六個驅動裝置、四個協調裝置、七個驅動桿組件和三個接口裝置； 其中:六個驅動裝置的一端分別固定在面板上，第一驅動裝置的另一端和第二驅動裝置的另一端與第一接口裝置固連，第三驅動裝置的另一端和第四驅動裝置的另一端與第二接口裝置固連，第五驅動裝置的另一端和第六驅動裝置的另一端與第三接口裝置固連，第一協調裝置固定在第一接口裝 置上，第二協調裝置固定在第二接口裝置上，第三協調裝置固定在第三接口裝置上，第一驅動桿組件的一端和第二驅動桿組件的一端分別固定在第一協調裝置上，第三驅動桿組件的一端和第四驅動桿組件的一端分別固定在第二協調裝置上，第五驅動桿組件的一端和第六驅動桿組件的一端分別固定在第三協調裝置上，第一驅動桿組件的另一端、第二驅動桿組件的另一端、第三驅動桿組件的另一端、第四驅動桿組件的另一端、第五驅動桿組件的另一端和第六驅動桿組件的另一端分別固定在第一滑臺的下表面，第四協調裝置固定在第一滑臺的上表面，第七驅動桿組件的一端固定在第四協調裝置上，第七驅動桿組件的另一端與工作平臺固連。
4.根據權利要求2或3所述的并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，其特征在于，所述的驅動裝置包括:電機、電機軸和減速器，其中:電機的一端固定在面板上，電機的另一端與電機軸的一端相連，電機軸的另一端與減速器相連，減速器與接口裝置相連。
5.根據權利要求2或3所述的并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，其特征在，所述的驅動桿組件包括:一個連桿和兩個球鉸，其中:連桿的兩端均與球鉸相連。
6.根據權利要求2或3所述的并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，其特征在于，所述的協調裝置是齒輪、滑輪或凸輪。
7.根據權利要求2或3所述的并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，其特征在于，所述的接口裝置包括:導軌、滑臺和兩個絲杠，其中:兩個絲杠的一端分別與驅動裝置固連，絲杠的另一端與導軌固連，絲杠穿過滑臺，協調裝置固定在滑臺的上表面上。
8.根據權利要求4所述的并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，其特征在于，所述的電機是伺服電機，或者`是步進電機。
全文摘要
一種并聯式六維輸出三十六輸入冗余容錯驅動模擬器，包括工作平臺和三個兩兩相互垂直的面板；還包括六個六輸入單輸出冗余驅動機構，六個六輸入單輸出冗余驅動機構的一端分別通過球鉸固定在工作平臺上，六個六輸入單輸出冗余驅動機構的另一端分別固定在三個面板上。本發明所提供的驅動模擬器，原理簡單，控制容易，能夠實現六個自由度的運動，協調性強，機械系統壽命高，利用并聯輸入可獲得較大的功率，每個接口能冗余6個電機，每個電機的功率需求降低，能差動輸出，故可達功率大，冗余接口多，可擴展性強。
文檔編號G09B25/02GK103236214SQ20131012620
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者馬春翔, 陳康, 鄭茂琦, 陳偉聰, 高峰, 張建政 申請人:上海交通大學