[發明專利]氣動混聯機構的三自由度運動模擬器

無效

• 申請號: 200910082464.0
• 申請日: 2009-04-16
• 公開（公告）號: CN101537621A
• 公開（公告）日: 2009-09-23
• 發明（設計）人: 彭光正;張宏立;申珉珉;范偉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心
• 代理人: 張利萍

技術領域

本發明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。

技術背景

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，本發明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

本發明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，本發明是通過以下技術方案來實現的：

本發明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。