[發明專利]冗余容錯運動模擬器

有效

• 申請號: 201010157304.0
• 申請日: 2010-04-27
• 公開（公告）號: CN101863016A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 高峰;張建政;馬春翔;趙現朝;郭為忠
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B25J9/08
• 分類號: B25J9/08;G09B9/04;G09B9/08;G09B25/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發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器。

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.，APlatform?with?Six?Degree?of?Freedom[C].IME..Part?I(15：)：p.371-386.))，為六輸入六輸出并聯機構。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境下工作。以伺服電機為驅動源的電氣機械系統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費用高并存在技術瓶頸。

經過對現有技術的檢索發現，《一種局部并聯冗余驅動機械手》(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，系統也不具備協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。過約束對系統的變形和制造、安裝及控制誤差敏感，其存在對系統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。

發明內容

本發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、無污染等優點。