一种三自由度并联运动平台及其控制方法和控制装置与流程

本发明涉及少自由度运动平台领域，更具体地，涉及一种三自由度并联运动平台及其控制方法和控制装置。

背景技术：

多自由度运动平台广泛地应用于工业生产、动感模拟等领域。例如为三自由度和四自由度的少自由度运动平台相对于六自由度的运动平台具有结构简单、造价低、工作空间大等特点，具有更为广阔的应用前景。

现有的少自由度运动平台多采用驱动单元斜支撑的方式驱动平台运动。上述驱动单元斜支撑是指驱动单元的驱动输出方向与底座之间始终具有一定的夹角。这种采用了驱动单元斜支撑的运动平台尺寸较大，占地空间大。此外，这种采用了驱动单元斜支撑的运动平台对其组成部件的要求高，直接导致的成本较高的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种三自由度并联运动平台的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种三自由度并联运动平台。

该三自由度并联运动平台包括底座、动平台和至少三个驱动机构，其中，

所述驱动机构包括线性驱动单元、转动连接件和滑动组件；

所述线性驱动单元被设置为沿竖直方向安装在所述底座上；

所述滑动组件包括下主体和上主体；

所述转动连接件的一端与所述线性驱动单元的驱动输出端固定连接，所述转动连接件的另一端与所述下主体转动连接；

所述下主体上设有滑槽；

所述上主体被设置为与所述动平台固定连接，且所述上主体与所述滑槽滑动配合。

可选地，所述线性驱动单元为电缸、气缸或液压缸。

可选地，所述转动连接件为杆端关节轴承；

所述下主体上设有转动安装孔；

所述杆端关节轴承的杆端与所述线性驱动单元的驱动输出端固定连接，所述杆端关节轴承的关节轴承端与所述转动安装孔转动连接。

可选地，所述转动安装孔内设有衬套件；

所述关节轴承端通过所述衬套件与所述转动安装孔转动连接。

可选地，所述三自由度并联机构包括三个驱动机构；

各所述驱动机构的所述上主体的滑动方向所在的直线相交于一点，且相邻所述上主体的滑动方向所在的直线之间的夹角为120°。

可选地，所述滑动组件还包括左限位臂、右限位臂、左缓冲件和右缓冲件，其中，

所述下主体包括连接体和垫块，所述连接体与所述转动连接件转动连接，所述连接体上设有垫块安装槽，所述垫块安装于所述垫块安装槽中，所述滑槽位于所述垫块上；

所述左限位臂和所述右限位臂分别与所述上主体的两端相连接，所述左限位臂和所述右限位臂与所述下主体相对设置；

所述左缓冲件与所述左限位臂面对所述下主体的表面相连接，以在所述上主体沿着所述滑槽滑动时，所述左缓冲件与所述下主体的表面缓冲接触；

所述右缓冲件与所述右限位臂面对所述下主体的表面相连接，以在所述上主体沿着所述滑槽滑动时，所述右缓冲件与所述下主体的表面缓冲接触。

可选地，所述驱动机构还包括支撑组件；

所述支撑组件包括转接板、固定件和缓冲块，其中，

所述线性驱动单元安装在所述转接板上，所述转接板通过所述固定件安装在所述底座上，所述缓冲块被设置为用于缓冲自所述线性驱动单元传递过来的振动。

本发明还提供了一种根据本发明的三自由度并联运动平台的控制方法。

该三自由度并联运动平台的控制方法包括：

步骤s1：发出目标输出位移量信号；

步骤s2：根据所述目标输出位移量信号，所述线性驱动单元的驱动输出端移动；

步骤s3：采集所述驱动输出端的实际输出位移量；

步骤s4：比较目标输出位移量和所述实际输出位移量的大小；

步骤s5：若所述实际输出位移量不等于所述目标输出位移量，则发出调整输出位移量信号；

步骤s6：根据所述调整输出位移量信号，所述驱动输出端移动；

步骤s7：循环步骤s3至步骤s6；

步骤s8：当所述实际输出位移量等于所述目标输出位移量时，停止循环。

本发明还提供一种三自由度并联运动平台的控制装置。

该三自由度并联运动平台的控制装置包括接收模块、运动数据解算模块、位移量解算模块、控制模块和位移量采集模块，其中，

所述接收模块被设置为用于接收动平台的运动姿态的操作数据；

运动数据解算模块被设置为用于根据所述操作数据确定运动数据，其中，所述运动数据包括所述动平台在竖直方向上的位移量、所述动平台的俯仰角度和所述动平台的翻滚角度；

位移量解算模块被设置为根据所述运动数据确定至少三个所述线性驱动单元的驱动输出端的位移量；

所述控制模块被设置为用于发出目标输出位移量信号，比较目标输出位移量和实际输出位移量的大小，若所述目标输出位移量不等于所述实际输出位移量，则发出调整输出位移量信号；

所述位移量采集模块被设置为用于采集所述驱动输出端的实际输出位移量。

可选地，所述位移量采集模块为位置传感器。

本发明三自由度并联运动平台的通过至少三个驱动机构实现三自由度并联运动平台的三自由度运动。本发明的三自由度并联运动平台能够有效减小整个运动平台的体积，有利于降低成本。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明三自由度并联运动平台实施例的结构示意图。

图2为图1的爆炸图。

图3为本发明三自由度并联运动平台的滑动组件实施例的结构示意图。

图4为图3的爆炸图。

图5为本发明三自由度并联运动平台的控制方法实施例的流程示意图。

图6为本发明三自由度并联运动平台的控制装置实施例的方框原理图。

图中标示如下：

底座-1，驱动机构-2，线性驱动单元-21，转动连接件-22，滑动组件-23，下主体-231，连接体-2311，转动安装孔-23111，衬套件-23112，垫块安装槽-23113，垫块-2312，滑槽-23120，上主体-232，左限位臂-233，右限位臂-234，左缓冲件-235，右缓冲件-236，支撑组件-24，转接板-241，固定件-242，缓冲块-243，动平台-3。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了解决少自由度运动平台存在的问题，本发明提供了一种三自由度并联运动平台。

如图1至图4所示，该三自由度并联运动平台包括底座1、动平台3和至少三个驱动机构2。根据需求，三自由度并联运动平台可包括三个驱动机构2，或者三个以上驱动机构2。

驱动机构2包括线性驱动单元21、转动连接件22和滑动组件23。线性驱动单元21可实现直线运动的输出。线性驱动单元21可例如为电缸或气缸或液压缸等。

线性驱动单元21被设置为沿竖直方向安装在底座1上。该竖直方向通常是指垂直于底座1的用于安装线性驱动单元21的表面的方向。线性驱动单元21在底座1上的安装方式可通过螺栓连接等方式实现。线性驱动单元21具有驱动输出端，该驱动输出端是指直线运动输出的一端。线性驱动单元21的驱动输出端可例如为线性电机的输出轴。通过线性驱动单元21在底座1上的竖直安装，线性驱动单元21可输出沿着竖直方向的直线运动。

滑动组件23包括下主体231和上主体232。下主体231和上主体232的形状结构可根据实际需求设置。例如，下主体231和上主体232均具有块状结构。或者，下主体231和上主体232均具有柱状结构。应当注意的是，本发明中的术语“上”、“下”仅仅表示了三自由度并联运动平台各部件之间的相对位置关系，而不代表其在最终器件中的位置形态，因此当对三自由度并联运动平台进行位移、翻转或者颠倒时，这一相对位置关系不会发生变化。

转动连接件22的一端与线性驱动单元21的驱动输出端固定连接，转动连接件22的另一端与下主体231转动连接。转动连接件22可例如为十字万向节或关节轴承等。转动连接件22与线性驱动单元21之间的固定连接可通过焊接或螺纹连接等方式实现。通过转动连接件22，线性驱动单元21可驱动滑动组件23实现转动运动，从而驱动动平台3运动。

下主体231被设置为与转动连接件22转动连接。当转动连接件22为杆端关节轴承时，下主体231上可设有与杆端关节轴承的关节轴承端转动连接的孔状结构。下主体231上设有滑槽23120。

上主体232被设置为与动平台3固定连接，且上主体232与滑槽23120滑动配合。这样，与上主体232固定连接在一起的动平台3可随着上主体232一起沿着滑槽23120相对于下主体231滑动。上主体232与动平台3之间的固定连接可通过焊接或螺栓连接等方式实现。上主体232与滑槽23120之间的滑动配合可通过上主体232上的凸起与滑槽23120的滑动配合实现，或者，通过上主体232的外表面与滑槽23120的滑动配合实现。

线性驱动单元21沿着竖直方向输出直线运动，与线性驱动单元21固定连接的转动连接件22被线性驱动单元21输出的直线运动所驱动。滑动件23相对于被驱动的转动连接件22转动。通过多个驱动机构2的独立运动，与滑动件23滑动配合的动平台3在滑动件23的带动下实现三自由度运动。动平台3的三自由度运动包括上下、左右和前后运动。

当三自由度并联运动平台应用于动感模拟装置时，动平台3上可设有座椅，动平台3的三自由度运动可为升降、俯仰和翻滚运动。

本发明三自由度并联运动平台的通过至少三个驱动机构2实现三自由度并联运动平台的三自由度运动。本发明的三自由度并联运动平台能够有效减小整个运动平台的体积，有利于降低成本。

此外，本发明三自由度并联运动平台的结构稳定、可靠，而且可以简化三自由度并联运动平台运动姿态的控制算法，得到更为精准的轨迹规划。

可选地，线性驱动单元21为电缸、气缸或液压缸。

可选地，转动连接件22为杆端关节轴承。下主体231上设有转动安装孔23111。实际安装时，可将转动安装孔23111设置在下主体231的凸出部分或者吊耳上。

杆端关节轴承的杆端与线性驱动单元21的驱动输出端固定连接，杆端关节轴承的关节轴承端与转动安装孔23111转动连接。杆端与的驱动输出端之间固定连接可通过螺纹连接实现。

进一步地，为了保护杆端关节轴承和滑动组件23，转动安装孔23111内设有衬套件23112。衬套件23112通常由耐磨材料制成。关节轴承端通过衬套件23112与转动安装孔23111转动连接。也即是，衬套件23112位于下主体231和杆端关节轴承之间。衬套件23112的设置有利于保护滑动组件23，并且起到降噪的作用。此外，衬套件23112还有利于保证滑动组件23相对于杆端关节轴承转动幅度。

可选地，三自由度并联机构包括三个驱动机构2。各驱动机构2的上主体232的滑动方向所在的直线相交于一点，且相邻上主体232的滑动方向所在的直线之间的夹角为120°。上述上主体232的滑动方向是指上主体232相对于动平台3滑动的方向。这种结构的三自由度并联运动平台结构稳定、可靠，而且可以简化动平台运动姿态的控制算法，得到更为精准的轨迹规划。

在本发明三自由度并联运动平台的一个实施例中，滑动组件23还包括左限位臂233、右限位臂234、左缓冲件235和右缓冲件236。应当注意的是，本发明中的术语“左”、“右”仅仅表示了三自由度并联运动平台各部件之间的相对位置关系，而不代表其在最终器件中的位置形态，因此当对三自由度并联运动平台进行位移、翻转或者颠倒时，这一相对位置关系不会发生变化。

下主体231包括连接体2311和垫块2312。连接体2311与转动连接件22转动连接。连接体2311上设有垫块安装槽23113，垫块2312安装于垫块安装槽23113中。垫块2312在垫块安装槽23113内的安装方式可例如为过盈配合或螺栓连接等。滑槽23120位于垫块2312上。连接体2311和垫块2312的设置有利于更方便地组装滑动组件23，保证滑动组件23的结构稳定性。

左限位臂233和右限位臂234分别与上主体232的两端相连接，左限位臂233和右限位臂234与下主体232相对设置。左右限位臂和上主体232之间的连接可通过螺栓连接或销连接等方式实现。左限位臂233和右限位臂234可起到限制上主体232的滑动行程的作用。

左缓冲件235与左限位臂233面对下主体231的表面相连接，以在上主体232沿着滑槽23120滑动时，左缓冲件235与下主体231的表面缓冲接触。当上主体232在滑槽23120内滑动至左缓冲件235与下主体231的表面相接触时，左缓冲件235受力发生弹性形变，从而起到保护滑动组件23，避免产生异响的作用。此外，左缓冲件235还有利于提高三自由度并联运动平台运行的平稳性。上述缓冲接触是指左缓冲件235与下主体231的表面相接触时，左缓冲件235发生弹性形变，将下主体231受到的力分散减弱。

右缓冲件236与右限位臂234面对下主体231的表面相连接，以在上主体232沿着滑槽23120滑动时，右缓冲件236与下主体231的表面缓冲接触。当上主体232在滑槽23120内滑动至右缓冲件236与下主体231的表面相接触时，右缓冲件236受力发生弹性形变，从而起到保护滑动组件23，避免产生异响的作用。此外，右缓冲件236还有利于提高三自由度并联运动平台运行的平稳性。上述缓冲接触是指右缓冲件236与下主体231的表面相接触时，右缓冲件236发生弹性形变，将下主体231受到的力分散减弱。

具体实施时，左缓冲件235和右缓冲件236通常由弹性材料制成，例如橡胶或硅胶等。左缓冲件235和右缓冲件216的形状结构可根据实际需求设置。例如，左缓冲件235和右缓冲件236具有截顶圆锥形状，该截顶圆锥的面积较小的底面面对下主体231。又例如，左缓冲件235和右缓冲件236具有圆柱形状。再例如，左缓冲件235和右缓冲件236具有块状形状。通常，左缓冲件235和右缓冲件216对称设置。

该实施例中的滑动组件23滑动灵活，结构稳定，可靠性高。

在本发明三自由度并联运动平台的另一个实施例中，驱动机构2还包括支撑组件24。

支撑组件24包括转接板241、固定件242和缓冲块243。线性驱动单元21安装在转接板241上。线性驱动单元21可通过其定子与转接板241固定连接，上述固定连接可通过焊接或螺栓连接等方式实现。转接板241通过固定件242安装在底座1上。固定件242可例如为螺栓或螺杆等。

具体实施时，可在转接板241上设置焊接螺母，通过固定件242与焊接螺母之间的螺纹配合，将转接板241和固定件242连接在一起；并通过固定件242与底座1的安装孔的螺纹配合，将转接板241安装在底座1上。

缓冲块243被设置为用于缓冲自线性驱动单元21传递过来的振动，以起到减振的作用。缓冲块243可设置在转接板241和底座1之间。缓冲块243通常由例如为橡胶等的弹性材料制成。线性驱动单元21传递过来的振动可包括线性驱动单元21自身的振动和动平台3运动时的振动等。

支撑组件24的设置有利于提高本发明的三自由度并联运动平台结构的稳定性和可靠性。

具体实施时，所有的线性驱动单元21可安装在同一支撑组件24上。也即是，所有的线性驱动单元21安装在同一块转接板241上。

或者，可设置与线性驱动单元21的数量相同的支撑组件24，每一个线性驱动单元21安装在不同的支撑组件24上。也即是，每一个线性驱动单元21安装在不同的转接板241上。每一个支撑组件24均具有独立的转接板241、固定件242和缓冲块243。每一个线性驱动单元21安装在不同的转接板221上有利于进一步地增强减振的效果。

下面，以图2中示出的具体实施例为例，说明本发明的三自由度并联运动平台：

如图2中所示，该三自由度并联运动平台包括底座1、动平台3和三个驱动机构2。

驱动机构2包括线性驱动单元21、转动连接件22、滑动组件23和支撑组件24。

线性驱动单元21被设置为沿竖直方向安装在底座1上。

滑动组件23包括下主体231、上主体232、左限位臂233、右限位臂234、左缓冲件235和右缓冲件236。下主体231包括连接体2311和垫块2312。连接体2311上设有转动安装孔23111、衬套件23112和垫块安装槽23113，衬套件23112位于转动安装孔23111内。垫块2312安装于垫块安装槽23113中。滑槽23120位于垫块2312上。上主体232被设置为与动平台3固定连接，且上主体232与滑槽23120滑动配合。左限位臂233和右限位臂234分别与上主体232的两端相连接，左限位臂233和右限位臂234与下主体232相对设置。

左缓冲件235与左限位臂233面对下主体231的表面相连接，以在上主体232沿着滑槽23120滑动时，左缓冲件235与下主体231的表面缓冲接触。右缓冲件236与右限位臂234面对下主体231的表面相连接，以在上主体232沿着滑槽23120滑动时，右缓冲件236与下主体231的表面缓冲接触。左缓冲件235和右缓冲件236具有截顶圆锥形状。

转动连接件22为杆端关节轴承。杆端关节轴承的杆端与线性驱动单元21的驱动输出端固定连接，杆端关节轴承的关节轴承端与转动安装孔23111转动连接。

支撑组件24包括转接板241、固定件242和缓冲块243。线性驱动单元21安装在转接板241上。转接板241通过固定件242安装在底座1上。缓冲块243设置在转接板241和底座1之间，以起到减振的作用。

三个驱动机构2的上主体232的滑动方向所在的直线相交于一点，且相邻上主体232的滑动方向所在的直线之间的夹角为120°。

第一线性驱动单元21沿着竖直方向输出直线运动，与线性驱动单元21相连接的转动连接件22被线性驱动单元21输出的直线运动所驱动。滑动组件23的下主体231相对于被驱动的转动连接件22转动，下主体231带动上主体232沿着滑槽23120滑动。当上主体232在滑槽23120内滑动时，左缓冲件235和右缓冲件236可与下主体231的表面相接触。

通过多个驱动机构2的独立运动，与上主体232固定连接的动平台3在滑动组件23的带动下实现三自由度运动。动平台3的三自由度运动包括上下、左右和前后运动。当三自由度并联运动平台应用于动感模拟装置时，动平台3的三自由度运动可为升降、俯仰和翻滚运动。

如图5所示，本发明的三自由度并联运动平台的控制方法可包括如下步骤：

步骤s1：发出目标输出位移量信号。目标输出位移量信号根据线性驱动单元21的驱动输出端需求输出的位移量确定。

上述“目标输出位移量信号”可由使用者通过操作操纵杆获得，或者，也可由系统直接加载与游戏内容或者显示内容相对应的姿态控制脚本获得。

步骤s2：根据目标输出位移量信号，线性驱动单元21的驱动输出端移动。

线性驱动单元21输出沿着竖直方向的直线运动，线性驱动单元21的驱动输出端移动，这使得转动连接件22沿着竖直方向上升或下降，最终使得动平台3实现三自由度运动。

步骤s3：采集驱动输出端的实际输出位移量。

上述“实际输出位移量”为驱动输出端的移动产生的位移量。由于线性驱动单元21通过其各部件之间的配合输出位移量，因此目标输出位移量和实际输出位移量之间存在着一定的差值。该差值受到线性驱动单元21的类型或者磨损程度或使用时间等因素的影响。实际输出位移量可通过位移传感器特别是栅尺进行采集。

步骤s4：比较目标输出位移量和实际输出位移量的大小。

目标输出位移量与目标输出位移量信号相对应。

步骤s5：若实际输出位移量不等于目标输出位移量，则发出调整输出位移量信号。

调整输出位移量信号可为调整线性驱动单元21的电压或电流的信号。根据调整输出位移量信号，线性驱动单元21的驱动输出端移动。通常，调整输出位移量信号可为以一定的步长增加或减小的输出位移量相对应的信号。或者，可根据实际经验得出实际输出位移量、目标输出位移量和调整输出位移量三者的表格，通过查表的方式得出调整输出位移量，进而发出调整输出位移量信号。

当实际输出位移量小于目标输出位移量时，发出使得线性驱动单元21的驱动输出端的位移量增大的调整输出位移量信号。此时，线性驱动单元21的驱动输出端通常向前移动。

当实际输出位移量大于目标输出位移量时，发出使得线性驱动单元21的驱动输出端的位移量减小的调整输出位移量信号。此时，线性驱动单元21的驱动输出端通常向后前移动。

步骤s6：根据调整输出位移量信号，驱动输出端移动。此时，在线性驱动单元21的驱动输出端的驱动下，转动连接件22沿着竖直方向上升或下降。

步骤s7：循环步骤s3至步骤s6。

由于根据调整输出位移量信号，驱动输出端移动幅度较小，因此实际输出位移量通常需要多次与目标输出位移量进行比较，驱动输出端的移动需要多次进行调整。

步骤s8：当实际输出位移量等于目标输出位移量时，停止循环。

当实际输出位移量等于目标输出位移量时，线性驱动单元21的驱动输出端移动到位，动平台3的运动轨迹更为精准。

根据本发明的三自由度并联运动平台的控制方法，可使得动平台3的运动轨迹更为精准，从而有利于提供更优质的动感模拟体验。

对于本发明的三自由度并联运动平台的控制方法，本领域技术人员应当清楚，线性驱动单元21还可对输出的位移量进行自校准。例如通过线性驱动单元21内设的编码系统对目标输出位移量和实际输出位移量之间存的差值进行误差补偿，以减小线性驱动单元21的目标输出位移量与实际输出位移量之间的误差。

如图6所示，本发明的三自由度并联运动平台的控制装置可包括接收模块610、运动数据解算模块620、位移量解算模块630、控制模块640和位移量采集模块650。

接收模块610被设置为用于接收动平台3的运动姿态的操作数据。该操作数据可由使用者通过操作操纵杆获得，或者，也可由系统直接加载与游戏内容或者显示内容相对应的姿态控制脚本获得。

运动数据解算模块620被设置为用于根据操作数据确定运动数据。运动数据包括动平台3在竖直方向上的位移量、动平台的俯仰角度和动平台的翻滚角度。通过动平台3俯仰、翻滚和在竖直方向上的位移，三自由度并联运动平台可实现多姿态运动。

位移量解算模块630被设置为根据运动数据确定线性驱动单元21的驱动输出端的位移量。

控制模块640被设置为用于发出目标输出位移量信号，比较目标输出位移量和实际输出位移量的大小，若目标输出位移量不等于实际输出位移量，则发出调整输出位移量信号。控制模块640可例如为处理器。

更具体地，控制模块640可用于发出目标输出位移量信号，根据目标输出位移量信号，线性驱动单元的驱动输出端移动，采集驱动输出端的实际输出位移量，比较目标输出位移量和实际输出位移量的大小，若实际输出位移量不等于目标输出位移量，则发出调整输出位移量信号，根据调整输出位移量信号，驱动输出端移动。

位移量采集模块650被设置为用于采集驱动输出端的实际输出位移量。位移量采集模块650采集到的线性驱动单元21的驱动输出端的实际输出位移量的信号可发送给控制模块640。

可选地，位移量采集模块650为位置传感器。进一步地，位移采集模块650为光栅尺。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。