专利名称：并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械工程技术领域的装置，具体是一种并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器。
背景技术：
并联式冗余输入驱动技术是一种用多个驱动源分担一个总驱动力的技术，通过对输入驱动器的并联组合，可以通过纯机械电气系统产生较大的驱动力，而不需要采用庞大的液压系统，改善了系统占用空间大、成本高、易污染、不易控制等缺点。目前，多自由度冗余容错驱动模拟器特别是六自由度并联模拟器主要应用于大型模拟设备的制造，如海浪模拟系统、地震模拟器、以及核电站等。在并联机构领域，冗余输入是指机构运动输入的数目大于其结构自由度数目。并联机器人具有承载能力大、精度高、运动反解简单、误差小、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点，但是在几何特性方面也具有很大欠缺，如工作空间小、灵活性差以及工作空间内存在奇异位形等，加入冗余度可以改善它的几何特性。由于冗余机器人在工作空间、灵活性、避障能力及动力特性等方面具有优点，因而受到了越来越多的重视。与一般并联机构相比，并联式冗余输入机构具有更高的刚度、更大的承载力、更大的加速度和更优的性能等许多鲜明的特征，并且可以优化输入力、降低机构关节内力，从而提高其力传递能力，改善动力学性能等。现有的并联输入冗余驱动模拟器冗余度较小，能达到的功率较小，主要采用丝杠传动，采用双连杆协调运动。目前普遍使用的是由六个输入获得六个输出自由度。经对现有文献检索发现，中国专利申请号为:03122951.4，名称为:一种冗余输入并联模拟器。该模拟器的接口模块包括导轨、滑台、连杆、电机，通过接口模块与面板的连接，实现模拟器的运行。但是 该技术的冗余输入模拟器能够冗余的电机数目较少，故可达最大功率较小，每个电机要求功率很大，成本很高；而且不能差动输出，协调性不好，可操作吨位相对低，不能适应海浪模拟系统、地震模拟器、以及核电站等重型机械设备的使用需求。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，结构、原理简单，控制容易，利用并联输入可获得较大的功率，每个接口能冗余6个电机，共有36个电机，因此每个电机的功率需求降低，能差动输出，故可达功率大，模块化设计，故可扩展性强。本发明是通过以下技术方案实现的:一种并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，包括:工作平台、三个面板、六个六输入单输出冗余驱动机构，其中:三个面板两两相互垂直，第一六输入单输出冗余驱动机构的一端、第二六输入单输出冗余驱动机构的一端和第三六输入单输出冗余驱动机构的一端分别固定在第二面板上，第一六输入单输出冗余驱动机构的另一端、第二六输入单输出冗余驱动机构的另一端和第三六输入单输出冗余驱动机构的另一端分别通过球铰固定在工作平台上，第四六输入单输出冗余驱动机构的一端固定在第三面板上，第四六输入单输出冗余驱动机构的另一端通过球铰固定在工作平台上，第五六输入单输出冗余驱动机构的一端和第六六输入单输出冗余驱动机构的一端分别固定在第一面板上，第五六输入单输出冗余驱动机构的另一端和第六六输入单输出冗余驱动机构的另一端分别通过球铰固定在工作平台上。所述的六输入单输出冗余驱动机构包括:第一滑台、六个驱动装置、四个协调装置、四个驱动杆组件和三个接口装置，其中:六个驱动装置的一端分别固定在面板上，第一驱动装置的另一端和第二驱动装置的另一端与第一接口装置固连，第三驱动装置的另一端和第四驱动装置的另一端与第二接口装置固连，第五驱动装置的另一端和第六驱动装置的另一端与第三接口装置固连，第一协调装置固定在第一接口装置上，第二协调装置固定在第二接口装置上，第三协调装置固定在第三接口装置上，第一驱动杆组件的一端固定在第一协调装置上，第二驱动杆组件的一端固定在第二协调装置上，第三驱动杆组件的一端固定在第三协调装置上，第一驱动杆组件的另一端、第二驱动杆组件的另一端和第三驱动杆组件的另一端分别固定在第一滑台的下表面，第四协调装置固定在第一滑台的上表面，第四驱动杆组件的一端固定在第四协调装置上，第四驱动杆组件的另一端与工作平台固连。所述的六输入单输出冗余驱动机构包括:第一滑台、六个驱动装置、四个协调装置、七个驱动杆组件和三个接口装置，其中:六个驱动装置的一端分别固定在面板上，第一驱动装置的另一端和第二驱动装置的另一端与第一接口装置固连，第三驱动装置的另一端和第四驱动装置的另一端与第二接口装置固连，第五驱动装置的另一端和第六驱动装置的另一端与第三接口装置固连，第一协调装置固定在第一接口装置上，第二协调装置固定在第二接口装置上，第三协调装置固定在第三接口装置上，第一驱动杆组件的一端和第二驱动杆组件的一端分别固定在第一协调装置上，第三驱动杆组件的一端和第四驱动杆组件的一端分别固定在第二协调装置上，第五驱动杆组件的一端和第六驱动杆组件的一端分别固定在第三协调装置上，第一驱动杆组件的另一端、第二驱动杆组件的另一端、第三驱动杆组件的另一端、第四驱动杆组·件的另一端、第五驱动杆组件的另一端和第六驱动杆组件的另一端分别固定在第一滑台的下表面，第四协调装置固定在第一滑台的上表面，第七驱动杆组件的一端固定在第四协调装置上，第七驱动杆组件的另一端与工作平台固连。所述的驱动装置包括:电机、电机轴和减速器，其中:电机的一端固定在面板上，电机的另一端与电机轴的一端相连，电机轴的另一端与减速器相连，减速器与接口装置相连。所述的驱动杆组件包括:一个连杆和两个球铰，其中:连杆的两端均与球铰相连。所述的协调装置是齿轮，或者是滑轮，或者是凸轮。所述的电机是伺服电机，或者是步进电机。所述的接口装置包括:导轨、滑台和两个丝杠，其中:丝杠的一端与驱动装置固连，丝杠的另一端与导轨固连，丝杠穿过滑台，协调装置固定在滑台的上表面上。与现有技术相比，本发明的优点是:1、采用双丝杠驱动，可以减半单个丝杠的平均应力，延长了丝杆的使用寿命。由于机械传动系统如丝杠的寿命与轴向力的三次方成反比，因此双丝杠驱动分担驱动力使机械传动系统受力减小了一半，寿命就提高了 8倍。这样，本发明并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器可将机械传动系统的寿命提高50倍以上，满足了实际使用中的要求。2、通过协调装置协调传动，即两个丝杆间的齿轮啮合传动作为协调装置来协调传动，使两根丝杠保持同步，提高了装置的协调能力。3、由于采用了多冗余度并联驱动方式，不需要单个电机的功率太大，因此单个电机成本较低、结构简单，设备制造容易，节约了成本。4、本发明所述的六个六输入单输出冗余驱动装置完全一样，便于装配与批量化生产，在控制方面也会更加容易。5、由于并联输入，且存在冗余度，因此可通过控制驱动装置，使其分时段输入，从而控制了各个自由度的输出，形成了差动输入、输出，因此控制灵活，可以观测单个自由度的运动、位置情况。本发明可以很好的适应海浪模拟系统、地震模拟器、以及核电站等重型机械设备的使用需求。
图1是本发明一实施例的整体结构示意
其中:A—第一面板、B—第二面板、C一第三面板、I一工作平台、2—第一六输入单输出冗余驱动机构、3—第二六输入单输出冗余驱动机构、4 一第三六输入单输出冗余驱动机构、5—第四六输入单输出冗余驱动机构、6—第五六输入单输出冗余驱动机构、7—第六六输入单输出冗余驱动机构。图2是图1所示实施例中第一六输入单输出冗余驱动机构的结构示意图。其中:8—第一导轨、9一第一丝杆、10—第一驱动装置、11一第二驱动装置、12—第二丝杠、13—第三驱动装置、14 一第四驱动装置、15—第三丝杆、16—第四丝杆、17—第五驱动装置、18—第六驱动装置、19 一第六丝杆、20—第五丝杆、21—第二导轨、22—第四滑台、23—第二协调装置、24—第二导轨、25—第五球绞、26—第二连杆、27—第六球绞、28—第一滑台、29—第四协调装置、30—第七球铰、31—第四连杆、32—第八球铰、33—第四球铰、34一第二连杆、35—第二球绞、36—第一连杆、37—第二球绞、38—第二协调装置、39—第二滑台、40—第一球铰、41 一第一协调装置、42—第二滑台。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的装置进一步描述:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括:第一面板A、第二面板B、第三面板C、工作平台1、第一六输入单输出冗余驱动机构2、第二六输入单输出冗余驱动机构3、第三六输入单输出冗余驱动机构4、第四六输入单输出冗余驱动机构5、第五六输入单输出冗余驱动机构6和第六六输入单输出冗余驱动机构7，其中:第一六输入单输出冗余驱动机构2的一端、第二六输入单输出冗余驱动机构3的一端和第三六输入单输出冗余驱动机构4的一端分别固定在第二面板B上，第一六输入单输出冗余驱动机构2的另一端、第二六输入单输出冗余驱动机构3的另一端和第三六输入单输出冗余驱动机构4的另一端分别固定在工作平台I的下表面上，第四六输入单输出冗余驱动机构5的一端固定在第三面板C上，第四六输入单输出冗余驱动机构5的另一端固定在工作平台I的一个侧表面上，第五六输入单输出冗余驱动机构6的一端和第六六输入单输出冗余驱动机构7的一端分别固定在第一面板A上,第五六输入单输出冗余驱动机构6的另一端和第六六输入单输出冗余驱动机构7的另一端分别固定在工作平台I的另一个侧表面上。上述六个六输入单输出冗余驱动机构的结构相同。如图2所示，第一六输入单输出冗余驱动机构2包括:第一滑台28、第一驱动装置10、第二驱动装置11、第三驱动装置12、第四驱动装置13、第五驱动装置17、第六驱动装置18、第一协调装置41、第二协调装置38、第三协调装置23、第四协调装置29、四个驱动杆组件和三个接口装置，其中:驱动装置的一端固定在第二面板B上，第一驱动装置10的另一端与第一接口装置固连，第二驱动装置11的另一端与第一接口装置固连，第三驱动装置12的另一端与第二接口装置相连，第四驱动装置13的另一端与第二接口装置相连，第五驱动装置17的另一端与第三接口装置相连，第六驱动装置18的另一端与第三接口装置相连，第一协调装置41固定在第一接口装置上，第二协调装置38固定在第二接口装置上，第三协调装置23固定在第三接口装置上，第一驱动杆组件的一端固定在第一协调装置41上，第二驱动杆组件的一端固定在第二协调装置38上，第三驱动杆组件的一端固定在第三协调装置23上，第一驱动杆组件的另一端、第二驱动杆组件的另一端和第三驱动杆组件的另一端分别固定在第一滑台28的下表面，第四协调装置29固定在第一滑台28的上表面上，第四驱动杆组件的一端固定在第四协调装置29上，第四驱动杆组件的另一端与工作平台I的下表面固连。上述四个驱动装置相同，都包括:电机、电机轴和减速器，其中:电机的一端固定在第二面板B上，电机的另一端与电机轴的一端相连，电机轴的另一端与减速器相连，减速器与接口装置相连。该电机是伺服电机，改用步进电机也同样适用于所述的四个驱动装置。上述第一接口装置包括:第一导轨8、第二滑台42、第一丝杠9和第二丝杠12，其中:第一丝杠9的一端与第一驱动装置10固连，第一丝杠9的另一端与第一导轨8固连，第二丝杠12的一端与第二驱动装置11固连，第二丝杠12的另一端与第一导轨8固连，第一丝杠9和第二丝杠12都穿过第二滑台42，第一协调装置41固定在第二滑台42的上表面。上述第二接口装置包括:第二导轨21、第三滑台39、第三丝杠15和第四丝杠16，其中:第三丝杠15的一端与第三驱动装置12固连，第三丝杠15的另一端与第二导轨21固连，第四丝杠16的一端与第四驱动装置11固连，第四丝杠16的另一端与第二导轨21固连，第三丝杠15和第四丝杠16都穿过第三滑台39，第二协调装置38固定在第三滑台39的上表面。上述第三接口装置包括:第三导轨24、第四滑台22、第五丝杆20和第六丝杆19，其中:第五丝杠20的一端与第五驱动装置17固连，第五丝杠20的另一端与第三导轨24固连，第六丝杠19的一端与第六驱动装置18固连，第六丝杠19的另一端与第三导轨24固连，第五丝杆20与第六丝杆19都穿过第四滑台22，第三协调装置23固定在第四滑台22的上表面。上述第一驱动杆组件包括:第一连杆36、第一球铰40和第二球铰35，其中:第一连杆36的一端与第一球铰40相连，第一连杆36的另一端与第二球铰35相连，第一球铰40固定在第一协调装置41上，第二球铰35固定在第一滑台28的下表面。上述第二驱动杆组件包括:第二连杆34、第三球铰37和第四球铰33，其中:第二连杆34的一端与第三球铰37相连，第二连杆34的另一端与第四球铰33相连，第三球铰37固定在第一协调装置41上，第四球铰33固定在第一滑台28的下表面。上述第三驱动杆组件包括:第三连杆26、第五球铰25和第六球铰27，其中:第三连杆26的一端与第五球铰25相连，第三连杆26的另一端与第六球铰27相连，第五球铰25固定在第二协调装置38上，第六球铰27固定在第一滑台28的下表面。上述第四驱动杆组件包括:第四连杆31、第七球铰30和第八球铰32，其中:第四连杆31的一端与第七球铰30相连，第四连杆31的另一端与第八球铰32相连，第七球铰30固定在第四协调装置29上，第八球铰32与工作平台I固连。上述协调装置是齿轮，改用滑轮或者是凸轮也同样适用于所述的六个六输入单输出冗余驱动机构。本实施例中丝杠的参数:长度为1000mm,直径为60mm ;第一连杆36、第二连杆34和第三连杆26的参数:长度为800mm，直径为IOOmm ;第四连杆31的参数:长度为1200mm，直径为120mm。 本实施例的工作过程:工作平台I可实现六个自由度的运动,通过第一六输入单输出冗余驱动机构2、第二六输入单输出冗余驱动机构3和第三六输入单输出冗余驱动机构4的协调控制实现上下运动，通过第四六输入单输出冗余驱动机构5的协调控制实现左右运动，通过第五六输入单输出冗余驱动机构6和第六六输入单输出冗余驱动机构7的协调控制实现前后运动，通过对六个六输入单输出冗余驱动机构的联合控制可以实现三个平面内的转动运动。本实施例中六输入单输出冗余驱动机构包括四个驱动杆组件，也可以为七个驱动杆组件，其中:第一驱动杆组件的一端和第二驱动杆组件的一端分别固定在第一协调装置上，第三驱动杆组件的一端和第四驱动杆组件的一端分别固定在第二协调装置上，第五驱动杆组件的一端和第六驱动杆组件的一端分别固定在第三协调装置上，第一驱动杆组件的另一端、第二驱动杆组件的另一端、第三驱动杆组件的另一端、第四驱动杆组件的另一端、第五驱动杆组件的另一端和第六驱动杆组件的另一端分别固定在第一滑台的下表面，第四协调装置固定在第一滑台的上表面，第七驱动杆组件的一端固定在第四协调装置上，第七驱动杆组件的另一端与工作平台固连。本实施例由于采用了多冗余度并联驱动方式，并联了 36个驱动电机，在实际应用中不需要单个电机的功率太大，由于单个低功率电机成本较低、结构简单，设备制造容易，降低成本；采用双丝杠驱动，提高了机械传动系统的使用寿命；可通过控制驱动装置，使其分时段输入，从而控制了各个自由度的输出，形成了差动输入、输出，因此控制灵活。
权利要求
1.一种并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，包括:工作平台和面板，其特征在于，所述的面板为三个，且，三个面板两两相互垂直；还包括六个六输入单输出冗余驱动机构，所述六个六输入单输出冗余驱动机构的一端分别通过球铰固定在工作平台上，其中，第一六输入单输出冗余驱动机构的另一端、第二六输入单输出冗余驱动机构的另一端和第三六输入单输出冗余驱动机构的另一端分别固定在第二面板上，第四六输入单输出冗余驱动机构的另一端固定在第三面板上，第五六输入单输出冗余驱动机构的另一端和第六六输入单输出冗余驱动机构的另一端分别固定在第一面板上。
2.根据权利要求1所述的并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，其特征在于，所述的六输入单输出冗余驱动机构包括:第一滑台、六个驱动装置、四个协调装置、四个驱动杆组件和三个接口装置； 其中:六个驱动装置的一端分别固定在面板上，第一驱动装置的另一端和第二驱动装置的另一端与第一接口装置固连，第三驱动装置的另一端和第四驱动装置的另一端与第二接口装置固连，第五驱动装置的另一端和第六驱动装置的另一端与第三接口装置固连，第一协调装置固定在第一接口装置上，第二协调装置固定在第二接口装置上，第三协调装置固定在第三接口装置上，第一驱动杆组件的一端固定在第一协调装置上，第二驱动杆组件的一端固定在第二协调装置上，第三驱动杆组件的一端固定在第三协调装置上，第一驱动杆组件的另一端、第二驱动杆组件的另一端和第三驱动杆组件的另一端分别固定在第一滑台的下表面，第四协调装置固定在第一滑台的上表面，第四驱动杆组件的一端固定在第四协调装置上，第四驱动杆组件的另一端与工作平台固连。
3.根据权利要求1所述的并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，其特征在于，所述的六输入单输出冗余驱动机构包括:第一滑台、六个驱动装置、四个协调装置、七个驱动杆组件和三个接口装置； 其中:六个驱动装置的一端分别固定在面板上，第一驱动装置的另一端和第二驱动装置的另一端与第一接口装置固连，第三驱动装置的另一端和第四驱动装置的另一端与第二接口装置固连，第五驱动装置的另一端和第六驱动装置的另一端与第三接口装置固连，第一协调装置固定在第一接口装 置上，第二协调装置固定在第二接口装置上，第三协调装置固定在第三接口装置上，第一驱动杆组件的一端和第二驱动杆组件的一端分别固定在第一协调装置上，第三驱动杆组件的一端和第四驱动杆组件的一端分别固定在第二协调装置上，第五驱动杆组件的一端和第六驱动杆组件的一端分别固定在第三协调装置上，第一驱动杆组件的另一端、第二驱动杆组件的另一端、第三驱动杆组件的另一端、第四驱动杆组件的另一端、第五驱动杆组件的另一端和第六驱动杆组件的另一端分别固定在第一滑台的下表面，第四协调装置固定在第一滑台的上表面，第七驱动杆组件的一端固定在第四协调装置上，第七驱动杆组件的另一端与工作平台固连。
4.根据权利要求2或3所述的并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，其特征在于，所述的驱动装置包括:电机、电机轴和减速器，其中:电机的一端固定在面板上，电机的另一端与电机轴的一端相连，电机轴的另一端与减速器相连，减速器与接口装置相连。
5.根据权利要求2或3所述的并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，其特征在，所述的驱动杆组件包括:一个连杆和两个球铰，其中:连杆的两端均与球铰相连。
6.根据权利要求2或3所述的并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，其特征在于，所述的协调装置是齿轮、滑轮或凸轮。
7.根据权利要求2或3所述的并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，其特征在于，所述的接口装置包括:导轨、滑台和两个丝杠，其中:两个丝杠的一端分别与驱动装置固连，丝杠的另一端与导轨固连，丝杠穿过滑台，协调装置固定在滑台的上表面上。
8.根据权利要求4所述的并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，其特征在于，所述的电机是伺服电机，或者`是步进电机。
全文摘要
一种并联式六维输出三十六输入冗余容错驱动模拟器，包括工作平台和三个两两相互垂直的面板；还包括六个六输入单输出冗余驱动机构，六个六输入单输出冗余驱动机构的一端分别通过球铰固定在工作平台上，六个六输入单输出冗余驱动机构的另一端分别固定在三个面板上。本发明所提供的驱动模拟器，原理简单，控制容易，能够实现六个自由度的运动，协调性强，机械系统寿命高，利用并联输入可获得较大的功率，每个接口能冗余6个电机，每个电机的功率需求降低，能差动输出，故可达功率大，冗余接口多，可扩展性强。
文档编号G09B25/02GK103236214SQ20131012620
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者马春翔, 陈康, 郑茂琦, 陈伟聪, 高峰, 张建政 申请人:上海交通大学