一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)。包括固定平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，固定平臺(tái)下方設(shè)有控制箱，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)之間設(shè)有三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置通過控制箱進(jìn)行控制；三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置包括連接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)中心之間的一個(gè)氣缸機(jī)構(gòu)和兩組分別用于控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿的氣動(dòng)肌肉組；控制箱內(nèi)包括氣動(dòng)三聯(lián)件、氣缸控制閥、四組氣動(dòng)肌肉控制閥組、控制器組和用于供電的電源，控制器組包括氣缸力子控制器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器和主控制器。本發(fā)明的平臺(tái)機(jī)構(gòu)具有功率質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、無污染、便于進(jìn)行位姿控制等特點(diǎn)。
【專利說明】一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種并聯(lián)平臺(tái)，特別涉及一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，屬于平臺(tái)機(jī)構(gòu)及控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]平臺(tái)機(jī)構(gòu)分為串聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)相比具有較高的剛度特性，便于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的高精度位置控制，在飛行器運(yùn)動(dòng)支架、仿生機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)器械等多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的并聯(lián)平臺(tái)多由電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)，存在著能耗大、成本高、設(shè)備維護(hù)困難和易對(duì)環(huán)境造成污染等缺陷。使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替原有的電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可有效解決上述技術(shù)問題，并已得到了諸多學(xué)者的探索和研究，但由于所選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器本身的局限性和氣動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性，大多數(shù)氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)存在剛度低、承載能力弱、難以進(jìn)行高精度位姿控制等缺點(diǎn)，故有很大的改進(jìn)空間。
[0003]具體而言，絕大多數(shù)氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)的控制系統(tǒng)采用同時(shí)控制所有執(zhí)行器的控制策略，目標(biāo)控制量多且模型復(fù)雜，其中一部分氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)還具有控制量冗余的問題，使得基于模型的控制器在應(yīng)用過程中難以得到設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在工程實(shí)踐中通常因成本及安裝需求將傳感器設(shè)置在氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)器上，而部分氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)存在其機(jī)構(gòu)無運(yùn)動(dòng)學(xué)正解解析解的問題，即無法通過解析表達(dá)式將關(guān)節(jié)空間位姿信息轉(zhuǎn)換為工作空間位姿信息，只能通過會(huì)耗費(fèi)大量控制器效能的數(shù)值解法來實(shí)時(shí)獲得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿狀態(tài)。部分并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)在某一執(zhí)行器發(fā)生失效情況時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)會(huì)發(fā)生豎直方向上的突發(fā)性升高或降低，易引起安全方面的隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)置合理且易于進(jìn)行位姿控制。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
本發(fā)明包括固定平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，固定平臺(tái)下方設(shè)有控制箱；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)之間設(shè)有三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置通過控制箱進(jìn)行控制；三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置包括連接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)中心之間的一個(gè)氣缸機(jī)構(gòu)和兩組分別用于控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿的氣動(dòng)肌肉組，兩組氣動(dòng)肌肉組安裝在氣缸機(jī)構(gòu)周圍，氣缸機(jī)構(gòu)連接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)中心之間，氣缸機(jī)構(gòu)上端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)鉸接，氣缸機(jī)構(gòu)下端與固定平臺(tái)固定連接；兩組氣動(dòng)肌肉組之間相互垂直安裝，每組氣動(dòng)肌肉組包括對(duì)稱安裝在氣缸機(jī)構(gòu)兩側(cè)的兩個(gè)氣動(dòng)肌肉機(jī)構(gòu)。
[0006]所述的氣缸機(jī)構(gòu)包括氣缸、氣缸輔助支架、氣缸壓力傳感器、氣缸位移傳感器和氣缸連接座，氣缸活塞桿鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)底面中心，氣缸下端通過氣缸連接座固定連接在固定平臺(tái)中心，氣缸側(cè)面設(shè)有用于輔助氣缸固定的氣缸輔助支架，氣缸的作用腔入口處設(shè)有氣缸壓力傳感器，氣缸上平行設(shè)有用于檢測運(yùn)動(dòng)平臺(tái)高度的氣缸位移傳感器； 所述的氣動(dòng)肌肉組包括氣動(dòng)肌肉、氣動(dòng)肌肉壓力傳感器和氣動(dòng)肌肉位移傳感器，氣動(dòng)肌肉兩端分別鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)上，氣動(dòng)肌肉上平行設(shè)有氣動(dòng)肌肉位移傳感器，氣動(dòng)肌肉的進(jìn)出氣口設(shè)有氣動(dòng)肌肉壓力傳感器。
[0007]所述的控制箱內(nèi)包括氣動(dòng)三聯(lián)件、氣缸控制閥、四組氣動(dòng)肌肉控制閥組、控制器組和用于供電的電源，控制器組包括氣缸力子控制器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器和主控制器；氣動(dòng)三聯(lián)件通過氣管分別連接外氣源、氣缸控制閥和四組氣動(dòng)肌肉控制閥組，四組氣動(dòng)肌肉控制閥組通過氣管分別連接兩組氣動(dòng)肌肉組中的四個(gè)氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣口，氣缸機(jī)構(gòu)、氣缸控制閥分別與氣缸力子控制器電連接，兩組氣動(dòng)肌肉組分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器電連接，四組氣動(dòng)肌肉控制閥組分別與各自的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器電連接。
[0008]所述的氣動(dòng)肌肉通過鉸鏈連接座鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)上。
[0009]所述的氣缸上端通過球頭關(guān)節(jié)軸承與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)鉸接。
[0010]所述的氣缸輔助支架下端固接在固定平臺(tái)上，氣動(dòng)肌肉輸出軸與氣缸輔助支架上端通過直線軸承套接。
[0011]所述的氣缸的背壓腔出口設(shè)有消聲器。
[0012]所述的氣缸機(jī)構(gòu)中的氣缸壓力傳感器、氣缸位移傳感器與氣缸力子控制器電連接，所述的兩組氣動(dòng)肌肉組中的各個(gè)氣動(dòng)肌肉壓力傳感器、氣動(dòng)肌肉位移傳感器分別與各自的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器電連接，
所述的鉸鏈連接座為球鉸或胡克鉸。
[0013]與其他已知含有氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器的混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)相比，本發(fā)明具有功率質(zhì)量比大、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、無污染、易于進(jìn)行位姿控制等特點(diǎn)，具體有益效果如下:
一、本發(fā)明采用分離式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，根據(jù)所需運(yùn)動(dòng)平臺(tái)升沉、縱搖、橫搖三自由度方向上的等效剛度特性，可確定氣缸力控制子系統(tǒng)的氣缸活塞理想輸出力、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿控制子系統(tǒng)氣動(dòng)肌肉平均輸出力和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿控制子系統(tǒng)氣動(dòng)肌肉平均輸出力，再根據(jù)理想位姿及其與實(shí)際位姿的差異確定各氣動(dòng)執(zhí)行器的期望壓力，在三個(gè)子控制器中計(jì)算各氣動(dòng)控制閥的控制量，完成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制。控制器設(shè)計(jì)簡便易于實(shí)現(xiàn)，并且可以根據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的需求在線調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)三個(gè)自由度上的等效剛度特性。
[0014]二、本發(fā)明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳感器設(shè)置方面進(jìn)行了改進(jìn)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)高度信息可通過氣缸位移傳感器獲得，縱搖及橫搖方向位姿可通過氣缸位移傳感器分別結(jié)合縱搖及橫搖方向上兩根對(duì)偶?xì)鈩?dòng)肌肉上的位移傳感器進(jìn)行計(jì)算，從而以簡便的解析表達(dá)式實(shí)時(shí)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿狀態(tài)。進(jìn)一步地，縱搖及橫搖位姿信息具有冗余傳感器，可設(shè)計(jì)位姿觀測器來減小平臺(tái)結(jié)構(gòu)測量誤差對(duì)位姿測量造成的影響。
[0015]三、本發(fā)明采用兩組對(duì)偶?xì)鈩?dòng)肌肉與氣缸活塞力相互平衡的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)遇到某一氣動(dòng)肌肉發(fā)生破裂而失效的情況時(shí)，另一組對(duì)偶?xì)鈩?dòng)肌肉可以保持運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在另一自由度上的相對(duì)穩(wěn)定，氣缸活塞端也不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性迅速升高的現(xiàn)象，有效增加了機(jī)構(gòu)的可靠性。
[0016]四、本發(fā)明設(shè)計(jì)了氣缸活塞桿輔助定向支架，避免運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在水平方向上受力不均而對(duì)氣缸活塞產(chǎn)生徑向作用力，減小運(yùn)行過程中氣缸活塞與內(nèi)壁之間的摩擦，提高氣缸的運(yùn)行壽命和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明的氣動(dòng)及控制系統(tǒng)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明不同的氣缸壓力下增加干擾力的仿真結(jié)果示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的橫搖和高度的控制仿真效果示意圖。
[0021]圖中:1、固定平臺(tái)，2、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，3、氣動(dòng)肌肉，4、氣缸，5、鉸鏈連接座，6、球頭關(guān)節(jié)軸承，7、直線軸承，8、氣缸輔助支架，9、氣缸連接座，10、消聲器，11、控制箱，12、氣缸控制閥，13、氣動(dòng)肌肉控制閥組，14、氣動(dòng)三聯(lián)件，15、氣動(dòng)肌肉壓力傳感器，16、氣動(dòng)肌肉位移傳感器，17、氣缸壓力傳感器，18、氣缸位移傳感器，19、氣缸力子控制器，20、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器，21、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器，22、主控制器，23、電源。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明包括固定平臺(tái)I和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2，固定平臺(tái)I下方設(shè)有控制箱11，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2與固定平臺(tái)I之間設(shè)有三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置通過控制箱11進(jìn)行控制；三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置包括連接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2與固定平臺(tái)I中心之間的一個(gè)氣缸機(jī)構(gòu)和兩組分別用于控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2縱搖位姿和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2橫搖位姿的氣動(dòng)肌肉組，兩組氣動(dòng)肌肉組中的一組用于控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2縱搖位姿，兩組氣動(dòng)肌肉組中的另一組用于控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2橫搖位姿，兩組氣動(dòng)肌肉組安裝在氣缸機(jī)構(gòu)周圍，氣缸機(jī)構(gòu)連接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2與固定平臺(tái)I中心之間，氣缸機(jī)構(gòu)上端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2鉸接，氣缸機(jī)構(gòu)下端與固定平臺(tái)I固定連接；兩組氣動(dòng)肌肉組之間相互垂直安裝，每組氣動(dòng)肌肉組包括對(duì)稱安裝在氣缸機(jī)構(gòu)兩側(cè)的兩個(gè)氣動(dòng)肌肉機(jī)構(gòu)。
[0024]氣缸機(jī)構(gòu)包括氣缸4、氣缸輔助支架8、氣缸壓力傳感器17、氣缸位移傳感器18和氣缸連接座9，氣缸4活塞桿鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2底面中心，氣缸4下端通過氣缸連接座9固定連接在固定平臺(tái)I中心，氣缸4側(cè)面設(shè)有用于輔助氣缸4固定的氣缸輔助支架8，氣缸4的作用腔入口處設(shè)有氣缸壓力傳感器17，氣缸4上平行設(shè)有用于檢測運(yùn)動(dòng)平臺(tái)高度的氣缸位移傳感器18。
[0025]氣動(dòng)肌肉組包括氣動(dòng)肌肉3、氣動(dòng)肌肉壓力傳感器15和氣動(dòng)肌肉位移傳感器16，氣動(dòng)肌肉3兩端分別鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2與固定平臺(tái)I上，氣動(dòng)肌肉3上平行設(shè)有氣動(dòng)肌肉位移傳感器16，氣動(dòng)肌肉3的背壓腔出口處設(shè)有氣動(dòng)肌肉壓力傳感器15。
[0026]如圖2所示，控制箱11內(nèi)包括氣動(dòng)三聯(lián)件14、氣缸控制閥12、四組氣動(dòng)肌肉控制閥組13、控制器組和用于供電的電源23，控制器組包括氣缸力子控制器19、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21和主控制器22，該三個(gè)子控制器之間相對(duì)獨(dú)立；氣動(dòng)三聯(lián)件14通過氣管分別連接外氣源、氣缸控制閥12和四組氣動(dòng)肌肉控制閥組13，四組氣動(dòng)肌肉控制閥組13通過氣管分別連接兩組氣動(dòng)肌肉組中的四個(gè)氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣口，氣缸機(jī)構(gòu)、氣缸控制閥12分別與氣缸力子控制器19電連接，兩組氣動(dòng)肌肉組分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21電連接。
[0027]具體地說，控制器組中，氣缸力子控制器19的輸出端口與氣缸控制閥12控制端電連接；氣缸力子控制器19的輸入端口與氣缸壓力傳感器17、氣缸位移傳感器18電連接；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20的輸出端口與四組氣動(dòng)肌肉控制閥組13中的兩組縱搖位姿控制閥組電連接；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20的輸入端口與所對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)肌肉壓力傳感器15、氣動(dòng)肌肉位移傳感器16電連接；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21的輸出端口與四組氣動(dòng)肌肉控制閥組13中的兩組橫搖位姿控制閥組電連接；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21的輸入端口與所對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)肌肉壓力傳感器15、氣動(dòng)肌肉位移傳感器16電連接。氣缸力子控制器19、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21分別與主控制器22電連接。
[0028]如圖2所示，四組氣動(dòng)肌肉控制閥組13分別與各自的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21電連接，與其中同一個(gè)氣動(dòng)肌肉組連接的兩個(gè)氣動(dòng)肌肉控制閥組13與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20電連接，與另一個(gè)氣動(dòng)肌肉組連接的兩個(gè)氣動(dòng)肌肉控制閥組13與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21電連接。
[0029]氣動(dòng)肌肉3通過鉸鏈連接座5鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2與固定平臺(tái)I上。
[0030]氣缸4上端通過球頭關(guān)節(jié)軸承6與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2鉸接。
[0031]氣缸輔助支架8下端固接在固定平臺(tái)I上，氣動(dòng)肌肉3輸出軸與氣缸輔助支架8上端通過直線軸承7套接。
[0032]氣缸4的背壓腔出口處設(shè)有消聲器10。
[0033]如圖2所不,氣缸機(jī)構(gòu)中的氣缸壓力傳感器17、氣缸位移傳感器18與氣缸力子控制器19電連接，所述的兩組氣動(dòng)肌肉組中的各個(gè)氣動(dòng)肌肉壓力傳感器15、氣動(dòng)肌肉位移傳感器16分別與各自的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21電連接。
[0034]鉸鏈連接座5為球鉸或胡克鉸。
[0035]氣缸力子控制器19、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21為控制器組的有機(jī)組成部分，各個(gè)子控制器相對(duì)獨(dú)立。
[0036]氣缸4的活塞桿通過氣缸輔助支架8進(jìn)行徑向輔助定位，氣缸4的活塞桿經(jīng)直線軸承7套在氣缸輔助支架8上，氣缸輔助支架8與固定平臺(tái)I剛性連接。氣缸4的缸筒通過氣缸連接座9剛性連接于固定平臺(tái)I中心，氣缸4的活塞桿與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2鉸接。
[0037]兩組氣動(dòng)肌肉組中的四根氣動(dòng)肌肉3間隔均布于氣缸機(jī)構(gòu)周圍的同一圓周上，氣缸機(jī)構(gòu)中的氣缸4和兩組氣動(dòng)肌肉組中的四根氣動(dòng)肌肉3分別由氣缸控制閥12、氣動(dòng)肌肉控制閥組13驅(qū)動(dòng)，并通過控制器組進(jìn)行控制。
[0038]四根氣動(dòng)肌肉3的進(jìn)出氣口通過氣管分別與氣動(dòng)肌肉控制閥組13相連，氣缸4的作用腔進(jìn)出氣口通過氣管與氣缸控制閥12相連，氣缸4背壓腔進(jìn)出氣口與消聲器10相連，氣動(dòng)肌肉控制閥組13和氣缸控制閥12由氣動(dòng)三聯(lián)件14通過氣管相連進(jìn)行供氣，氣動(dòng)三聯(lián)件14通過氣管分別連接氣動(dòng)肌肉控制閥組13、氣缸控制閥12和外氣源，氣動(dòng)肌肉控制閥組13和氣缸控制閥12的電控部分與控制器組輸出部分電連接。
[0039]氣動(dòng)肌肉3上設(shè)有氣動(dòng)肌肉軸向位移傳感器16，氣動(dòng)肌肉3的進(jìn)出氣口設(shè)有氣動(dòng)肌肉壓力傳感器15，氣缸4活塞桿處設(shè)有氣缸位移傳感器18，氣缸4作用腔進(jìn)出氣口設(shè)有氣缸壓力傳感器17，所述位移傳感器16和壓力傳感器15、17與控制器組的輸入端電連接。
[0040]氣動(dòng)三聯(lián)件、氣缸控制閥、氣動(dòng)肌肉控制閥組固定于控制箱11內(nèi)部，各個(gè)傳感器以及控制閥通過固定于控制箱內(nèi)的電源進(jìn)行供電。
[0041]氣缸控制閥12和氣動(dòng)肌肉控制閥組13采用高速開關(guān)閥、比例方向閥、比例壓力閥或比例流量閥等氣動(dòng)控制閥。三個(gè)子控制器19、20、21由單片機(jī)或可編程控制器實(shí)現(xiàn)，完成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在對(duì)應(yīng)自由度上的位姿控制。主控制器22用工控機(jī)、可編程控制器或單片機(jī)等均可實(shí)現(xiàn)，其功能有:人機(jī)交互系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿伺服控制(包括信號(hào)采集及處理、狀態(tài)觀測器和相應(yīng)控制策略)，平臺(tái)位姿實(shí)時(shí)演示，數(shù)據(jù)處理及保存等。
[0042]本發(fā)明的工作原理:
本發(fā)明通過控制氣動(dòng)肌肉控制閥組13和氣缸控制閥12分別控制兩組對(duì)偶?xì)鈩?dòng)肌肉3和氣缸4，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2實(shí)現(xiàn)升沉、縱搖、橫搖方向上的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，位移傳感器16、18以及壓力傳感器15、17會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送至控制器組19、20、21、22，根據(jù)所設(shè)定的各自由度剛度特性及期望平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡在主控制器22中計(jì)算出各氣動(dòng)執(zhí)行器3、4的期望壓力，再由此在各子控制器19、20、21中計(jì)算出各控制閥12、13的控制信號(hào)，將相關(guān)信息傳送至氣缸控制閥12和氣動(dòng)肌肉控制閥組13中，進(jìn)而控制氣缸3和兩組對(duì)偶?xì)鈩?dòng)肌肉4的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2的設(shè)定位姿軌跡運(yùn)動(dòng)。
[0043]本發(fā)明的具體實(shí)施的工作過程:
本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與固定平臺(tái)之間設(shè)有三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，從而對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在升沉、縱搖、橫搖三個(gè)自由度方向上的位姿進(jìn)行控制。氣缸4和四根氣動(dòng)肌肉3構(gòu)成空間并聯(lián)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，通過控制四根氣動(dòng)肌肉3的內(nèi)腔壓力和氣缸4的活塞桿輸出力，可使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)2實(shí)現(xiàn)升沉、縱搖、橫搖方向上的運(yùn)動(dòng)。其中氣缸4由氣缸力子控制器19進(jìn)行控制，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿的兩個(gè)氣動(dòng)肌肉3由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器20進(jìn)行控制，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿的兩個(gè)氣動(dòng)肌肉3由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器21進(jìn)行控制。主控制器22根據(jù)所設(shè)定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位姿軌跡對(duì)三個(gè)子控制器19、20、21進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
[0044]具體而言，首先由使用者完成對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)期望位姿軌跡的設(shè)定，并根據(jù)所需運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的抗干擾特性設(shè)定平臺(tái)各自由度方向上的等效剛度特性。主控制器根據(jù)以上設(shè)定，結(jié)合已知并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性及由子控制器所傳輸?shù)膫鞲衅餍畔?，?jì)算出各氣動(dòng)執(zhí)行器中的期望壓力，并將其傳輸至三個(gè)子控制器中。在子控制器中根據(jù)氣動(dòng)執(zhí)行器期望壓力和傳感器信息，計(jì)算出控制信號(hào)并將之傳輸至氣動(dòng)控制閥組中，進(jìn)而完成對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位姿的控制。在運(yùn)行過程中主控制器會(huì)通過子控制器實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿信息并將其反饋給使用者，以便使用者對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效的操作。
[0045]為具體說明運(yùn)動(dòng)平臺(tái)剛度特性對(duì)平臺(tái)抗干擾能力造成的影響，并實(shí)驗(yàn)該并聯(lián)平臺(tái)在合理控制器作用下所能達(dá)到的控制精度，在simulink中搭建三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真并對(duì)其進(jìn)行分析。仿真實(shí)例中氣缸內(nèi)徑為80mm，行程為0.15m ;氣動(dòng)肌肉內(nèi)徑為40mm,原長為0.6m。
[0046]在仿真模型中在不同的氣缸壓力下使得平臺(tái)穩(wěn)定在某一水平位置，并關(guān)閉所有控制閥，在0.5s時(shí)刻加入一個(gè)豎直向下大小為100N的干擾力。從圖3所示并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果可以明顯看出，通過增大氣缸作用腔壓力可以提高運(yùn)動(dòng)平臺(tái)豎直方向上剛度特性，在相同干擾作用下剛度越高平臺(tái)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間就越短，造成的穩(wěn)態(tài)影響也越小。但剛度特性的提高會(huì)帶來并聯(lián)平臺(tái)內(nèi)部各鉸接點(diǎn)作用力的上升，實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)引起鉸接點(diǎn)摩擦力的增加，故應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要合理設(shè)定并聯(lián)平臺(tái)各自由度剛度特性。[0047]選取8s為周期的正弦橫搖信號(hào)與IOs為周期的正弦升沉信號(hào)組成的復(fù)合信號(hào)作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)計(jì)基于非線性模型的變結(jié)構(gòu)魯棒控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的多自由度位姿跟蹤控制仿真實(shí)驗(yàn)。氣缸作用腔壓力設(shè)定為0.4Mpa，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖方向和橫搖方向設(shè)定為相同等效剛度，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的橫搖和高度的控制仿真效果信息如圖4所示。在合理設(shè)計(jì)的控制器作用下，該并聯(lián)平臺(tái)可完成較高精度的平臺(tái)位姿軌跡跟蹤控制，各自由度的平均跟蹤誤差小于0.5%，最大跟蹤誤差小于1%。
[0048]本發(fā)明采用兩組對(duì)偶?xì)鈩?dòng)肌肉與氣缸活塞力的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及氣缸的輔助支架等結(jié)構(gòu)，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)更穩(wěn)定和精度，有效增加了機(jī)構(gòu)的可靠性、運(yùn)行壽命和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
[0049]上述【具體實(shí)施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，包括固定平臺(tái)(I)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)，固定平臺(tái)(I)下方設(shè)有控制箱(11)，其特征在于:運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)與固定平臺(tái)(I)之間設(shè)有三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置通過控制箱(11)進(jìn)行控制；三組氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置包括連接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)與固定平臺(tái)(I)中心之間的一個(gè)氣缸機(jī)構(gòu)和兩組分別用于控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)縱搖位姿和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)橫搖位姿的氣動(dòng)肌肉組，兩組氣動(dòng)肌肉組安裝在氣缸機(jī)構(gòu)周圍，氣缸機(jī)構(gòu)連接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)與固定平臺(tái)(I)中心之間，氣缸機(jī)構(gòu)上端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)鉸接，氣缸機(jī)構(gòu)下端與固定平臺(tái)(I)固定連接；兩組氣動(dòng)肌肉組之間相互垂直安裝，每組氣動(dòng)肌肉組包括對(duì)稱安裝在氣缸機(jī)構(gòu)兩側(cè)的兩個(gè)氣動(dòng)肌肉機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的氣缸機(jī)構(gòu)包括氣缸(4)、氣缸輔助支架(8)、氣缸壓力傳感器(17)、氣缸位移傳感器(18)和氣缸連接座(9)，氣缸(4)活塞桿鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)底面中心，氣缸(4)下端通過氣缸連接座(9)固定連接在固定平臺(tái)(I)中心，氣缸(4)側(cè)面設(shè)有用于輔助氣缸(4)固定的氣缸輔助支架(8)，氣缸(4)的作用腔入口處設(shè)有氣缸壓力傳感器(17)，氣缸(4)上平行設(shè)有用于檢測運(yùn)動(dòng)平臺(tái)高度的氣缸位移傳感器(18)； 所述的氣動(dòng)肌肉組包括氣動(dòng)肌肉(3)、氣動(dòng)肌肉壓力傳感器(15)和氣動(dòng)肌肉位移傳感器(16)，氣動(dòng)肌肉(3)兩端分別鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2)與固定平臺(tái)(I)上，氣動(dòng)肌肉(3)上平行設(shè)有氣動(dòng)肌肉位移傳感器(16)，氣動(dòng)肌肉(3)的進(jìn)出氣口設(shè)有氣動(dòng)肌肉壓力傳感器(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的控制箱(11)內(nèi)包括氣動(dòng)三聯(lián)件(14)、氣缸控制閥(12)、四組氣動(dòng)肌肉控制閥組(13)、控制器組和用于供電的電源(23)，控制器組包括氣缸力子控制器(19)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器(20)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子 控制器(21)和主控制器(22);氣動(dòng)三聯(lián)件(14)通過氣管分別連接外氣源、氣缸控制閥(12)和四組氣動(dòng)肌肉控制閥組(13)，四組氣動(dòng)肌肉控制閥組(13)通過氣管分別連接兩組氣動(dòng)肌肉組中的四個(gè)氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣口，氣缸機(jī)構(gòu)、氣缸控制閥(12)分別與氣缸力子控制器(19)電連接，兩組氣動(dòng)肌肉組分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器(20)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器(21)電連接，四組氣動(dòng)肌肉控制閥組(13)分別與各自的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器(20)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器(21)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的氣動(dòng)肌肉(3 )通過鉸鏈連接座(5 )鉸接在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2 )與固定平臺(tái)(I)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的氣缸(4 )上端通過球頭關(guān)節(jié)軸承(6 )與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(2 )鉸接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的氣缸輔助支架(8)下端固接在固定平臺(tái)(I)上，氣動(dòng)肌肉(3)輸出軸與氣缸輔助支架(8)上端通過直線軸承(7 )套接。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的氣缸(4)的背壓腔出口設(shè)有消聲器(10)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的氣缸機(jī)構(gòu)中的氣缸壓力傳感器(17)、氣缸位移傳感器(18)與氣缸力子控制器(19)電連接，所述的兩組氣動(dòng)肌肉組中的各個(gè)氣動(dòng)肌肉壓力傳感器(15)、氣動(dòng)肌肉位移傳感器(16)分別與各自的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱搖位姿子控制器(20)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)橫搖位姿子控制器(21)電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種三自由度氣動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)，其特征在于:所述的鉸鏈連接座(5)為球鉸或胡 克鉸。
【文檔編號(hào)】B25J9/00GK103878764SQ201410107076
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】陶國良, 左赫, 劉昊 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)