[发明专利]气动混联机构的三自由度运动模拟器

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体驱动的运动模拟器，尤其涉及气动混联机构的三自由度运动模拟器，是一种利用气缸和气动人工肌肉混合驱动，实现了兼备并联和串联机构的新型气动混联机构的三自由度运动模拟器。

技术背景

并联机构具有刚度大、承载能力强、自重负荷比小、响应速度快、动力性能好等特点，特别适合于工作空间较小、负载却较大的应用场合。目前国内外绝大多数并联系统是电机或液压驱动的。对于电机系统来说，电动机起动容易，且可设计成低转动惯量，加减速特性都很好，但要获得大的功率输出，会造成电动机的质量体积较大。新型驱动器的研究、开发及应用，一直是科学研究的重要方向之一。一类基于生物肌肉运动原理而设计开发出来的驱动器-气动人工肌肉(简称PMA)，近年来得到了广泛的研究与应用。气动人工肌肉具有机构简单、紧凑，安装简便，高度柔性，价格低廉使用安全，高效节能，重量小，输出力/自重量比很高，能自缓冲，自带阻尼，无内泄漏，且防尘抗污染能力强等特点。同时，气动人工肌肉还具有与生物肌肉类似的力学特性，所以在运动模拟器的驱动方面表现出非凡的应用前景。

目前，国内外许多研究工作者都在进行气动人工肌肉的系统应用研究。

在国内，华中科技大学提出一种基于气动人工肌肉的并联机器人平台，作为水中运动模拟装置；上海交通大学研究了气动人工肌肉并联驱动的多自由度平台；浙江大学提出一种机构简单的气动人工肌肉并联关节。

尽管并联机构具有较高的刚度/精度之比和较高的承载/强度之比，且驱动方便。但是并联机构缺乏串联机构工作空间大的特点，因此其工作空间往往比较小，不适合工作空间较大的应用领域。串联和并联机构各有其优缺点，这些优缺点具有互补的关系，在机构上和性能特点上也具有对偶关系。从工作空间和性能价格比等综合效果来看，气动混联机构更具使用价值。因此，在机构设计和实际应用当中，可以用一种将串联和并联有机结合起来的机构，即气动混联机构，充分发挥串、并联机构各自的优点，进一步提高了运动模拟器的性能。

根据以上所述，本发明设计了由一个气动人工肌肉驱动的两自由度空间并联机构和一个由气缸驱动的行程可测的串联机构组成的新型气动混联机构三自由度运动模拟器，使之充分发挥串、并联机构各自的优点，进一步扩大了运动模拟器的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有气动混联机构的三自由度运动模拟器；驱动方式采用气缸和气动人工肌肉混合驱动；运动模拟器由一个两自由度空间并联机构和一个行程可测的气缸串联机构组成。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的气动混联机构的三自由度运动模拟器，包括一个气动人工肌肉驱动的两自由度空间并联机构和一个由气缸驱动的行程可测的串联机构组成和气动控制机构；其中，空间并联机构由第一角度传感器、第二角度传感器、十字轴、胡克铰、气动人工肌肉、上平台和下平台组成；下平台设计成草帽形状，上平台和下平台顶部之间采用胡克铰联接，用于实现并联机构的两个转动自由度；串联机构由气缸、底座、直线轴承、导轨和法兰组成，其中气缸的伸缩量能够实现模拟器整体上下运动的自由度；串联机构通过螺纹同并联机构的下平台联接；气动控制机构包括四个电气比例阀和一个比例方向控制阀，用于实现三自由度运动模拟器的伺服控制。

所述人工肌肉有四根，由柔性钢丝联接在上平台和下平台之间；四根导轨垂直安装底座上，第一角度传感器和第二角度传感器安装在胡克铰的十字轴上；并联机构的上平台具有绕X轴和绕Y轴的两个转动自由度，这两个独立的转动自由度各自使用一对气动人工肌肉对拉来实现，其转动角度分别可由安装在胡克铰十字轴上的第一角度传感器和第二角度传感器测得；四根导轨用于防止并联机构整体沿气缸轴向转动和在气动肌肉未充气时给上平台提供支撑力。

所述气动控制机构的四个电气比例阀用于驱动四根气动人工肌肉，通过控制气动人工肌肉的腔内压力并利用第一角度传感器和第二角度传感器反馈运动模拟器绕X轴和Y轴的角度信号来实现气动人工肌肉的位置伺服控制；所述的比例方向控制阀用于驱动气缸，通过控制流入气缸的流量并利用气缸的反馈位移来实现气缸的位置伺服控制。

所述胡克铰包括十字轴和四个L形状的块，这四个块与十字轴的四个轴用轴承联接，实现并联机构上平台的转动带动十字轴的转动。

工作时，先给四根气动人工肌肉充气预紧，再让气缸升高至所需位置，使上平台与四根导轨脱离接触，保证了上平台的转动空间。通过控制气缸行程可以使并联机构整体实现升降，分别控制四根气动肌肉的收缩或伸长可以实现并联机构上平台转动。并联机构升降时，其下平台通过直线轴承在导轨上滑动。