[发明专利]机械协调冗余容错驱动装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种驱动装置，具体地说，是涉及一种具有机械协调的多输入单输出且具有差动输出能力和容错功能的无过约束驱动装置。

背景技术

大型重载多自由度装备越来越多地被用作运动模拟器来模拟地震、海浪以及飞行器的空间多维运动，特别是作为大型地震模拟器，为了保证使用寿命并可获得强大的驱动力，驱动源被限制在液压驱动上，多采用大型伺服油缸的冗余支链驱动，并配备大型蓄能装置(N.Ogawa，K.Ohtani，T.Katayama and H.Shibata.Construction of a three-dimensional，large-scale shaking table and development of core technology.Philosophical Transactions：Mathematical，Physical and Engineering Sciences.2001，359(1786)：1725-1751.)。这种液压的驱动方式会带来两个方面的问题：一是液压系统的使用具有一定的局限性，大型伺服油缸驱动需配备大型蓄能装置，导致设备庞大，制造、维护费用高，液压油易泄漏造成控制精度降低、环境污染，内部摩擦力大导致传动效率降低、浪费能源，液压油对温度和尘土敏感使之不能在高温、低温或灰尘多的工作环境下工作；另一方面液压系统不利于实时控制，其具有较大的时滞已是不争的事实，液压系统中的力矩马达和衔铁的惯性、液压油的泄漏和压缩以及刚体和油管的膨胀是三个导致时滞的主要原因，并通过试验发现时滞时间在低频(1Hz-3Hz)时约为65ms，且随频率增大(大于4Hz)时滞也相应增大，使得控制指令不能很好的完成(王向英.结构地震模拟振动台混合试验方法研究[D].哈尔滨工业大学，2010.)，产生较大的误差，甚至影响控制的稳定性。由于时滞的影响不能从液压系统硬件方面进行彻底的解决，一些学者分别采用移相法、泰勒级数展开法和预估状态向量法对液压系统时滞进行补偿，这些研究虽使得时滞的不利影响有了一定的改善，但也大大提高了控制的复杂度，增加了控制计算中的负担，减弱了系统的实时性，不具备实际意义。

虽然伺服电机无上述缺点，但大扭矩、大功率电机研发困难，造价高昂，导致基于大电机驱动的重载设备很难形成产品推向市场(赵升吨，张志远，何予鹏.机械压力机交流伺服电动机直接驱动方式合理性探讨[J].锻压装备与制造技术2004，39(006)，19-23.)。而多个小功率电机并行驱动会因为系统误差、刚性连接等原因，造成较大的内力，导致传动部件寿命缩短，甚至损坏系统。

中国专利申请CN101916520A公开了一种并联式六维输出二十八输入冗余容错驱动模拟器，涉及到一种两电机驱动的冗余容错接口模块，但该接口模块不具备多电机驱动的能力，正如该专利所述，若采用多电机驱动，需要增加杆件组，而过多地增加杆件必然导致传动链变长且机构复杂，降低了传动支链的刚度，增加了数学模型和控制的复杂度。

现有技术中使用冗余驱动支链提高大型重载装备的驱动能力，但并未解决冗余支链过约束所引起的问题，系统也不具备协调冗余驱动支链间受力不均匀的容错模块。无论是液压的冗余驱动还是电机的冗余驱动，都存在冗余驱动引起的过约束问题。过约束对系统的变形和制造、装配及控制误差敏感，其存在对系统的影响主要表现在以下几个方面：1)导致构件及运动副元素在运转过程中的强制变形，使运动副中的作用力急剧增大，机械效率降低；还使运动服的磨损加快，降低机械工作的可靠性、精度和使用寿命；2)要求各部件具有较高的制造精度、装配精度和结构刚度，提高了制造、设置拆卸的难度和成本；3)对控制精度要求较高，不允许地位对等的约束任何一方出现运行故障，也不允许出现较大的控制误差，提高了控制系统的成本和难度。一般的电气机械驱动单元刚度较大，当存在系统误差或控制误差时，各冗余驱动单元间的受力不均衡，为避免该缺陷，现有技术需使用力反馈控制，而在重载、高速场合必须使用动力特性好、承载能力强的力传感器，且控制算法复杂并引入新的非线性化因素，导致控制难度和制造成本大幅度提高，控制的稳定性和鲁棒性下降。液压冗余驱动虽因液压油的非绝对不可压缩性和低刚性而对过约束表现出一定的容忍性，但一旦出现大的误差和地位对等的驱动源中有一个或几个出现故障，也必然造成各冗余驱动单元间的受力不均衡，以致影响部件寿命，甚至损坏部件造成设备倾覆等灾难性事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于电机控制的具有机械协调的多输入单输出且具有差动输出能力和容错功能的驱动装置，以克服现有技术的上述不足。