[发明专利]稳定性训练用模块化组合式运动平台及其限幅随机运动规划与控制方法

摘要

稳定性训练用模块化组合式运动平台及其限幅随机运动规划与控制方法，它涉及一种机器人及其控制方法。本发明为解决现有的串并联机构运动平台无法重组为不同自由度的机构构型，和未提供以平台的限幅随机运动模拟环境扰动的运动生成及控制方法的问题。设计了中心支撑模块、立柱模块、球铰连杆模块、二自由度动平台模块、单自由度动平台模块、无自由度动平台模块，应用此六种模块能组合出自由度数在二至六个的六种不同机构构型，并提供了一种动平台限幅随机运动的实时规划和控制方法。以所设计运动平台的二自由度组合形式进行了加载条件下的运动测试实验，验证了所提供的组合方法和控制方法的有效性。本发明应用于串/并联机器人领域。

主权项

1.一种稳定性训练用模块化组合式运动平台，其特征在于，所述运动平台为串并联机构运动平台，可组合成为最多具有六个自由度的机构构型，此构型下运动平台由中心支撑模块(1)、y向连接杆(2)、x向连接杆(3)、立柱连接杆(4)、立柱模块(5)、球铰连杆模块(6)、二自由度动平台模块(7)组成；其中y向连接杆(2)、x向连接杆(3)、立柱连接杆(4)各有两根，y向连接杆(2)连接中心支撑模块(1)和x向连接杆(3)；x向连接杆(3)连接y向连接杆(2)和x轴方向上的两个立柱模块；立柱连接杆(4)连接y轴方向上的两个立柱模块(5)；即相对的两个x向连接杆(3)和相对的两个立柱连接杆(4)围合成矩形框，两个y向连接杆(2)位于所述矩形框中部内，平行设置的两个y向连接杆(2)的端部与对应的x向连接杆(3)垂直连接，中心支撑模块(1)安装在两个y向连接杆(2)之间；中心支撑模块(1)、立柱模块(5)、球铰连杆模块(6)、二自由度动平台模块(7)的数量各为一个、四个、四个、一个，二自由度动平台模块(7)位于四个立柱模块(5)内，二自由度动平台模块(7)与位于其下的中心支撑模块(1)相连，四个球铰连杆模块(6)将四个立柱模块(5)与二自由度动平台模块(7)的四角分别相连；中心支撑模块(1)的支撑座(1‑1)的两侧立板加工有与y向连接杆(2)连接的机械接口，支撑座(1‑1)上装有两个多节伸缩导杆(1‑2)和两根气弹簧(1‑3)，平移支撑板(1‑4)与多节伸缩导杆(1‑2)和气弹簧(1‑3)上端的接口相连，转轴套杯(1‑5)固定于平移支撑板(1‑4)中心的定位孔内，一对转轴轴承(1‑6)放于转轴套杯(1‑5)内，转轴轴承(1‑6)的内圈与下叉架(1‑7)下端的出轴配合，四个摆动轴承(1‑8)分别套装于中心十字轴(1‑9)的四个轴颈上，并将其外圈分别装入正交布置的下叉架(1‑7)和上叉架(1‑10)的四个轴承座孔内，上叉架(1‑10)上端的定位止口与中心支撑板(1‑11)的定位孔配合，中心支撑板(1‑11)的上表面加工有固定二自由度动平台模块(7)的机械接口，用于测量动平台姿态的陀螺仪(1‑12)安装于中心支撑板(1‑11)上；每个立柱模块(5)由立柱槽钢(5‑1)和直线运动单元(5‑2)组成，立柱槽钢(5‑1)的主体为槽钢型材，加工有用于安装直线运动单元(5‑2)和分别用于连接x向连接杆(3)和立柱连接杆(4)的机械接口；直线运动单元(5‑2)包括单元底座(5‑2‑1)、后端盖板(5‑2‑2)、两个行程开关(5‑2‑3)、直流伺服电动机(5‑2‑4)、小同步带轮(5‑2‑5)、同步齿形带(5‑2‑6)、大同步带轮(5‑2‑7)、前端盖板(5‑2‑8)、两个丝杆支撑座(5‑2‑9)、两个丝杆轴承(5‑2‑10)、两个直线滑轨(5‑2‑11)、两个滑块(5‑2‑12)、单元运动块(5‑2‑13)、滚珠丝杆螺母(5‑2‑14)、滚珠丝杆(5‑2‑15)、行程开关挡片(5‑2‑16)、顶端防护盖(5‑2‑17)；其中单元运动块(5‑2‑13)的顶面加工有与球铰连杆模块(6)连接的机械接口，滚珠丝杆螺母(5‑2‑14)内套装滚珠丝杆(5‑2‑15)并安装于单元运动块(5‑2‑13)的孔内，单元运动块(5‑2‑13)的底面与两个滑块(5‑2‑12)螺钉连接，两个滑块(5‑2‑12)分别套装于两个直线滑轨(5‑2‑11)上，滚珠丝杆(5‑2‑15)的前后两端分别套装有两个丝杆轴承(5‑2‑10)，后者分别装入两个丝杆支撑座(5‑2‑9)的轴承座孔内，两个丝杆支撑座(5‑2‑9)和两个直线导轨(5‑2‑11)均安装于单元底座(5‑2‑1)上；单元底座(5‑2‑1)的前后两端分别装有前端盖板(5‑2‑8)和后端盖板(5‑2‑2)，滚珠丝杆(5‑2‑15)的前端轴伸通过前端盖板(5‑2‑8)并与大同步带轮(5‑2‑7)连接，直流伺服电动机(5‑2‑4)安装于前端盖板(5‑2‑8)的后表面，且电动机出轴上套装小同步带轮(5‑2‑5)，大同步带轮(5‑2‑7)和小同步带轮(5‑2‑5)上套装有同步齿形带(5‑2‑6)；单元底座(5‑2‑1)的侧面装有沿前后向布置的两个行程开关(5‑2‑3)，单元运动块(5‑2‑13)的侧面装有行程开关挡片(5‑2‑16)；两个丝杆支撑座(5‑2‑9)顶面安装顶端防护盖(5‑2‑17)；每个球铰连杆模块(6)包括下球铰A叉架(6‑1)、下球铰轴承(6‑2)、下球铰十字轴(6‑3)、下球铰B叉架(6‑4)、立转定位套(6‑5)、立转轴(6‑6)、立转轴承(6‑7)、立转轴承套杯(6‑8)、连杆(6‑9)、紧固螺杆(6‑10)、上球铰B叉架(6‑11)、上球铰轴承(6‑12)、上球铰十字轴(6‑13)、上球铰A叉架(6‑14)、立柱连接架(6‑15)；其中下球铰A叉架(6‑1)和上球铰A叉架(6‑14)为相同零件，下球铰十字轴(6‑3)与上球铰十字轴(6‑13)为相同零件，下球铰轴承(6‑2)与上球铰轴承(6‑12)为相同部件；下球铰十字轴(6‑3)的四个上轴颈均套装有一个下球铰轴承(6‑2)；下球铰A叉架(6‑1)和下球铰B叉架(6‑4)的轴承座孔正交布置，且将每个下球铰轴承(6‑2)的外圈分别装入其中；由上球铰B叉架(6‑11)、上球铰轴承(6‑12)、上球铰十字轴(6‑13)、上球铰A叉架(6‑14)构成的上球铰的零部件装配关系与下球铰一致；立转轴(6‑6)上装有一对立转轴承(6‑7)并整体装入立转轴承套杯(6‑8)内，立转轴承套杯(6‑8)与下球铰B叉架(6‑4)间通过立转定位套(6‑5)定位，立转轴(6‑6)的上端轴段有螺纹结构旋入连杆(6‑9)下端的螺纹孔内固定；紧固螺杆(6‑10)穿过上球铰B叉架(6‑11)下端的定位孔，并旋入连杆(6‑9)上端的螺纹孔内固定；上球铰A叉架(6‑14)通过其上端的定位止口与立柱连接架(6‑15)的定位孔定位，两者由螺纹连接固定；二自由度动平台模块(7)由两个正交布置的驱动层单元(7‑1)和位于其上的一个台面单元(7‑2)组成，其中驱动层单元(7‑1)的平台框架(7‑1‑1)是通过型材搭结而成的框架结构；四块滑轨底板(7‑1‑2)对称布置于平台框架(7‑1‑1)的上表面，其中的三块滑轨底板(7‑1‑2)上安装有由导轨支座(7‑1‑5)、圆形导轨(7‑1‑4)、导轨滑块(7‑1‑3)构成的导轨/滑块移动导向装置，还有一块滑轨底板(7‑1‑2)上安装有直线运动单元(7‑1‑6)，此直线运动单元(7‑1‑6)和立柱模块(5)中使用的直线运动单元(5‑2)结构相同，但零部件尺寸不同；平台框架(7‑1‑1)的下表面安装有四块对称布置的滑块连接板(7‑1‑7)；动平台的台面层单元(7‑2)由台面框架(7‑2‑1)、台面板(7‑2‑2)、台面滑块连接板(7‑2‑3)组成，其中台面框架(7‑2‑1)和台面滑块连接板(7‑2‑3)分别与驱动层单元(7‑1)中的平台框架(7‑1‑1)和滑块连接板(7‑1‑7)为相同零部件，且台面滑块连接板(7‑2‑3)在台面框架(7‑2‑1)上的布置方式也与滑块连接板(7‑1‑7)在平台框架(7‑1‑1)上的布置方式相同；台面板(7‑2‑2)为一块或数块拼接而成的刚性平板，其上加工有连接球铰连杆模块(6)的连接接口和用于安装台面表层的安装接口；除上述二自由度动平台模块(7)外，使用驱动层单元(7‑1)和台面单元(7‑2)还能组合出单自由度动平台模块(8)和无自由度台面模块(9)；其中单自由度动平台模块(8)由一个驱动层单元(7‑1)和一个台面单元(7‑2)组成，无自由度台面模块(9)为拆去四块台面滑块连接板(7‑2‑3)的台面层单元(7‑2)。