液压式围绕z轴无限旋转的模拟器平台的制作方法

专利名称：液压式围绕z轴无限旋转的模拟器平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种驾驶模拟器平台，尤其是涉及一种液压式围绕Z轴无限旋转的模 拟器平台。
背景技术：
驾驶模拟器是模拟驾驶体验的机械装置，尽可能的模拟在真实设备中的感觉(如 车辆的振动、上下坡、转弯等)，用于在室内训练驾驶员，驾驶员不会因模拟驾驶中的事故而 受伤。驾驶模拟器的特性决定了它具有以下优点1)安全性好，使用驾驶模拟装置可以安 全地进行高速、极限行驶以及非常危险的安全性实验，可大幅提高训练的安全性；2)复现 性好，由于车辆状态和实验条件等因素很难控制，实车试验再现性较差，使用驾驶模拟器则 可以方便地进行数据采集、车辆模型的选择和模拟环境的设定，复现性好；3)经济性高，与 真车试验相比，驾驶模拟器可以软件环境中设定各种实验条件和参数，大幅提高训练效率、 各种环境及参数的可变性，而成本不会增加；4)驾驶模拟器有利于相关设备的研发，帮助 设计者迅速发现设计缺陷、错误，从而降低研发成本，缩短开发周期。因此，驾驶模拟器常常用来代替真实设备，以训练操作者对真实设备的操纵能力 以及研发相关设备作模拟，驾驶模拟器在飞机、车辆及船舶等驾驶员高级培训中的应用越 来越普遍。 国外方面早在1929年美国的埃德文 林克就设计了第一台飞行驾驶模拟器，并逐 渐应用到车辆驾驶模拟器及航海驾驶模拟器，在驾驶模拟及工程开发中得到广泛的应用。 国内方面北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都对驾驶模拟器进行了相关研究，北京蓝 天航空科技有限公司也研制了飞行驾驶模拟器；吉林大学、南京大学、也开发了汽车驾驶模 拟器，装甲兵工程学院研制了水陆坦克驾驶训练模拟器；浙江大学与大连海事大学联合开 发了航海驾驶模拟器等。先进的驾驶模拟器一般由一个高仿真的驾驶舱和一个六自由度运动模拟平台等 组成。驾驶舱内布置的方向盘、油门、刹车、挡位等与被模拟的对象在布局上和功能性能上 几乎一致，操作人员通过对其操作来控制运动模拟平台的运动，使人身临其境获取真实的 感观。六自由度运动模拟平台都是基于经典的Stewart结构，如图1所示，它包括动平台、 静平台、并分别通过铰链或万向节与六个液压缸连接，通过对六个油缸的独立控制，可以实 现动平台在X、Y、Z三个方向的移动与转动，以模拟车辆的垂直平移、水平平移、横向平移、 俯仰、侧倾和旋转六个自由度的运动，达到驾驶员与坐在真实设备里面驾驶类似的感觉的 目的。这种六自由度运动模拟平台具有结构简单、传动链短、刚度大、质量轻、成本低、可 控性、无破坏性、可靠性、安全性以及出色的动力学性能，特别是很容易实现“六轴联动”，具 有良好的动态性能和高的位置精度等优点，但它同时具有工作行程短、各方向转向角度小 等问题。它最大的缺点就是围绕ζ轴旋转的角度非常有限，其旋转到极限位置时如图2所 示，这种结构应用于驾驶模拟器时大大降低了模拟转弯时驾驶员的真实感受。
同时，由于模拟器平台的运动行程有限，不可能完全再现真实设备的运动轨迹 (如长距离上下坡、90度直角转弯等)，因此为了能产生连续的真实感，在完成一次运动后， 必须采用特殊的算法使得模拟器平台缓慢地返回到中位，以确保下一步运动模拟具有足够 的行程，这种算法被称为洗出(Washout)滤波算法。洗出(Washout)滤波算法的目标是在受限的模拟器工作空间内复现真实环境中 人所能感受到的角速度和力，将真实设备动力学模型输出的信号中人体无法感受到的高频 和低频部分滤掉，减少运动平台的动作量，并在适当的时候将平台的位置带回到中位附近， 以提供较大的工作空间。由于在车辆驾驶中，由于车辆自身的限制，道路的俯仰(绕Y轴转动)、侧倾(绕X 轴转动)一般不会超过30°，因此模拟器模拟俯仰、侧倾基本能符合实际情况；然而车辆在 转弯时不可能就这么一个角度，其有可能是90°直角转弯，也有可能是180°掉头，模拟器 偏航(即绕Z轴转动)角度则远远小于实际需求。如果模拟器平台能有更大的偏航角度，则对洗出(Washout)滤波算法降低了要 求，并且更能符合模拟驾驶的感受
发明内容
针对各种洗出滤波算法不能消除真实感受与驾驶模拟器的运动感觉之间的差异， 特别是不能围绕Z轴方向连续旋转的缺点，本发明提供了一种液压式围绕Z轴无限旋转的 模拟器平台。本发明采用的技术方案是本发明包括静平台基础，动平台和支撑静平台基础、动平台的六套结构完全相同 的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座、液压缸和液压缸下底座；其特征在于静平 台基础上端依次同轴固定有环形齿轮和环形导轨，六套移动部件中的滑块下端分别与环形 导轨滑动连接，每套移动部件的上端分别与各自的液压缸下底座连接，每套支腿结构的液 压缸上底座均勻分布在动平台上；每套移动部件中的滑块的上端与滑块固定板连接，L型 的电机固定板安装在滑块固定板一侧的中部，液压马达安装在电机固定板的下端，液压马 达输出轴与传动轴连接，外齿轮套在传动轴上并与环形齿轮啮合，滑块固定板下侧的四个 角上分别安装滑轮，两个滑轮的凹槽与环形导轨外侧面的凸边相贴合，另外两个滑轮的凹 槽与环形导轨内侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础内的液压控制箱中的液压油路与分 别六个液压马达连接，并且液压控制箱能随动平台围绕Z轴转动。所述的液压控制箱中的液压系统，包括液压马达、液压锁、换向阀、节流阀、两个单 向阀、溢流阀，液压泵，过滤器，电机和蓄能器；电机经联轴器与液压泵连接，液压泵的吸油 口经过滤器接油箱，液压泵的出油口的高压油分三路，第一路接蓄能器，第二路接溢流阀的 进油口，溢流阀的出油口通往油箱，第三路接第一单向阀的进油口，第一单向阀的出油口分 别经第二单向阀和节流阀接换向阀的进油口，换向阀的出油口通往油箱，换向阀另外两个 油口接液压锁的进油口，液压锁的两个出油口接液压马达。所述的环形齿轮可以是内齿轮，也可是外齿轮。本发明具有的有益效果是1、驾驶模拟器平台可以围绕Z轴无限旋转，避免了围绕Z轴旋转方向的洗出滤波算法，从而有效地提高模拟的真实性。
2、有效地提高了 X、Y、Z三个方向，特别Z方向上的行程。3、大大增加了驾驶模拟器平台的工作空间。本发明可以应用于飞机、各种车辆及船舶等的高级驾驶模拟器。


图1是经典的Stewart模拟器平台图。图2是经典的Stewart模拟器平台旋转到极限位置图。图3是本发明的总体示意图。图4是本发明的总体结构图。图5是本发明移动移动部件结构图。图6是本发明移动移动部件沿着A-A方向的剖视图。图7是本发明液压系统原理图。图中1、静平台基础，2、移动部件，3、液压缸下底座，4、液压缸，5、液压缸上底座， 6、动平台，7、液压控制箱，8、液压马达，9、传动轴，10、外齿轮，11、环形齿轮，12、环形导轨， 13、滑块，14、滑块固定板，15、滑轮，16、液压锁，17、换向阀，18、节流阀，19、第一单向阀，20、 溢流阀，21、液压泵，22、过滤器，23、油箱，24、电机，25、蓄能器，26、第二单向阀，27、液压系 统，28、模拟器座舱，29、电机固定板，30、控制箱固定板，31、旋转基础台。
具体实施例方式以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。如图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明包括静平台基础，动平台和支撑静平台基 础、动平台的六套结构完全相同的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座5、液压缸4 和液压缸下底座3 ；其特征在于静平台基础1上端依次同轴固定有环形齿轮11和环形导 轨12，六套移动部件2中的滑块13下端分别与环形导轨12滑动连接，每套移动部件2的上 端分别与各自的液压缸下底座3连接，每套支腿结构的液压缸上底座5均勻分布在动平台6 上；每套移动部件2中的滑块13的上端与滑块固定板14连接，L型的电机固定板29安装 在滑块固定板14 一侧的中部，液压马达8安装在电机固定板29的下端，液压马达8输出轴 与传动轴9连接，外齿轮10通过键套在传动轴9上并与环形齿轮11啮合，滑块固定板14 下侧的四个角上分别安装滑轮15，两个滑轮15的凹槽与环形导轨12外侧面的凸边相贴合， 另外两个滑轮15的凹槽与环形导轨12内侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础1内的液 压控制箱7中的液压油路与分别六个液压马达8连接，并且液压控制箱7能随动平台6围 绕Z轴转动。所述的液压控制箱7中的液压系统27，包括液压马达8、液压锁16、换向阀17、节 流阀18、两个单向阀19，26、溢流阀20，液压泵21，过滤器22，电机24和蓄能器25 ；电机24 经联轴器与液压泵21连接，液压泵21的吸油口经过滤器22接油箱23，液压泵21的出油口 的高压油分三路，第一路接蓄能器25，第二路接溢流阀20的进油口，溢流阀20的出油口通 往油箱，第三路接第一单向阀19的进油口，第一单向阀19的出油口分别经第二单向阀26 和节流阀18接换向阀17的进油口，换向阀17的出油口通往油箱，换向阀17另外两个油口接液压锁 16的进油口，液压锁16的两个出油口接液压马达8。所述的环形齿轮11可以是内齿轮，也可是外齿轮。静平台基础1上固定着环形齿轮11，环形齿轮11上面安装有环形导轨12，六套移 动部件2分别安装在环形导轨12上，因此每套移动部件2都可以在环形导轨12上移动。每套移动部件2上安装有液压缸下底座3，液压缸下底座3通过球铰链与液压缸4 的下端连接，液压缸4的上端通过球铰链与液压缸上底座5连接，六个液压缸上底座5分别 平均地安装在动平台6上。液压缸下底座3与液压缸4、液压缸4与液压缸上底座5之间的链接也可以通过万 向节连接。移动部件2 包括液压马达8、传动轴9、外齿轮10、滑块13、滑块固定板14、滑轮 15、电机固定板29。移动部件2中的滑块13位于环形导轨12上，并主要依靠滑块I3承受 动平台6上传下来的垂向的作用力，以及在环形导轨12上滑动。滑块13的上端与滑块固定板14连接，滑块固定板14下侧的四个角上分别安装四 个滑轮15，滑轮15的凹槽与环形导轨12侧面的凸边相贴合，这样滑轮15也可以沿着环形 导轨12的侧面滑动，并且环形导轨12的两个侧面各有两个滑轮15，因此滑轮15也可以承 受动平台6上传下来的侧向作用力。同时，滑块固定板14 一侧的中部安装有L型的电机固定板29，电机固定板29连接 液压马达8，液压马达8的轴与传动轴9连接，传动轴9又通过键与外齿轮10连接，并且外 齿轮10与环形齿轮11啮合，因此，液压马达8转动会带动传动轴9转动，并带动外齿轮10 围绕环形齿轮11转动。所述的环形齿轮11可以是内齿轮，也可是外齿轮。当环形齿轮11是内齿轮时，液 压马达8、传动轴9、外齿轮10均位于环形齿轮11的圈内；当环形齿轮11是外齿轮时，液压 马达8、传动轴9、外齿轮10均位于环形齿轮11的圈外。有一块水平放置的控制箱固定板30通过滑块与具有环形导轨的旋转基础台31连 接，液压控制箱7安装在控制箱固定板30上，控制箱固定板30下侧的中心与一个固定的电 机连接。当传感器检测到动平台6旋转的角度，驱动器驱动液压控制箱7的电机转动相同 的角度，因此不管动平台6旋转多少圈，控制箱7也旋转多少圈，连接在液压马达8上的油 管不会缠绕甚至团缩在一起。液压控制箱7里面装有液压系统27、控制器、驱动器等，液压控制箱7连接出来的 各种控制线与液压系统27的电机24连接，控制伺服电机8的旋转角度，配合液压缸4的伸 缩，达到控制动平台6的位置与姿态的目的；液压控制箱7与外部的通讯依靠无线通讯，以 解决通讯数据线由于液压控制箱7的不断旋转而缠绕的问题；液压控制箱7的电源线则比 较长，保证液压控制箱7在旋转的过程中电源线不会团缩在一块。图7是本发明液压系统27的工作原理图，包括液压锁16，换向阀17、节流阀18， 第一单向阀19，溢流阀20，液压泵21，过滤器22，油箱23，电机24，蓄能器25，第二单向阀 26。电机24带动液压泵21转动并将液压油通过过滤器22打起，高压的液压油分三路，一 路通往蓄能器25以确保压力不小于某个值，另一路通过溢流阀20通往油箱23以确保压力 不大于某个值，还有一路通过第一单向阀19进口确保高压的液压油不回流，第一单向阀19 的出口与节流阀18连接，第二单向阀26与节流阀18并联起到调速阀的作用，节流阀18的另一端与换向阀17连接，换向阀17主要起锁死位置、正转、反转的作用，换向阀17的另一 端与液压锁16连接，液压锁16的另一端与液压马达8连接。整套系统共有12套类似的液压系统27，其中6套分别驱动6个液压马达8，另外 6套分别驱动6个液压缸4 (将液压系统27中的液压马达8替换为液压缸4即可)。整个系统的工作流程如下1.计算机检测模拟器应该处于的位置、姿态，并通过位姿反解得到各个液压缸4 伸长的长度或液压马达8旋转的角度或者是两者的组合；此时，如果液压马达8不旋转，只 有液压缸4伸缩，就是相当于一个Stewart平台；如果液压缸4不运动，只有伺服电机不旋 转，也可实现平台六个自由度的运动，但工作空间就小了很多；如果既要液压缸4伸缩，还 要液压马达8旋转，也能满足平台六个自由度运动的需求，而且位姿反解得到的解更多，可 以根据不同的情况选择不同的解，即液压缸4伸缩多少，液压马达8旋转多少有更多的选 择；2.当模拟器需要转弯时，将真实设备需要转弯的半径计算转变为模拟器座舱28 及动平台6在静平台基础1旋转的角度，因此，每个移动部件2旋转的角度相同，即液压马 达8的旋转量相同；此时，液压缸4仍然保持不断的伸缩状态，保证转弯时其它的感觉(如 上下坡即俯仰、路面侧倾)与真实设备类似；3.由于在此运动过程中动平台6发生了旋转，传感器检测到此旋转，驱动器立即 驱动连接控制箱 固定板30的电机转动相同的角度，保证液压控制箱7与动平台6围绕Z轴 旋转的角度相同，由于固定液压马达8的移动部件2与动平台6之间通过是通过液压缸4 连接，因此它们之间的最远距离就是液压缸4最大伸长量的长度，而液压控制箱7与动平台 6保持了相同的角度，因此液压控制箱7与移动部件2上的液压马达8的最远距离也可确 定，这个最远距离即是液压马达8的控制线的长度，不管整个平台怎么运动，此长度都可以 保证液压马达8的控制线连接在液压控制箱7上；4.当真实设备运动至不同的位置时，即模拟器座舱28在动平台6上的位置与姿态 处于不同的状态，只需要液压缸4伸长或缩短至相应的长度或各个移动部件2旋转至不同 的角度即可，也可以液压缸4伸缩、各个移动部件2旋转组合运动也可达到使得动平台6处 于不同的位置与姿态的目的；由于单独伸缩液压缸4或者液压马达8的旋转都可以实现平 台六个自由度的运动，因此如果将两者结合起来，平台的运动空间起到了累加的效果，比传 统的Stewart平台的工作空间更大。
权利要求
1.一种液压式围绕Z轴无限旋转的模拟器平台，包括静平台基础，动平台和支撑静平 台基础、动平台的六套结构完全相同的支腿结构，每套支腿结构包括液压缸上底座(5)、液 压缸⑷和液压缸下底座⑶；其特征在于静平台基础⑴上端依次同轴固定有环形齿轮 (11)和环形导轨(12)，六套移动部件中的滑块(13)下端分别与环形导轨(12)滑动连接， 每套移动部件(2)的上端分别与各自的液压缸下底座(3)连接，每套支腿结构的液压缸上 底座(5)均勻分布在动平台(6)上；每套移动部件(2)中的滑块(13)的上端与滑块固定板 (14)连接，L型的电机固定板(29)安装在滑块固定板(14) 一侧的中部，液压马达(8)安装 在电机固定板(29)的下端，液压马达(8)输出轴与传动轴(9)连接，外齿轮(10)套在传动 轴(9)上并与环形齿轮(11)啮合，滑块固定板(14)下侧的四个角上分别安装滑轮，两个滑 轮的凹槽与环形导轨(12)外侧面的凸边相贴合，另外两个滑轮的凹槽与环形导轨(12)内 侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础(1)内的液压控制箱(7)中的液压油路与分别六个 液压马达连接，并且液压控制箱(7)能随动平台(6)围绕Z轴转动。
2.根据权利要求1所述的一种液压式围绕Z轴无限旋转的模拟器平台，其特征在于 所述的液压控制箱⑵中的液压系统(27)，包括液压马达(8)、液压锁(16)、换向阀(17)、 节流阀(18)、两个单向阀(19，26)、溢流阀(20)，液压泵(21)，过滤器(22)，电机(24)和蓄 能器(25)；电机(24)经联轴器与液压泵(21)连接，液压泵(21)的吸油口经过滤器(22)接 油箱(23)，液压泵(21)的出油口的高压油分三路，第一路接蓄能器(25)，第二路接溢流阀 (20)的进油口，溢流阀(20)的出油口通往油箱，第三路接第一单向阀(19)的进油口，第一 单向阀(19)的出油口分别经第二单向阀(26)和节流阀(18)接换向阀(17)的进油口，换 向阀(17)的出油口通往油箱，换向阀(17)另外两个油口接液压锁(16)的进油口，液压锁 (16)的两个出油口接液压马达(8)。
3.根据权利要求1所述的一种液压式围绕Z轴无限旋转的模拟器平台，其特征在于 所述的环形齿轮(11)是内齿轮或外齿轮。
全文摘要
本发明公开了一种液压式围绕Z轴无限旋转的模拟器平台。在静平台基础上端依次同轴固定有环形齿轮和环形导轨，六套移动部件中的滑块下端分别与环形导轨滑动连接；每套移动部件中的滑块的上端与滑块固定板连接，液压马达安装在滑块固定板一侧的L型电机固定板下端，外齿轮套在传动轴上并与环形齿轮啮合，滑块固定板下侧的四个角上分别安装滑轮与环形导轨内、外侧面的凸边相贴合；安装于静平台基础内控制箱的控制线与分别六个伺服电机连接。本模拟器平台围绕Z轴无限旋转，避免了围绕Z轴旋转方向的洗出滤波算法，从而有效地提高模拟的真实性；有效地提高了X、Y、Z三个方向特别是Z方向上的行程；大大增加了模拟器的工作空间。
文档编号G09B9/02GK102110382SQ20111000864
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者周晓军, 唐昉, 李培新, 罗竹辉, 谢明祥, 郭远晶, 魏春雨, 魏燕定, 黎建军 申请人:浙江大学