新型气动混联三自由度运动感模拟器

1、目录 运动模拟器机构及系统介绍 元件的选定 机械结构设计 气缸的设计 致谢运动模拟器机构及系统介绍如右图所示为运动模拟器的基本结构。通过并联机构，四根圆周均布的气动人工肌肉，控制上平台的各个角度的倾斜。通过串联机构，气缸的伸缩，实现上平台的升降。运动模拟器机构及系统介绍右图为气动控制系统原理图。利用电气比例阀控制气动人工肌肉内腔的压力，实现气功人工肌肉的收缩伸张。利用比例方向控制阀控制气缸的进气排气，以控制上平台的升降。系统参数的设定与计算初步设定系统的气压为初步设定系统的气压为0.5MPa0.5MPa，其余系统参数设定，其余系统参数设定如下：如下：序号序号元件元件尺寸（尺寸（mmmm）1 1

2、上平台上平台R 250R 2502 2下平台下平台R 250R 2503 3下平台套筒下平台套筒R 100R 100H 600H 6004 4上下平台距离上下平台距离8008005 5下平台底座距离下平台底座距离8080系统参数的设定与计算另，上平台两自由度倾斜角度范围初步设定为另，上平台两自由度倾斜角度范围初步设定为1515，上平台升降高度为，上平台升降高度为550mm550mm。序号序号元件元件尺寸（尺寸（mmmm）6 6正六边形底座正六边形底座L 300L 3007 7导杆导杆L 880L 8808 8人工肌肉安装人工肌肉安装位置位置R 200R 2009 9导杆安装位置导杆安装位置R

3、160R 160元件的选定气动人工肌肉的选型 初步选定Festo公司的气动人工肌肉。安装尺寸要求选定内径为40mm，选用进气口带压接接口的DMSP系列。 右图为DMSP-40系列的工作范围。因为运动模拟器的设计，气动人工肌肉在轴向方向所受拉力很小，可以忽略不计，所以在工作压力0.5MPa的情况下，气动人工肌肉的收缩率可达到25%。元件的选定气动人工肌肉的选型 考虑气动人工肌肉的长度。其长度主要受到三方面的限制：一是上下平台的距离，二是上平台的转动角度，三是肌肉在上下平台的安装位置。且气动人工肌肉的收缩时，收缩量不超过初始长度的=25%；拉伸时，最大长度不能超过初始长度。 21221121)1

4、(llLAallLAaLAaAa元件的选定气动人工肌肉的选型 整理可得气动人工肌肉的长度范围为： 121221llAaLAaAa通过几何关系可得：mmAammAa3 .7488 .85121 计算可得L的长度范围为：mmLmm603414最终元整L=450mm，一端进气。最终选取型号为DMSP-40-450-RM-CM。元件的选定气缸的选型 要求运动模拟器处置方向运动加速度不超过0.4 ，承载质量为乘坐者质量100kg，机构重量50kg。2/smMafMgDP2)2(气源压力0.5Mpa，效率选取为=0.5，摩擦力忽略不计，得气缸内经： 圆整得D=100mmD=100mm。mmD98.91元件

5、的选定气动人工肌肉控制阀选型 初步选用SMC公司的电气比例阀控制气动人工肌肉内腔的压力。 计算单根气动人工肌肉的耗气量为Q=224L/min。根据电气比例阀的流量特性，选取控制阀的型号为ITV3050ITV3050。3000型，压力范围为0.9Mpa，电源信号标准24V。元件的选定气缸控制阀的选型 假设气缸的最快往返时间为5s，得气缸的最大耗气量为600L/min。所以选定Festo公司的三位五通比例方向控制阀，型号为MPYE-5-M5-010-BMPYE-5-M5-010-B。 MPYE系列，三位五通，接口尺寸M5，虚拟电压信号控制，B系列。 流量范围为100-2000L/min，压力范围为

6、0-1MPa满足工作要求。机构设计要点上下平台的联接上下平台的联接 运动模拟器运动过程中，下平台固定，上平台要实现两个自由度上的任意倾斜。所以上下平台的联接需要采用一至少两自由度的轴承联接，且确保上下平台的联接紧固。采用如图所示的虎克铰联接上下平台，可以保证上平台的自由活动。且将角度传感器直接安装于虎克铰的中间轴上，直接监测上平台的运动角度，便于实现控制。机构设计要点气动人工肌肉自然伸张时不可弯折气动人工肌肉自然伸张时不可弯折 由于运动模拟器的结构设计，在工作的初始状态下，需向气动人工肌肉内腔冲入设定压力的气体，进行初始收缩。但是在运动模拟器不工作时，气功人工肌肉自然伸张，若没有活动空间，就会

7、导致气动人工肌肉的弯折。采用如图所示的套杆，保证气功人工肌肉在工作状态和自然伸张状态之间有一定的轴向的活动空间，以使其不弯折。机构设计要点气动人工肌肉与上下平台的联接气动人工肌肉与上下平台的联接 气动人工肌肉在不同的动作时，由于上平台的两自由度的倾斜，需要至少两自由度的联接，且要保证上平台能够实现15的运动范围；而相对于下平台只有一个自由度的运动。所以与上平台采用球头球头杆端关节轴承杆端关节轴承联接，与下平台采用与气动人工肌肉配套的关节轴承关节轴承CRSGSCRSGS和双耳环和双耳环SGASGA联接。运动模拟器装配图气缸的设计气缸安装形式的确定气缸安装形式的确定 根据运动模拟器的机构设计，以及

8、其运动要求，气缸用过活塞杆的伸缩用以实现上平台在竖直方向上的升降。由于负载在垂直方向上有动作要求，所以最终选用后缸盖法兰式连接，如图所示。气缸的设计缸筒缸筒 气缸筒选用圆筒形结构，选用材料为铝合金。 由于气缸的动作需要，要求缸筒材料内表面具有一定的硬度，以抵抗活塞运动的磨损。铝合金管需经影志阳极氧化处理，硬质氧化膜厚度为30-50m。 气缸筒应能承受1.5倍于最高动作压力条件下的耐压试验，并不得有泄漏。 经过计算，参考机械设计手册选定，缸筒壁厚为4mm气缸的设计活塞杆活塞杆 活塞杆是承受力的重要元件，需要能承受拉伸、压缩、振动等载荷，不能锈蚀。 利用经验公式选定活塞杆的直径为32mm。 经过强

9、度校核以及纵向弯曲极限力校核，直径取32mm，完全满足要求。 选用材料为45。气缸的设计活塞活塞 要求活塞具有足够的强度和良好的滑动特性，防止过度磨损和发生“咬缸”。 现在活塞一般制成整体型。采用铝合金的整体活塞，具有良好的润滑性和减震耐冲击性能。 中型气缸一般选用c所示的结构。导向环一般采用聚四氟乙烯制成，使得活塞具有更加良好的滑动性能。气缸的设计导向套导向套 导向套的作用是作为活塞杆往复运动时的导向，因此，同对活塞的要求一样，要求导向套具有良好的滑动性能，能承受对于活塞杆受重负载时引起的杆弯曲、振动和冲击。 导向套一般采用聚四氟乙烯制成。气缸的设计缸盖缸盖 缸盖多为铸件，也有焊接件。 对于

10、需要缓冲机构的气缸，缸盖上除了进排气孔外，还需要设计加工缓冲装置的的孔道。 缸盖的厚度主要考虑安装进排气管以及密封圈和导向装置、缓冲装置等所占的空间。 缸盖的常用材料有铸铁和铝合金，本气缸选用球墨铸铁材料。 和对于缸筒的要求一样，装配后，应在1.5倍工作压力下进行实验，不应有漏气现象。非加工表面应涂漆防锈。气缸的设计气缸缓冲装置气缸缓冲装置 对中型气缸一般采用缓冲气腔来实现缓冲，其结构如图所示，从气缸运动进入到缓冲行程开始，缓冲柱塞将排气口堵死形成以封闭气腔，其中空气受到压缩，其背压便起到降低活塞运动速度的缓冲作用。1 1活塞；活塞；2针阀；针阀；3缓冲柱塞缓冲柱塞气缸的设计缸筒与缸盖的连接缸

11、筒与缸盖的连接 为了便于加工，结构简单，采用拉杆式螺栓连接。因为气缸的下端盖要利用法兰固定在运动模拟器的底板上，所以采用如图所示的拉杆螺栓连接。气缸的设计气缸密封的选择气缸密封的选择 活塞杆与前端盖的密封采用O型密封圈密封，并采用J型密封圈防尘，保护活塞杆不被划伤。 端盖与缸筒的密封采用O型密封圈实现密封。 缓冲柱塞与后端盖之间采用气缸缓冲专用QH型外露骨密封圈，实现缓冲密封。 活塞与活塞杆之间采用O型密封圈密封。 气缸的设计气缸使用注意事项气缸使用注意事项气缸应在正常的工作条件下使用：环境温度为-35-80，工作压力为0.4-0.6MPa；安装前，应在1.5倍工作压力条件下进行实验，不应漏气；