新型動(dòng)感座椅設(shè)備的仿真與制造

王紅州，鄒曉暉，陳潤(rùn)六

新型動(dòng)感座椅設(shè)備的仿真與制造

王紅州，鄒曉暉，陳潤(rùn)六

（江西省機(jī)械科學(xué)研究所，江西南昌330002）

分析了一種新型的動(dòng)感座椅設(shè)備，該設(shè)備采用1個(gè)三自由度平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力輸入，實(shí)現(xiàn)了3個(gè)座椅同步運(yùn)動(dòng)輸出。首先在Solidworks軟件中建立設(shè)備的三維模型，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析并驗(yàn)證設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性，最后繪制工程圖加工并裝配樣機(jī)。試驗(yàn)證明新型動(dòng)感座椅設(shè)備與市場(chǎng)上產(chǎn)品相比具有功能相同成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

動(dòng)感座椅；仿真；并聯(lián)機(jī)構(gòu)

與常規(guī)電影相比，動(dòng)感影院最大的特點(diǎn)是擁有可以隨影片內(nèi)容運(yùn)動(dòng)的座椅，可使觀眾獲得更好的觀影體驗(yàn)。市場(chǎng)上最常見的動(dòng)感座椅多以3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，座椅具有兩維轉(zhuǎn)動(dòng)一維移動(dòng)的三自由度運(yùn)動(dòng)功能。國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者圍繞3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其在動(dòng)感影院的應(yīng)用做了大量的研究。1983年，Hunt[1]提出了一種性能優(yōu)良的3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)并引起廣泛的關(guān)注。高峰[2]提出一種球坐標(biāo)搜索法對(duì)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了工作空間分析。周正[3]利用OpenGL對(duì)3-RPS并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)仿真。王旭明[4]進(jìn)行了基于3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)感影院的系統(tǒng)研究?；綦娸x[5]研究了一種3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)感模擬器。

市場(chǎng)上的3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)感座椅的驅(qū)動(dòng)采用的是電動(dòng)缸，而電動(dòng)缸的成本相對(duì)較高。因此，造成3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)感座椅的成本非常高，制約了其在市場(chǎng)上的推廣。2014年，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布了王紅州發(fā)明的一種新型動(dòng)感座椅專利[6]，該專利采用一個(gè)三平動(dòng)平臺(tái)作為3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)感座椅的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)輸入多個(gè)運(yùn)動(dòng)同步輸出的功能。該設(shè)備可大幅降低動(dòng)感座椅的成本。本文分析了該發(fā)明專利可行性。

1 新型動(dòng)感座椅設(shè)備的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，新型動(dòng)感座椅設(shè)備由3套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)和1套三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)（3-PR（4R）R構(gòu)型）組成。3套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有同樣的尺寸參數(shù)和初始位姿，每套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)通過(guò)一個(gè)球鉸與三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)臺(tái)聯(lián)接（球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏離動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，本文稱之為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)），平動(dòng)臺(tái)的三維平動(dòng)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)3個(gè)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，3個(gè)球鉸中心的運(yùn)動(dòng)情況完全相同，因此3個(gè)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況完全相同。該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1個(gè)三平動(dòng)運(yùn)動(dòng)輸入3個(gè)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步輸出的功能。

圖1 新型動(dòng)感座椅設(shè)備的結(jié)構(gòu)

2 新型動(dòng)感座椅設(shè)備應(yīng)用仿真

動(dòng)感影院中的特效座椅是一種可隨著電影情節(jié)運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)座椅，可以使觀眾獲得更好的觀影體驗(yàn)，一般采用3-RPS機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為滿足多人觀影的需求，一個(gè)影廳中要布置多套3-RPS機(jī)構(gòu)，這些3-RPS機(jī)構(gòu)需實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)的功能。采用常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)這些機(jī)構(gòu)的同步運(yùn)動(dòng)就需要控制多條移動(dòng)副（市場(chǎng)上多采用電動(dòng)缸）的運(yùn)動(dòng)，成本高且控制難度大。3-RPS機(jī)構(gòu)采用新驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)平動(dòng)臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)3-RPS機(jī)構(gòu)兩轉(zhuǎn)一移的同步運(yùn)動(dòng)輸出，而此運(yùn)動(dòng)形式可直接應(yīng)用在動(dòng)感影院的座椅控制上。如圖2所示，以3-PR（4R）R三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)輸入，以3個(gè)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)輸出，建立了動(dòng)感影院3個(gè)座椅的虛擬樣機(jī)模型。2.1動(dòng)感座椅設(shè)備的初始位姿

圖2 動(dòng)感座椅設(shè)備仿真模型

在Solidworks中建立動(dòng)感座椅設(shè)備的虛擬仿真圖，并將機(jī)構(gòu)調(diào)至初始位置。用Aij（i=1，2，3；j=1，2，3）表示3-RPS機(jī)構(gòu)伸縮桿與機(jī)架聯(lián)接的轉(zhuǎn)動(dòng)副的幾何中心，i表示第幾套3-RPS機(jī)構(gòu)，j表示3-RPS機(jī)構(gòu)的第幾轉(zhuǎn)動(dòng)副，如A23表示第二套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的第三轉(zhuǎn)動(dòng)副的幾何中心。用Bij（i=1，2，3；j=1，2，3）表示3-RPS機(jī)構(gòu)伸縮桿與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接的球面副的幾何中心，i表示第幾套3-RPS機(jī)構(gòu)，j表示3-RPS機(jī)構(gòu)的第幾球面副，如B13表示第一套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的第三球面副的幾何中心。用Ci（i=1，2，3）表示3-RPS機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，i表示第幾套3-RPS機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，如C3表示第三套3-RPS機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)。在初始位置時(shí)，Aij表示的所有幾何中心均在同一平面上，Bij表示的所有幾何中心均在同一平面上，Ci表示的所有驅(qū)動(dòng)點(diǎn)均在同一平面上。動(dòng)感座椅設(shè)備初始位置幾何關(guān)系的俯視圖，如圖3所示（單位：mm），另外，Aij所在平面與Bij所在平面的距離為330.22 mm，Ci所在平面與Bij所在平面的距離為533.3 mm.

圖3 動(dòng)感座椅設(shè)備的俯視圖

以Aij所在平面為基準(zhǔn)面，垂直基準(zhǔn)面且通過(guò)C2驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的直線與基準(zhǔn)面的交點(diǎn)為原定O，C2到C3方向?yàn)閄軸，O點(diǎn)到A22的方向?yàn)閅軸，并由右手定則確定Z軸，建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系O-XYZ.以B1j構(gòu)成的圓的幾何中心為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1，以B2j構(gòu)成的圓的幾何中心為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系O2-X2Y2Z2，以B3j構(gòu)成的圓的幾何中心為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系O2-X3Y3Z3，初始位置下3個(gè)局部坐標(biāo)系與基礎(chǔ)坐標(biāo)系坐標(biāo)軸完全同向。

2.2 動(dòng)感座椅設(shè)備的運(yùn)動(dòng)仿真

Ci表示的3個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)與3-PR（4R）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的平動(dòng)臺(tái)聯(lián)接，現(xiàn)給定平動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情況：（1）用2 s的時(shí)間勻速沿X軸移動(dòng)20 mm；（2）接著用2 s的時(shí)間勻速沿Y軸移動(dòng)20 mm；（3）接著用2 s的時(shí)間沿Z軸移動(dòng)20 mm；（4）接著用1 s的時(shí)間回到初始位置。將平動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)作為輸入，可得到動(dòng)感座椅設(shè)備3套3-RPS機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)輸出情況，即3個(gè)局部坐標(biāo)系相對(duì)基礎(chǔ)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)情況。圖4、圖5、圖6分別表示了3套3-RPS機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)輸出情況（粗實(shí)線表示動(dòng)平臺(tái)繞Yi軸轉(zhuǎn)角，三角線表示動(dòng)平臺(tái)繞Xi軸轉(zhuǎn)角，菱形線表示動(dòng)平臺(tái)沿Zi軸位移），可見3套3-RPS機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)輸出情況完全相同。由此可驗(yàn)證本文所分析新型動(dòng)感座椅設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性。

圖4 第一套3-RPS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出

圖5 第二套3-RPS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出

圖6 第三套3-RPS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出

3 動(dòng)感座椅設(shè)備樣機(jī)制造

將Solidworks中建立動(dòng)的感座椅設(shè)備的三維模型拆分為零件圖，細(xì)化出工程圖，在經(jīng)過(guò)加工、裝配與調(diào)試，制造出該設(shè)備的樣機(jī)，如圖7所示。該樣機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了1個(gè)平動(dòng)臺(tái)同步帶動(dòng)3套3-RPS運(yùn)動(dòng)的功能，這樣就可以用3套驅(qū)動(dòng)替代原來(lái)的9套驅(qū)動(dòng)，使得市場(chǎng)上3-RPS構(gòu)型的動(dòng)感座椅設(shè)備成本直線下降。

圖7 采用新型驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)感座椅設(shè)備

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型動(dòng)感座椅設(shè)備的結(jié)構(gòu)，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)1套平動(dòng)輸入3套3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)同步輸出的功能。采用Solidworks軟件仿真與制造樣機(jī)的方法驗(yàn)證了這種新型驅(qū)動(dòng)方式的可行性，得出了這種驅(qū)動(dòng)方式適合應(yīng)用于市場(chǎng)上動(dòng)感影院座椅設(shè)備上的結(jié)論。

[1]仲明.改進(jìn)型3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]高峰，黃玉美，史文浩，等.3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間分析的球坐標(biāo)搜索法[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，17（3）：239-242.

[3]周正，吳昌林，陶衛(wèi)軍，等.基于OpenGL的三自由度并聯(lián)機(jī)器人三維運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2004（1）：63-64.

[4]王旭明.動(dòng)感影院系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[5]霍電輝.新型三自由度動(dòng)感模擬平臺(tái)的研發(fā)[D].太原：太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程，2013.

[6]王紅州.三平動(dòng)輸入多重3-RPS機(jī)構(gòu)輸出的4D特效座椅[P].中國(guó)：ZL201410319373.5.2016-01-20.

Simulation and Manufacture of a New Type of Moving Platform Device

WANG Hong-zhou，ZOU Xiao-hui，CHEN Run-liu
（Jiangxi Mechanical Scientific Institute，Nanchang Jiangxi330002，China）

In this paper，a new type of moving platform device was analyzed，this new seat equipment used a three DOF parallel mechanism as power input，and realized 3 seats synchronous motion output.Firstly，the 3D model of equipment was established in SolidWorks software.Secondly，the simulation analysis was carried out to verify the rationality of the device structure.At last，the engineering drawing was drew and the prototype was assembed.The test proved that the new type of moving platform device has the advantage of lower cost than the products in the market.

moving platform；simulation；parallel mechanism

TS664

A

1672-545X（2017）02-0068-03

2016-11-02

江西省科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目（20151BBE50125）

王紅州（1986-），男，河北邯鄲人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)構(gòu)。