新型動感座椅設(shè)備的仿真與制造

王紅州，鄒曉暉，陳潤六

新型動感座椅設(shè)備的仿真與制造

王紅州，鄒曉暉，陳潤六

（江西省機械科學研究所，江西南昌330002）

分析了一種新型的動感座椅設(shè)備，該設(shè)備采用1個三自由度平動并聯(lián)機構(gòu)作為動力輸入，實現(xiàn)了3個座椅同步運動輸出。首先在Solidworks軟件中建立設(shè)備的三維模型，然后進行運動仿真分析并驗證設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性，最后繪制工程圖加工并裝配樣機。試驗證明新型動感座椅設(shè)備與市場上產(chǎn)品相比具有功能相同成本低廉的優(yōu)點。

動感座椅；仿真；并聯(lián)機構(gòu)

與常規(guī)電影相比，動感影院最大的特點是擁有可以隨影片內(nèi)容運動的座椅，可使觀眾獲得更好的觀影體驗。市場上最常見的動感座椅多以3-RPS并聯(lián)機構(gòu)作為執(zhí)行機構(gòu)，座椅具有兩維轉(zhuǎn)動一維移動的三自由度運動功能。國內(nèi)外眾多研究學者圍繞3-RPS并聯(lián)機構(gòu)及其在動感影院的應(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)機構(gòu)并引起廣泛的關(guān)注。高峰[2]提出一種球坐標搜索法對3-RPS并聯(lián)機構(gòu)進行了工作空間分析。周正[3]利用OpenGL對3-RPS并聯(lián)機器人進行三維運動仿真。王旭明[4]進行了基于3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的動感影院的系統(tǒng)研究。霍電輝[5]研究了一種3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動感模擬器。

市場上的3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動感座椅的驅(qū)動采用的是電動缸，而電動缸的成本相對較高。因此，造成3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動感座椅的成本非常高，制約了其在市場上的推廣。2014年，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布了王紅州發(fā)明的一種新型動感座椅專利[6]，該專利采用一個三平動平臺作為3-RPS并聯(lián)機構(gòu)動感座椅的驅(qū)動，實現(xiàn)了一個運動輸入多個運動同步輸出的功能。該設(shè)備可大幅降低動感座椅的成本。本文分析了該發(fā)明專利可行性。

1 新型動感座椅設(shè)備的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，新型動感座椅設(shè)備由3套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)和1套三平動并聯(lián)機構(gòu)（3-PR（4R）R構(gòu)型）組成。3套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)具有同樣的尺寸參數(shù)和初始位姿，每套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的動平臺通過一個球鉸與三平動并聯(lián)機構(gòu)的平動臺聯(lián)接（球鉸轉(zhuǎn)動中心偏離動平臺的轉(zhuǎn)動中心，本文稱之為驅(qū)動點），平動臺的三維平動運動帶動3個動平臺運動，3個球鉸中心的運動情況完全相同，因此3個動平臺的運動情況完全相同。該機構(gòu)實現(xiàn)了1個三平動運動輸入3個3-RPS并聯(lián)機構(gòu)運動同步輸出的功能。

圖1 新型動感座椅設(shè)備的結(jié)構(gòu)

2 新型動感座椅設(shè)備應(yīng)用仿真

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

圖2 動感座椅設(shè)備仿真模型

在Solidworks中建立動感座椅設(shè)備的虛擬仿真圖，并將機構(gòu)調(diào)至初始位置。用Aij（i=1，2，3；j=1，2，3）表示3-RPS機構(gòu)伸縮桿與機架聯(lián)接的轉(zhuǎn)動副的幾何中心，i表示第幾套3-RPS機構(gòu)，j表示3-RPS機構(gòu)的第幾轉(zhuǎn)動副，如A23表示第二套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的第三轉(zhuǎn)動副的幾何中心。用Bij（i=1，2，3；j=1，2，3）表示3-RPS機構(gòu)伸縮桿與動平臺聯(lián)接的球面副的幾何中心，i表示第幾套3-RPS機構(gòu)，j表示3-RPS機構(gòu)的第幾球面副，如B13表示第一套3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的第三球面副的幾何中心。用Ci（i=1，2，3）表示3-RPS機構(gòu)的驅(qū)動點，i表示第幾套3-RPS機構(gòu)的驅(qū)動點，如C3表示第三套3-RPS機構(gòu)的驅(qū)動點。在初始位置時，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)動點均在同一平面上。動感座椅設(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 動感座椅設(shè)備的俯視圖

以Aij所在平面為基準面，垂直基準面且通過C2驅(qū)動點的直線與基準面的交點為原定O，C2到C3方向為X軸，O點到A22的方向為Y軸，并由右手定則確定Z軸，建立基礎(chǔ)坐標系O-XYZ.以B1j構(gòu)成的圓的幾何中心為原點建立局部坐標系O1-X1Y1Z1，以B2j構(gòu)成的圓的幾何中心為原點建立局部坐標系O2-X2Y2Z2，以B3j構(gòu)成的圓的幾何中心為原點建立局部坐標系O2-X3Y3Z3，初始位置下3個局部坐標系與基礎(chǔ)坐標系坐標軸完全同向。

2.2 動感座椅設(shè)備的運動仿真

Ci表示的3個驅(qū)動點與3-PR（4R）R并聯(lián)機構(gòu)的平動臺聯(lián)接，現(xiàn)給定平動臺的運動情況：（1）用2 s的時間勻速沿X軸移動20 mm；（2）接著用2 s的時間勻速沿Y軸移動20 mm；（3）接著用2 s的時間沿Z軸移動20 mm；（4）接著用1 s的時間回到初始位置。將平動臺的運動作為輸入，可得到動感座椅設(shè)備3套3-RPS機構(gòu)動平臺的運動輸出情況，即3個局部坐標系相對基礎(chǔ)坐標系的運動情況。圖4、圖5、圖6分別表示了3套3-RPS機構(gòu)動平臺的運動輸出情況（粗實線表示動平臺繞Yi軸轉(zhuǎn)角，三角線表示動平臺繞Xi軸轉(zhuǎn)角，菱形線表示動平臺沿Zi軸位移），可見3套3-RPS機構(gòu)動平臺的運動輸出情況完全相同。由此可驗證本文所分析新型動感座椅設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性。

圖4 第一套3-RPS機構(gòu)運動輸出

圖5 第二套3-RPS機構(gòu)運動輸出

圖6 第三套3-RPS機構(gòu)運動輸出

3 動感座椅設(shè)備樣機制造

將Solidworks中建立動的感座椅設(shè)備的三維模型拆分為零件圖，細化出工程圖，在經(jīng)過加工、裝配與調(diào)試，制造出該設(shè)備的樣機，如圖7所示。該樣機成功實現(xiàn)了1個平動臺同步帶動3套3-RPS運動的功能，這樣就可以用3套驅(qū)動替代原來的9套驅(qū)動，使得市場上3-RPS構(gòu)型的動感座椅設(shè)備成本直線下降。

圖7 采用新型驅(qū)動方式的動感座椅設(shè)備

4 結(jié)束語

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

[1]仲明.改進型3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[2]高峰，黃玉美，史文浩，等.3-RPS并聯(lián)機構(gòu)工作空間分析的球坐標搜索法[J].西安理工大學學報，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)機器人三維運動仿真系統(tǒng)[J].機床與液壓，2004（1）：63-64.

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

[5]霍電輝.新型三自由度動感模擬平臺的研發(fā)[D].太原：太原科技大學機械電子工程，2013.

[6]王紅州.三平動輸入多重3-RPS機構(gòu)輸出的4D特效座椅[P].中國：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項目（20151BBE50125）

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