刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台及其运动控制方法与流程

1.本发明涉及六自由度运动平台技术领域，具体而言涉及一种刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台及其运动控制方法。


背景技术：

2.并联式六自由度运动平台(六自由度并联机器人)是一种stewart平台的结构设计，通过驱动电动缸的运动可模拟出空间内多个自由度的运动姿态，被广泛应用到各种训练模拟器中，如飞行模拟器、汽车驾驶模拟器、地震模拟器、卫星、导弹等飞行器、娱乐设备(动感电影摇摆台)等领域中。
3.并联式六自由度运动平台由上下两个平台，中间6个电动缸以及上下各6个虎克铰(或球铰)组成6-6形并联机构，其中下平台固定，下平台与上平台通过6个电动缸及虎克铰连接，虎克铰或球铰位于上平台与6个电动缸的连接处，对保证平台的正常运行和整个结构刚度起着关键作用。藉由每个电动缸的伸缩来实现上平台沿x、y、z的平移和绕x、y、z轴的旋转运动。
4.一般并联式六自由度运动平台由伺服电动缸驱动，当然在重负载的并联式六自由度运动平台设计中采用液压缸驱动。通过控制六个电动缸的伸缩运动，驱动上平台在空间六个自由度(x，y，z，α，β，γ)的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，在运动过程根据六自由度平台的运动状态，计算出各电动缸的相应位置和速度指令信号，从而控制运动平台的动作，保证按照预定的轨迹运动，当运动平台到达要求的位置时，各电动缸的速度指令信号给定为零，运动平台停止，实现点位控制的目的。同时，在运动过程中采用闭环控制的策略，反馈各电动缸的速度和位移信号，速度信号用于闭环控制时跟踪速度的输入，位移信号用于位置反馈和监控，从而达到满足运动平台的位姿控制。
5.并联式六自由度运动平台由6个并联设置的伺服电动缸驱动，具有传动效率高、速度快、负载能力强、刚度大、精度高的优点，越来越广泛地被应用到各行各业。并联式六自由度运动平台的负载能力、运动空间、运动速度、加速度等指标很难各方面兼顾，如果追求运动空间大，需要牺牲负载能力，追求横向位移加速度大，需要牺牲旋转角加速度。而且，并联机器人的这些性能指标，在其总体设计确定之后就已经定型，这导致了一台并联式六自由度运动平台的工作任务单一。在复杂工况下，一台并联式六自由度运动平台往往很难满足左右工作需求，需要并联机器人横向位移刚度好或者平移行程大，需要将其设计得矮一些，电缸与地面夹角小一些；需要旋转刚度好或者旋转角度大，需要将其设计得高一些，电缸与地面夹角大一些。或者改变电动缸的行程来改善这些性能指标。在某个位姿出现干涉时，除了限制其行程，没有其他避免干涉的方法。
6.例如图1所示，在横向分力小时上平台的水平运动能力和横向刚度不够理想，而增大横向分力的情况下，水平运动出力能力和横向刚度得到提高。结合图2，当横向分力较小、α、β力臂大时，旋转刚度较好，但在提高横向分力时，带来α、β力臂降低，导致旋转能力降低
的问题。
7.此外，如图3a、3b所示的结构干涉和位置奇异问题，也是目前六自由度并联机器人设计和使用的一大难题，例如图3中所表示的上平台与电动缸之间的结构干涉以及铰接件与电动缸的干涉，结构干涉问题属于设计缺陷问题，会导致电动、运动平台的严重损害，是不允许出现的，而在大吨位、重负载的六自由度并联机器人设计中，这种结构干涉带来的还可能是严重的安全事故，这是不希望也不允许出现的。


技术实现要素：

8.作为本发明的第一方面，提出一种刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台，在六自由度并联机器人的电动缸底部增加摆臂机构，所述摆臂机构具有两个旋转关节，分别各自通过电机和减速机驱动，进而改变下铰接点布局，改变铰接圆的直径和电动缸的倾斜角度，进而改变平台的旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程，避免结构干涉。
9.作为本发明的第二方面，提出刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台的摆臂运动，控制并联式六自由度运动平台的两种工作模式：
10.第一模式：通过摆臂机构的运动改变下铰接圆直径，电动缸的伸缩量不变；其中在运动驱动过程中，通过驱动六个摆臂机构做相同的运动，改变下铰接圆直径；
11.第二模式：运动平台固定，通过摆臂机构的运动改变一条或多条电动缸伸缩量。
12.由此，在两种模式下，均可通过两个旋转关节的调整，改变平台的旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程，避免结构干涉。
13.作为本发明的第二方面，提出刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台的控制方法，其铰接点坐标计算方法：
14.首先定义坐标系：设基座上平面中心点为o，在基座中心上平面建立全局坐标系coordoxyz，在第i个基座连接耳座孔中心处建立局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
，在第i个下虎克铰底座连接耳座孔中心处建立局部坐标系coordbix
i2yi2zi2
；
15.通过获取摆臂机构的两个关节的运动角度，求解铰接点ci在局部坐标系coordbix
i2yi2zi2
的坐标；铰接点bi在局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
的坐标，进而可得到局部坐标系coordbix
i2yi2zi2
与局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
的转换关系。
16.其中，铰接点ci的坐标可通过坐标系转换先转换到局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
；由于局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
与全局坐标系coordoxyz的转换关系固定且已知，所以铰接点ci的坐标可进一步转换成全局坐标系coordoxyz的坐标。
17.因此，在第一模式下，上平台会随着摆臂机构的运动而改变高度，但其保持水平，上铰接点x坐标与y坐标不变，z坐标可求解获得。在第二模式下，上平台铰接点坐标不变。
18.与现有技术相比，本发明提出的并联式六自由度运动平台及其运动控制方法，在六自由度运动平台的电动缸底部增加摆臂机构，摆臂机构配置两个旋转关节，分别通过电机和减速机驱动。通过摆臂机构的运动，改变铰接圆的直径和电动缸的倾斜角度，进而改变平台的旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程，避免结构干涉，提高平台运动的稳定性、可靠性、安全性和适用范围。
19.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保
护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
20.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
21.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
22.图1是现有技术中横向分力的调整前后的平台示意图。
23.图2是现有技术中α、β方向旋转力臂的调整前后的平台示意图。
24.图3a、3b是现有技术中并联六自由度运动平台的结构干涉的原理示意图，其中图3a表示上平台与电动缸之间的结构干涉，图3b表示铰接件与电动缸之间的结构干涉。
25.图4是本发明实施例的刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台的示意图。
26.图5是图4实施例的并联式六自由度运动平台中摆臂机构的示意图。
27.图6是图4实施例的并联式六自由度运动平台的坐标系定义示意图。
28.图7是图4实施例的并联式六自由度运动平台的初始位置状态的轴测图。
29.图8是图4实施例的并联式六自由度运动平台的下铰接圆扩大状态的示意图。
30.图9是图8示例下铰接圆扩大状态的并联式六自由度运动平台的轴测图。
31.图10是图4实施例的并联式六自由度运动平台的下铰接圆缩小状态的示意图。
32.图11是图10示例下铰接圆缩小状态的并联式六自由度运动平台的轴测图。
具体实施方式
33.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
34.在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
35.结合图4-图6所示，根据本发明公开的实施例的并联式六自由度运动平台包括基座100、运动平台200以及设置在基座100与运动平台200之间的电动缸400。每个电动缸400配置有独立的或者集中控制的控制板以及驱动程序，用于通过控制电动缸400的伸缩运动，驱动运动平台200的多自由度姿态调整，实现多自由度的运动模拟。
36.结合图4所示的并联式六自由度运动平台还包括设置在运动平台200的下底面的上虎克铰底座600，对应地，每个上虎克铰底座600对应地设置了一个下虎克铰底座300，下虎克铰底座300对应地支撑在摆臂机构的上端，摆臂机构的下端支撑在基座100的上表面。
37.结合图4、5、6，六个电动缸400分别配置有其对应的上虎克铰底座600、下虎克铰底座300以及摆臂机构，每个电动缸400的上下端铰接在对应的上虎克铰底座600、下虎克铰底座300之间。
38.结合图4、5所示的示例，下虎克铰底座300的下方设置有第一耳座310。相应地，对应于每个电动缸的下虎克铰底座300，基座100的上表面设置有第二耳座110。第一耳座310与第二耳座110相配套的设置。
39.如图4、5所示，每个电动缸400下方配置的摆臂机构，用于扩大或者缩小下铰接圆，以改变平台的旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程，避免结构干涉。
40.本发明的实施例中所指的下铰接圆，是指电动缸的下端的铰接点所形成的铰接圆，传统的固定位置的平台设计中，下铰接圆的直径和位置由下平台上设置的铰接虎克铰决定，是固定不变的，因此如本发明的背景技术所描述的，其在复杂工况下存在旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程之间的问题，本发明实施例提出的平台设计中，在电动缸的下部采用位置可变的下铰接点的设计，实现可变可调整的下铰接圆的设计，实现旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程的可调设计，适应于中小负载下的设计，尤其是1t负载以下的应用，例如驾驶模拟器、飞行模拟器、车辆驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等。
41.在可选的实施例中，每个摆臂机构配置两个旋转关节，即对应设置在第一耳座310处的第一旋转关节(上旋转关节)与设置第二耳座110位置处的第二旋转关节(下旋转关节)，每个旋转关节通过电机驱动机构驱动转动，由此通过摆臂机构的两个关节的旋转运动，改变电动缸的倾斜角度和铰接圆的直径，进而改变平台的旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程，避免结构干涉。
42.结合图4、5所示，每个摆臂机构的两个旋转关节之间设置有摆臂530，摆臂530的上端设置第一叉部531，在下端设置第二叉部532。
43.第一耳座310安装于第一叉部531的内部。
44.第二耳座110安装于第二叉部532的内部。
45.在可选的实施例中，前述的电机驱动机构包括电机和减速机构。电机和减速机构同轴布置，并且与对应的第一耳座310或者第二耳座110同轴布置。在可选的实施例中，每个减速机输出端通过键连接与对应的耳座连接。
46.具体地，在第一耳座310位置布置的电机驱动机构，包括第一电机511和第一减速机512，第一电机511采用步进电机，其输出轴与第一减速机512的输入端连接，第一减速机512优选采用行星齿轮减速机构，其输出端键连接至第一耳座310的旋转中心，以驱动转动，从而调整第一旋转关节的转动。
47.在可选的实施例中，第一减速机512的输出轴端通过键连接的方式插入到第一耳座310的中心。
48.在本发明的实施例中，第一旋转关节和第二旋转关节均由对应的耳座、电机驱动机构组成，与对应的叉部(531、532)相配合实现关节的旋转驱动。
49.结合图4、5所示，在第二耳座110位置布置的电机驱动机构，包括第二电机521和第一减速机522，第二电机521可采用步进电机，其输出轴与第二减速机522的输入端连接，第二减速机522优选采用行星齿轮减速机构，其输出端键连接至第二耳座110的旋转中心，以驱动转动，从而调整第二旋转关节的转动。
50.在可选的实施例中，第二减速机522的输出轴端通过键连接的方式插入到第一耳座310的中心。
51.结合图4、5所示，两个旋转关节的设计中，每个减速机对应的输出轴端穿过对应的第一叉部531或者第二叉部532的侧孔，然后与对应的耳座的旋转中心位置连接。
52.应当理解，在本发明的教导下，两个旋转关节的旋转驱动机构，可采用现有的高集成度的驱动机构实现，以实现关节位置的旋转驱动设计。
53.由此，结合图5、图6所示，对于平台设置的六个电动缸对应的摆臂机构来说，通过同步驱动第一旋转关节以及第二旋转关节，保持第一旋转关节以相同的运动，第二旋转关节以相同的运动，从而实现改变下铰接圆直径，而电动缸的伸缩量不变，从而扩大扩折缩小下铰接圆的直径，实现旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程的调整，以适应复杂工况下的应用，尤其是在水平横移方向的大行程情况下，平衡与旋转刚度和旋转角度的矛盾。
54.如图8-9示例性的表示了本发明实施例的并联式六自由度运动平台的下铰接圆扩大状态的示意，通过同步控制第一旋转关节的运动和第二旋转关节的运动，使得6个第一旋转关节的旋转速度和转动角一致，以及6个第二旋转关节的旋转速度和转动角一致，调整摆臂530的倾斜角度，即摆臂机构的倾斜角度，向基座110的边缘方向扩张，实现电动缸400的倾斜角度的调整，下铰接圆扩大。
55.如图10-11示例性的表示了本发明实施例的并联式六自由度运动平台的下铰接圆缩小状态的示意，通过同步控制第一旋转关节的运动和第二旋转关节的运动，使得6个第一旋转关节的旋转速度和转动角一致，以及6个第二旋转关节的旋转速度和转动角一致，调整摆臂530的倾斜角度，向基座110的中心原点方向收缩，实现电动缸400的倾斜角度的调整，下铰接圆缩小。
56.结合图4以及图7-11所示的示例的提出刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台及其运动控制过程的基础上，本发明的并联式六自由度运动平台可被设置成两种工作模式：
57.第一模式：通过摆臂机构的运动改变下铰接圆直径，每个电动缸400的伸缩量不变；其中，在运动驱动过程中，通过驱动六个摆臂机构做相同的运动，改变下铰接圆直径，如图8-9以及图10-11所示，在下铰接圆的直径调整后，可通过驱动电动缸400的量来调整上平台的姿态，也即运动平台200的姿态，从而通过在扩大或者缩小的铰接圆的前提下，控制平台的运动姿态调整，解决旋转刚度和旋转角度与横移行程之间矛盾问题；
58.第二模式：保持上平台和下平台运动平台固定，通过摆臂机构的运动改变一条或多条电动缸伸缩量。
59.在并联式六自由度运动平台设计中，我们通过对设计和使用的多自由度平台的实际过程和测试发现，由于电动缸的通常是根据设计参数而确定的，并联式六自由度运动平台的上铰接圆与下铰接圆尺寸差异越大，电动缸的倾斜角度越大，其横向刚度越好，其旋转刚度越差。与此同时，电动缸的长度一定，并联式六自由度运动平台上铰接圆与下铰接圆尺寸差异越大，电缸倾斜角度越大，其平移行程越大，其旋转行程越小。
60.本发明通过在六自由度运动平台的电动缸底部增加摆臂机构，摆臂机构配置两个旋转关节，分别通过电机和减速机驱动，由此通过摆臂机构的运动，改变铰接圆的直径和电动缸的倾斜角度，进而改变平台的旋转刚度、横向平动刚度，以及各个方向的行程，避免结构干涉。
61.由此，可通过两个旋转关节的调整，改变平台的旋转刚度、横向平动刚度和各个方
向的行程，避免结构干涉。
62.作为本发明的第二方面，提出刚度和行程可变的并联式六自由度运动平台的控制方法，通过构建基座中心上平面的全局坐标系coordoxyz、基座上第i个第二耳座的侧孔中心处的下局部坐标系coordaix
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以及第i个第一耳座的侧孔中心处建立的上局部坐标系coordbix
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，通过铰接点坐标系转换和反接，计算运动状态下各个铰接点的位置坐标。
63.作为可选的实施例，通过铰接点坐标系转换和反接，计算运动状态下各个铰接点的位置坐标，其过程包括：
64.首先定义坐标系：设基座上平面中心点为o，构建基座中心上平面的全局坐标系coordoxyz、基座上第i个第二耳座的侧孔中心处的下局部坐标系coordaix
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以及第i个第一耳座的侧孔中心处建立的上局部坐标系coordbix
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；
65.通过获取摆臂机构的两个旋转关节的运动角度，求解铰接点ci在上局部坐标系coordbix
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的坐标，铰接点bi在下局部坐标系coordaix
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的坐标，进而得到上局部坐标系coordbix
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与下局部坐标系coordaix
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的转换关系。
66.其中，铰接点ci的坐标可通过坐标系转换先转换到下局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
；由于下局部坐标系coordaix
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与全局坐标系coordoxyz的转换关系固定且已知，所以可将铰接点ci的坐标可进一步转换成全局坐标系coordoxyz的坐标。
67.(1)坐标系定义
68.构建基座中心上平面的全局坐标系coordoxyz、基座上第i个第二耳座的侧孔中心处的下局部坐标系coordaix
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以及第i个第一耳座的侧孔中心处建立的上局部坐标系coordbix
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；
69.(2)设定平台初始状态
70.结合图4、6、7，在初始位置状态的时候，在平台的设计参数中，铰接点ci和铰接点di的坐标全局坐标系coordoxyz的坐标已知，在上局部坐标系coordbix
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的坐标已知；铰接点bi在下局部坐标系coordaix
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的坐标已知。
71.其中，铰接点ci表示第i个电动缸400的底部与对应的第i个下虎克铰底座300的旋转中心点，表示下铰接点。
72.铰接点di表示第i个电动缸400的顶部与对应的第i个上虎克铰底座600的旋转中心点,，表示上铰接点。
73.结合图6，铰接点bi表示第i个电动缸400对应的摆臂机构中摆臂的第一叉部531与对应的第一耳座310与结合的旋转中心点。
74.铰接点ai表示第i个电动缸400对应的摆臂机构中摆臂的第二叉部532与对应的第二耳座110与结合的旋转中心点。由于第二耳座110是固定在基座100上的，因此铰接点ai的全局坐标已知并且保持不变。
75.下局部坐标系coordaix
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与全局坐标系coordoxyz的偏置量[
△
x，
△
y，
△
z，
△
α，
△
β，
△
γ]已知。
[0076]
(3)铰接点坐标转换
[0077]
由图4、6可知，摆臂机构的第二旋转关节(即下旋转关节)、第一旋转关节(即上旋转关节)分别绕两个局部坐标系的y
i1
和y
i2
旋转，转角分别为β1和β2。
[0078]
初始状态时，铰接点bi在下局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
的坐标为(x
i1
，y
i1
，z
i1
)，铰接点ci在上局部坐标系coordbix
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的坐标为(x
i2
，y
i2
，z
i2
)，摆臂机构的旋转关节运动之后，铰接点bi在下局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
的坐标计算为：
[0079][0080]
铰接点ci在上局部坐标系coordbix
i2yi2zi2
的坐标计算为：
[0081][0082]
(4)铰接点的坐标系转换(下铰接点坐标计算)
[0083]
基于铰接点bi在下局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
的坐标为(x’i1’，y’i1
，z’i1
)，铰接ci在上局部坐标系coordbix
i2yi2zi2
的坐标为(x’i2
，y’i2
，z’i2
)；
[0084]
结合下局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
与全局坐标系coordoxyz的偏置量[
△
x，
△
y，
△
z，
△
α，
△
β，
△
γ]，则计算铰接点ci在下局部坐标系coordaix
i1yi1zi1
的坐标可表示为：
[0085][0086]
则，铰接点ci在全局坐标系coordoxyz的坐标表示为：
[0087][0088]
至此，求得下铰接点坐标的全局坐标，即摆臂运动后的铰接点ci在全局坐标系coordoxyz的坐标。
[0089]
(5)上铰接点坐标计算
[0090]
初始状态时，铰接点di点在全局坐标系coordoxyz的坐标为(x
i3
，y
i3
，z
i3
)，电缸初始长度为l；
[0091]
第一模式下，铰接点di的x坐标和y坐标不变，x’i3
＝x
i3
，y’i3
＝y
i3
，z坐标的计算方法为；
[0092][0093]
第二模式下，铰接点di坐标不变。
[0094]
因此，在第一模式下，作为上平台的运动平台200会随着摆臂机构的运动而改变高
度，但其保持水平，上铰接点的x坐标与y坐标不变，z坐标可通过以上实施例的过程求解获得。在第二模式下，运动平台200的上铰接点坐标不变。
[0095]
与现有技术相比，本发明提出的并联式六自由度运动平台及其运动控制方法，在六自由度运动平台的电动缸底部增加摆臂机构，摆臂机构配置两个旋转关节，分别通过电机和减速机驱动。通过摆臂机构的运动，改变铰接圆的直径和电动缸的倾斜角度，进而改变平台的旋转刚度、横向平动刚度和各个方向的行程，避免结构干涉，提高平台运动的稳定性、可靠性、安全性和适用范围。
[0096]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。