CN106625610B - 侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台，属于仿真与空间运动模拟技术领域。所述每个安装支架的上端固定有一个安装面，变长驱动杆的上部和动平台相连接，变长驱动杆的下部和定平台相连接。定平台上的所有定平台虎克铰的中心分布在同一平面圆周上，动平台上的所有动平台虎克铰的中心间隔分布在两个平面圆周上，使六个变长驱动杆呈交叉分布。本发明设计出可侧立应用的大承载高精度运动平台，具有刚度大，运动自由度多、承载能力强、精度高、体积和自重负荷比小等一系列优点，既可作为航天器空间对接对准运动和武器系统瞄准的运动仿真承载平台，也可以满足用户对大型运动系统的物理/半物理仿真的要求。

Description

侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台

技术领域

本发明涉及一种侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台，属于仿真与空间运动模拟技术领域。

背景技术

在空间技术领域中，为完成航天器对空间目标的跟踪、捕获以及交会对接等任务，经常需要进行地面物理/半物理仿真试验，以验证对目标进行跟踪、瞄准、对接以及对准等任务的方案和策略。而实现这些仿真功能的传感器和末端执行机构，往往需要安装在一个承载平台上，由平台的运动实现位姿的跟踪、对接和对准等运动。该平台应具有空间多个自由度的运动能力和负载能力。

传统的对准和对接承载平台结构，往往采用多轴转台实现。通常的二或三轴转台，可实现两个或三个方位自由度上的姿态旋转运动。作为姿态运动平台，转台的转动精度较高，但若需要进行平移运动，则还需要将转台安装于可平移运动的行车等机构上。同时，转台的自重往往较大，给承载它的平移运动系统带来较大的承载负担；转台的体积较大，也给安装和结构设计带来很大压力，在空间约束紧张时，适用性受到限制。更为重要的是，高精度的转台须采用直接驱动方式，不能使用减速机构，这使承载能力受到很大限制；同时运动中产生的偏载往往需要动态平衡装置，使机构和控制系统的实现复杂化。

自上世纪九十年代以来，Stewart平台开始应用于各类数控并联机床和运动模拟器中。作为最典型的并联机构，它具有刚度大，运动精度高，自重负荷比小，承载能力强等一系列优点。由于Stewart平台是一种完全并联驱动的机器人机构(如图1和图2所示)，理论上，从输入到输出的中间环节可以做到最少，这样大大减少了各个传动环节在传动中的误差积累，定位精度高。同时，由于多根驱动杆同时作用于动平台上，且各个杆的受力情况接近于二力杆，不论是承载能力还是机构综合刚度都很高。Stewart平台可以有六个自由度，除三维姿态转动外还能实现三维平动；且在同样载荷下，其体积和自重都远比转台要小，重量和空间优势明显。这些特点使Stewart平台更适合作为运动仿真的承载平台。

但是，由于Stewart平台并联机构的转动空间有限，需要对接、对准和跟瞄等横向工作时，只能采用侧立式安装方式。但现有的Stewart平台机构在侧立工作时，其六驱动杆受力分布极不均匀，部分杆件可能受力很少，部分杆件却可能承受绝大部分的负载，造成刚度和承载能力下降。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即现有的Stewart平台机构在侧立工作时，其六驱动杆受力分布极不均匀，部分杆件可能受力很少，部分杆件却可能承受绝大部分的负载，造成刚度和承载能力下降。进而提供一种侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台，包括：动平台、六个变长驱动杆、定平台、三个安装支架和三个安装面，所述动平台和定平台上下同轴设置，三个安装支架呈正三角形分布，三个安装支架的下端均固定在定平台上，每个安装支架的上端固定有一个安装面，变长驱动杆的上部和动平台相连接，变长驱动杆的下部和定平台相连接。

所述变长驱动杆包括电机安装套筒、定平台虎克铰、定平台虎克铰安装轴、驱动杆、阻转花键、动平台虎克铰和动平台虎克铰安装轴，所述驱动杆的一端与定平台虎克铰的一端相连接，定平台虎克铰的另一端与电机安装套筒相连接，定平台虎克铰上设有定平台虎克铰安装轴，驱动杆的另一端与动平台虎克铰之间连接有阻转花键，动平台虎克铰上设有动平台虎克铰安装轴，定平台虎克铰安装轴用于与和定平台相连接，动平台虎克铰安装轴用于与动平台相连接。

定平台上的所有定平台虎克铰的中心分布在同一平面圆周上，动平台上的所有动平台虎克铰的中心间隔分布在两个平面圆周上，使六个变长驱动杆呈交叉分布。

本发明克服了现有技术的不足之处，其结构借鉴了传统对接对准仿真平台机构和现有数控并联机构的优点，将结构设计，控制方法和标定方法有机融合，设计出可侧立应用的大承载高精度运动平台，具有刚度大，运动自由度多、承载能力强、精度高、体积和自重负荷比小等一系列优点，既可作为航天器空间对接对准运动和武器系统瞄准的运动仿真承载平台，也可以满足用户对大型运动系统的物理/半物理仿真的要求。

附图说明

图1为标准Stewart平台结构示意图。图1中，1为动平台，2为关节轴承，3为变长驱动杆，4为定平台(基座)。

图2为已有的基于Stewart并联机构的运动承载平台机构示意图。图2中，1为动平台，2为关节轴承，3为变长驱动杆，4为定平台(基座)，5为伺服电机。这种常规结构的Stewart平台一般用于正立或倒置工作的运动承载平台或运动模拟器。

图3～图7为本发明侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台结构示意图。图3～图6分别给出了四个角度的立体视图。图中安装面6处于两平台之间。

由于要求并联机构侧立安装，且负荷较大，工作时其力学特性不同于常规应用的正立和倒置状态。为提高其刚度和承载能力，采用交叉杆结构设计。经优化计算后，理论设计的定平台虎克铰中心分布在同一平面圆周上；而动平台虎克铰中心间隔分布在两个平面圆周上，使六个驱动杆呈交叉分布。

图8为变长驱动杆3的装配立体图。

图3～图8中，1为动平台，2为倾斜安装座，3为变长驱动杆，4为定平台(基座)，5为安装支架，6为安装面，7为重心线，8为平直安装座，11为电机安装套筒，12为定平台虎克铰，13为定平台虎克铰安装轴，14为驱动杆，15为阻转花键，16为动平台虎克铰，17为动平台虎克铰安装轴。该驱动杆通过两端的虎克铰分别与动平台和定平台连接，杆件移动部分和固定部分之间设计有花键用于阻转。

图9为本发明中用于控制Stewart平台的多模型鲁棒切换控制方法方框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图3～图8所示，本实施例所涉及的一种侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台，包括：动平台1、六个变长驱动杆3、定平台4、三个安装支架5和三个安装面6，所述动平台1和定平台4上下同轴设置，三个安装支架5呈正三角形分布，三个安装支架5的下端均固定在定平台4上，每个安装支架5的上端固定有一个安装面6，变长驱动杆3的上部和动平台1相连接，变长驱动杆3的下部和定平台4相连接。

所述变长驱动杆3包括电机安装套筒11、定平台虎克铰12、定平台虎克铰安装轴13、驱动杆14、阻转花键15、动平台虎克铰16和动平台虎克铰安装轴17，所述驱动杆14的一端与定平台虎克铰12的一端相连接，定平台虎克铰12的另一端与电机安装套筒11相连接，定平台虎克铰12上设有定平台虎克铰安装轴13，驱动杆14的另一端与动平台虎克铰16之间连接有阻转花键15，动平台虎克铰16上设有动平台虎克铰安装轴17，定平台虎克铰安装轴13用于与和定平台4相连接，动平台虎克铰安装轴17用于与动平台1相连接。

定平台4上的所有定平台虎克铰12的中心分布在同一平面圆周上，动平台1上的所有动平台虎克铰16的中心间隔分布在两个平面圆周上，使六个变长驱动杆3呈交叉分布。

所述动平台1的下端面上，间隔地设有三个倾斜安装座2和三个平直安装座8，六个变长驱动杆3上的动平台虎克铰安装轴17间隔地一个与倾斜安装座2转动连接，一个与平直安装座8转动连接。

本实施例中，动平台通过虎克铰(或球铰)与交叉分布的六根变长驱动杆相连接，变长驱动杆通过虎克铰(或球铰)与定平台(基座)相连接。杆件的交叉分布通过动平台的铰链中心分布实现。这样，动平台、变长驱动杆和定平台之间构成一个交叉结构的空间闭链。这种杆件交叉分布的空间闭链结构具有很高的刚度，良好的结构抗震性和工作稳定性，从而可有效地保障平台在大载荷下的运动精度。这种机构在侧立安装的情况下，工作时可大大地减小各杆件受力的不均匀性，从而和标准的Stewart并联机构相比具有更大的刚度，更适合具有较大自重和载荷时侧立工作。动平台中心设计有安装主轴电机的空腔，减少动平台的质量，有利于改善动平台的性能。承载安装平台与动平台之间可以直接固连，随并联机构运动；也可以通过主轴电机驱动旋转机构与动平台连接，以增加该垂直轴线方向上的滚转运动范围。该装置可以安装在固定支架或基座上，为扩展平动范围，也可以安装在三维龙门架或行车等平动运动机构上。

平台机构采用伺服电机驱动的六轴联动控制。由于运动空间内的Stewart平台的动力学特性变化明显，为实现平台控制系统在较大负载下工作时仍具有良好的动态伺服跟踪性能，本发明为控制系统设计了多模型鲁棒切换控制策略，该控制方法通过在不同工作空间内切换不同的模型和控制器，以实现模型、控制器与平台工作状况的匹配；同时设计的鲁棒控制器用于调整模型/控制器匹配误差抑制系统扰动和不确定性的影响，使全工作空间内稳定性和控制性能得以保障。

本发明设计了多轮迭代测量和修正的方法，基于激光跟踪器测量对并联机构的结构参数进行标定，明显地提高了平台的运动精度。标定方法提出的标定函数可通过对平台位置和姿态进行加权处理使位置和姿态分别满足不同的精度指标，以满足不同的应用要求。

图9是本发明中用于控制Stewart平台的多模型鲁棒切换控制方法的框图。

本发明控制方案实施的基础是通过简化计算反动力学来补偿Stewart平台动力学模型中的非线性，对于由此引入的模型误差和模型本身的不精确和摄动等不确定性因素，设计鲁棒控制器进行抑制。相对自适应方法，鲁棒控制器计算负担小得多。

事实上，完全的反动力学计算负担很大，而通常的简化模型计算又使反馈线性补偿很难在全任务空间取得良好的效果；同样，设计单一鲁棒控制器，也难以保障Stewart平台在整个运动空间内的控制效果。因此，方法实施过程中，将Stewart平台动态模型在整个工作空间划分为不同的模型集，对每个模型集采用相应的局部反馈线性化方法简化反动力学计算，同时针对每个模型集设计不同的鲁棒控制器来抑制扰动和局部的模型误差，在工作过程中根据空间范围指标函数来切换模型和控制器，从而实现整个工作空间的良好动态控制效果。这种方法的计算负担较小，其稳定性可以使用LMI等方法证明。

对每组模型和控制器的行为，可做如下说明：

控制策略中使用PID控制器控制一个线性参考模型跟踪给定的输入轨迹，作为系统的前馈行为，该模型采用理想线性参考模型。针对实际计算反动力学补偿引入模型误差，再设计一个鲁棒控制器，用于抑制可能存在的扰动和模型误差不确定性，同时也用于消除实际模型和理想模型不匹配而带来的输出误差。

图9中虚线框内是经过反馈线性化补偿的Stewart平台，理想情况下应为一线性系统。由于实际的未建模特性和反动力学计算时引入的模型误差，使该模型中存在不确定性。参考模型的控制回路作为系统的前馈部分，给反馈控制回路提供参考输出X_M和并且输出控制量u_f控制平台跟踪给定输入量。这一部分不在系统闭环中，因此不影响系统的稳定性。鲁棒控制器输出的控制量u_A，与u_f一起作用于反馈线性化后的对象；模型不确定性和扰动d，由u_A来抑制，使实际输出X和跟踪理想参考输出X_M和其中e是跟踪误差。

该方案可在保证Stewart平台末端位姿控制精度的基础上有较好的动态响应性能，对外界扰动和负载变化等具有很好的鲁棒性。在一般条件下，当动态性能不高时该方案还可简化为常规的并联机器人运动学控制方案，具有很好的灵活性和适应性。

为提高运动平台机构的运动精度，本发明使用激光跟踪器对并联机构的结构参数进行标定。标定方法使用位置和姿态可加权的多轮迭代测量和修正方法：使用激光跟踪器同时测量平台六个自由度方向上的位姿误差，通过多轮的迭代计算和反复测量，逐渐使42个结构参数的设计计算值逐步逼近其真实值；同时标定函数对位置和姿态进行加权处理，通过标定可使位置和姿态分别满足不同的精度指标。

影响运动Stewart平台运动精度的结构参数，主要包括十二个虎克铰(关节轴承)在空间的三十六个坐标值和六根变长驱动杆的长度。他们组成定平台六个连接关节轴承中心坐标位分布矩阵S_f、动平台六个关节轴承中心坐标位置分布矩阵S_m和六个基准杆长列矢量L。

测量m个点的位姿，本发明标定方法具体实施步骤如下：

1.令表示由L,S_f,S_w中的共四十二个参数确定的动平台在第n个测量点的位姿理论计算值，P_n表示相应的第n个测量点的实际位姿测量值。P_n和都用位姿齐次变换矩阵表示。这时可以定义第n个测量点的位姿误差；

2.根据参数L₀,S_f0,S_m0，在每个测量点处计算Stewart平台的运动学反解，得到对应的理论杆长向量l_n。

3.对杆长向量加增量dL修正L₀，得到每个测量点处新的杆长向量。并且给S_f0和S_m0也加修正量，令S_f＝S_f0+ΔS_f和S_m＝S_m0+ΔS_m。

4.在每个测量点处，根据一轮修正后新的结构参数L,S_f和S_w进行位置正解计算，得到新的计算位姿

5.将新计算的位姿和实际测量值P_n进行比较，计算目标函数。根据(1)式，计算每个测量点处的位姿误差，然后再计算相应的位姿微分增量算子；

从其中的元素可得各点处的位姿微分运动矢量

构造误差函数为

作为极小化的目标函数。

6.判断f(L,S_f,S_m)是否小于给定精度指标。如是，则计算停止，此时得到的dL,ΔS_f和ΔS_m就是结构参数L₀,S_f0,S_w0的修正量。如否，则用一次修改后的L,S_f和S_m代替L₀,S_f0,S_w0，跳转到第2步，重复这一迭代过程，直到指定的计算次数停止。

如果优化结果L,S_f和S_m满足运动精度要求，则修正结束，否则需要进行下一轮测量和修正，直至满足运动精度要求或不再收敛为止。随着f减小，各个结构参数向其实际值接近。若在动平台的运动空间内以适当的密度分布取测量点，则可以提高动平台在整个运动空间的定位精度。

对于平台位置和姿态运动精度不同的指标要求，可以对位置微分和姿态微分向量分别加权，重新构造极小化目标函数

其中ρ和μ是加权系数，由所需的位置精度和姿态精度确定。为避免收敛过程陷入局部极小值，应使用遗传算法等具有全局寻优能力的方法进行优化。

构造的算法通过计算测量点的加权微分运动来构造极小化目标函数，优化过程中需要反复计算Stewart平台的位置反解和正解。使用该目标函数优化结构参数时可以对位置精度和姿态精度的指标进行调整和折衷，可望通过标定更有效地提高姿态精度，从而改善整体的运动性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台，其特征在于，包括：动平台(1)、六个变长驱动杆(3)、定平台(4)、三个安装支架(5)和三个安装面(6)，所述动平台(1)和定平台(4)上下同轴设置，三个安装支架(5)呈正三角形分布，三个安装支架(5)的下端均固定在定平台(4)上，每个安装支架(5)的上端固定有一个安装面(6)，变长驱动杆(3)的上部和动平台(1)相连接，变长驱动杆(3)的下部和定平台(4)相连接；

所述变长驱动杆(3)包括电机安装套筒(11)、定平台虎克铰(12)、定平台虎克铰安装轴(13)、驱动杆(14)、阻转花键(15)、动平台虎克铰(16)和动平台虎克铰安装轴(17)，所述驱动杆(14)的一端与定平台虎克铰(12)的一端相连接，定平台虎克铰(12)的另一端与电机安装套筒(11)相连接，定平台虎克铰(12)上设有定平台虎克铰安装轴(13)，驱动杆(14)的另一端与动平台虎克铰(16)之间连接有阻转花键(15)，动平台虎克铰(16)上设有动平台虎克铰安装轴(17)，定平台虎克铰安装轴(13)用于与定平台(4)相连接，动平台虎克铰安装轴(17)用于与动平台(1)相连接；

定平台(4)上的所有定平台虎克铰(12)的中心分布在同一平面圆周上，动平台(1)上的所有动平台虎克铰(16)的中心间隔分布在两个平面圆周上，使六个变长驱动杆(3)呈交叉分布。

2.根据权利要求1所述的侧立式交叉杆型并联机构六自由度航天器运动仿真平台，其特征在于，所述动平台(1)的下端面上，间隔地设有三个倾斜安装座(2)和三个平直安装座(8)，六个变长驱动杆(3)上的动平台虎克铰安装轴(17)间隔地一个与倾斜安装座(2)转动连接，一个与平直安装座(8)转动连接。