CN107506024B - 四自由度混联运动平台的控制方法、装置及系统 - Google Patents

四自由度混联运动平台的控制方法、装置及系统 Download PDF

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CN107506024B CN201710606344.0A CN201710606344A CN107506024B CN 107506024 B CN107506024 B CN 107506024B CN 201710606344 A CN201710606344 A CN 201710606344A CN 107506024 B CN107506024 B CN 107506024B
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Abstract

本发明公开了一种四自由度混联运动平台的控制方法、装置及系统，该方法包括：建立第一坐标系，其中，第一坐标系以底座的中心点O为原点，以第一线性驱动单元的安装方向为Z轴；获取高阶动平台绕第一坐标系的X轴旋转的旋转角度α、绕Y轴旋转的旋转角度β、绕Z轴旋转的旋转角度γ和沿Z轴移动的位移k；根据获取的旋转角度α、绕Y轴旋转的旋转角度β、旋转角度γ和位移k，得到第一线性驱动单元的运动状态参数、滑块的运动状态参数和旋转组件的旋转角度；利用第一线性驱动单元的运动状态参数、滑块的运动状态参数和旋转组件的旋转角度分别控制第一线性驱动单元、滑块和旋转组件的运动，实现了平台的四自由度运动。

Description

四自由度混联运动平台的控制方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及设备控制技术领域，更具体地，涉及一种四自由度混联运动平台的控制方法、装置及系统。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是当下最具吸引力的娱乐技术之一，旨在改变用户在电子游戏、视频应用甚至大型娱乐设施的体验。将VR技术与座椅结合在一起形成虚拟现实体验平台，是目前一项重要应用。
目前，虚拟现实体验平台的控制方法主要运动学正解算法。运动学正解算法是通过各个驱动机构的运动量来推算出平台的空间姿态。运动学正解算法求解过程复杂，存在无数解且求解的方法各异，存在一定误差，加大控制的难度。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种四自由度混联运动平台的控制方法的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种四自由度混联运动平台的控制方法，所述四自由度混联运动平台包括：底座、至少三个第一线性驱动单元、至少三个转动连接件、至少三个滑块、至少三个滑轨、低阶动平台、旋转组件和高阶动平台，所述第一线性驱动单元沿竖直方向安装在所述底座上，所述第一线性驱动单元的驱动输出端通过所述转动连接件与所述滑动块转动连接，所述滑轨安装在所述低阶动平台，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述旋转组件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述高阶动平台通过所述旋转组件相对于所述低阶动平台作旋转运动，所述方法包括：
建立第一坐标系，其中，所述第一坐标系以所述底座的中心点O为原点，以所述第一线性驱动单元的安装方向为Z轴；
获取所述高阶动平台绕所述第一坐标系的X轴旋转的旋转角度α、绕Y轴旋转的旋转角度β、绕所述Z轴旋转的旋转角度γ和沿所述Z轴移动的位移k；
根据绕所述X轴旋转的旋转角度α和绕所述Y轴旋转的旋转角度β，得到所述旋转角度α和旋转角度β对应的第一线性驱动单元的运动状态参数和滑块的运动状态参数；
根据绕所述Z轴旋转的旋转角度γ，得到所述旋转组件绕所述Z轴的旋转角度；
根据沿所述Z轴移动的位移k，得到所述位移k对应的第一线性驱动单元的运动状态参数和滑块的运动状态参数；
根据得到的第一线性驱动单元的运动状态参数，控制所述第一线性驱动单元的运动，根据得到的滑块的运动状态参数，控制所述滑块的运动，以及根据所述旋转组件的旋转角度，控制所述旋转组件的运动。
可选地，根据绕所述X轴旋转的旋转角度α和绕所述Y轴旋转的旋转角度β，得到所述第一线性驱动单元的运动状态参数和所述滑块的运动状态参数，包括：
设所述滑轨与所述滑块接触表面的中心点为Al点，所述转动连接件的中心点为Bl点，所述滑轨与所述滑块接触表面的、与所述滑块滑动方向一致的中心线且远离所述低阶动平台的中心点的端点为Cl点，所述滑块与所述滑轨接触表面的中心点为Dl点；
确定所述四自由度混联运动平台运动前所述第一坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000021
确定所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000022
和向量
Figure BDA0001358442260000023
且根据所述向量
Figure BDA0001358442260000024
和所述向量
Figure BDA0001358442260000025
得到向量
Figure BDA0001358442260000026
根据所述向量
Figure BDA0001358442260000027
与向量
Figure BDA0001358442260000028
共线，向量
Figure BDA0001358442260000029
与所述向量
Figure BDA00013584422600000210
垂直，以及向量
Figure BDA00013584422600000211
的模为常数的特性，利用所述向量
Figure BDA00013584422600000212
和所述向量
Figure BDA00013584422600000213
得到向量
Figure BDA00013584422600000214
和向量
Figure BDA00013584422600000215
根据向量
Figure BDA00013584422600000216
确定所述第一线性驱动单元的运动状态参数，以及根据向量
Figure BDA00013584422600000217
确定所述滑块的运动状态参数。
可选地，确定所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000031
和向量
Figure BDA0001358442260000032
包括：
建立第二坐标系，其中，所述第二坐标系以所述高阶动平台的中心点O1为原点，所述第二坐标系的Z1轴与所述Z轴平行；
根据所述旋转角度α和所述旋转角度β，得到旋转矩阵R，其中，所述旋转矩阵R的表达式为：
Figure BDA0001358442260000033
确定所述四自由度混联运动平台运动前所述第二坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000034
和向量
Figure BDA0001358442260000035
根据所述旋转矩阵R，得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第二坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000036
和向量
Figure BDA0001358442260000037
利用所述向量
Figure BDA0001358442260000038
所述向量
Figure BDA0001358442260000039
和向量
Figure BDA00013584422600000310
得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure BDA00013584422600000311
和向量
Figure BDA00013584422600000312
可选地，确定出的所述向量
Figure BDA00013584422600000313
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000314
确定出的所述向量
Figure BDA00013584422600000315
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000316
根据所述旋转矩阵R，得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第二坐标系中向量
Figure BDA00013584422600000317
和向量
Figure BDA00013584422600000318
其中，确定出的所述向量
Figure BDA00013584422600000319
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000320
确定出所述向量
Figure BDA00013584422600000321
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000322
利用所述向量
Figure BDA0001358442260000041
所述向量
Figure BDA0001358442260000042
和向量
Figure BDA0001358442260000043
得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000044
和向量
Figure BDA0001358442260000045
其中，所述向量
Figure BDA0001358442260000046
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000047
其中，d为在四自由度混联运动平台运动前所述O点与所述O1点之间的距离；
确定出的所述向量
Figure BDA0001358442260000048
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000049
确定出的所述向量
Figure BDA00013584422600000410
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000411
可选地，所述向量
Figure BDA00013584422600000412
与向量
Figure BDA00013584422600000413
共线，向量
Figure BDA00013584422600000414
与所述向量
Figure BDA00013584422600000415
垂直，以及向量
Figure BDA00013584422600000416
的模为常数的特性，利用所述向量
Figure BDA00013584422600000417
和所述向量
Figure BDA00013584422600000418
得到向量
Figure BDA00013584422600000419
和向量
Figure BDA00013584422600000420
包括：
确定出的所述四自由度混联运动平台运动前所述第一坐标系中所述向量
Figure BDA00013584422600000421
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000422
设定所述四自由度混联运动平台运动后向量
Figure BDA00013584422600000423
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000424
其中，li为所述第一线性驱动单元的运动量，以及
所述四自由度混联运动平台运动后向量
Figure BDA00013584422600000425
的表达式为：
Figure BDA00013584422600000426
根据所述向量
Figure BDA0001358442260000051
和所述向量
Figure BDA0001358442260000052
得到所述向量
Figure BDA0001358442260000053
根据设定的所述向量
Figure BDA0001358442260000054
和所述向量
Figure BDA0001358442260000055
得到所述向量
Figure BDA0001358442260000056
的表达式；
根据所述向量
Figure BDA0001358442260000057
与向量
Figure BDA0001358442260000058
共线，向量
Figure BDA0001358442260000059
与所述向量
Figure BDA00013584422600000510
垂直，以及向量
Figure BDA00013584422600000511
的模为常数的特性，得到设定的所述向量
Figure BDA00013584422600000512
和所述向量
Figure BDA00013584422600000513
中各参数的值。
可选地，所述转动连接件为杆端关节轴承；
所述杆端关节轴承的杆端与所述第一线性驱动单元的驱动输出端相连接，所述杆端关节轴承的关节轴承端与所述滑动块转动连接。
可选地，所述旋转组件包括第二线性驱动单元、传动件和旋转件，其中，所述第二线性驱动单元安装在所述低阶动平台上，所述旋转件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述第二线性驱动单元的驱动输出端被设置为通过所述传动件与所述高阶动平台相连接，以使得所述第二线性驱动单元驱动所述高阶动平台，所述高阶动平台通过所述旋转件相对于所述低阶动平台作旋转运动。
可选地，所述旋转件为轴承。
根据本发明的第二方面，提供了一种四自由度混联运动平台控制装置，所述四自由度混联运动平台包括：底座、至少三个第一线性驱动单元、至少三个转动连接件、至少三个滑块、至少三个滑轨、低阶动平台、旋转组件和高阶动平台，所述第一线性驱动单元沿竖直方向安装在所述底座上，所述第一线性驱动单元的驱动输出端通过所述转动连接件与所述滑动块转动连接，所述滑轨安装在所述低阶动平台，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述旋转组件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述高阶动平台通过所述旋转组件相对于所述低阶动平台作旋转运动，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器用于存储指令，所述指令用于控制所述处理器进行操作以执行上述任一所述的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种四自由度混联运动平台的控制系统，其特征在于，包括：四自由度混联运动平台和如上述所述的四自由度混联运动平台控制装置，其中，所述四自由度混联运动平台包括：底座、至少三个第一线性驱动单元、至少三个转动连接件、至少三个滑块、至少三个滑轨、低阶动平台、旋转组件和高阶动平台，所述第一线性驱动单元沿竖直方向安装在所述底座上，所述第一线性驱动单元的驱动输出端通过所述转动连接件与所述滑动块转动连接，所述滑轨安装在所述低阶动平台，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述旋转组件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述高阶动平台通过所述旋转组件相对于所述低阶动平台作旋转运动。
根据本发明的一个实施例，通过获取的高阶动平台绕第一坐标系的X轴旋转的旋转角度α、绕Y轴旋转的旋转角度β、绕Z轴旋转的旋转角度γ和沿Z轴移动的位移k，得到第一线性驱动单元的运动状态参数、滑块的运动状态参数和旋转组件的旋转角度，进而利用第一线性驱动单元的运动状态参数、滑块的运动状态参数和旋转组件的旋转角度分别控制第一线性驱动单元、滑块和旋转组件的运动，实现了平台的四自由度运动。另外，本发明实施例提供的控制方法，精确度高，求解相过程简单，降低了控制的难度。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台的结构示意图。
图2示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台的控制方法的处理流程图。
图3示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台运动前的简化后的运动模型的示意图。
图4示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台运动后的简化后的运动模型的示意图。
图5示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台控制装置的结构示意图。
图6示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台的控制系统。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台的结构示意图。参见图1，该四自由度混联运动平台包括底座1、至少三个第一线性驱动单元21、至少三个转动连接件22、至少三个滑块23、至少三个滑轨(图中未示出)、低阶动平台3、旋转组件4和高阶动平台5。第一线性驱动单元21沿竖直方向安装在底座1上，第一线性驱动单元21的驱动输出端通过转动连接件22与滑动块23转动连接，滑轨安装在低阶动平台3，滑块23与滑轨滑动连接，旋转组件4安装在低阶动平台3和高阶动平台5之间，高阶动平台5通过旋转组件4相对于低阶动平台3作旋转运动。
第一线性驱动单元21可实现直线运动的输出。第一线性驱动单元21沿着竖直方向输出直线运动，转动连接件22被第一线性驱动单元21输出的直线运动所驱动。通过转动连接件22，第一线性驱动单元21可驱动滑块23实现转动运动。滑块23被设置为与滑轨滑动连接，从而滑块23可与低阶动平台3相对滑动。通过至少三个第一线性驱动单元21、至少三个转动连接件22、至少三个滑块23、至少三个滑轨和低阶动平台3的配合运动，实现了低阶动平台3的三自由度运动。其中，低阶动平台3的三自由度运动包括上下、左右和前后运动。旋转组件4可实现高阶动平台5的旋转运动。结合低阶动平台3的三自由度运动，最终可实现四自由度混联运动的高阶动平台5的四自由度运动，上述四自由度运动包括上下、左右、前后和旋转运动。
本发明的一个实施例提供了一种四自由度混联运动平台的控制方法。图2示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台的控制方法的处理流程图。参见图2，该方法至少包括步骤S202至步骤S212。
步骤S202，建立第一坐标系，其中，第一坐标系以底座的中心点O为原点，以第一线性驱动单元的安装方向为Z轴；
步骤S204，获取高阶动平台绕第一坐标系的X轴旋转的旋转角度α、绕Y轴旋转的旋转角度β、绕Z轴旋转的旋转角度γ和沿Z轴移动的位移k；
步骤S206，根据绕X轴旋转的旋转角度α和绕Y轴旋转的旋转角度β，得到旋转角度α和旋转角度β对应的第一线性驱动单元的运动状态参数和滑块的运动状态参数；
步骤S208，根据绕Z轴旋转的旋转角度γ，得到旋转组件绕Z轴的旋转角度；
步骤S210，根据沿Z轴移动的位移k，得到位移k对应的第一线性驱动单元的运动状态参数和滑块的运动状态参数；
步骤S212，根据得到的第一线性驱动单元的运动状态参数，控制第一线性驱动单元的运动，根据得到的滑块的运动状态参数，控制转动连接件的运动，以及根据旋转组件的旋转角度，控制旋转组件的运动。
本发明提供的四自由度混联运动平台的控制方法，通过获取的高阶动平台绕第一坐标系的X轴旋转的旋转角度α、绕Y轴旋转的旋转角度β、绕Z轴旋转的旋转角度γ和沿Z轴移动的位移k，得到第一线性驱动单元的运动状态参数、滑块的运动状态参数和旋转组件的旋转角度，进而利用第一线性驱动单元的运动状态参数、滑块的运动状态参数和旋转组件的旋转角度分别控制第一线性驱动单元、滑块和旋转组件的运动，实现了平台的四自由度运动。另外，本发明实施例提供的控制方法，精确度高，求解相过程简单，降低了控制的难度。
在本发明的一个实施例中，以至少三个第一线性驱动单元中的一个第一线性驱动单元、与该第一线性驱动单元连接的转动连接件、与该转动连接件配合运动的滑块和与该滑块配合运动的滑轨组成的第一组驱动机构为例，对本发明实施例提供的控制方法进行说明。
设第一组驱动机构的滑轨与滑块接触表面的中心点为Al点，转动连接件的中心点为Bl点，滑轨与滑块接触表面的、与滑块滑动方向一致的中心线且远离低阶动平台的中心点的端点为Cl点，滑块与滑轨接触表面的中心点为Dl点。
建立第二坐标系，其中，第二坐标系以高阶动平台的中心点O1为原点，第二坐标系的Z1轴与Z轴平行。第一坐标系和第二坐标系请参见图1。在图1示出的四自由度混联运动平台运动前，第一坐标系的原点O和第二坐标系的原点O1的连线垂直于底座，此时，两者之间的距离为d。
结合上述建立的第一坐标系和第二坐标系，得到图3示出的四自由度混联运动平台运动前的简化后的运动模型的示意图。
在图1示出的四自由度混联运动平台运动前，第一坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000091
向量
Figure BDA0001358442260000092
和向量
Figure BDA0001358442260000093
是已知的。具体地，向量
Figure BDA0001358442260000094
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000095
向量
Figure BDA0001358442260000096
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000097
其中，f为转动连接件的中心点为Bl与滑块与滑轨接触表面的中心点Dl之间的距离，且不论四自由度混联运动平台如何运动，f为常数。
向量
Figure BDA0001358442260000098
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000101
在图1示出的四自由度混联运动平台运动前，第二坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000102
和向量
Figure BDA0001358442260000103
是已知的。具体地，向量
Figure BDA0001358442260000104
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000105
向量
Figure BDA0001358442260000106
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000107
图4示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台运动后的简化后的运动模型的示意图。
在图1示出的四自由度混联运动平台运动后，根据绕X轴旋转的旋转角度α和绕Y轴旋转的旋转角度β，得到旋转矩阵R。旋转矩阵R的表达式为：
Figure BDA0001358442260000108
在图1示出的四自由度混联运动平台运动后，利用旋转矩阵R，得到第二坐标系中向量
Figure BDA0001358442260000109
和向量
Figure BDA00013584422600001010
具体地，向量
Figure BDA00013584422600001011
的表达式为：
Figure BDA00013584422600001012
向量
Figure BDA00013584422600001013
的表达式为：
Figure BDA00013584422600001014
利用向量
Figure BDA00013584422600001015
向量
Figure BDA00013584422600001016
和向量
Figure BDA00013584422600001017
得到四自由度混联运动平台运动后第一坐标系中向量
Figure BDA00013584422600001018
和向量
Figure BDA00013584422600001019
具体地，向量
Figure BDA00013584422600001020
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000111
向量
Figure BDA0001358442260000112
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000113
根据向量
Figure BDA0001358442260000114
和向量
Figure BDA0001358442260000115
得到向量
Figure BDA0001358442260000116
向量
Figure BDA0001358442260000117
的表达式为：
Figure BDA0001358442260000118
参见图4，四自由度混联运动平台运动后，第一线性驱动单元沿着竖直方向输出直线运动，转动连接件被第一线性驱动单元输出的直线运动所驱动。通过转动连接件，第一线性驱动单元可驱动滑块实现转动运动。相应地，简化后的运动模型相较于运动前发生变化。
预设向量
Figure BDA0001358442260000119
的表达式为：
Figure BDA00013584422600001110
根据上述第一线性驱动单元沿着竖直方向输出直线运动，四自由度混联运动平台后，向量
Figure BDA00013584422600001111
的表达式为：
Figure BDA00013584422600001112
其中，li为第一线性驱动单元沿着竖直方向的移动位移。
根据向量
Figure BDA00013584422600001113
和向量
Figure BDA00013584422600001114
得到向量
Figure BDA00013584422600001115
具体地，向量
Figure BDA00013584422600001116
的表达式如下：
Figure BDA0001358442260000121
根据向量
Figure BDA0001358442260000122
和向量
Figure BDA0001358442260000123
得到向量
Figure BDA0001358442260000124
具体地，向量
Figure BDA0001358442260000125
的表达式如下：
Figure BDA0001358442260000126
根据向量
Figure BDA0001358442260000127
与向量
Figure BDA0001358442260000128
共线，向量
Figure BDA0001358442260000129
与向量
Figure BDA00013584422600001210
垂直，以及向量
Figure BDA00013584422600001211
的模为常数的特性，四自由度混联运动平台运动后的向量
Figure BDA00013584422600001212
和向量
Figure BDA00013584422600001213
进而根据向量
Figure BDA00013584422600001214
得到第一驱动线性单元沿着竖直方向的移动位移量(即li)，根据向量
Figure BDA00013584422600001215
得到滑块的运动位置。具体计算过程如下：
为了计算方便，向量
Figure BDA00013584422600001216
的表达式为：
Figure BDA00013584422600001217
其中，E1＝cosβaxi+sinαsinβayi+cosαsinβazi；E2＝cosαayi-sinαazi；
E3＝-sinβaxi+sinαcosβayi+cosαcosβazi+d。
向量
Figure BDA00013584422600001218
的表达式为:
Figure BDA00013584422600001219
其中，E4＝cosβcxi+sinαsinβcyi+cosαsinβczi；E5＝cosαcyi-sinαczi；
E6＝-sinβcxi+sinαcosβcyi+cosαcosβczi+d。
相应地，向量
Figure BDA00013584422600001220
的表达式如下：
Figure BDA00013584422600001221
向量
Figure BDA00013584422600001222
的表达式如下：
Figure BDA00013584422600001223
根据向量
Figure BDA0001358442260000131
与向量
Figure BDA0001358442260000132
共线，向量
Figure BDA0001358442260000133
与向量
Figure BDA0001358442260000134
垂直，以及向量
Figure BDA0001358442260000135
的模为常数f的特性，可得到：
Figure BDA0001358442260000136
Figure BDA0001358442260000137
(dxi-bxi)(E1-E4)+(dyi-byi)(E2-E5)+(dzi-bzi-li)(E3-E6)＝0——计算式(3)
(dxi-bxi)2+(dyi-byi)2+(dzi-bzi-li)2＝f2——计算式(4)
根据上述计算式(1)-(4)，得到第一驱动线性单元沿着竖直方向的移动位移量li，以及滑块的运动位置。
需要说明地是，上述控制过程仅针对第一组驱动机构进行，对于其他驱动机构同样适用。
在本发明的一个实施例中，根据绕Z轴旋转的旋转角度γ，得到旋转组件绕Z轴的旋转角度；根据沿Z轴移动的位移k，得到位移k对应的第一线性驱动单元的运动状态参数和滑块的运动状态参数。
最后，根据得到的第一线性驱动单元的运动状态参数，控制第一线性驱动单元的运动，其中，此处的第一线性驱动单元的运动状态参数不仅包括绕X轴旋转的旋转角度α和绕Y轴旋转的旋转角度β对应的第一线性驱动单元的运动状态参数，还包括沿Z轴移动的位移对应的第一线性驱动单元的运动状态参数。根据得到的滑块的运动状态参数，控制滑块的运动，其中，此处的滑块的运动状态参数不仅包括绕X轴旋转的旋转角度α和绕Y轴旋转的旋转角度β对应的滑块的运动状态参数，还包括沿Z轴移动的位移对应的滑块的运动状态参数。根据旋转组件的旋转角度，控制旋转组件的运动。
在本发明的一个实施例中，第一线性驱动单元21可例如为电缸或气缸或液压缸等。第一线性驱动单元21被设置为沿竖直方向安装在底座1上。该竖直方向通常是指垂直于底座1的用于安装第一线性驱动单元21的表面的方向。
在本发明的一个实施例中，转动连接件22可例如为十字万向节或关节轴承等。可选地，转动连接件22为杆端关节轴承，杆端关节轴承的杆端与第一线性驱动单元的驱动输出端相连接，杆端关节轴承的关节轴承端与滑动块转动连接。
在本发明的一个实施例中，旋转组件5包括第二线性驱动单元、传动件和旋转件，其中，第二线性驱动单元安装在低阶动平台上，旋转件安装在低阶动平台和高阶动平台之间，第二线性驱动单元的驱动输出端被设置为通过传动件与高阶动平台相连接，以使得第二线性驱动单元驱动高阶动平台，高阶动平台通过旋转件相对于低阶动平台作旋转运动。
第二线性驱动单元可实现直线运动的输出。第二线性驱动单元可例如为电缸或气缸或液压缸等。旋转件可为轴承或者旋转轴等。
基于同一发明构思，本发明提供了一种四自由度混联运动平台控制装置。图5示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台控制装置的结构示意图。参见图5，该控制装置500至少包括存储器510和处理器520。存储器510用于存储指令，指令用于控制处理器520进行操作以执行上述任一所述的方法。
本发明实施例涉及的四自由度混联运动平台包括：底座、至少三个第一线性驱动单元、至少三个转动连接件、至少三个滑块、至少三个滑轨、低阶动平台、旋转组件和高阶动平台，第一线性驱动单元沿竖直方向安装在底座上，第一线性驱动单元的驱动输出端通过转动连接件与滑动块转动连接，滑轨安装在低阶动平台，滑块与滑轨滑动连接，旋转组件安装在低阶动平台和高阶动平台之间，高阶动平台通过旋转组件相对于低阶动平台作旋转运动。
基于同一发明构思，本发明提供了一种四自由度混联运动平台的控制系统。图6示出了根据本发明一个实施例的四自由度混联运动平台的控制系统。该控制系统600包括四自由度混联运动平台610和上述四自由度混联运动平台控制装置620。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种四自由度混联运动平台的控制方法，所述四自由度混联运动平台包括：底座、至少三个第一线性驱动单元、至少三个转动连接件、至少三个滑块、至少三个滑轨、低阶动平台、旋转组件和高阶动平台，所述第一线性驱动单元沿竖直方向安装在所述底座上，所述第一线性驱动单元的驱动输出端通过所述转动连接件与所述滑块转动连接，所述滑轨安装在所述低阶动平台，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述旋转组件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述高阶动平台通过所述旋转组件相对于所述低阶动平台作旋转运动，其特征在于，所述方法包括：
建立第一坐标系，其中，所述第一坐标系以所述底座的中心点O为原点，以所述第一线性驱动单元的安装方向为Z轴；
获取所述高阶动平台绕所述第一坐标系的X轴旋转的旋转角度α、绕Y轴旋转的旋转角度β、绕所述Z轴旋转的旋转角度γ和沿所述Z轴移动的位移k；
根据绕所述X轴旋转的旋转角度α和绕所述Y轴旋转的旋转角度β，得到所述旋转角度α和旋转角度β对应的第一线性驱动单元的运动状态参数和滑块的运动状态参数；
根据绕所述Z轴旋转的旋转角度γ，得到所述旋转组件绕所述Z轴的旋转角度；
根据沿所述Z轴移动的位移k，得到所述位移k对应的第一线性驱动单元的运动状态参数和滑块的运动状态参数；
根据得到的第一线性驱动单元的运动状态参数，控制所述第一线性驱动单元的运动，根据得到的滑块的运动状态参数，控制所述滑块的运动，以及根据所述旋转组件的旋转角度，控制所述旋转组件的运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据绕所述X轴旋转的旋转角度α和绕所述Y轴旋转的旋转角度β，得到所述第一线性驱动单元的运动状态参数和所述滑块的运动状态参数，包括：
设所述滑轨与所述滑块接触表面的中心点为Al点，所述转动连接件的中心点为Bl点，所述滑轨与所述滑块接触表面的、与所述滑块滑动方向一致的中心线且远离所述低阶动平台的中心点的端点为Cl点，所述滑块与所述滑轨接触表面的中心点为Dl点；
确定所述四自由度混联运动平台运动前所述第一坐标系中向量
Figure FDA0002350999110000021
确定所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure FDA0002350999110000022
和向量
Figure FDA0002350999110000023
且根据所述向量
Figure FDA0002350999110000024
和所述向量
Figure FDA0002350999110000025
得到向量
Figure FDA0002350999110000026
根据所述向量
Figure FDA0002350999110000027
与向量
Figure FDA0002350999110000028
共线，向量
Figure FDA0002350999110000029
与所述向量
Figure FDA00023509991100000210
垂直，以及向量
Figure FDA00023509991100000211
的模为常数的特性，利用所述向量
Figure FDA00023509991100000212
和所述向量
Figure FDA00023509991100000213
得到向量
Figure FDA00023509991100000214
和向量
Figure FDA00023509991100000215
根据向量
Figure FDA00023509991100000216
确定所述第一线性驱动单元的运动状态参数，以及根据向量
Figure FDA00023509991100000217
确定所述滑块的运动状态参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure FDA00023509991100000218
和向量
Figure FDA00023509991100000219
包括：
建立第二坐标系，其中，所述第二坐标系以所述高阶动平台的中心点O1为原点，所述第二坐标系的Z1轴与所述Z轴平行；
根据所述旋转角度α和所述旋转角度β，得到旋转矩阵R，其中，所述旋转矩阵R的表达式为：
Figure FDA00023509991100000220
确定所述四自由度混联运动平台运动前所述第二坐标系中向量
Figure FDA00023509991100000221
和向量
Figure FDA00023509991100000222
根据所述旋转矩阵R，得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第二坐标系中向量
Figure FDA00023509991100000223
和向量
Figure FDA00023509991100000224
利用所述向量
Figure FDA00023509991100000225
所述向量
Figure FDA00023509991100000226
和向量
Figure FDA00023509991100000227
得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure FDA00023509991100000228
和向量
Figure FDA00023509991100000229
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定出的所述向量
Figure FDA00023509991100000230
的表达式为：
Figure FDA00023509991100000231
确定出的所述向量
Figure FDA0002350999110000031
的表达式为：
Figure FDA0002350999110000032
根据所述旋转矩阵R，得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第二坐标系中向量
Figure FDA0002350999110000033
和向量
Figure FDA0002350999110000034
其中，确定出的所述向量
Figure FDA0002350999110000035
的表达式为：
Figure FDA0002350999110000036
确定出所述向量
Figure FDA0002350999110000037
的表达式为：
Figure FDA0002350999110000038
利用所述向量
Figure FDA0002350999110000039
所述向量
Figure FDA00023509991100000310
和向量
Figure FDA00023509991100000311
得到所述四自由度混联运动平台运动后所述第一坐标系中向量
Figure FDA00023509991100000312
和向量
Figure FDA00023509991100000313
其中，所述向量
Figure FDA00023509991100000314
的表达式为：
Figure FDA00023509991100000315
其中，d为在四自由度混联运动平台运动前所述O点与所述O1点之间的距离；
确定出的所述向量
Figure FDA00023509991100000316
的表达式为：
Figure FDA00023509991100000317
确定出的所述向量
Figure FDA00023509991100000318
的表达式为：
Figure FDA00023509991100000319
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述向量
Figure FDA00023509991100000320
与向量
Figure FDA00023509991100000321
共线，向量
Figure FDA00023509991100000322
与所述向量
Figure FDA00023509991100000323
垂直，以及向量
Figure FDA00023509991100000324
的模为常数的特性，利用所述向量
Figure FDA00023509991100000325
和所述向量
Figure FDA00023509991100000326
得到向量
Figure FDA00023509991100000327
和向量
Figure FDA00023509991100000328
包括：
确定出的所述四自由度混联运动平台运动前所述第一坐标系中所述向量
Figure FDA0002350999110000041
的表达式为：
Figure FDA0002350999110000042
设定所述四自由度混联运动平台运动后向量
Figure FDA0002350999110000043
的表达式为：
Figure FDA0002350999110000044
其中，li为所述第一线性驱动单元的运动量，以及
所述四自由度混联运动平台运动后向量
Figure FDA0002350999110000045
的表达式为：
Figure FDA0002350999110000046
根据所述向量
Figure FDA0002350999110000047
和所述向量
Figure FDA0002350999110000048
得到所述向量
Figure FDA0002350999110000049
根据设定的所述向量
Figure FDA00023509991100000410
和所述向量
Figure FDA00023509991100000411
得到所述向量
Figure FDA00023509991100000412
的表达式；
根据所述向量
Figure FDA00023509991100000413
与向量
Figure FDA00023509991100000414
共线，向量
Figure FDA00023509991100000415
与所述向量
Figure FDA00023509991100000416
垂直，以及向量
Figure FDA00023509991100000417
的模为常数的特性，得到设定的所述向量
Figure FDA00023509991100000418
和所述向量
Figure FDA00023509991100000419
中各参数的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转动连接件为杆端关节轴承；
所述杆端关节轴承的杆端与所述第一线性驱动单元的驱动输出端相连接，所述杆端关节轴承的关节轴承端与所述滑块转动连接。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转组件包括第二线性驱动单元、传动件和旋转件，其中，所述第二线性驱动单元安装在所述低阶动平台上，所述旋转件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述第二线性驱动单元的驱动输出端被设置为通过所述传动件与所述高阶动平台相连接，以使得所述第二线性驱动单元驱动所述高阶动平台，所述高阶动平台通过所述旋转件相对于所述低阶动平台作旋转运动。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述旋转件为轴承。
9.一种四自由度混联运动平台控制装置，所述四自由度混联运动平台包括：底座、至少三个第一线性驱动单元、至少三个转动连接件、至少三个滑块、至少三个滑轨、低阶动平台、旋转组件和高阶动平台，所述第一线性驱动单元沿竖直方向安装在所述底座上，所述第一线性驱动单元的驱动输出端通过所述转动连接件与所述滑块转动连接，所述滑轨安装在所述低阶动平台，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述旋转组件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述高阶动平台通过所述旋转组件相对于所述低阶动平台作旋转运动，其特征在于，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器用于存储指令，所述指令用于控制所述处理器进行操作以执行根据权利要求1-8任一所述的方法。
10.一种四自由度混联运动平台的控制系统，其特征在于，包括：四自由度混联运动平台和如权利要求9所述的四自由度混联运动平台控制装置，其中，所述四自由度混联运动平台包括：底座、至少三个第一线性驱动单元、至少三个转动连接件、至少三个滑块、至少三个滑轨、低阶动平台、旋转组件和高阶动平台，所述第一线性驱动单元沿竖直方向安装在所述底座上，所述第一线性驱动单元的驱动输出端通过所述转动连接件与所述滑块转动连接，所述滑轨安装在所述低阶动平台，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述旋转组件安装在所述低阶动平台和所述高阶动平台之间，所述高阶动平台通过所述旋转组件相对于所述低阶动平台作旋转运动。
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