CN108466259A - 基于双平面二自由度运动的空间定位系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双平面二自由度运动的空间定位系统，包含夹持部件、连接部件、定位筒以及运动执行部件；所述运动执行部件安装在连接部件上；所述运动执行部件与夹持部件一一对应，多个运动执行部件形成第一运动执行件与第二运动执行件，多个夹持部件形成第一夹持件与第二夹持件；第一运动执行件、第二运动执行件分别与第一夹持件、第二夹持件紧固连接；定位筒紧固安装在多个所述夹持部件上。本发明还提供了一种基于双平面二自由度运动的空间定位方法。本发明基于空间定位分解，通过两个低维度的平面目标运动实现高维度的空间运动，系统构成更简单。

Description

基于双平面二自由度运动的空间定位系统与方法

技术领域

本发明涉及工业自动化领域，具体地，涉及一种基于双平面二自由度运动的空间定位系统与方法。

背景技术

空间定位指向在工业自动化、航空航天、生物医疗等领域有着广泛的应用。现有的空间定位指向系统，如专利文献CN104483899A提供的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统利用多个惯性传感器与伺服电机，在动力学模型的基础上实现望远镜的定位指向；专利文献CN103970262A提供的光学式指向系统利用图像传感器与参考光源实现空间指向。

但是这些专利申请提出的空间定位、指向系统基于复杂的部件，特别是光学系统，成本高、构成复杂、难以实现小型化。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于双平面二自由度运动的空间定位系统与方法。

根据本发明提供的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，包含夹持部件、连接部件、定位筒以及运动执行部件；

所述运动执行部件安装在连接部件上；所述运动执行部件与夹持部件一一对应，多个运动执行部件形成第一运动执行件与第二运动执行件，多个夹持部件形成第一夹持件与第二夹持件；

第一运动执行件、第二运动执行件分别与第一夹持件、第二夹持件紧固连接；定位筒紧固安装在多个所述夹持部件上。

优选地，所述运动执行部件包含以下任一种或任多种结构：

--二自由度压电运动平台；

--二自由度磁致伸缩运动平台；

--二自由度形状记忆合金运动平台；

--二自由度直线电机运动平台。

优选地，所述夹持部件包含箝位部，所述箝位部包含以下任一种或全部结构：

--球形铰链结构；

--陀螺双环结构。

优选地，所述夹持部件包含致动箝位结构，所述致动箝位结构包含以下任一种或全部结构：

--压电钳位结构；

--形状记忆合金钳位结构。

优选地，所述第一运动执行件、第二运动执行件分别位于连接部件沿高度方向的两端。

优选地，还包含控制器，所述控制器包含以下模块：

模块M1：获取目标靶点M₀的位置信息；

模块M2：根据目标靶点M₀的位置信息，计算获得第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息；

模块M3：根据第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息，生成运动执行指令。

优选地，所述模块M2包含以下模块：

模块M2.1：根据目标靶点M₀的坐标(x₀,y₀,z₀)，建立经过目标靶点M₀的方向向量为的直线L的方程，公式如下：

式中：x表示直线L上任一点的横坐标；x₀表示目标靶点M₀的横坐标；y表示直线L上任一点的纵坐标；y₀表示目标靶点M₀的纵坐标；z表示直线L上任一点的竖坐标；z₀表示目标靶点M₀的竖坐标；m表示直线L的方向向量的横坐标；n表示直线L的方向向量的纵坐标；p表示直线L的方向向量的竖坐标；

模块M2.2：获取第一指向点M₁对应第一运动平面KN的竖坐标z₁与第二指向点M₂对应第二运动平面PQ的竖坐标z₂；

模块M2.3：根据如下公式计算第一指向点M₁、第二指向点M₂分别在第一运动平面KN、第二运动平面PQ上的坐标：

式中：x₁表示第一指向点M₁的横坐标；y₁表示第一指向点M₁的纵坐标；x₂表示第二指向点M₂的横坐标；y₂表示第二指向点M₂的纵坐标。

本发明还提供了一种基于双平面二自由度运动的空间定位方法，包含以下步骤：

步骤S1：获取目标靶点M₀的位置信息；

步骤S2：根据目标靶点M₀的位置信息，计算获得第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息；

步骤S3：根据第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息，生成运动执行指令。

优选地，所述步骤S2包含以下步骤：

步骤S2.1：根据目标靶点M₀的坐标(x₀,y₀,z₀)，建立经过目标靶点M₀的方向向量为的直线L的方程，公式如下：

式中：x表示直线L上任一点的横坐标；x₀表示目标靶点M₀的横坐标；y表示直线L上任一点的纵坐标；y₀表示目标靶点M₀的纵坐标；z表示直线L上任一点的竖坐标；z₀表示目标靶点M₀的竖坐标；m表示直线L的方向向量的横坐标；n表示直线L的方向向量的纵坐标；p表示直线L的方向向量的竖坐标；

步骤S2.2：获取第一指向点M₁对应第一运动平面KN的竖坐标z₁与第二指向点M₂对应第二运动平面PQ的竖坐标z₂；

步骤S2.3：根据如下公式计算第一指向点M₁、第二指向点M₂分别在第一运动平面KN、第二运动平面PQ上的坐标：

式中：x₁表示第一指向点M₁的横坐标；y₁表示第一指向点M₁的纵坐标；x₂表示第二指向点M₂的横坐标；y₂表示第二指向点M₂的纵坐标。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于空间定位分解，通过两个低维度的平面目标运动实现高维度的空间运动，系统构成更简单；

2、本发明使用的二自由度运动执行部件可为基于智能材料的精密执行部件，可以实现系统的智能化、精密化；

3、本发明提出的定位系统，可以很方便的构建控制系统，实现位置解算、图形显示和定位提示功能；

4、本发明提出的定位系统，各部件均可以实现小型化设计，因此可以实现系统的一体化、小型化设计；

5、本发明将空间定位功能分解至两个平面的平面定位，可以方便地进行系统构建，运动控制以及最终的空间定位。

附图说明

通过阅读参照结构及工作原理示意图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明基于双平面二自由度运动的空间定位系统原理示意图；

图2为本发明实施例结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图2所示，本发明提供的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，包含夹持部件1、连接部件2、定位筒3以及运动执行部件4，所述运动执行部件4安装在连接部件2上。所述运动执行部件4与夹持部件1一一对应，多个运动执行部件4形成第一运动执行件41与第二运动执行件42，多个夹持部件1形成第一夹持件11与第二夹持件12，第一运动执行件41、第二运动执行件42分别与第一夹持件11、第二夹持件12紧固连接；定位筒3紧固安装在多个所述夹持部件1上。

所述运动执行部件4包含以下任一种或任多种结构：二自由度压电运动平台；二自由度磁致伸缩运动平台；二自由度形状记忆合金运动平台；二自由度直线电机运动平台。所述夹持部件1包含箝位部，所述箝位部包含以下任一种或全部结构：球形铰链结构；陀螺双环结构。所述夹持部件1包含致动箝位结构，所述致动箝位结构包含以下任一种或全部结构：压电钳位结构；形状记忆合金钳位结构。优选地，所述第一运动执行件41、第二运动执行件42分别位于连接部件2沿高度方向的两端。

本发明提供的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，还包含控制器，所述控制器包含以下模块：模块M1：获取目标靶点M₀的位置信息；模块M2：根据目标靶点M₀的位置信息，计算获得第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息；模块M3：根据第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息，生成运动执行指令。

所述模块M2包含以下模块：模块M2.1：根据目标靶点M₀的坐标(x₀,y₀,z₀)，建立经过目标靶点M₀的方向向量为的直线L的方程，公式如下：

式中：x表示直线L上任一点的横坐标；x₀表示目标靶点M₀的横坐标；y表示直线L上任一点的纵坐标；y₀表示目标靶点M₀的纵坐标；z表示直线L上任一点的竖坐标；z₀表示目标靶点M₀的竖坐标；m表示直线L的方向向量的横坐标；n表示直线L的方向向量的纵坐标；p表示直线L的方向向量的竖坐标；

模块M2.2：获取第一指向点M₁对应第一运动平面KN的竖坐标z₁与第二指向点M₂对应第二运动平面PQ的竖坐标z₂；

模块M2.3：根据如下公式计算第一指向点M₁、第二指向点M₂分别在第一运动平面KN、第二运动平面PQ上的坐标：

式中：x₁表示第一指向点M₁的横坐标；y₁表示第一指向点M₁的纵坐标；x₂表示第二指向点M₂的横坐标；y₂表示第二指向点M₂的纵坐标。

上述的运动执行指令用于控制运动执行部件4进行动作，并使定位筒3中心线对应被第一夹持件11、第二夹持件12夹持的两点分别运动至第一指向点M₁对应空间点、第二指向点M₂对应空间点，进而使得定位筒3完成空间定位。本发明提供的基于双平面二自由度运动的空间定位系统的工作原理如图1所示，实施例中，所述第一运动执行件41、第二运动执行件42分别位于连接部件2沿高度方向的两端，因此在图1中，第一运动平面KN与第二运动平面PQ也是在上下方向上进行布置的。

本发明还提供了一种基于双平面二自由度运动的空间定位方法，包含以下步骤：步骤S1：获取目标靶点M₀的位置信息；步骤S2：根据目标靶点M₀的位置信息，计算获得第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息；步骤S3：根据第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息，生成运动执行指令。所述运动执行指令用于控制运动执行部件4进行动作。

所述步骤S2包含以下步骤：步骤S2.1：根据目标靶点M₀的坐标(x₀,y₀,z₀)，建立经过目标靶点M₀的方向向量为的直线L的方程，公式如下：

式中：x表示直线L上任一点的横坐标；x₀表示目标靶点M₀的横坐标；y表示直线L上任一点的纵坐标；y₀表示目标靶点M₀的纵坐标；z表示直线L上任一点的竖坐标；z₀表示目标靶点M₀的竖坐标；m表示直线L的方向向量的横坐标；n表示直线L的方向向量的纵坐标；p表示直线L的方向向量的竖坐标；

步骤S2.2：获取第一指向点M₁对应第一运动平面KN的竖坐标z₁与第二指向点M₂对应第二运动平面PQ的竖坐标z₂；

步骤S2.3：根据如下公式计算第一指向点M₁、第二指向点M₂分别在第一运动平面KN、第二运动平面PQ上的坐标：

式中：x₁表示第一指向点M₁的横坐标；y₁表示第一指向点M₁的纵坐标；x₂表示第二指向点M₂的横坐标；y₂表示第二指向点M₂的纵坐标。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于双平面二自由度运动的空间定位系统，其特征在于，包含夹持部件(1)、连接部件(2)、定位筒(3)以及运动执行部件(4)；

所述运动执行部件(4)安装在连接部件(2)上；所述运动执行部件(4)与夹持部件(1)一一对应，多个运动执行部件(4)形成第一运动执行件(41)与第二运动执行件(42)，多个夹持部件(1)形成第一夹持件(11)与第二夹持件(12)；

第一运动执行件(41)、第二运动执行件(42)分别与第一夹持件(11)、第二夹持件(12)紧固连接；定位筒(3)紧固安装在多个所述夹持部件(1)上。

2.根据权利要求1所述的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，其特征在于，所述运动执行部件(4)包含以下任一种或任多种结构：

--二自由度压电运动平台；

--二自由度磁致伸缩运动平台；

--二自由度形状记忆合金运动平台；

--二自由度直线电机运动平台。

3.根据权利要求1所述的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，其特征在于，所述夹持部件(1)包含箝位部，所述箝位部包含以下任一种或全部结构：

--球形铰链结构；

--陀螺双环结构。

4.根据权利要求3所述的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，其特征在于，所述夹持部件(1)包含致动箝位结构，所述致动箝位结构包含以下任一种或全部结构：

--压电钳位结构；

--形状记忆合金钳位结构。

5.根据权利要求1所述的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，其特征在于，所述第一运动执行件(41)、第二运动执行件(42)分别位于连接部件(2)沿高度方向的两端。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，其特征在于，还包含控制器，所述控制器包含以下模块：

模块M1：获取目标靶点M₀的位置信息；

模块M2：根据目标靶点M₀的位置信息，计算获得第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息；

模块M3：根据第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息，生成运动执行指令。

7.根据权利要求6所示的基于双平面二自由度运动的空间定位系统，其特征在于，所述模块M2包含以下模块：

模块M2.1：根据目标靶点M₀的坐标(x₀,y₀,z₀)，建立经过目标靶点M₀的方向向量为的直线L的方程，公式如下：

式中：x表示直线L上任一点的横坐标；x₀表示目标靶点M₀的横坐标；y表示直线L上任一点的纵坐标；y₀表示目标靶点M₀的纵坐标；z表示直线L上任一点的竖坐标；z₀表示目标靶点M₀的竖坐标；m表示直线L的方向向量的横坐标；n表示直线L的方向向量的纵坐标；p表示直线L的方向向量的竖坐标；

模块M2.2：获取第一指向点M₁对应第一运动平面KN的竖坐标z₁与第二指向点M₂对应第二运动平面PQ的竖坐标z₂；

模块M2.3：根据如下公式计算第一指向点M₁、第二指向点M₂分别在第一运动平面KN、第二运动平面PQ上的坐标：

式中：x₁表示第一指向点M₁的横坐标；y₁表示第一指向点M₁的纵坐标；x₂表示第二指向点M₂的横坐标；y₂表示第二指向点M₂的纵坐标。

8.一种基于双平面二自由度运动的空间定位方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1：获取目标靶点M₀的位置信息；

步骤S2：根据目标靶点M₀的位置信息，计算获得第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息；

步骤S3：根据第一指向点M₁的定位信息与第二指向点M₂的定位信息，生成运动执行指令。

9.根据权利要求8所述的基于双平面二自由度运动的空间定位方法，其特征在于，所述步骤S2包含以下步骤：

步骤S2.1：根据目标靶点M₀的坐标(x₀,y₀,z₀)，建立经过目标靶点M₀的方向向量为的直线L的方程，公式如下：

式中：x表示直线L上任一点的横坐标；x₀表示目标靶点M₀的横坐标；y表示直线L上任一点的纵坐标；y₀表示目标靶点M₀的纵坐标；z表示直线L上任一点的竖坐标；z₀表示目标靶点M₀的竖坐标；m表示直线L的方向向量的横坐标；n表示直线L的方向向量的纵坐标；p表示直线L的方向向量的竖坐标；

步骤S2.2：获取第一指向点M₁对应第一运动平面KN的竖坐标z₁与第二指向点M₂对应第二运动平面PQ的竖坐标z₂；

步骤S2.3：根据如下公式计算第一指向点M₁、第二指向点M₂分别在第一运动平面KN、第二运动平面PQ上的坐标：

式中：x₁表示第一指向点M₁的横坐标；y₁表示第一指向点M₁的纵坐标；x₂表示第二指向点M₂的横坐标；y₂表示第二指向点M₂的纵坐标。