CN110275551A - 稳定性训练用模块化组合式运动平台及其限幅随机运动规划与控制方法 - Google Patents

Abstract

稳定性训练用模块化组合式运动平台及其限幅随机运动规划与控制方法，它涉及一种机器人及其控制方法。本发明为解决现有的串并联机构运动平台无法重组为不同自由度的机构构型，和未提供以平台的限幅随机运动模拟环境扰动的运动生成及控制方法的问题。设计了中心支撑模块、立柱模块、球铰连杆模块、二自由度动平台模块、单自由度动平台模块、无自由度动平台模块，应用此六种模块能组合出自由度数在二至六个的六种不同机构构型，并提供了一种动平台限幅随机运动的实时规划和控制方法。以所设计运动平台的二自由度组合形式进行了加载条件下的运动测试实验，验证了所提供的组合方法和控制方法的有效性。本发明应用于串/并联机器人领域。

Description

稳定性训练用模块化组合式运动平台及其限幅随机运动规划 与控制方法

技术领域

本发明涉及一种串并联运动平台及其运动规划与控制方法，具体涉及一种稳定性训练用的模块化组合式串并联机构运动平台及其限幅随机运动的规划与控制方法。

背景技术

在飞行员/宇航员训练、脑卒中复健、生物平衡机制研究和足/腿式机器人自稳定能力获得等众多实际应用和科学研究中，多自由度运动平台均被作为人、动物、机器人的平衡感训练或测试的硬件环境，因此运动平台本身及以其模拟环境中的各类扰动所需的限幅随机运动规划与控制方法均有广泛的应用前景。

目前的应用中所使用的运动平台多为6自由度Stewart平台，其由6个并联的液压缸驱动，Stewart平台及其它并联机构运动平台在稳定训练的应用中表现出了运动范围小、速度慢、台面较高不易上下的缺点。

在足式/腿式机器人的自稳定能力获得方面，也有研究者开始使用串/并联机构的6自由度运动平台模拟工作环境中的各种扰动。2014年发表于哈尔滨工业大学学报(英文版)第2期75-82页的论文提供了一种腿式机器人稳定性训练用的6自由度串并联机构平台，并进行了该平台的运动学、动力学分析，文中所述的运动平台具有4个并联自由度和2个串联自由度，同时具有并联机构承载能力强和串联机构运动范围大、速度快的优点，且通过机构设计使动平台台面高度降低，方便上下。解决了传统并联运动平台在稳定性训练应用中暴露的问题，但此论文未涉及串并联机构平台的具体机械结构设计和实现。

公开日为2013年10月9日，公开号为CN103345858A，专利号为ZL201310250326.5的发明专利提供了一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置。文中所述的运动平台具有四根并联支撑脚，支撑脚的滑块通过两端带有球铰的连杆与下平台相连，上下层间采用两根串联滑轨组成的串联机构并添加了垂直沟槽结构的滚动支撑。此发明专利提供了6自由度串并联运动平台的机械结构设计方案，但没有涉及方便变形、组合成具有不同扰动自由度的模块化组合式设计方案，也没有涉及以训练平台模拟环境扰动的限幅随机运动规划与运动控制的具体方法。

综上，现有专利文献、学术论文中设计或应用的多自由度运动平台存在的问题与不足可总结为：传统的并联平台由于台面高、运动范围小、速度慢等缺陷不适合稳定性训练的应用；现有的6自由度串并联平台未进行模块化组合式设计，无法根据稳定性训练的需要变形重组为具有特定扰动自由度数的不同机构构型。且现有文献中均未给出根据所要训练的生物或机器人运动能力上限，模拟生成与环境扰动相对应的限幅随机运动的运动规划与控制方法。

发明内容

本发明的目的是在一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置(公开号CN103345858A，专利号ZL201310250326.5)的基础上，提供上述稳定性训练用运动平台的一种模块化组合式设计方案，及具有不同运动自由度的运动平台组合方法，并提供以平台限幅随机运动模拟环境扰动的运动规划与实时控制方法，以解决现有的多自由度运动平台在需要不同运动自由度的应用场景中难以快速变构型重组，和现有运动平台缺乏限幅随机运动的实时规划与控制方法的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

技术方案一：一种稳定性训练用的模块化组合式串并联机构运动平台：

本发明中进行模块化组合式设计的六自由度串并联机构运动平台由中心支撑模块、y向连接杆、x向连接杆、立柱连接杆、立柱模块、球铰连杆模块、二自由度动平台模块组成。其中y向连接杆、x向连接杆、立柱连接杆各有两根，y向连接杆连接中心支撑模块和x向连接杆；x向连接杆连接y向连接杆和x轴方向上的两个立柱模块；立柱连接杆连接y轴方向上的两个立柱模块。中心支撑模块、立柱模块、球铰连杆模块、二自由度动平台模块的数量各为一个、四个、四个、一个，二自由度动平台模块与中心支撑模块相连，四个球铰连杆模块将四个立柱模块与二自由度动平台模块的四角分别相连。

本发明设计的中心支撑模块结构如下：支撑座的两侧立板加工有与y向连接杆连接的机械接口，支撑座上装有两个多节伸缩导杆和两根气弹簧，分别起导向和支撑的作用，平移支撑板与多节伸缩导杆和气弹簧上端的接口相连，转轴套杯固定于平移支撑板中心的定位孔内，一对转轴轴承放于转轴套杯，转轴轴承的内圈与下叉架下端的出轴配合，四个摆动轴承分别套装于中心十字轴的四个轴颈上，并将其外圈分别装入正交布置的下叉架和上叉架的四个轴承座孔内，上叉架上端的定位止口与中心支撑板的定位孔配合，中心支撑板的上表面加工有固定二自由度动平台模块的机械接口，用于测量动平台姿态的陀螺仪安装于中心支撑板上。

本发明设计的立柱模块由立柱槽钢和直线运动单元组成，立柱槽钢的主体为槽钢型材，加工有用于安装直线运动单元和分别用于连接x向连接杆和立柱连接杆的机械接口。

直线运动单元包括单元底座、后端盖板、两个行程开关、直流伺服电动机、小同步带轮、同步齿形带、大同步带轮、前端盖板、两个丝杆支撑座、两个丝杆轴承、两个直线滑轨、两个滑块、单元运动块、滚珠丝杆螺母、滚珠丝杆、行程开关挡片、顶端防护盖组成。其中单元运动块的顶面加工有与球铰连杆模块连接的机械接口，滚珠丝杆螺母内套装滚珠丝杆并安装于单元运动块的孔内，单元运动块的底面与两个滑块螺钉连接，两个滑块分别套装于两个直线滑轨上，滚珠丝杆的前后两端分别套装有两个丝杆轴承，后者分别装入两个丝杆支撑座的轴承座孔内，两个丝杆支撑座和两个直线导轨均安装于单元底座上；单元底座的前后两端分别装有前端盖板和后端盖板，滚珠丝杆的前端轴伸通过前端盖板并与大同步带轮连接，直流伺服电动机安装于前端盖板的后表面，且电动机出轴上套装小同步带轮，大同步带轮和小同步带轮上套装有同步齿形带；单元底座的侧面装有沿前后向布置的两个行程开关，单元运动块的侧面装有行程开关挡片；两个丝杆支撑座顶面安装顶端防护盖。

本发明设计的球铰连杆模块包括：下球铰A叉架、下球铰轴承、下球铰十字轴、下球铰B叉架、立转定位套、立转轴、立转轴承、立转轴承套杯、连杆、紧固螺杆、上球铰B叉架、上球铰轴承、上球铰十字轴、上球铰A叉架、立柱连接架。其中下球铰A叉架和上球铰A叉架为相同零件，下球铰十字轴与上球铰十字轴为相同零件，下球铰轴承与上球铰轴承为相同部件。下球铰十字轴的四个上轴颈均套装有下球铰轴承，下球铰A叉架和下球铰B叉架的轴承座孔正交布置，且将下球铰轴承的外圈分别装入其中，上球铰的零部件之间的装配关系与下球铰类似。立转轴上装有一对立转轴承并整体装入立转轴承套杯内，立转轴承套杯与下球铰B叉架间通过立转定位套定位，立转轴的上端轴段有螺纹结构，旋入连杆下端的螺纹孔内固定；紧固螺杆穿过上球铰B叉架下端的定位孔，并旋入连杆上端的螺纹孔内固定；上球铰A叉架通过其上端的定位止口与立柱连接架的定位孔定位，两者由螺纹连接固定。

本发明设计的二自由度动平台模块7由两个正交布置的驱动层单元和位于其上的一个台面单元组成，其中驱动层单元的平台框架是通过型材搭结而成的框架结构，且关于坐标系ΣO-xyz的Oxz平面和Oyz平面对称，坐标原点O位于平台框架的几何形心；四块滑轨底板对称布置于平台框架的上表面，其中的三块滑轨底板上安装有由导轨支座、圆形导轨、导轨滑块构成的导轨/滑块移动导向装置，还有一块滑轨底板上安装有直线运动单元；平台框架的下表面安装有四块对称布置的滑块连接板。

动平台的台面层单元由台面框架、台面板、台面滑块连接板组成，其中台面框架和台面滑块连接板分别与驱动层单元中的平台框架和滑块连接板为相同零部件，且台面滑块连接板在台面框架上的布置方式也与滑块连接板在平台框架上的布置方式相同；台面板为一块或数块拼接而成的刚性平板，其上加工有连接球铰连杆模块的连接接口和用于安装台面表层的安装接口。

除二自由度动平台模块外，使用所设计的驱动层单元和台面单元还能组合出单自由度动平台模块和无自由度台面模块。其中单自由度动平台模块由一个驱动层单元和一个台面单元组成。无自由度台面模块为拆去四块台面滑块连接板的台面层单元。

足式/腿式机器人进行稳定性训练时，为增加机器人足底与动平台面的摩擦系数并提供一定缓冲，可使用台面板上预加工的机械连接接口在其上加装具有一定弹性的橡胶平板。对于需要考虑地面不规则起伏的稳定性训练任务，可在台面板上加装各种不规则凸块。对于特定环境内的加强训练或稳定性测试任务可在台面上加装相应的特殊布景，如对上下楼梯的稳定性测试任务，可将不同尺寸的台阶垫块装于动平台上模拟实际楼梯的结构；对非连续地形下的稳定性训练或测试，可将不同规格的矩形垫块装于动平台上模拟实际非连续地形结构。

应用上述中心支撑模块、立柱模块、球铰连杆模块、二自由度动平台模块、单自由度动平台模块、无自由度台面模块，本发明中设计的模块化组合式串并联机构运动平台分别可组成具有二、三、四、五、六个自由度的共6种不同机构构形(四自由度构型有两种)。

二自由度运动平台由中心支撑模块、两个立柱模块、两个球铰连杆模块和无自由度台面模块组成，具有绕x轴摆动和绕y轴摆动的两个运动自由度。

三自由度运动平台由中心支撑模块、两个立柱模块、两个球铰连杆模块和单自由度台面模块组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动和绕y轴摆动三个运动自由度。

第一种四自由度运动平台由中心支撑模块、两个立柱模块、两个球铰连杆模块和二自由度台面模块组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动、绕y轴摆动和沿y轴移动的四个运动自由度。

第二种四自由度运动平台由中心支撑模块、四个立柱模块、四个球铰连杆模块和无自由度台面模块组成，具有绕x轴摆动、绕y轴摆动、绕z轴立转和沿z轴移动的四个运动自由度。

五自由度运动平台由中心支撑模块、四个立柱模块、四个球铰连杆模块和单自由度台面模块组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动、绕y轴摆动、绕z轴立转和沿z轴移动的五个运动自由度。

六自由度运动平台由中心支撑模块、四个立柱模块、四个球铰连杆模块和二自由度台面模块组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动、绕y轴摆动、沿y轴移动、绕z轴立转和沿z轴移动的六个运动自由度。

这里用x、y、z表示动平台沿x轴、y轴、z轴的三个位移坐标，并用θ_X、θ_Y、θ_Z表示动平台绕x轴、y轴、z轴的三个转角。由此，对于上述稳定性训练用运动平台的6种不同机构构型组合方式，其动平台位姿均可用广义位姿矢量q表示，定义如下：六自由度运动平台的位姿矢量为q₆＝[x,y,z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T；二自由度运动平台的位姿矢量为q₂＝[θ_X,θ_Y]^T；三自由度运动平台的位姿矢量为q₃＝[x,θ_X,θ_Y]^T；第一种4自由度运动平台的位姿矢量为q₄₁＝[x,y,θ_X,θ_Y]^T；第二种4自由度运动平台的位姿矢量为q₄₂＝[z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T；五自由度运动平台的位姿矢量为q₅＝[x,z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T。

应用所述的模块化组合式运动平台的任意一种组合方式，组合得到的n自由度(n＝2～6)运动平台的控制系统为各直线运动单元独立的分布式运动控制系统，每个直线运动单元的直流伺服电动机(含编码器)均由一台直流伺服驱动/控制器进行轨迹追踪控制，直线运动单元的行程限位开关连接到直流伺服驱动/控制器的I/O接口上，起限位保护作用。上位机通过串行总线网络向各直流伺服驱动/控制器发送运动指令并接收反馈数据，所使用的串行总线可以是CAN总线、Ethernet、现场总线等高速总线，上位机还直接接收动平台陀螺仪反馈的动平台位姿信号，构成全闭环系统。

所述模块化组合式运动平台的控制软件主要包括平台运动规划器、运动分解器、关节伺服跟踪控制器3部分。q、分别表示平台当前机构构型的动平台实际位姿矢量及其速度矢量；q_R、分别表示由随机数发生器生成的动平台位姿、速度和加速度的随机矢量；q_P、分别表示轨迹规划得到的动平台位姿、速度和加速度的矢量；表示动平台位姿的目标加速度矢量；θ_i和τ_i(i＝1,2,…n)分别为驱动各直线运动单元的n个直流伺服电动机的转角和驱动力矩，θ＝[θ₁,θ₂,…θ_n]^T和τ＝[τ₁,τ₂,…τ_n]^T是其矢量形式；θ^d是由动平台的目标运动求得的伺服电动机目标转角矢量，是θ^d的加速度矢量；Δθ是伺服电动机的转角误差矢量。

技术方案二：上述稳定性训练用模块化组合式运动平台的限幅随机运动规划与控制方法：

所述的平台运动规划器按控制周期输出动平台位姿的轨迹规划结果q_P、计算过程的步骤如下：

步骤一、节律控制：每隔N个控制周期输出一个触发脉冲，触发信号I按式(1)计算，其中s为节律变量，按式(2)计算，s的取值自0到1变化对应每N个控制周期从开始到结束的过程。

式(2)中，t为自运动平台的控制系统上电开始计时的系统时间；T为运动平台的控制周期时长；mod(·)为对1取模的函数。

步骤二、动平台的随机位姿生成：动平台的随机位姿矢量q_R、随机位姿速度矢量随机位姿加速度矢量分别按式(3)、(4)、(5)计算。

其中q′_R、分别为前一个控制周期中的q_R、q_max、q_min分别为动平台位姿的上下界矢量，分别为动平台位姿速度的上下界矢量，分别为动平台位姿加速度的上下界矢量，rand(·,·)为按上下界生成随机数的函数(上位机控制中可使用C++函数库内的同余算法自动生成)。

步骤三、轨迹平滑计算：这里采用五次样条函数进行轨迹平滑，若以q_Ri、分别表示q_R、的第i个元素(i＝1,2,…n)，则相应的平滑后的动平台位姿矢量q_P、速度矢量加速度矢量中的元素可分别按式(6)、(7)、(8)计算。

q_Pi＝a_5is⁵+a_4is⁴+a_3is³+a_2is²+a_1is+a_0i (6)

其中，q_Pi、分别为q_P、中的第i个元素(i＝1,2,…n)，a_5i、a_4i、a_3i、a_2i、a_1i、a_0i为五次样条函数的系数，这些系数可按式(9)确定。

式(9)中，上标T为转置运算符号，q_R0、分别为上一次触发信号I取1之前的动平台随机位姿矢量、速度矢量、加速度矢量，每当I取1时，q_R0、分别被更新为q′_R、I取0时q_R0、保持不变。

根据平台运动规划器输出动平台位姿q_P、速度加速度运动分解器将首先计算动平台运动控制的目标加速度之后将此加速度分解至运动平台各个直线运动单元的直流伺服电动机上，具体步骤如下：

步骤一、计算当前控制周期的动平台目标加速度考虑实际控制中存在的误差，这里不将轨迹规划得到的动平台位姿加速度矢量直接作为动平台的目标加速度，而是在此基础上添加了对平台位姿和速度的反馈控制，按式(10)计算，其中K_P和K_D分别是PD反馈控制的比例系数阵和微分系数阵，其它变量定义均已给出。

步骤二、加速度分解：由动平台位姿的目标加速度求解由各直流伺服电动机的角加速度构成的矢量计算式如式(11)所示。

其中是直流伺服电动机角速度构成的矢量，J为动平台位姿矢量q关于直流伺服电动机转角矢量θ的雅可比矩阵，为J的导数矩阵。

步骤三、关节运动积分：根据当前控制周期的电动机角加速度矢量上个控制周期的电动机目标角度矢量θ′^d和目标角速度矢量此步骤中将求解当前控制周期的电动机目标角度矢量θ^d和目标角速度矢量计算式分别由式(12)、(13)给出。

关节伺服跟踪控制器将根据直流伺服电机的目标角度矢量θ^d和实际角度矢量θ进行轨迹追踪控制，具体步骤如下：

步骤一、反馈采样：读取各直流伺服电动机的编码器读数，计算电动机转角θ_i(i＝1,2,…n)，生成电动机实际转角矢量θ＝[θ₁,θ₂,…θ_n]^T。

步骤二、PID控制：根据伺服电动机的目标转角矢量和实际转角矢量之间的差值矢量Δθ＝θ^d-θ，按式(14)计算伺服电动机的驱动转矩矢量τ。

其中K_MP、K_MD、K_MI分别是电动机PID控制中的比例系数阵、微分系数阵、积分系数阵；是电动机转角差值矢量Δθ的导数矢量。

步骤三、按照伺服电动机的驱动转矩矢量τ对各个伺服驱动器发送控制指令。

本发明的有益效果是：

本发明解决了现有的串并联机构运动平台无法重组为不同自由度的机构构型和未提供以平台的限幅随机运动模拟环境扰动的运动生成及控制方法的问题。设计了中心支撑模块、立柱模块、球铰连杆模块、二自由度动平台模块、单自由度动平台模块、无自由度动平台模块，应用此六种模块能组合出自由度数在二至六个的六种不同机构构型，并提供了一种动平台限幅随机运动的实时规划和控制方法。以所设计运动平台的二自由度组合形式进行了加载条件下的运动测试实验，验证了所提供的组合方法和控制方法的有效性。

本发明对现有的串并联机构运动平台进行了模块化组合式设计，并提出了六种不同机构构型的组合方式，使此运动平台在执行稳定性训练或稳定能力测试任务时，能够根据要求组合出所需的自由度数量，方便地满足了脑卒中病人复健、足式机器人自稳定能力等训练任务中需对对外界扰动的作用方向和方式进行控制的要求。

本发明提出了通过限幅随机运动模拟环境扰动的实时轨迹规划和运动控制方法，弥补了现有的专利与研究中尚未涉及此方法的不足，通过本发明中提出的控制方法能够在严格限制所施加扰动强度的基础上，尽可能全面的使接受训练或测试的主体(人、生物、足式/腿式机器人)经历实际环境中可能存在的扰动，因此较之于其它只能施加简单扰动的运动平台，应用本发明中的运动平台及其控制方法能得到鲁棒性更强的训练结果或更为准确的稳定能力测试结果。

综上，本发明提出了串并联机构运动平台的一种模块化组合式设计方法，并提出了其进行限幅随机运动的运动生成和控制方法，应用本发明提供的技术能在严格控制扰动强度和施加方式的前提下，在稳定性训练和稳定能力测试任务中获得更接近于真实环境的扰动模拟效果。本发明主要应用于串/并联机器人领域。

附图说明

图1是本发明设计的模块化组合式运动平台的六自由度组合方式的三维造型图；图2是本发明设计的中心支撑模块的结构示意图，其中(a)是中心支撑模块的装配体三维模型，(b)是中心支撑模块的结构爆炸图；图3是直线运动单元的结构爆炸图；图4是本发明设计的球铰连杆模块的结构示意图，其中(a)是球铰连杆模块的装配体三维模型，(b)是球铰连杆模块的结构爆炸图；图5是本发明设计的二自由度动平台模块及组装此模块使用的驱动层单元和台面层单元结构示意图，其中(a)是二自由度动平台装配体示意图，(b)是动平台的驱动层装配体示意图，(c)是动平台的台面层装配体示意图；图6是本发明设计的单自由度动平台模块和无自由度台面模块的装配示意图，其中(a)是单自由度动平台模块的装配体示意图，(b)是无自由度台面模块的装配体示意图；图7是模拟不平整地面、台阶地形、非连续地形的动平台台面布置方法，其中(a)是模拟不平整地面的布置方法，(b)是模拟台阶地形的布置方法，(c)是模拟非连续地形的布置方法；图8是本发明设计的模块化组合式运动平台的全部六种机构构型组合示意图，其中(a)是二自由度运动平台，(b)是三自由度运动平台，(c)是第一种四自由度运动平台，(d)是第二种四自由度运动平台，(e)是五自由度运动平台，(f)是六自由度运动平台；图9是本发明提出的模块化组合式n自由度运动平台的控制系统硬件组成；图10是本发明提出的模块化组合式n自由度运动平台的软件控制系统框图；图11是组装好的二自由度运动平台照片及加载75kg后限幅随机运动实验的录像截图，其中(a)二自由度运动平台照片，(b)是加载75kg后进行限幅随机运动实验的录像截图；图12是二自由度运动平台加载实验中不同载荷质量下驱动电动机的工作空间统计；图13是二自由度运动平台加载实验中不同载荷质量下平台摆动跟随误差关于摆动速度的趋势曲线统计。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本发明中进行模块化组合式设计的六自由度串并联机构运动平台由中心支撑模块1、y向连接杆2、x向连接杆3、立柱连接杆4、立柱模块5、球铰连杆模块6、二自由度动平台模块7组成。其中y向连接杆2、x向连接杆3、立柱连接杆4各有两根，y向连接杆2沿坐标系ΣO-xyz的y轴方向布置，连接中心支撑模块1和x向连接杆3；x向连接杆3沿坐标系ΣO-xyz的x轴方向布置，连接y向连接杆2和x轴方向上的两个立柱模块；立柱连接杆4连接y轴方向上的两个立柱模块。中心支撑模块1、立柱模块5、球铰连杆模块6、二自由度动平台模块7的数量各为一个、四个、四个、一个，二自由度动平台模块7与中心支撑模块1相连，四个球铰连杆模块6将四个立柱模块5与二自由度动平台模块7的四角分别相连。

本发明设计的中心支撑模块1结构示意图如图2所示，支撑座1-1的两侧立板加工有与y向连接杆2连接的机械接口，支撑座1-1上装有两个多节伸缩导杆1-2和两根气弹簧1-3，分别起导向和支撑的作用，平移支撑板1-4与多节伸缩导杆1-2和气弹簧1-3上端的接口相连，转轴套杯1-5固定于平移支撑板1-4中心的定位孔内，一对转轴轴承1-6放于转轴套杯1-5，转轴轴承1-6的内圈与下叉架1-7下端的出轴配合，四个摆动轴承1-8分别套装于中心十字轴1-9的四个轴颈上，并将其外圈分别装入正交布置的下叉架1-7和上叉架1-10的四个轴承座孔内，上叉架1-10上端的定位止口与中心支撑板1-11的定位孔配合，中心支撑板1-11的上表面加工有固定二自由度动平台模块7的机械接口，用于测量动平台姿态的陀螺仪1-12安装于中心支撑板1-11上。

本发明设计的立柱模块5由立柱槽钢5-1和直线运动单元5-2组成，立柱槽钢5-1的主体为槽钢型材，加工有用于安装直线运动单元5-2和分别用于连接x向连接杆3和立柱连接杆4的机械接口。

直线运动单元5-2的结构如图3所示，包括单元底座5-2-1、后端盖板5-2-2、两个行程开关5-2-3、直流伺服电动机5-2-4、小同步带轮5-2-5、同步齿形带5-2-6、大同步带轮5-2-7、前端盖板5-2-8、两个丝杆支撑座5-2-9、两个丝杆轴承5-2-10、两个直线滑轨5-2-11、两个滑块5-2-12、单元运动块5-2-13、滚珠丝杆螺母5-2-14、滚珠丝杆5-2-15、行程开关挡片5-2-16、顶端防护盖5-2-17组成。其中单元运动块5-2-13的顶面加工有与球铰连杆模块6连接的机械接口，滚珠丝杆螺母5-2-14内套装滚珠丝杆5-2-15并安装于单元运动块5-2-13的孔内，单元运动块5-2-13的底面与两个滑块5-2-12螺钉连接，两个滑块5-2-12分别套装于两个直线滑轨5-2-11上，滚珠丝杆5-2-15的前后两端分别套装有两个丝杆轴承5-2-10，后者分别装入两个丝杆支撑座5-2-9的轴承座孔内，两个丝杆支撑座5-2-9和两个直线导轨5-2-11均安装于单元底座5-2-1上；单元底座5-2-1的前后两端分别装有前端盖板5-2-8和后端盖板5-2-2，滚珠丝杆5-2-15的前端轴伸通过前端盖板5-2-8并与大同步带轮5-2-7连接，直流伺服电动机5-2-4安装于前端盖板5-2-8的后表面，且电动机出轴上套装小同步带轮5-2-5，大同步带轮5-2-7和小同步带轮5-2-5上套装有同步齿形带5-2-6；单元底座5-2-1的侧面装有沿前后向布置的两个行程开关5-2-3，单元运动块5-2-13的侧面装有行程开关挡片5-2-16；两个丝杆支撑座5-2-9顶面安装顶端防护盖5-2-17。

直线运动单元5-2的传动顺序为：直流伺服电动机5-2-4经由小同步带轮5-2-5→同步齿形带5-2-6→大同步带轮5-2-7→滚珠丝杆5-2-15→滚珠丝杆螺母5-2-14驱动单元运动块5-2-13并带动行程开关挡片5-2-16进行前后方向的运动，当行程开关挡片5-2-16通过前向或后向的行程开关5-2-3时，将切断行程开关5-2-3的对射激光通路，产生电平变化供运动控制器感知。

本发明设计的球铰连杆模块6的结构如图4所示，包括：下球铰A叉架6-1、下球铰轴承6-2、下球铰十字轴6-3、下球铰B叉架6-4、立转定位套6-5、立转轴6-6、立转轴承6-7、立转轴承套杯6-8、连杆6-9、紧固螺杆6-10、上球铰B叉架6-11、上球铰轴承6-12、上球铰十字轴6-13、上球铰A叉架6-14、立柱连接架6-15。其中下球铰A叉架6-1和上球铰A叉架6-14为相同零件，下球铰十字轴6-3与上球铰十字轴6-13为相同零件，下球铰轴承6-2与上球铰轴承6-12为相同部件。下球铰十字轴6-3的四个上轴颈均套装有下球铰轴承6-2，下球铰A叉架6-1和下球铰B叉架6-4的轴承座孔正交布置，且将下球铰轴承6-2的外圈分别装入其中，上球铰的零部件(6-11、6-12、6-13、6-14)之间的装配关系与下球铰类似。立转轴6-6上装有一对立转轴承6-7并整体装入立转轴承套杯6-8内，立转轴承套杯6-8与下球铰B叉架6-4间通过立转定位套6-5定位，立转轴6-6的上端轴段有螺纹结构，旋入连杆6-9下端的螺纹孔内固定；紧固螺杆6-10穿过上球铰B叉架6-11下端的定位孔，并旋入连杆6-9上端的螺纹孔内固定；上球铰A叉架6-14通过其上端的定位止口与立柱连接架6-15的定位孔定位，两者由螺纹连接固定。

本发明设计的二自由度动平台模块7如图5(a)所示，由两个正交布置的驱动层单元7-1和位于其上的一个台面单元7-2组成，其中驱动层单元7-1的结构如图5(b)所示，平台框架7-1-1是通过型材搭结而成的框架结构，且关于坐标系ΣO-xyz的Oxz平面和Oyz平面对称，坐标原点O位于平台框架7-1-1的几何形心；四块滑轨底板7-1-2对称布置于平台框架7-1-1的上表面，其中的三块滑轨底板7-1-2上安装有由导轨支座7-1-5、圆形导轨7-1-4、导轨滑块7-1-3构成的导轨/滑块移动导向装置，还有一块滑轨底板7-1-2上安装有直线运动单元7-1-6，这里的直线运动单元7-1-6和立柱模块5中使用的直线运动单元5-2结构相同，但零部件尺寸不同；平台框架7-1-1的下表面安装有四块对称布置的滑块连接板7-1-7，为了清楚地表示其结构，图5(b)中将位于x轴负方向的两块滑块连接板7-1-7拆离了安装位置(以虚线表示)。

如图5(c)所示，动平台的台面层单元7-2由台面框架7-2-1、台面板7-2-2、台面滑块连接板7-2-3组成，其中台面框架7-2-1和台面滑块连接板7-2-3分别与驱动层单元7-1中的平台框架7-1-1和滑块连接板7-1-7为相同零部件，且台面滑块连接板7-2-3在台面框架7-2-1上的布置方式也与滑块连接板7-1-7在平台框架7-1-1上的布置方式相同；台面板7-2-2为一块或数块拼接而成的刚性平板(图5(c)中进行了剖切仅画出了台面板的一角)，其上加工有连接球铰连杆模块6的连接接口和用于安装台面表层的安装接口。

图5中的二自由度动平台模块7组装时，位于最下方驱动层的平台框架7-1-1与中心支撑模块1的中心支撑板1-11固连；相邻的驱动层与驱动层(或驱动层与台面层)之间，各自的平台框架7-1-1(或台面框架7-2-1)之间成正交布置，下层的三个导轨滑块7-1-3和直线运动单元7-1-6的单元运动块分别与上层的四块滑块连接板7-1-7(或台面滑块连接板7-2-3)固连；这样通过直线单元驱动、导轨导向，下方驱动层与中间驱动层和中间驱动层与台面层之间就各自产生了一个主动自由度，使得二自由度动平台模块7整体具有两个串联的移动自由度。

除图5中所示的二自由度动平台模块7外，使用所设计的驱动层单元7-1和台面单元7-2还能组合出如图6所示的单自由度动平台模块8和无自由度台面模块9。其中单自由度动平台模块8由一个驱动层单元7-1和一个台面单元7-2组成，二者的框架(7-1-1和7-2-1)相互正交，驱动层单元7-1的导轨滑块7-1-3和直线运动单元7-1-6的单元运动块分别与台面层单元7-2的四块台面滑块连接板7-2-3固连。无自由度台面模块9为拆去四块台面滑块连接板7-2-3的台面层单元7-2。

具体实施方式二：如图7所示，足式/腿式机器人在其上进行稳定性训练时，为增加机器人足底与动平台面的摩擦系数并提供一定缓冲，可使用台面板(7-2-2)上预加工的机械连接接口在其上加装具有一定弹性的橡胶平板。对于需要考虑地面不规则起伏的稳定性训练任务，如图7(a)所示，在台面板(7-2-2)上加装各种不规则凸块。对于特定环境内的加强训练或稳定性测试任务可在台面上加装相应的特殊布景，如对上下楼梯的稳定性测试任务，可将图7(b)中的不同尺寸的台阶垫块装于动平台上模拟实际楼梯的结构；对非连续地形下的稳定性训练或测试，可将图7(c)中不同规格的矩形垫块装于动平台上模拟实际的非连续地形结构。

具体实施方式三：如图8所示，应用上述中心支撑模块1、立柱模块5、球铰连杆模块6、二自由度动平台模块7、单自由度动平台模块8、无自由度台面模块9，本发明中设计的模块化组合式串并联机构运动平台可分别组成具有二、三、四、五、六个自由度的6种不同机构构形(其中四自由度构型有2种)。

图8(a)中的二自由度运动平台由中心支撑模块1、两个立柱模块5、两个球铰连杆模块6和无自由度台面模块9组成，具有绕x轴摆动和绕y轴摆动的两个运动自由度。

图8(b)中的三自由度运动平台由中心支撑模块1、两个立柱模块5、两个球铰连杆模块6和单自由度台面模块8组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动和绕y轴摆动三个运动自由度。

图8(c)中的第一种四自由度运动平台由中心支撑模块1、两个立柱模块5、两个球铰连杆模块6和二自由度台面模块7组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动、绕y轴摆动和沿y轴移动的四个运动自由度。

图8(d)中的第二种四自由度运动平台由中心支撑模块1、四个立柱模块5、四个球铰连杆模块6和无自由度台面模块9组成，具有绕x轴摆动、绕y轴摆动、绕z轴立转和沿z轴移动的四个运动自由度。

图8(e)中的五自由度运动平台由中心支撑模块1、四个立柱模块5、四个球铰连杆模块6和单自由度台面模块8组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动、绕y轴摆动、绕z轴立转和沿z轴移动的五个运动自由度。

图8(f)中的六自由度运动平台由中心支撑模块1、四个立柱模块5、四个球铰连杆模块6和二自由度台面模7组成，具有绕x轴摆动、沿x轴移动、绕y轴摆动、沿y轴移动、绕z轴立转和沿z轴移动的六个运动自由度。

具体实施方式四：对于所述模块化组合式运动平台的任意一种组合方式，组合得到的n自由度(n＝2～6)运动平台的控制系统硬件组成如图9所示，运动平台的每个直线运动单元的直流伺服电动机(含编码器)均由一台直流伺服驱动/控制器进行轨迹追踪控制，直线运动单元的行程限位开关连接到直流伺服驱动/控制器的I/O接口上，起限位保护作用。上位机通过串行总线网络向各直流伺服驱动/控制器发送运动指令并接收反馈数据，所使用的串行总线可以是CAN总线、Ethernet、现场总线等高速总线，上位机还直接接收动平台陀螺仪反馈的动平台位姿信号，构成全闭环系统。图9中的控制系统为各直线运动单元独立的分布式运动控制系统，联合运动由上位机实时调节，当运动平台的组合方式变化导致自由度发生增减时，只需相应的增减挂接在串行总线网络上的直流伺服驱动/控制器就可完成硬件控制系统的调整。

这里用x、y、z表示动平台沿x轴、y轴、z轴(图1)的三个位移坐标，并用θ_X、θ_Y、θ_Z表示动平台绕x轴、y轴、z轴的三个转角。由此，对于上述稳定性训练用运动平台的6种不同机构构型组合方式(图1、图8)，其动平台位姿均可用广义位姿矢量q表示，定义如下：图1中的6自由度运动平台的位姿矢量为q₆＝[x,y,z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T；图8(a)中的2自由度运动平台的位姿矢量为q₂＝[θ_X,θ_Y]^T；图8(b)中的3自由度运动平台的位姿矢量为q₃＝[x,θ_X,θ_Y]^T；图8(c)中的第一种4自由度运动平台的位姿矢量为q₄₁＝[x,y,θ_X,θ_Y]^T；图8(d)中的第二种4自由度运动平台的位姿矢量为q₄₂＝[z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T；图8(e)中的5自由度运动平台的位姿矢量为q₅＝[x,z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T。

如图10所示，对于组合得到的n自由度(n＝2～6)运动平台，其软件控制系统主要包括平台运动规划器、运动分解器、关节伺服跟踪控制器3部分。q、分别表示平台当前机构构型的动平台实际位姿矢量及其速度矢量；q_R、分别表示由随机数发生器生成的动平台位姿、速度和加速度的随机矢量；q_P、分别表示轨迹规划得到的动平台位姿、速度和加速度的矢量；K_P、K_D分别是动平台位姿反馈控制的比例系数阵和微分系数阵；表示动平台位姿的目标加速度矢量；θ_i和τ_i(i＝1,2,…n)分别为驱动各直线运动单元(5-2或7-1-6)的n个直流伺服电动机的转角和驱动力矩，θ＝[θ₁,θ₂,…θ_n]^T和τ＝[τ₁,τ₂,…τ_n]^T是其矢量形式；θ^d是由动平台的目标运动求得的伺服电动机目标转角矢量，是θ^d的加速度矢量；Δθ是伺服电动机的转角误差矢量。

具体实施方式五：所述的平台运动规划器按控制周期输出动平台位姿的轨迹规划结果q_P、计算过程的步骤如下：

步骤一、节律控制。每隔N个控制周期输出一个触发脉冲，触发信号I按式(1)计算，其中s为节律变量，按式(2)计算，s的取值自0到1变化对应每N个控制周期从开始到结束的过程。

式(2)中，t为自运动平台的控制系统上电开始计时的系统时间；T为运动平台的控制周期时长；mod(·)为对1取模的函数。

步骤二、动平台的随机位姿生成。动平台的随机位姿矢量q_R、随机位姿速度矢量随机位姿加速度矢量分别按式(3)、(4)、(5)计算。

其中q′_R、分别为前一个控制周期中的q_R、q_max、q_min分别为动平台位姿的上下界矢量，分别为动平台位姿速度的上下界矢量，分别为动平台位姿加速度的上下界矢量，rand(·,·)为按上下界生成随机数的函数(上位机控制中可使用C++函数库内的同余算法自动生成)。

步骤三、轨迹平滑计算。这里采用五次样条函数进行轨迹平滑，若以q_Ri、分别表示q_R、的第i个元素(i＝1,2,…n)，则相应的平滑后的动平台位姿矢量q_P、速度矢量加速度矢量中的元素可分别按式(6)、(7)、(8)计算。

q_Pi＝a_5is⁵+a_4is⁴+a_3is³+a_2is²+a_1is+a_0i (6)

其中，q_Pi、分别为q_P、中的第i个元素(i＝1,2,…n)，a_5i、a_4i、a_3i、a_2i、a_1i、a_0i为五次样条函数的系数，这些系数可按式(9)确定。

式(9)中，上标T为转置运算符号，q_R0、分别为上一次触发信号I取1之前的动平台随机位姿矢量、速度矢量、加速度矢量，每当I取1时，q_R0、分别被更新为q′_R、I取0时q_R0、保持不变。

具体实施方式六：根据平台运动规划器输出动平台位姿q_P、速度加速度运动分解器将首先计算动平台运动控制的目标加速度之后将此加速度分解至运动平台各个直线运动单元的直流伺服电动机上，具体步骤如下：

步骤一、计算当前控制周期的动平台目标加速度考虑实际控制中存在的误差，这里不将轨迹规划得到的动平台位姿加速度矢量直接作为动平台的目标加速度，而是在此基础上添加了对平台位姿和速度的反馈控制，按式(10)计算，其中K_P和K_D分别是PD反馈控制的比例系数阵和微分系数阵，其它变量的定量定义均已给出。

步骤二、加速度分解。由动平台位姿的目标加速度求解由各直流伺服电动机的角加速度构成的矢量计算式如式(11)所示。

其中是直流伺服电动机角速度构成的矢量，J为动平台位姿矢量q关于直流伺服电动机转角矢量θ的雅可比矩阵，为J的导数矩阵。

步骤三、关节运动积分。根据当前控制周期的电动机角加速度矢量上个控制周期的电动机目标角度矢量θ′^d和目标角速度矢量此步骤中将求解当前控制周期的电动机目标角度矢量θ^d和目标角速度矢量计算式分别由式(12)、(13)给出。

具体实施方式七：关节伺服跟踪控制器将根据直流伺服电机的目标角度矢量θ^d和实际角度矢量θ进行轨迹追踪控制，具体步骤如下：

步骤一、反馈采样。读取各直流伺服电动机的编码器读数，计算电动机转角θ_i(i＝1,2,…n)，生成电动机实际转角矢量θ＝[θ₁,θ₂,…θ_n]^T。

步骤二、PID控制。根据伺服电动机的目标转角矢量和实际转角矢量之间的差值矢量Δθ＝θ^d-θ，按式(14)计算伺服电动机的驱动转矩矢量τ。

其中K_MP、K_MD、K_MI分别是电动机PID控制中的比例系数阵、微分系数阵、积分系数阵；是电动机转角差值矢量Δθ的导数矢量。

步骤三、按照伺服电动机的驱动转矩矢量τ对各个伺服驱动器发送控制指令。

具体实施方式八：如图11所示，按上述模块化组合式运动平台的设计方法和控制方法进行实施，组装了图8(a)中的二自由度运动平台进行加载后的运动测试，测试过程中分别使用5～40kg的砝码(每隔5kg)和体重为65kg及75kg的人进行加载，载荷加于动平台远离连接杆的一个角点，动平台进行摆角限幅幅度为±20°的随机摆动。

对11个不同的载荷质量，统计了电动机工作空间和平台摆动的跟随误差趋势，统计结果分别如图12、图13所示。由图12可知，载荷为0～20kg时电机均能达到额定速度3340rpm，之后随着载荷增加转速下降，当载荷为75kg时电动机力矩达到0.7Nm，接近额定转矩。由图13可知，载荷不超过20kg时平台摆角的跟随误差始终小于0.5°，且跟随误差随载荷增加而加速增加，但始终小于2°，满足稳定性训练的要求。

本发明中所有参数或变量的含义参见表一。

表一参数、变量定义表

Claims (7)

1.一种稳定性训练用模块化组合式运动平台，其特征在于，所述运动平台为串并联机构运动平台，可组合成为最多具有六个自由度的机构构型，此构型下运动平台由中心支撑模块(1)、y向连接杆(2)、x向连接杆(3)、立柱连接杆(4)、立柱模块(5)、球铰连杆模块(6)、二自由度动平台模块(7)组成；

其中y向连接杆(2)、x向连接杆(3)、立柱连接杆(4)各有两根，y向连接杆(2)连接中心支撑模块(1)和x向连接杆(3)；x向连接杆(3)连接y向连接杆(2)和x轴方向上的两个立柱模块；立柱连接杆(4)连接y轴方向上的两个立柱模块(5)；即相对的两个x向连接杆(3)和相对的两个立柱连接杆(4)围合成矩形框，两个y向连接杆(2)位于所述矩形框中部内，平行设置的两个y向连接杆(2)的端部与对应的x向连接杆(3)垂直连接，中心支撑模块(1)安装在两个y向连接杆(2)之间；

中心支撑模块(1)、立柱模块(5)、球铰连杆模块(6)、二自由度动平台模块(7)的数量各为一个、四个、四个、一个，二自由度动平台模块(7)位于四个立柱模块(5)内，二自由度动平台模块(7)与位于其下的中心支撑模块(1)相连，四个球铰连杆模块(6)将四个立柱模块(5)与二自由度动平台模块(7)的四角分别相连；

中心支撑模块(1)的支撑座(1-1)的两侧立板加工有与y向连接杆(2)连接的机械接口，支撑座(1-1)上装有两个多节伸缩导杆(1-2)和两根气弹簧(1-3)，平移支撑板(1-4)与多节伸缩导杆(1-2)和气弹簧(1-3)上端的接口相连，转轴套杯(1-5)固定于平移支撑板(1-4)中心的定位孔内，一对转轴轴承(1-6)放于转轴套杯(1-5)内，转轴轴承(1-6)的内圈与下叉架(1-7)下端的出轴配合，四个摆动轴承(1-8)分别套装于中心十字轴(1-9)的四个轴颈上，并将其外圈分别装入正交布置的下叉架(1-7)和上叉架(1-10)的四个轴承座孔内，上叉架(1-10)上端的定位止口与中心支撑板(1-11)的定位孔配合，中心支撑板(1-11)的上表面加工有固定二自由度动平台模块(7)的机械接口，用于测量动平台姿态的陀螺仪(1-12)安装于中心支撑板(1-11)上；

每个立柱模块(5)由立柱槽钢(5-1)和直线运动单元(5-2)组成，立柱槽钢(5-1)的主体为槽钢型材，加工有用于安装直线运动单元(5-2)和分别用于连接x向连接杆(3)和立柱连接杆(4)的机械接口；

直线运动单元(5-2)包括单元底座(5-2-1)、后端盖板(5-2-2)、两个行程开关(5-2-3)、直流伺服电动机(5-2-4)、小同步带轮(5-2-5)、同步齿形带(5-2-6)、大同步带轮(5-2-7)、前端盖板(5-2-8)、两个丝杆支撑座(5-2-9)、两个丝杆轴承(5-2-10)、两个直线滑轨(5-2-11)、两个滑块(5-2-12)、单元运动块(5-2-13)、滚珠丝杆螺母(5-2-14)、滚珠丝杆(5-2-15)、行程开关挡片(5-2-16)、顶端防护盖(5-2-17)；其中单元运动块(5-2-13)的顶面加工有与球铰连杆模块(6)连接的机械接口，滚珠丝杆螺母(5-2-14)内套装滚珠丝杆(5-2-15)并安装于单元运动块(5-2-13)的孔内，单元运动块(5-2-13)的底面与两个滑块(5-2-12)螺钉连接，两个滑块(5-2-12)分别套装于两个直线滑轨(5-2-11)上，滚珠丝杆(5-2-15)的前后两端分别套装有两个丝杆轴承(5-2-10)，后者分别装入两个丝杆支撑座(5-2-9)的轴承座孔内，两个丝杆支撑座(5-2-9)和两个直线导轨(5-2-11)均安装于单元底座(5-2-1)上；单元底座(5-2-1)的前后两端分别装有前端盖板(5-2-8)和后端盖板(5-2-2)，滚珠丝杆(5-2-15)的前端轴伸通过前端盖板(5-2-8)并与大同步带轮(5-2-7)连接，直流伺服电动机(5-2-4)安装于前端盖板(5-2-8)的后表面，且电动机出轴上套装小同步带轮(5-2-5)，大同步带轮(5-2-7)和小同步带轮(5-2-5)上套装有同步齿形带(5-2-6)；单元底座(5-2-1)的侧面装有沿前后向布置的两个行程开关(5-2-3)，单元运动块(5-2-13)的侧面装有行程开关挡片(5-2-16)；两个丝杆支撑座(5-2-9)顶面安装顶端防护盖(5-2-17)；

每个球铰连杆模块(6)包括下球铰A叉架(6-1)、下球铰轴承(6-2)、下球铰十字轴(6-3)、下球铰B叉架(6-4)、立转定位套(6-5)、立转轴(6-6)、立转轴承(6-7)、立转轴承套杯(6-8)、连杆(6-9)、紧固螺杆(6-10)、上球铰B叉架(6-11)、上球铰轴承(6-12)、上球铰十字轴(6-13)、上球铰A叉架(6-14)、立柱连接架(6-15)；其中下球铰A叉架(6-1)和上球铰A叉架(6-14)为相同零件，下球铰十字轴(6-3)与上球铰十字轴(6-13)为相同零件，下球铰轴承(6-2)与上球铰轴承(6-12)为相同部件；下球铰十字轴(6-3)的四个上轴颈均套装有一个下球铰轴承(6-2)；下球铰A叉架(6-1)和下球铰B叉架(6-4)的轴承座孔正交布置，且将每个下球铰轴承(6-2)的外圈分别装入其中；由上球铰B叉架(6-11)、上球铰轴承(6-12)、上球铰十字轴(6-13)、上球铰A叉架(6-14)构成的上球铰的零部件装配关系与下球铰一致；立转轴(6-6)上装有一对立转轴承(6-7)并整体装入立转轴承套杯(6-8)内，立转轴承套杯(6-8)与下球铰B叉架(6-4)间通过立转定位套(6-5)定位，立转轴(6-6)的上端轴段有螺纹结构旋入连杆(6-9)下端的螺纹孔内固定；紧固螺杆(6-10)穿过上球铰B叉架(6-11)下端的定位孔，并旋入连杆(6-9)上端的螺纹孔内固定；上球铰A叉架(6-14)通过其上端的定位止口与立柱连接架(6-15)的定位孔定位，两者由螺纹连接固定；

二自由度动平台模块(7)由两个正交布置的驱动层单元(7-1)和位于其上的一个台面单元(7-2)组成，其中驱动层单元(7-1)的平台框架(7-1-1)是通过型材搭结而成的框架结构；四块滑轨底板(7-1-2)对称布置于平台框架(7-1-1)的上表面，其中的三块滑轨底板(7-1-2)上安装有由导轨支座(7-1-5)、圆形导轨(7-1-4)、导轨滑块(7-1-3)构成的导轨/滑块移动导向装置，还有一块滑轨底板(7-1-2)上安装有直线运动单元(7-1-6)，此直线运动单元(7-1-6)和立柱模块(5)中使用的直线运动单元(5-2)结构相同，但零部件尺寸不同；平台框架(7-1-1)的下表面安装有四块对称布置的滑块连接板(7-1-7)；

动平台的台面层单元(7-2)由台面框架(7-2-1)、台面板(7-2-2)、台面滑块连接板(7-2-3)组成，其中台面框架(7-2-1)和台面滑块连接板(7-2-3)分别与驱动层单元(7-1)中的平台框架(7-1-1)和滑块连接板(7-1-7)为相同零部件，且台面滑块连接板(7-2-3)在台面框架(7-2-1)上的布置方式也与滑块连接板(7-1-7)在平台框架(7-1-1)上的布置方式相同；台面板(7-2-2)为一块或数块拼接而成的刚性平板，其上加工有连接球铰连杆模块(6)的连接接口和用于安装台面表层的安装接口；

除上述二自由度动平台模块(7)外，使用驱动层单元(7-1)和台面单元(7-2)还能组合出单自由度动平台模块(8)和无自由度台面模块(9)；其中单自由度动平台模块(8)由一个驱动层单元(7-1)和一个台面单元(7-2)组成，无自由度台面模块(9)为拆去四块台面滑块连接板(7-2-3)的台面层单元(7-2)。

2.根据权利要求1所述的稳定性训练用模块化组合式运动平台，其特征在于，使用台面板(7-2-2)上预加工的机械连接接口在其上加装具有一定弹性的橡胶平板；或在台面板(7-2-2)上加装各种不规则凸块；或将不同尺寸的台阶垫块装于动平台上模拟实际楼梯的结构；或将不同规格的矩形垫块装于动平台上模拟实际的非连续地形结构。

3.根据权利要求2所述的稳定性训练用模块化组合式运动平台，其特征在于，所述的中心支撑模块(1)、立柱模块(5)、球铰连杆模块(6)、二自由度动平台模块(7)、单自由度动平台模块(8)和无自由度台面模块(9)共可组成分别具有二、三、四、五、六个自由度的6种不同机构构形，其中四自由度构型有两种：

二自由度运动平台由中心支撑模块(1)、两个立柱模块(5)、两个球铰连杆模块(6)和无自由度台面模块(9)组成，具有绕两个水平轴x轴、y轴摆动的运动自由度；

三自由度运动平台由中心支撑模块(1)、两个立柱模块(5)、两个球铰连杆模块(6)和单自由度台面模块(8)组成，具有绕两个水平轴x轴、y轴摆动和一个沿水平轴x轴平移的运动自由度；

第一种四自由度运动平台由中心支撑模块(1)、两个立柱模块(5)、两个球铰连杆模块(6)和二自由度台面模块(7)组成，具有绕两个水平轴x轴、y轴摆动和沿两个水平轴x轴、y轴平移的运动自由度；

第二种四自由度运动平台由中心支撑模块(1)、四个立柱模块(5)、四个球铰连杆模块(6)和无自由度台面模块(9)组成，具有绕两个水平轴x轴、y轴摆动和竖直沿z轴移动及绕z轴立转运动自由度；

五自由度运动平台由中心支撑模块(1)、四个立柱模块(5)、四个球铰连杆模块(6)和单自由度台面模块(8)组成，具有绕两个水平轴x轴、y轴摆动、沿一个水平轴x轴平移和沿z轴竖直平移及绕z轴立转运动自由度。

六自由度运动平台由中心支撑模块(1)、四个立柱模块(5)、四个球铰连杆模块(6)和二自由度台面模块(7)组成，具有分别绕x轴、y轴、z轴的三个摆动自由度和分别沿x轴、y轴、z轴的三个平移自由度。

4.根据权利要求1、2或3所述的稳定性训练用模块化组合式运动平台，其特征在于，还包括控制系统：硬件控制系统和软件控制系统；对于所述模块化组合式运动平台的任意一种组合方式，其硬件控制系统为各直线运动单元独立的分布式运动控制系统，联合运动由上位机实时调节，当运动平台的组合方式变化导致自由度发生增减时，只需相应的增减挂接在串行总线网络上的直流伺服驱动/控制器就可完成硬件控制系统的调整；运动平台的每个直线运动单元的直流伺服电动机(含编码器)均由一台直流伺服驱动/控制器进行轨迹追踪控制，直线运动单元的行程限位开关连接到直流伺服驱动/控制器的I/O接口上，起限位保护作用；上位机通过串行总线网络向各直流伺服驱动/控制器发送运动指令并接收反馈数据，所使用的串行总线可以是CAN总线、Ethernet、现场总线高速总线，上位机还直接接收动平台陀螺仪反馈的动平台位姿信号，构成全闭环系统；

所述模块化组合式串并联机构运动平台的软件控制系统主要包括平台运动规划器、运动分解器、关节伺服跟踪控制器3部分；涉及的变量有：直流伺服电动机的数量n等于运动平台当前机构构型的自由度数；q、分别表示平台当前机构构型的动平台实际位姿矢量及其速度矢量；q_R、分别表示由随机数发生器生成的动平台位姿、速度和加速度的随机矢量；q_P、分别表示轨迹规划得到的动平台位姿、速度和加速度的矢量；K_P、K_D分别是动平台位姿反馈控制的比例系数阵和微分系数阵；表示动平台位姿的目标加速度矢量；θ_i和τ_i(i＝1,2,…n)分别为驱动各直线运动单元(5-2或7-1-6)的n个直流伺服电动机的转角和驱动力矩，θ＝[θ₁,θ₂,…θ_n]^T和τ＝[τ₁,τ₂,…τ_n]^T是其矢量形式；θ^d是由动平台的目标运动求得的伺服电动机目标转角矢量，是θ^d的加速度矢量；Δθ是伺服电动机的转角误差矢量；

上述动平台的广义位姿矢量q中，x、y、z表示动平台沿x轴、y轴、z轴的三个位移坐标，并用θ_X、θ_Y、θ_Z表示动平台绕x轴、y轴、z轴的三个转角；由此，对于运动平台的6种不同机构构型组合方式，有如下定义：六自由度运动平台的位姿矢量为q₆＝[x,y,z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T；二自由度运动平台的位姿矢量为q₂＝[θ_X,θ_Y]^T；三自由度运动平台的位姿矢量为q₃＝[x,θ_X,θ_Y]^T；第一种四自由度运动平台的位姿矢量为q₄₁＝[x,y,θ_X,θ_Y]^T；第二种四自由度运动平台的位姿矢量为q₄₂＝[z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T；五自由度运动平台的位姿矢量为q₅＝[x,z,θ_X,θ_Y,θ_Z]^T。

5.一种基于权利要求4所述稳定性训练用模块化组合式运动平台控制系统的限幅随机运动规划与控制方法，其特征在于，该控制系统的平台运动规划器按控制周期输出动平台位姿的轨迹规划结果q_P、计算过程的步骤如下：

步骤一、节律控制：每隔N个控制周期输出一个触发脉冲，触发信号I按式(1)计算，其中s为节律变量，按式(2)计算，s的取值自0到1变化对应每N个控制周期从开始到结束的过程；

式(2)中，t为自运动平台的控制系统上电开始计时的系统时间；T为运动平台的控制周期时长；mod(·)为对1取模的函数；

步骤二、动平台的随机位姿生成：动平台的随机位姿矢量q_R、随机位姿速度矢量随机位姿加速度矢量分别按式(3)、(4)、(5)计算；

其中q′_R、分别为前一个控制周期中的q_R、q_max、q_min分别为动平台位姿的上下界矢量，分别为动平台位姿速度的上下界矢量，分别为动平台位姿加速度的上下界矢量，rand(·,·)为按上下界生成随机数的函数(上位机控制中可使用C++函数库内的同余算法自动生成)；

步骤三、轨迹平滑计算：这里采用五次样条函数进行轨迹平滑，若以q_Ri、分别表示q_R、的第i个元素(i＝1,2,…n)，则相应的平滑后的动平台位姿矢量q_P、速度矢量加速度矢量中的元素可分别按式(6)、(7)、(8)计算；

q_Pi＝a_5is⁵+a_4is⁴+a_3is³+a_2is²+a_1is+a_0i (6)

其中，q_Pi、分别为q_P、中的第i个元素(i＝1,2,…n)，a_5i、a_4i、a_3i、a_2i、a_1i、a_0i为五次样条函数的系数，这些系数可按式(9)确定；

式(9)中，上标T为转置运算符号，q_R0、分别为上一次触发信号I取1之前的动平台随机位姿矢量、速度矢量、加速度矢量，每当I取1时，q_R0、分别被更新为q′_R、I取0时q_R0、保持不变。

6.根据权利要求5中所述的限幅随机运动规划与控制方法，其特征在于，该控制系统的运动分解器根据平台运动规划器输出动平台位姿q_P、速度加速度将首先计算动平台运动控制的目标加速度之后将此加速度分解至运动平台各个直线运动单元的直流伺服电动机上，具体步骤如下：

步骤一、计算当前控制周期的动平台目标加速度考虑实际控制中存在的误差，这里不将轨迹规划得到的动平台位姿加速度矢量直接作为动平台的目标加速度，而是在此基础上添加了对平台位姿和速度的反馈控制，按式(10)计算，其中K_P和K_D分别是PD反馈控制的比例系数阵和微分系数阵，其它变量的定义均已给出；

步骤二、加速度分解：由动平台位姿的目标加速度求解由各直流伺服电动机的角加速度构成的矢量计算式如式(11)所示，

其中J为动平台位姿矢量q关于直流伺服电动机转角矢量θ的雅可比矩阵，为J的导数矩阵；是直流伺服电动机角速度构成的矢量；

步骤三、关节运动积分：根据当前控制周期的电动机角加速度矢量上个控制周期的电动机目标角度矢量θ′^d和目标角速度矢量此步骤中将求解当前控制周期的电动机目标角度矢量θ^d和目标角速度矢量计算式分别由式(12)、(13)给出；

7.根据权利要求6中所述的限幅随机运动规划与控制方法，其特征在于，该控制系统的关节伺服跟踪控制器将根据直流伺服电机的目标角度矢量θ^d和实际角度矢量θ进行轨迹追踪控制，具体步骤如下：

步骤一、反馈采样：读取各直流伺服电动机的编码器读数，计算电动机转角θ_i(i＝1,2,…n)，生成电动机实际转角矢量θ＝[θ₁,θ₂,…θ_n]^T；

步骤二、PID控制：根据伺服电动机的目标转角矢量和实际转角矢量之间的差值矢量Δθ＝θ^d-θ，按式(14)计算伺服电动机的驱动转矩矢量τ，

其中K_MP、K_MD、K_MI分别是电动机PID控制中的比例系数阵、微分系数阵、积分系数阵；是电动机转角差值矢量Δθ的导数矢量；

步骤三、按照伺服电动机的驱动转矩矢量τ对各个伺服驱动器发送控制指令。