CN111811402A - 一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，包括参考平台、待测平台、位姿解算器和六条结构相同的准零刚度支腿；分别给下端线圈与上端线圈通以方向相反的电流，此时，两线圈在其周围空间内产生电磁场，该电磁场与下磁铁和上磁铁本身的磁场产生相互作用，产生一个与弹簧刚度相反的电磁刚度，弹簧刚度与电磁负刚度相互抵消，使整个支腿的刚度接近零刚度；当待测平台发生空间内的运动时，其运动不能传递至参考平台，因此参考平台处于静止状态；此时，通过激光位移传感器可以测得六个支腿的变形量，将六组变形量分别输入到位姿解算器，通过六自由度装置的运动学正解，即可求解得到待测平台的位移和姿态。

Description

一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置
技术领域
本发明涉及绝对位移测量技术领域，特别是涉及一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置。
背景技术
绝对位移测量广泛存在于工业生产线、精密工程和科学研究等实践中在振动主动控制领域，诸多反馈方式已经得到广泛应用，这其中，绝对位置反馈在消除低频振动、提高对外界干扰的鲁棒性方面具有鲜明的特点，原因在于基于绝对位移反馈的隔振系统具有低的振动传递率和低的动柔度。通常位置反馈是通过测量一个载荷或设备的绝对位移来实现的。研究人员已经提出了一些测量物体绝对运动的方法，包括对加速度或速度信号进行积分。然而，前一种方法在加速度信号的积分过程中可能会引入非期望的时延和误差累积，可能会导致控制行为失效；后一种方法需要速度传感器，如地音传感器等，因此相对成本较高。激光位移传感器和线性可变差动变压器都可用于测量设备和传感器之间的相对位移，若期望测量物体的绝对位移的话，则需要将传感器安装于一个绝对静止的点，这对于移动平台及其附属设备的绝对位移测量(例如行驶中的汽车与地面的距离、水面舰艇相对于水平面的波动等)显然是不现实的。
不仅如此，以上的位移测量方式仅能测量单自由度，无法测量物体在空间内的位移和姿态。中国专利CN201210203199.9公开了一种空间六自由度运动的测量装置及动态测量方法，可以完成物体在空间内六个自由度的运动，简单可靠，测量准确。然而，其测量装置在完成测量之前，必须先固定于一个静止不动的物体上，这对于处于运动中的物体(如前文提到的行驶中的汽车和舰艇等)是不现实的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，可以通过准零刚度支腿来实现参考平台的绝对静止，将待测物体的绝对运动测量转化为相对运动测量，装置适应能力强，测量范围广，精度高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，包括参考平台、待测平台、位姿解算器和六条结构相同的准零刚度支腿，所述准零刚度支腿的两端分别通过球铰与所述参考平台和待测平台相连接；
所述准零刚度支腿包括下支架、弹簧、轴、下端线圈、上端线圈、下端磁铁、上端磁铁、上支架和激光位移传感器，呈相斥状态的所述上端磁铁和下端磁铁分别通过两个挡环固定在所述轴上；位于两个磁铁外侧的所述下端线圈与上端线圈均固定于所述下支架的内壁上，两线圈之间以及两线圈与下支架之间均无相对运动，所述下端线圈与上端线圈之间留有间隔，所述下端线圈和上端线圈通以方向相反的电流；所述轴的一端通过弹簧与所述下支架的内壁端部相连接，另一端与所述上支架的端部相连接；所述激光位移传感器用于测量六个支腿的变形量，且六个所述激光位移传感器将信息输入到所述位姿解算器中，经解算器即可求解得到所述待测平台的位移和姿态。
优选地，所述上端磁铁和下端磁铁的外观结构相同，充磁方向均为轴向充磁，两个磁铁之间处于相斥状态。
优选地，两个挡环分别为下端挡环和上端挡环，所述上端磁铁和下端磁铁分别通过所述上端挡环和下端挡环固定在所述轴上，两个挡环呈锁死状态。
优选地，所述上端线圈与下端线圈的外观尺寸相同，线圈的轴向厚度与磁铁的轴向厚度相同。
优选地，所述上端线圈和下端线圈之间的间隔宽度等于线圈的轴向厚度。
优选地，所述上端线圈和下端线圈的内径大于所述下端磁铁和上端磁铁的外径。
优选地，所述上支架的一端套设于所述下支架的内壁中并与所述轴相连接，另一端通过球铰与所述参考平台相连接。
优选地，所述激光位移传感器安装在所述上支架非套设端的外壁上，且所述激光位移传感器与所述下支架的端部之间留有间隙。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明中的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，可以通过准零刚度支腿来实现参考平台的绝对静止，将待测物体的绝对运动测量转化为相对运动测量，装置适应能力强，测量范围广，精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为六自由度绝对位姿测量装置轴测图；
图2为六自由度绝对位姿测量装置主视图；
图3为六自由度绝对位姿测量装置俯视图；
图4为支腿剖视图；
图5为零刚度机构剖视图；
图6中，6a为沿x轴的运动传递率、6b为沿y轴的运动传递率、6c为沿z轴的运动传递率、6d为绕x轴的运动传递率、6e为绕y轴的运动传递率和6f为绕z轴的运动传递率；
图7中，7a为沿x轴平动的运动示意图、7b沿y轴平动的运动示意图、7c沿z轴平动的运动示意图、7d绕x轴转动的运动示意图、7e绕y轴转动的运动示意图和7f绕z轴转动的运动示意图；
其中，1参考平台；2准零刚度支腿；201下端球铰；202上端球铰；203下支架；204弹簧；205轴；206下端线圈；207上端线圈；208下端磁铁；209上端磁铁；210上支架；211下端挡环；212上端挡环；213激光位移传感器；3待测平台；4位姿解算器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，可以通过准零刚度支腿来实现参考平台的绝对静止，将待测物体的绝对运动测量转化为相对运动测量，装置适应能力强，测量范围广，精度高。
本发明的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，包括参考平台、待测平台、位姿解算器和六条结构相同的准零刚度支腿，准零刚度支腿的两端分别通过球铰与参考平台和待测平台相连接；准零刚度支腿包括下支架、弹簧、轴、下端线圈、上端线圈、下端磁铁、上端磁铁、上支架和激光位移传感器，呈相斥状态的上端磁铁和下端磁铁分别通过两个挡环固定在轴上；位于两个磁铁外侧的下端线圈与上端线圈均固定于下支架的内壁上，两线圈之间以及两线圈与下支架之间均无相对运动，下端线圈与上端线圈之间留有间隔，下端线圈和上端线圈通以方向相反的电流；轴的一端通过弹簧与下支架的内壁端部相连接，另一端与上支架的端部相连接；激光位移传感器用于测量六个支腿的变形量，且六个激光位移传感器将信息输入到位姿解算器中，经解算器即可求解得到待测平台的位移和姿态。
分别给下端线圈与上端线圈通以方向相反的电流，此时，两线圈在其周围空间内产生电磁场，该电磁场与下磁铁和上磁铁本身的磁场产生相互作用，产生一个与弹簧刚度相反的电磁刚度，由于弹簧的刚度为正，因此该电磁刚度称为负刚度。弹簧刚度与电磁负刚度相互抵消，使整个支腿的刚度接近零刚度，通常称为准零刚度；当待测平台发生空间内的运动时，其运动不能传递至参考平台，因此参考平台处于静止状态；此时，通过激光位移传感器可以测得六个支腿的变形量，将六组变形量分别输入到位姿解算器，通过六自由度装置的运动学正解，即可求解得到待测平台的位移和姿态。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-7所示，本实施例提供一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，该装置由四部分构成：参考平台1、六条完全一样的准零刚度支腿2、待测平台3和位姿解算器4。
具体地，准零刚度支腿2的组成如下：
包括下端球铰201、上端球铰202、下支架203、弹簧204、轴205、下端线圈206、上端线圈207、下端磁铁208、上端磁铁209、上支架210、下端挡环211、上端挡环212和激光位移传感器213。呈相斥状态的上端磁铁209和下端磁铁208分别通过两个挡环固定在轴205上；位于两个磁铁外侧的下端线圈206与上端线圈207均固定于下支架203的内壁上，两线圈之间以及两线圈与下支架203之间均无相对运动，下端线圈206与上端线圈207之间留有间隔，下端线圈206和上端线圈207通以方向相反的电流；轴205的一端通过弹簧204与下支架203的内壁端部相连接，另一端与上支架210的端部相连接；激光位移传感器213用于测量六个支腿的变形量，且六个激光位移传感器213将信息输入到位姿解算器4中，经解算器即可求解得到待测平台3的位移和姿态。
本发明中的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，且基本原理主要包含两部分：支腿的准零刚度实现原理和整个装置的测量原理。
其中，准零刚度实现原理如下：
下磁铁208和上磁铁209外观尺寸完全相同，充磁方向均为轴向充磁，两者之间外于相斥状态，通过两个轴向的挡环：下端挡环211和上端挡环209固定于轴205上，挡环呈锁死状态，以保证下磁铁208和上磁铁209彼此相互紧密接触。
下端线圈206与上端线圈207均固定于下支架203的内壁上，两线圈之间、两线圈与下支架203之间无相对运动。两线圈外观尺寸完全相同，其轴向厚度等于下磁铁208及上磁铁209的轴向厚度，内径略大于下磁铁208和上磁铁209的外径，以保证轴向相互运动无干涉。下端线圈206与上端线圈207之间的距离等于一个线圈的厚度。
分别给下端线圈206与上端线圈207通以方向相反的电流，此时，两线圈在其周围空间内产生电磁场，该电磁场与下磁铁208和上磁铁209本身的磁场产生相互作用，产生一个与弹簧204的弹簧刚度相反的电磁刚度，由于弹簧204的刚度为正，因此该电磁刚度称为负刚度。弹簧刚度与电磁负刚度相互抵消，使整个准零刚度支腿2的刚度接近零刚度，通常称为准零刚度。
进一步地，绝对位姿测量原理如下：
由于六个准零刚度支腿2均为准零刚度状态，因此，频率高于一定值的运动将被六条准零刚度支腿2隔离，进而不能通过支腿进行传递至参考平台1。六自由度绝对位姿测量装置六个自由度上的运动传递率如图6所示。图中可以看出，位于0dB线以下的频率所对应的运动都将被衰减，位于20dB以下的衰减率将达到90％。
因此，当待测平台3发生空间内的运动时(包含沿xyz三轴的平动，和绕xyx三轴的转动)，其运动不能传递至参考平台1(这里的运动应该是指在装置测量范围内的运动)，因此参考平台1处于静止状态。此时，通过激光位移传感器213可以测得六个准零刚度支腿2的变形量，将六组变形量分别输入到位姿解算器4，通过六自由度装置的运动学正解，即可求解得到待测平台3的位移和姿态。
图7所示为六自由度绝对位姿测量装置对空间内六个自由度的测量图(注意y轴为垂直纸面向外)。
于本实施例中，六个准零刚度支腿2的设置方式如下：
六个准零刚度支腿2分别为第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第五支腿和第六支腿，其中第一支腿和第二支腿的下端球铰201相邻设置、第三支腿和第四支腿的下端球铰201相邻设置、第五支腿和第六支腿的下端球铰201相邻设置，三组相邻设置的下端球铰201以间隔120°均布的方式位于待测平台3的顶面上；然后第二支腿和第三支腿的上端球铰202相邻设置、第四支腿和第五支腿的上端球铰202相邻设置、第六支腿和第一支腿的上端球铰202相邻设置，三组相邻设置的上端球铰202以间隔120°均布的方式位于参考平台1的底面上；与此同时，三组相邻设置的下端球铰201和三组相邻设置的上端球铰202呈上下不对应的错位设置，使得各支腿能够具有一定的倾斜度。
六个准零刚度支腿2的设置方式并不局限于此，上述设置方式仅是其中一种能够实现的方式，在实际的使用过程中也可根据需要进行适当的调整，均在本发明的保护范围内。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：包括参考平台、待测平台、位姿解算器和六条结构相同的准零刚度支腿，所述准零刚度支腿的两端分别通过球铰与所述参考平台和待测平台相连接；
所述准零刚度支腿包括下支架、弹簧、轴、下端线圈、上端线圈、下端磁铁、上端磁铁、上支架和激光位移传感器，呈相斥状态的所述上端磁铁和下端磁铁分别通过两个挡环固定在所述轴上；位于两个磁铁外侧的所述下端线圈与上端线圈均固定于所述下支架的内壁上，两线圈之间以及两线圈与下支架之间均无相对运动，所述下端线圈与上端线圈之间留有间隔，所述下端线圈和上端线圈通以方向相反的电流；所述轴的一端通过弹簧与所述下支架的内壁端部相连接，另一端与所述上支架的端部相连接；所述激光位移传感器用于测量六个支腿的变形量，且六个所述激光位移传感器将信息输入到所述位姿解算器中，经解算器即可求解得到所述待测平台的位移和姿态。
2.根据权利要求1所述的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：所述上端磁铁和下端磁铁的外观结构相同，充磁方向均为轴向充磁，两个磁铁之间处于相斥状态。
3.根据权利要求1所述的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：两个挡环分别为下端挡环和上端挡环，所述上端磁铁和下端磁铁分别通过所述上端挡环和下端挡环固定在所述轴上，两个挡环呈锁死状态。
4.根据权利要求1所述的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：所述上端线圈与下端线圈的外观尺寸相同，线圈的轴向厚度与磁铁的轴向厚度相同。
5.根据权利要求4所述的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：所述上端线圈和下端线圈之间的间隔宽度等于线圈的轴向厚度。
6.根据权利要求1所述的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：所述上端线圈和下端线圈的内径大于所述下端磁铁和上端磁铁的外径。
7.根据权利要求1所述的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：所述上支架的一端套设于所述下支架的内壁中并与所述轴相连接，另一端通过球铰与所述参考平台相连接。
8.根据权利要求7所述的基于准零刚度的六自由度绝对位姿测量装置，其特征在于：所述激光位移传感器安装在所述上支架非套设端的外壁上，且所述激光位移传感器与所述下支架的端部之间留有间隙。
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