CN113405821B - 一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，包括：第一六边框组件、与所述第一六边框组件球铰的旋转组件、与所述旋转组件啮合连接的燕尾槽上滑板组件、与所述燕尾槽上滑板组件固接的十字滑台丝杠电机组件、与所述十字滑台丝杠电机组件固接的第二六边框组件及固定于所述第二六边框组件上的拉线位移传感器；旋转组件包括支撑架、分别设置于所述支撑架上的Y轴拨叉与X轴拨叉、分别与Y轴拨叉及X轴拨叉固接的Y轴指针与X轴指针及设置于支撑架中间位置的正交球铰，所述Y轴拨叉及X轴拨叉均与正交球铰同心配合。根据本发明，装置将复合运动解耦的方法实现单一自由度的平动或转动，来达到实时测量与校准的功能。

Description

一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置

技术领域

本发明涉及测量仪的技术领域，特别涉及一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置。

背景技术

随着我国经济高速发展，铁路运行线路日益增长，不仅对客运、货源列车的需求量与日剧增，而且对客运列车高速、安全、舒适及货运列车重载、稳定、环保等提出了更高的要求，造成了车辆及各部件运行环境更加恶劣，因此需要研制能够精准复现列车在实际线路上运行姿态的试验台。而测量运动物体的空间运动姿态，对于试验台有至关重要的作用。同样航空航天领域航天器空间对接等均涉及到一个共同点——空间位姿测量问题。现有的位姿测量技术有基于光栅尺以及角度传感器来实现位姿测量的目的，是一种直接测量的方法，但其易受机械结构的安装精度以及测量精度的影响，而采用激光、机器视觉等非直接测量的方法，存在测量系统成本高，耗费时间等缺点。

如今，位姿测量技术广泛应用在军事、航空航天、交通等领域中大型装备以及精密仪器的测量。目前对于六自由度平台测量装置研究颇多如:专利“一种用于平台六自由度测量的装置”(发明专利，苏建，20130807)提出了平台六自由度变化的测量装置，简化了测量方式，但不适合狭小空间的测量。专利“一种试验台校准装置”(实用新型，傅世传，20160914)，提供了一种基于Stewart平台的校准装置，虽然能对试验台进行综合校准，但安装较复杂，成本较高，且装置运动为复合运动，不能通过解耦运动来实现校准功能。国内外学者有关六自由度平台的研究，大多是基于Stewart平台的六自由度测量装置，这些装置运动都为复合运动，未考虑到空间六自由度平台自身的强动力学耦合因素。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，装置将复合运动解耦的方法实现单一自由度的平动或转动，来达到实时测量与校准的功能。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，包括：

第一六边框组件、与所述第一六边框组件球铰的旋转组件、与所述旋转组件啮合连接的燕尾槽上滑板组件、与所述燕尾槽上滑板组件固接的十字滑台丝杠电机组件、与所述十字滑台丝杠电机组件固接的第二六边框组件及固定于所述第二六边框组件上的拉线位移传感器；

旋转组件包括支撑架、分别设置于所述支撑架上的Y轴拨叉与X轴拨叉、分别与Y轴拨叉及X轴拨叉固接的Y轴指针与X轴指针及设置于支撑架中间位置的正交球铰，所述Y轴拨叉及X轴拨叉均与正交球铰同心配合；

所述支撑架的正下方固定连接有圆盘座，所述圆盘座远离支撑架一端面上转动连接有下升降立柱，所述下升降立柱的侧面沿竖直方向上固接有升降齿条。

优选的，所述第一六边框组件包括第一六边框、固接于所述第一六边框上的上拉线位移传感器固定板、固定于上拉线位移传感器固定板上的小型万向节叉及通过连接杆固定于第一六边框上的下联立柱。

优选的，所述支撑架包括一平面板以及分别固定于平面板靠近正交球铰一端面上三个固定板，所述固定板上分别连接有Y轴拨叉与X轴拨叉，且所述平面板上开设有一长条孔，所述长条孔用于下联立柱绕X轴方向转动。

优选的，所述燕尾槽上滑板组件包括燕尾榫上滑板、固定于所述燕尾榫上滑板上的空心圆筒、固定于空心圆筒一侧面上的立柱锁紧螺栓手柄及固定于空心圆筒与立柱锁紧螺栓手柄相对一侧上的Z轴电机。

优选的，所述空心圆筒位于立柱锁紧螺栓手柄一端开设有一调整缝，沿所述调整缝边沿的竖直方向延伸有锁紧板，所述锁紧板之间通过螺栓与滑板丝杠螺母锁紧，所述螺栓正下方设置有立柱锁紧手柄螺栓，所述立柱锁紧手柄螺栓上固接有立柱锁紧螺栓手柄。

优选的，所述空心圆筒与立柱锁紧螺栓手柄相对的一侧面上开设有Z轴齿轮位移孔，所述Z轴齿轮位移孔上设置有Z轴电机，所述Z轴电机的输出轴上固接有升降齿轮，所述升降齿轮镶嵌于Z轴齿轮位移孔中，且所述升降齿轮与升降齿条相啮合。

优选的，所述十字滑台丝杠电机组件包括移动凸台、Y轴电机座及X轴电机座，所述Y轴电机座上固接有Y轴电机，所述Y轴电机的输出轴固接有Y轴位移丝杠，所述Y轴位移丝杠与移动凸台固接，所述X轴电机座上固接有X轴丝杠电机，所述X轴丝杠电机的输出轴固接有X轴位移丝杠，所述X轴位移丝杠与Y轴电机座固接。

优选的，所述第二六边框组件包括第二六边框及固接于所述第二六边框上的下拉线位移传感器固定板，所述下拉线位移传感器固定板上固接有右拉线尺，所述右拉线尺上一端上固接有定心球，所述定心球与拉线位移传感器相连接，且相邻的下拉线位移传感器固定板的定心球上固接有左拉线尺。

优选的，所述拉线位移传感器上端连接第一六边框上的小型万向节叉且通过定心球球铰连接，拉线位移传感器下端通过铰接连接第二六边框上的定心球。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)本发明装置所述的用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置可通过直接结构解耦的方式来达到测量的目的。当第一六边框组件发生空间六自由度运动时，旋转组件跟随第一六边框组件一起随动，旋转组件便可直接实时测出绕X、Y、Z的旋转角度；十字滑台丝杠电机组件和燕尾槽上滑板组件之间的配合，实时测量沿X、Y、Z轴的平动位移量，从而实现复合运动解耦，提高测量的速度和精确性。

(2)本发明又可作为一种校准器使用。通过设置旋转组件、十字滑台丝杠电机及燕尾槽上滑板各组件的位姿量，借助组件之间配合得到第一六边框组件的六自由度位姿量，进行位姿反解，求解出6个位移量，并与拉线位移传感器测出的位移量进行比对，不断调整达到校准或标定目的，实现测量系统的动静态标定。

(3)本发明装置组装简单，携带方便，测量范围较广，并不局限于一种装置的测量(且并不仅限于使用拉线位移传感器进行标定)，安装工艺不会影响测量精度，提高测量准确性及工作效率，具有一定的通用性。

(4)本发明装置所述的十字滑台丝杠电机组件，由于丝杠传动具有自锁性，能有效防止测量过程中测量装置出现滑移，保证了测量装置的可靠性与测量准确性。

附图说明

图1为根据本发明的用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置的三维结构示意图；

图2为根据本发明的用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置的第一六边框组件三维结构示意图；

图3为根据本发明的用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置的旋转组件三维结构示意图；

图4为根据本发明的用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置的燕尾槽上滑板组件的结构示意图；

图5为根据本发明的用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置的十字滑台丝杠电机组件结构示意图；

图6为根据本发明的用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置的第二六边框组件的三维结构示意图。

图中：1第一六边框组件；2旋转组件3燕尾槽上滑板组件；4十字滑台丝杠电机组件；5拉线位移传感器；6第二六边框组件；11第一六边框；12小型万向节叉；13上拉线位移传感器固定板；14下联立柱；21支撑架；22Y轴拨叉；23Y轴指针；24圆盘座；25下升降立柱；26升降齿条；27正交球铰；28X轴指针；29X轴拨叉；31空心圆筒；32滑板丝杠螺母；33立柱锁紧螺栓手柄；34立柱锁紧手柄螺栓；35升降齿轮；36Z轴电机；41Y轴电机座；42Y轴丝杠电机；43Y轴位移丝杠；44移动凸台45X轴丝杠电机；46X轴电机座；47X轴位移丝杠；61第二六边框；62右拉线尺；63定心球；64左拉线尺；65下拉线位移传感器固定板。

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。

参照图1-6，一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，包括：第一六边框组件1、与所述第一六边框组件1球铰的旋转组件2、与所述旋转组件2啮合连接的燕尾槽上滑板组件3、与所述燕尾槽上滑板组件3固接的十字滑台丝杠电机组件4、与所述十字滑台丝杠电机组件4固接的第二六边框组件6及固定于所述第二六边框组件6上的拉线位移传感器5；旋转组件2包括支撑架21、分别设置于所述支撑架21上的Y轴拨叉22与X轴拨叉29、分别与Y轴拨叉22及X轴拨叉29固接的Y轴指针23与X轴指针28及设置于支撑架21中间位置的正交球铰27，所述Y轴拨叉22及X轴拨叉29均与正交球铰27同心配合；所述支撑架21的正下方固定连接有圆盘座24，所述圆盘座24远离支撑架21一端面上转动连接有下升降立柱25，所述下升降立柱25的侧面沿竖直方向上固接有升降齿条26，所述下升降立柱25上的圆盘上刻有Z轴刻度数，第一六边框组件1与旋转组件2之间通过正交球铰27连接，燕尾槽上滑板组件3与旋转组件体2通过齿轮齿条连接，十字滑台丝杠电机组件4与燕尾槽上滑板组件3之间销孔连接，拉线位移传感器5测量位移量，用以实现校准或标定目的。被测装置固定在第一六边框组件1上，第二六边框组件6在测量时保持固定。

进一步的，所述第一六边框组件1包括第一六边框11、固接于所述第一六边框11上的上拉线位移传感器固定板13、固定于上拉线位移传感器固定板13上的小型万向节叉12及通过连接杆固定于第一六边框11上的下联立柱14，所述支撑架21包括一平面板以及分别固定于平面板靠近正交球铰27一端面上三个固定板，所述固定板上分别连接有Y轴拨叉22与X轴拨叉29，且所述平面板上开设有一长条孔，所述长条孔用于下联立柱14绕X轴方向转动，下联立柱14与旋转组件2中的正交球铰27连接，使得第一六边框组件与旋转组件2一起随动，从而实现空间六自由度运动，X轴拨叉与Y轴拨叉分别与正交球铰同心配合，同时Y轴拨叉22与X轴拨叉29通过正交球铰实现绕X、Y轴的正交旋转，支撑架21上部为长条孔，便于第一六边框组件1上的下联立柱14绕X轴方向转动，圆盘座24及支撑架21上刻度线分别为Y轴刻度线及X轴刻度线，可测出绕X、Y轴的旋转角度。圆盘座24上凸出三角掾可测出下升降立柱25上的Z轴刻度线，测出绕Z轴旋转量，便于读取数据。同时下升降立柱25上的升降齿条26和燕尾槽上滑板组件3内部的升降齿轮35通过齿轮齿条啮合，实现沿z轴的移动。

进一步的，所述燕尾槽上滑板组件3包括燕尾榫上滑板、固定于所述燕尾榫上滑板上的空心圆筒31、固定于空心圆筒31一侧面上的立柱锁紧螺栓手柄33及固定于空心圆筒31与立柱锁紧螺栓手柄33相对一侧上的Z轴电机36，所述空心圆筒31位于立柱锁紧螺栓手柄33一端开设有一调整缝，沿所述调整缝边沿的竖直方向延伸有锁紧板，所述锁紧板之间通过螺栓与滑板丝杠螺母32锁紧，所述螺栓正下方设置有立柱锁紧手柄螺栓34，所述立柱锁紧手柄螺栓34上固接有立柱锁紧螺栓手柄33，所述空心圆筒31与立柱锁紧螺栓手柄33相对的一侧面上开设有Z轴齿轮位移孔，所述Z轴齿轮位移孔上设置有Z轴电机36，所述Z轴电机36的输出轴上固接有升降齿轮35，所述升降齿轮35镶嵌于Z轴齿轮位移孔中，且所述升降齿轮35与升降齿条26相啮合，通过齿轮齿条啮合，使该装置能够上下垂直移动。Z轴电机36与升降齿轮35通过键配合，带动升降齿轮35转动，其中经由立柱锁紧螺栓手柄33的转动，经由螺栓链接方式，可将立柱锁紧手柄螺栓34与燕尾槽上滑板之间锁定，从而限制沿Z轴方向的移动。

进一步的，优选的，所述十字滑台丝杠电机组件4包括移动凸台44、Y轴电机座41及X轴电机座46，所述Y轴电机座41上固接有Y轴电机42，所述Y轴电机42的输出轴固接有Y轴位移丝杠43，所述Y轴位移丝杠43与移动凸台44固接，所述X轴电机座46上固接有X轴丝杠电机45，所述X轴丝杠电机45的输出轴固接有X轴位移丝杠47，所述X轴位移丝杠47与Y轴电机座41固接。X轴位移丝杠47与X轴电机座46同心配合，Y轴电机42与Y轴电机座41同心配合；X轴位移丝杠47与Y轴电机座41同心配合，通过丝杠传动带动Y轴电机座41沿X轴移动，Y轴位移丝杠43与移动凸台44同心配合，通过丝杠传动带动移动平台44沿Y轴移动，从而实现沿X轴与Y轴方向单一自由度的移动，形成线性配合。同时移动平台44上的销柱与燕尾槽上滑板上的销孔配合，从而带动燕尾槽上滑板移动。同时，丝杠传动具有自锁性，能有效防止测量过程中出现滑移，保证了测量的安全与可靠性。

进一步的，优选的，所述第二六边框组件6包括第二六边框61及固接于所述第二六边框61上的下拉线位移传感器固定板65，所述下拉线位移传感器固定板65上固接有右拉线尺62，所述右拉线尺62上一端上固接有定心球63，所述定心球63与拉线位移传感器5相连接，且相邻的下拉线位移传感器固定板65的定心球63上固接有左拉线尺64，所述拉线位移传感器5上端连接第一六边框11上的小型万向节叉12且与定心球63球铰连接，拉线位移传感器5下端通过铰接连接第二六边框61上的定心球63，通过电位器元件将平台的机械位移转换电阻或电压输出，第一六边框组件在六个自由度的随意运动引起位移变化进而引起电位器移动端的电阻变化，所以阻值的变化量就可以反映系统位移的量值，阻值的增加或减少可以表明位移的方向。第二六边框61为六边形结构，下拉线位移传感器固定板65共有6个，通过螺钉与第二六边框61连接，下拉线位移传感器固定板上装有拉线尺，其中左拉线尺64和右拉线尺62在第二六边框61中各有3个，此处仅进行一处的叙述。左拉线尺64通过定心球与拉线位移传感器球铰连接。十字滑台丝杠电机组件4上的X轴电机座46与第二六边框61固接在一起。

实施例1

测量仪功能：通过旋转组件2直接实时测量出绕X、Y、Z轴的旋转角度、十字滑台丝杠电机组件以及燕尾槽上滑板组件之间的配合得到沿X、Y、Z的平移量，便得到第一六边框的位姿量，从而得到被测运动装置的位姿量。例如：汽车驾驶模拟器作为一种可以模拟车辆驾驶工况的工具，作为主动件，此时可采用本发明装置，将模拟器固接在第一六边框组件1上，并带动第一六边框组件1运动，可由旋转组件2直接测出旋转量，十字滑台丝杠电机组件4以及燕尾槽上滑板组件3之间的配合，得到沿轴向的位移量，从而得到第一六边框组件的位姿量。也可以通过位姿正解方法来测量第一六边框组件的位姿量，利用标定好的6个拉线位移传感器，由6个拉线位移传感器测得的位移量，通过位姿正解计算，也可得到第一六边框组件的位姿量。

(1)当作为测量仪使用时，将被测运动装置固接在第一六边框上，六自由度复合运动的被测运动装置带动第一六边框一起运动，同时旋转组件2跟随第一六边框随动，可直接测量出第一六边框绕X、Y、Z轴的旋转量，可达到旋转解耦的目的。

(2)十字滑台丝杠电机组件4和燕尾槽上滑板组件3之间的配合，使得被测运动装置沿着X、Y、Z轴的单一平动，这一部分是实现装置位置解耦的关键。通过调节X轴及Y轴丝杠电机，可以实现沿X轴与Y轴方向单一自由度的移动，形成线性配合，得到沿X、Y轴的平移量，通过调节燕尾槽上滑板组件3上的Z轴电机36，其与升降齿轮35通过平键配合，带动升降齿轮35转动，与升降齿条26通过齿轮齿条配合，从而使下升降立柱25沿Z轴方向移动，得到沿Z轴的平移量。

校准器功能：

(1)当作为校准器使用时，将被测装置固接在第一六边框上，给定平台运动规律。如调节旋转组件2中的X轴拨叉29通过正交球铰27绕X轴旋转，从而带动第一六边框绕X轴转动；同理调节Y轴拨叉22使第一六边框绕Y轴旋转。调节十字滑台丝杠电机使其沿轴向移动，通过第一六边框和第二六边框之间的旋转组件2测出绕轴的旋转角度，以及十字滑台丝杠电机组件4和燕尾槽滑板组件3的配合得到沿轴向的平移量，便得到第一六边框的位姿量，送入到位姿反解模块，求解出6个位移量，与6个拉线位移传感器测得位移量进行对比，在不断调整过程中，达到校准目的，从而实现测量系统的动态标定。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，其特征在于，包括：

第一六边框组件（1）、与所述第一六边框组件（1）球铰的旋转组件（2）、与所述旋转组件（2）啮合连接的燕尾槽上滑板组件（3）、与所述燕尾槽上滑板组件（3）固接的十字滑台丝杠电机组件（4）、与所述十字滑台丝杠电机组件（4）固接的第二六边框组件（6）及固定于所述第二六边框组件（6）上的拉线位移传感器（5）；

旋转组件（2）包括支撑架（21）、分别设置于所述支撑架（21）上的Y轴拨叉（22）与X轴拨叉（29）、分别与Y轴拨叉（22）及X轴拨叉（29）固接的Y轴指针（23）与X轴指针（28）及设置于支撑架（21）中间位置的正交球铰（27），所述Y轴拨叉（22）及X轴拨叉（29）均与正交球铰（27）同心配合；

所述支撑架（21）的正下方固定连接有圆盘座（24），所述圆盘座（24）及所述支撑架（21）上的刻度线分别为Y轴刻度线及X轴刻度线；所述圆盘座（24）远离支撑架（21）一端面上转动连接有下升降立柱（25），所述下升降立柱（25）的侧面沿竖直方向上固接有升降齿条（26）；所述下升降立柱（25）上的圆盘上刻有Z轴刻度数；

所述燕尾槽上滑板组件（3）包括燕尾榫上滑板、固定于所述燕尾榫上滑板上的空心圆筒（31）、固定于空心圆筒（31）一侧面上的立柱锁紧螺栓手柄（33）及固定于空心圆筒（31）与立柱锁紧螺栓手柄（33）相对一侧上的Z轴电机（36）；

所述空心圆筒（31）与立柱锁紧螺栓手柄（33）相对的一侧面上开设有Z轴齿轮位移孔，所述Z轴齿轮位移孔上设置有Z轴电机（36），所述Z轴电机（36）的输出轴上固接有升降齿轮（35），所述升降齿轮（35）镶嵌于Z轴齿轮位移孔中，且所述升降齿轮（35）与升降齿条（26）相啮合；

所述十字滑台丝杠电机组件（4）包括移动凸台（44）、Y轴电机座（41）及X轴电机座（46），所述Y轴电机座（41）上固接有Y轴电机（42），所述Y轴电机（42）的输出轴固接有Y轴位移丝杠（43），所述Y轴位移丝杠（43）与移动凸台（44）固接，所述X轴电机座（46）上固接有X轴丝杠电机（45），所述X轴丝杠电机（45）的输出轴固接有X轴位移丝杠（47），所述X轴位移丝杠（47）与Y轴电机座（41）固接。

2.如权利要求1所述的一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，其特征在于，所述第一六边框组件（1）包括第一六边框（11）、固接于所述第一六边框（11）上的上拉线位移传感器固定板（13）、固定于上拉线位移传感器固定板（13）上的小型万向节叉（12）及通过连接杆固定于第一六边框（11）上的下联立柱（14）。

3.如权利要求1所述的一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，其特征在于，所述支撑架（21）包括一平面板以及分别固定于平面板靠近正交球铰（27）一端面上三个固定板，所述固定板上分别连接有Y轴拨叉（22）与X轴拨叉（29），且所述平面板上开设有一长条孔，所述长条孔用于下联立柱（14）绕X轴方向转动。

4.如权利要求1所述的一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，其特征在于，所述空心圆筒（31）位于立柱锁紧螺栓手柄（33）一端开设有一调整缝，沿所述调整缝边沿的竖直方向延伸有锁紧板，所述锁紧板之间通过螺栓与滑板丝杠螺母（32）锁紧，所述螺栓正下方设置有立柱锁紧手柄螺栓（34），所述立柱锁紧手柄螺栓（34）上固接有立柱锁紧螺栓手柄（33）。

5.如权利要求1所述的一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，其特征在于，所述第二六边框组件（6）包括第二六边框（61）及固接于所述第二六边框（61）上的下拉线位移传感器固定板（65），所述下拉线位移传感器固定板（65）上固接有右拉线尺（62），所述右拉线尺（62）上一端上固接有定心球（63），所述定心球（63）与拉线位移传感器（5）相连接，且相邻的下拉线位移传感器固定板（65）的定心球（63）上固接有左拉线尺（64）。

6.如权利要求1所述的一种用于位姿测量与校准的六自由度运动平台装置，其特征在于，所述拉线位移传感器（5）上端连接第一六边框（11）上的小型万向节叉（12）且通过定心球（63）球铰连接，拉线位移传感器（5）下端通过铰接连接第二六边框（61）上的定心球（63）。

Images