CN114485500A

CN114485500A - 一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构

Info

Publication number: CN114485500A
Application number: CN202111658234.1A
Authority: CN
Inventors: 王唯; 靳亚欣
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-12-30

Abstract

本发明公开了一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，所述并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构包括连杆、外框、中框、中轴、框轴及框轴堵；所述外框之间通过连杆连接；所述中框与所述外框通过框轴连接，所述中框可绕此轴旋转；所述中轴与所述中框通过框轴连接，所述中轴可绕此轴旋转，所述中轴底部设有挖空结构；所述位移传感器与所述中轴的安装面正交于所述位移传感器的出线，其中位于中心的中轴的旋转中心与其余三个中轴的旋转中心之间的连线两两正交，形成一笛卡尔坐标系。此结构降低了线位移传感器使用时的安装误差。

Description

一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构

技术领域

本发明属于驱动平台位置姿态检测领域，具体涉及一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构。

背景技术

三维空间动态位移姿态测量在航空航天、车辆载具等众多领域有重要的意义。现有技术普遍采用激光跟踪仪、红外、高速摄影机、惯性测量单元等原理进行空间定位，但在工作环境恶劣的生产环境采用上述定位方法容易严重受到环境干扰(如瞄准问题、电磁干扰)。基于拉线位移传感器的测量方案能够满足高精度、大范围的测量需求，适合持续、长时间工作，也可以根据所需量程选择相应型号的传感器，并且在测量时拉线直接固定在运动平台上，可避免因瞄准问题带来的测量误差。拉绳位移传感器是直线位移传感器在结构上的精巧构成，充分结合了角度传感器和直线位移传感器的优点，使用时，将拉线位移传感器置于四个空间位置上，拉线的拉头汇于同一空间点进行空间定位。将四个拉线传感器的四根拉线汇聚一点，根据四个拉线传感器，构建笛卡尔坐标系，进而根据求解得到测量点所在的坐标测量值，由于拉线传感器是即时测量类传感器，故当测量点动态移动时，测量机构也可进行测量，以得到动态移动轨迹。

中国专利CN113566757A拉线式三维空间定位装置，CN113654498A拉线式机器人位置姿态测量仪及测量方法，上述测量机构在测量时，将拉线传感器器固定，将拉线的线头连接在待测物体上。将拉线传感器的拉线穿过滑轮或滑轮组，以满足拉线的偏转摆动，而不能使位移传感器的测量基点形成一个正交坐标系，以及，不能使位移传感器的拉线移动时通过基点所在直线，因此不能满足测量原理中需要位移传感器测量出基点与测量点之间距离的计算要求。同时，使用滑轮或滑轮组使得测量系统的结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，通过将线位移传感器与陀螺仪框架原理相结合，在简便实现拉线偏转的前提下，解决现有技术中当需要连续测量物体动态位移姿态时，测量结构不能使位移传感器的测量基点形成正交坐标系，以及，不能使位移传感器的拉线移动时通过基点所在直线，因而不能满足计算要求的两个技术问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，包括四个装夹固定结构、分别位于四个装夹固定结构上的拉线位移传感器，其中一个装夹固定结构的投影位置位于其余三个装夹固定结构的中心，位于中心的装夹固定结构与其余三个装夹固定结构通过连杆相连；

每个装夹固定结构上均设有两轴转台，拉线位移传感器设置两轴转台上，且拉线位移传感器的出线端通过装夹固定结构旋转中心所在的直线；

位于中心的装夹固定结构的旋转中心与其余三个的装夹固定结构的旋转中心的连线成笛卡尔坐标系，位于中心的装夹固定结构的旋转中心作为笛卡尔坐标系的原点；

所述两轴转台使得四个拉线位移传感器的拉线能够偏转并汇聚在一点，且能够使得拉线位移传感器能够随着汇聚点移动而偏转。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明使用定制装夹固定结构，并通过连杆将装夹固定结构及位移传感器集成化为一个位姿测量系统，结构简便，在测量使用过程中易于组装，减少安装工作量；所述集成结构的综合降低了运动学模型的复杂程度，直接构成一正交静坐标系，从而降低了运动模型的计算复杂度；

(2)所述装夹固定结构包括所述中轴和所述中框，所述中轴可做绕轴旋转。所述中框可绕一与所述中轴相交的轴做旋转。从而使得位移传感器实现绕平面内两轴转动，测量动平台的位移和姿态时充分发挥传感器性能，满足大量程测量的需求；所述装夹固定结构能降低位移传感器因重复地安装而导致的误差，减少了操作复杂性，从而降低了测量误差，且能够简便准确地测量动平台位置。

(3)所述中轴设有重心调整结构，可使所述中轴与位移传感器的旋转中心与重心重合，旋转中心落在轴心线上，旋转中心位于轴心线与轴心线的交点处，以减少转动时重力带来的阻力影响。

附图说明

图1为并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构的装配俯视图。

图2为连杆的结构图。

图3为装夹固定结构的装配图。

图4(1)为外框的结构图。

图4(2)为带有L形抓钩的外框的结构图。

图5为中框的结构图。

图6为中轴及位移传感器的装配图。

图7为静平台下的笛卡尔坐标系。

图8为姿态测量坐标系。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

结合图1-图6，本实施例的一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构1，包括四个拉线位移传感器7、使得拉线位移传感器7做平面内两轴旋转的装夹固定结构2及连杆3。在本实施例中，所述集成结构1活动地设于所述静平台。

所述集成结构1是空间三脚架布局，其俯视图如图1，三个顶点的每个顶点处均安装一所述装夹固定结构2，所述连杆3用于连接所述装夹固定结构2，将四个装夹固定结构2布置成笛卡尔坐标系。其中一个装夹固定结构2的投影位置位于其余三个装夹固定结构2的中心，中心的装夹固定结构2与其余三个装夹固定结构2通过连杆3相连。

如图2所示，所述连杆3的上端设有第一支撑平台3-1，第一支撑平台3-1呈L形，三个L形第一支撑平台3-1共同支撑位于中间的装夹固定结构2，并将该装夹固定结构2卡合在内，L形第一支撑平台3-1便于放置并限制外框4的平面移动。连杆3下端设有第二支撑平台3-2，第二支撑平台3-2用于支撑顶点位置的装夹固定结构2，且能够使连杆3与外框4的连接更紧固，有效改善外框4在受到外力作用时发生松动的情况。

如图3所示，所述装夹固定结构2包括外框4、中框5、中轴6、框轴8及框轴堵9。。所述中框5的两端装有滚动轴承，通过框轴8连接在外框4内，所述中框5可绕轴做360°旋转，其旋转轴的轴心线标记为11，如图4(1)所示。所述中轴6的两端装有滚动轴承，通过框轴8连接在中框5内。所述中轴6可绕轴做360°旋转，其旋转轴的轴心线标记为12。所述框轴堵9与框轴8轴心共线放置于外框4的框轴孔中，对框轴8起轴向限位的作用。所述拉线位移传感器7固定在中轴6上。结合图5，所述中框5旋转轴的轴心线11与中轴6旋转轴的轴心线12垂直相交，用于实现装夹固定结构2绕平面内两轴旋转，使得所述拉线位移传感器7工作时能旋转相应的角度，使得拉线偏转相应角度，能够达到测量动平台位移姿态所需的空间位置的目的。

所述外框4通过框轴8与所述中框5轴连接，所述中框5与中轴6可分别绕两轴旋转，其中轴心线11与轴心线12的空间位置是相交的。实现所述装夹固定结构2绕平面内两轴旋转，使得所述拉线位移传感器7工作时能旋转相应的角度，使得拉线偏转相应角度，能够达到测量动平台位移姿态所需的空间位置的目的。

位于中间的装夹固定结构2的外框4与连杆3上端的第一支撑平台3-1通过螺钉连接。结合图4(2)，位于顶点的装夹固定结构2的外框4设有L形抓钩结构4-1，L形抓钩结构4-1卡入第二支撑平台3-2上端的限位梁3-3，然后通过螺钉连接，通过这种卡合结构避免外框4受到外力后出现松动。

结构图6，所述中轴6底部设有挖空结构14，用于调节中轴6与拉线传感器7组件间的重心位置，使得该组合件的旋转中心与其重心重合，前述旋转中心位于所述中轴6旋转轴的轴心线12上，且该旋转中心是轴心线11与轴心线12的交点，使得所述拉线位移传感器7在测量过程中转动时，拉线不会受到重力的影响。

所述拉线位移传感器7通过轴位螺钉13与所述中轴6固定，安装好的拉线位移传感器7的拉线为同时通过出线点10与上述旋转中心的直线，且拉线与拉线位移传感器7的安装面的法线平行。测量初始时，所述拉线位移传感器7与中轴6的安装面平行于静平台，位于中心的中框5的旋转中心与其余三个中框5的旋转中心的连线，形成三个两两正交的向量，这三个向量组成一个静平台下的笛卡尔坐标系，此称为静坐标系，静坐标系是不随测量装置的移动而运动，是静止的。

使用时，首先在静平台安装4个拉线位移传感器7，将连杆3下端固定在静平台上，减少在测量动平台位移姿态时集成结构1受外力产生的移动。以四个中框5的旋转中心作为基点，组成静平台下的笛卡尔坐标系(如图7所示)，位于中心的中框5的旋转中心为原点，其余三个中框5的旋转中心分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)，如图7；测量时，借助一个能将多条拉线按线路固定至测量表面的拉线固定器，将四个拉线位移传感器7的拉线固定至一点(x_d，y_d，z_d)，将拉线位移传感器7的出线点10到基点的距离补偿至拉线位移传感器7的测量结果中，可以通过拉线位移传感器7的读数、基点与其余三个基点间的距离及基点坐标之间的空间关系，计算出任意一动点(x_d，y_d，z_d)在静坐标系下的坐标。

然后测量基点和动点在辅助测量设备(如全站仪)为原点的坐标系下的坐标，辅助验证测量结果的准确性；使用三组相似的集成结构1完成动平台上不在一条直线上的三点的测量，得到三个静坐标系测量出的三个动点的坐标，姿态测量坐标系如图8所示；最后根据三个动点坐标，计算动平台坐标系的平面法向量、平面内向量，并归一化动平台坐标系的平面法向量和平面内向量，通过向量外积计算出最后一个坐标轴在不动坐标系中的投影向量，归一化后的向量按列顺序组集而成的方阵即为动平台的姿态。

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。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，其特征在于，包括四个装夹固定结构、分别位于四个装夹固定结构上的拉线位移传感器，其中一个装夹固定结构的投影位置位于其余三个装夹固定结构的中心，位于中心的装夹固定结构与其余三个装夹固定结构通过连杆相连；

2.根据权利要求1所述的并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，其特征在于，所述装夹固定结构包括外框、中框、中轴；

所述中框转动连接在外框内，所述中轴转动连接在中框内；所述拉线位移传感器固定在中轴上；

所述中框的转动轴线与中轴的转动轴线相交。

3.根据权利要求2所述的并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，其特征在于，所述中轴设有重心位置调节结构，用于调节中轴与拉线传感器组件间的重心位置，使得该组合件的旋转中心与该组合件的重心重合，且该旋转中心是轴心线与轴心线的交点，拉线传感器的拉线通过出线点与该旋转中心所确定的直线。

4.根据权利要求1所述的并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，其特征在于，所述连杆上端的设有第一支撑平台，第一支撑平台呈L形，三个第一支撑平台共同支撑位于中间的装夹固定结构，并将该装夹固定结构卡合在内。

5.根据权利要求1或4所述的并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，其特征在于，所述连杆下端设有第二支撑平台，第二支撑平台用于其余三个支撑顶点位置的装夹固定结构，该装夹固定结构上设有L形抓钩结构，L形抓钩结构卡入第二支撑平台上端的限位梁。

6.根据权利要求1所述的并联驱动机构动平台位姿测量系统的集成结构，其特征在于，使用时，通过连杆固定在静平台上。