CN115373343A - 并联式六自由度运动平台控制系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种并联式六自由度运动平台控制系统与控制方法，控制系统包括基座；运动平台；设置在基座与运动平台之间的六个并联式电机‑连杆驱动机构，通过电机‑连杆驱动机构的运动驱动运动平台的在空间内的多自由度运动；运动平台包括三个L形的支撑架，相互之间成度配置，并可拼接在一起使得运动平台构成为一体结构，并且由L形的支撑架拼接形成的空间作为座椅的容纳和安装空间；每个L形的支撑架的竖梁设置一对虎克铰，分别与一对电机‑连杆驱动机构铰接，以根据来自电机‑连杆驱动机构的力矩而调整座椅的空间姿态。本发明实现优化六自由度运动平台设计和运动控制结算，实现轻量化、小体积的设计要求及高精度可靠的运动控制。

Description

并联式六自由度运动平台控制系统与控制方法

技术领域

本发明涉及六自由度运动平台技术领域，尤其是基于电机与摆臂连杆驱动的六自由度运动平台，具体而言涉及一种并联式六自由度运动平台控制系统与控制方法。

背景技术

六自由度并联运动平台通常是由上下平台以及铰接在上下平台之间的六条伸缩缸(例如电动缸或者液压缸)构成，六条伸缩缸之间成并联方式布置，通过控制系统控制六条伸缩缸的伸缩运动来控制运动平台在空间内的多个自由度的运动姿态的调整。

通常工业上应用的六自由度并联运动平台都具有较大的体积和重量，在家用或者轻量化、小体积的场景下难以进行适用，例如家用或者小场所娱乐设施、驾驶体感模拟、游戏、养生、康复等设备中，难以实现应用。

同时，现有的六自由度并联机器人得反解控制主要通过余弦定理和反三角计算获得，通过这些方法获得的是近似解，控制其精度较低。

发明内容

本发明目的在于提供一种并联式六自由度运动平台控制系统与控制方法，优化平台设计和运动控制结算，实现轻量化、小体积的设计要求以及高精度可靠的运动控制。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种并联式六自由度运动平台控制系统，包括：

基座；

运动平台；

设置在基座与运动平台之间的六个并联式设计的电机-连杆驱动机构，通过电机-连杆驱动机构的运动驱动运动平台的在空间内的六个自由度的运动；

其中，所述运动平台包括三个L形的支撑架，相互之间成度配置；其中三个支撑架采用相同的结构设计，均具有竖梁以及与竖梁连接的横梁；三个横梁的端部以围绕基座的中心点为中心，拼接在一起，使得运动平台构成为一体结构，并且由L形的支撑架拼接形成的空间作为座椅的容纳和安装空间；

每个L形的支撑架的竖梁的顶部设置有一对虎克铰，分别与一对电机-连杆驱动机构铰接，以根据来自电机-连杆驱动机构的力矩而驱动运动平台的L形的支撑架的运动，调整其空间姿态，从而调整座椅的空间姿态。

在可选的实施例中，控制系统通过建立全局坐标系O₀XYZ，实现运动过程中摆臂的向上运动和向下运动的驱动控制，其中全局坐标系O₀XYZ的原点建立在上铰接圆圆心处，Y轴正方向指向座椅正前方，Z轴正方向垂直上铰接圆平面向上。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明示例性实施例的并联式六自由度运动平台的示意图。

图2是本发明示例性实施例的并联式六自由度运动平台的驾驶操作模拟的示意图。

图3是对图1所示实施例的并联式六自由度运动平台建立全局坐标系与局部坐标系示意图。

图4是图1所示实施例的并联式六自由度运动平台的下铰接圆的示意图。

图5是图1所示实施例的并联式六自由度运动平台的上铰接圆的示意图。

图6-7是图1所示实施例的并联式六自由度运动平台的仿真结果示意图，其中图6是X， Y，Z方向移动行程的示意图，图7是α，β，γ转动角度的示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1-5所示实施例的基于电机与摆臂连杆驱动的并联式六自由度运动平台，其包括基座110、运动平台120以及设置在基座110与运动平台120之间的六个并联式设计的电机- 连杆驱动机构，通过电机-连杆驱动机构的运动驱动运动平台120的在空间内的六个自由度的运动。

如图1所示，基座110采用框架式结构。基座110、运动平台120可采用高强度的钢结构制作。

如图1、2所示，运动平台120包括三个L形的支撑架121，相互之间成120度配置。

三个支撑架121采用相同的结构设计，具有竖梁122以及与竖梁连接的横梁124。

三个横梁124的端部以围绕基座110的中心点为中心，拼接在一起，使得运动平台120 构成为一体结构，并且由L形的支撑架121拼接形成的空间作为座椅120的容纳和安装空间。

结合图1、3，每个支撑架121的竖梁122的顶部(即其上部)设置有一对虎克铰135，分别与一对电机-连杆驱动机构铰接，以根据来自电机-连杆驱动机构的力矩而驱动运动平台 120的L形的支撑架121的运动，调整其空间姿态。

结合图1、3所示，每一组电机-连杆驱动机构包括固定到基座110上的电机130、摆臂 131以及连杆133，连杆133的一端与虎克铰135铰接，另一端经由鱼眼轴承132与摆臂133的一端连接，电机130的输出轴与摆臂133的另一端连接，由此，电机130的转动过程中，驱动摆臂133同步转动，并驱使连杆133受驱动而做相应运动。

结合图1、3所示，每一组电机-连杆驱动机构中，连杆133与运动平台120通过虎克铰连接，定义虎克铰的两旋转轴的交点为运动平台铰接点，即铰接点C。摆臂131与连杆133通过鱼眼轴承132连接，鱼眼轴承132的旋转中心点为摆臂末端点，即铰接点B。摆臂131 的轴线与电机转子轴线交点为基座铰接点，即铰接点A。

结合图4、5所示，6个运动平台铰接点在一个圆上，该圆为上铰接圆。6个基座铰接点在一个圆上，该圆为下铰接圆。

优选地，六个电机130采用相同的型号参数设计，均采用高精度的步进电机。

在可选的实施例中，电机130经过减速机减速后，与前述的摆臂131驱动地连接。

结合图1、3、4、5所示，在上述基于电机与摆臂连杆驱动的并联式六自由度运动平台的控制过程中，通过建立全局坐标系O₀XYZ，实现运动过程中摆臂的向上运动和向下运动的驱动控制。

作为可选的示例，前述并联式六自由度运动平台的控制过程包括：

步骤一、预先定义每个虎克铰135的两旋转轴的交点为“运动平台铰接点”，鱼眼轴承132 的旋转中心点为“摆臂末端点”，摆臂131的轴线与电机130的转子轴线交点为“基座铰接点”。 6个运动平台铰接点(铰接点C)在一个圆上，该圆为上铰接圆。6个基座铰接点(铰接点A) 在一个圆上，该圆为下铰接圆；

步骤二、建立全局坐标系O₀XYZ，全局坐标系原点建立在上铰接圆圆心处，Y轴正方向指向座椅正前方，Z轴正方向垂直铰接圆平面向上；

步骤三、在初始状态下的零位时，第i个运动平台铰接点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为[X_0i，Y_0i，Z_0i]，第i个基座铰接点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为[X_bi，Y_bi，Z_bi]，第i个摆臂末端点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为[X_mi，Y_mi，Z_mi]，计算运动平台120做[X，Y， Z，α，β，γ]运动后，第i个上铰接点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为(X_1i，Y_1i，Z_1i)：

步骤四、以任一个基座铰接点为球心，摆臂长度L为半径，建立第i个摆臂末端所在球面的方程：

(x_i-X_bi)²+(y_i-Y_bi)²+(z_i-Z_bi)²＝L²；

步骤五、建立第i个摆臂末端点轨迹圆所在平面的平面方程，表示为：

A_ix_i+B_iy_i+C_iz_i+D_i＝0；

步骤六、运动平台120做[X，Y，Z，α，β，γ]运动后，第i个运动平台铰接点(X_1i，Y_1i，Z_1i)距离摆臂末端的距离为S，S为连杆长度，S已知，可得到方程：

(x_i-X_1i)²+(y_i-Y_1i)²+(z_i-Z_ii)²＝S²；

步骤七、联合步骤四、步骤五、步骤六所列方程，求解x_i，y_i，z_i；

步骤八、确定步骤七所求三个未知数均有2组解：

步骤九、建立零位摆臂空间向量U_i，表示为：

U_i＝[x_mi-x_bi y_mi-y_bi z_mi-z_bi]

步骤十、建立运动平台做[X，Y，Z，α，β，γ]运动后，摆臂空间向量V_1i，V_2i；

V_1i＝[x_i(1)-x_bi y_i(1)-y_bi z_i(1)-z_bi]

V_2i＝[x_i(2)-x_bi y_i(2)-y_bi z_i(2)-z_bi]

步骤十一、求解向量U_i和向量V_1i的夹角θ_1i，求解向量U_i和向量V_2i的夹角θ_2i：

并，比较θ_1i和θ_2i，较小者为所求；

步骤十二、比较计算△_i，△_i＝z_i-Z_mi，如果△_i为正，则驱动摆臂向上摆动；如果△_i为负，则驱动摆臂向下摆动。

结合以上解算控制过程，我们设计摆臂连杆六自由度并联机器人，并确定其基座与运动平台的铰接点坐标如表1所示，摆臂末端点坐标如表2所示。

表1平台铰接点初始坐标

表2

根据表1，运动平台做[10，10，10，2.5°，2.5°，2.5°]运动后，运动平台铰接点坐标在全局坐标系下的坐标(X_1i，Y_1i，Z_1i)变换为如下表3所示。

表3

根据步骤四、步骤五、步骤六建立方程组：

结合以上方程组，求解得到运动平台做[10，10，10，2.5°，2.5°，2.5°]运动后，摆臂末端坐标x_i，y_i，z_i如，具体如表4所示。

表4

根据步骤九，建立零位摆臂空间向量如表5所示。

表5

U<sub>1</sub>	[34.97，-60.63，0]
		U<sub>2</sub>	[-34.67，60.01，0]
U<sub>3</sub>	[-70，0，0]
		U<sub>4</sub>	[70，0，0]
U<sub>5</sub>	[34.67，60.01，0]
		U<sub>6</sub>	[-34.97，-60.63，0]

根据步骤十，建立运动平台做[X，Y，Z，α，β，γ]运动后，摆臂空间向量V_1i，V_2i如表6所示。

表6

V<sub>11</sub>	[34.47，-59.77，-11.80]	V<sub>21</sub>	[-27.76，48.03，42.69]
				V<sub>12</sub>	[14.04，-24.36，64.11]	V<sub>22</sub>	[-34.47，59.67，12.29]
V<sub>13</sub>	[-69.78，0，5.57]	V<sub>23</sub>	[45.56，0，53.14]
				V<sub>14</sub>	[64.26，0，27.76]	V<sub>24</sub>	[-12.59，0，68.86]
V<sub>15</sub>	[28.51，49.33，-40.67]	V<sub>25</sub>	[-33.25，-57.63，21.75]
				V<sub>16</sub>	[31.22，54.01，31.75]	V<sub>26</sub>	[-30.14，-52.26，-35.51]

根据步骤十一，求解向量U_i和向量V_1i的夹角θ_1i，求解向量U_i和向量V_2i的夹角θ_2i，如表7所示。

表7

根据步骤十一，经过比较比较θ_1i和θ_2i，得到所求摆臂末端坐标x_i，y_i，z_i与摆臂运动夹角如表8所示。

表8

根据步骤十二，比较计算△_i＝z_i-Z_mi，得到摆臂运动方向结果如表9所示。

表9

接下来，我们以表9计算结果为输入量，机器人实验结果如图6、7所示，分别表示X，Y，Z方向移动行程以及α，β，γ转动角度的试验结果。结合图6、7所示，由图可知，X，Y， Z，α，β，γ运动的实际值分别为9.97mm，9.79mm，9.54mm，2.44°，2.45°，2.55°，结合表 9所示的运动控制结算结果，可见六个方向误差分别为0.03mm，0.21mm，0.46mm，0.06°， 0.05°，0.05°，误差范围在极小的控制范围内，本发明提出的摆臂连杆六自由度并联机器人的运动控制以及控制结算精度精确可靠，而且体积小、重量轻，可应用于诸如驾驶模拟、娱乐设备、游戏仿真、养生康复运动等多个方面，实现小型化、轻量化，并且控制精度稳定可靠。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种并联式六自由度运动平台控制系统，其特征在于，包括：

基座(110)；

运动平台(120)；

设置在基座(110)与运动平台(120)之间的六个并联式设计的电机-连杆驱动机构，通过电机-连杆驱动机构的运动驱动运动平台(120)的在空间内的六个自由度的运动；

其中，所述运动平台(120)包括三个L形的支撑架(121)，相互之间成120度配置；其中三个支撑架(121)采用相同的结构设计，均具有竖梁(122)以及与竖梁连接的横梁(124)；三个横梁(124)的端部以围绕基座(110)的中心点为中心，拼接在一起，使得运动平台(120)构成为一体结构，并且由L形的支撑架(121)拼接形成的空间作为座椅(120)的容纳和安装空间；

每个L形的支撑架(121)的竖梁(122)的顶部设置有一对虎克铰135，分别与一对电机-连杆驱动机构铰接，以根据来自电机-连杆驱动机构的力矩而驱动运动平台(120)的L形的支撑架(121)的运动，调整其空间姿态，从而调整座椅(120)的空间姿态。

2.根据权利要求1所述的并联式六自由度运动平台控制系统，其特征在于，每一组电机-连杆驱动机构包括固定到下框架(110)的电机(130)、摆臂(131)以及连杆(133)，连杆(133)的一端与虎克铰(135)铰接，另一端经由鱼眼轴承(132)与摆臂(133)的一端连接，电机(130)的输出轴与摆臂(133)的另一端连接，由此，电机(130)的转动过程中，驱动摆臂(133)同步转动，并驱使连杆(133)受驱动而做相应运动。

3.根据权利要求1所述的并联式六自由度运动平台控制系统，其特征在于，每一组电机-连杆驱动机构中，基于连杆(133)与运动平台(120)通过虎克铰(135)连接，定义虎克铰的两旋转轴的交点为运动平台铰接点，即铰接点C；基于摆臂(131)与连杆(133)通过鱼眼轴承(132)连接，定义鱼眼轴承(132)的旋转中心点为摆臂末端点，即铰接点B；定义摆臂(131)的轴线与电机转子轴线交点为基座铰接点，即铰接点A。

4.根据权利要求3所述的并联式六自由度运动平台控制系统，其特征在于，六个运动平台铰接点在一个圆上，该圆为上铰接圆；

六个基座铰接点在一个圆上，该圆为下铰接圆。

5.根据权利要求2所述的并联式六自由度运动平台控制系统，其特征在于，所述电机为步进电机。

6.根据权利要求2所述的并联式六自由度运动平台控制系统，其特征在于，所述电机的输出端经过减速机减速后，与前述的摆臂(131)驱动地连接。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的并联式六自由度运动平台控制系统，其特征在于，所述控制系统通过建立全局坐标系O₀XYZ，实现运动过程中摆臂的向上运动和向下运动的驱动控制，其中全局坐标系O₀XYZ的原点建立在上铰接圆圆心处，Y轴正方向指向座椅(200)正前方，Z轴正方向垂直上铰接圆平面向上。

8.根据权利要求7所述的并联式六自由度运动平台控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法的过程包括：

步骤一、定义每个虎克铰的两旋转轴的交点为运动平台铰接点，鱼眼轴承的旋转中心点为摆臂末端点，摆臂的轴线与电机的转子轴线交点为基座铰接点，其中六个运动平台铰接点在一个圆上，该圆为上铰接圆；六个基座铰接点在一个圆上，该圆为下铰接圆；

步骤二、建立全局坐标系O₀XYZ，全局坐标系原点建立在上铰接圆圆心处，Y轴正方向指向座椅正前方，Z轴正方向垂直上铰接圆平面向上；

步骤三、在初始状态下的零位时，第i个运动平台铰接点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为[X_0i，Y_0i，Z_0i]，第i个基座铰接点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为[X_bi，Y_bi，Z_bi]，第i个摆臂末端点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为[X_mi，Y_mi，Z_mi]，计算运动平台120做[X，Y，Z，α，β，γ]运动后，第i个上铰接点在全局坐标系O₀XYZ下的坐标为(X_1i，Y_1i，Z_1i)：

步骤四、以任一个基座铰接点为球心，摆臂长度L为半径，建立第i个摆臂末端所在球面的方程：

(x_i-X_bi)²+(y_i-Y_bi)²+(z_i-Z_bi)²＝L²；

步骤五、建立第i个摆臂末端点轨迹圆所在平面的平面方程，表示为：

A_ix_i+B_iy_i+C_iz_i+D_i＝0；

步骤六、运动平台做[X，Y，Z，α，β，γ]运动后，第i个运动平台铰接点(X_1i，Y_1i，Z_1i)距离摆臂末端的距离为S，S为连杆长度，S已知，可得到方程：

(x_i-X_1i)²+(y_i-Y_1i)²+(z_i-Z_ii)²＝S²；

步骤七、联合步骤四、步骤五、步骤六所列方程，求解x_i，y_i，z_i；

步骤八、确定步骤七所求三个未知数均有2组解：

步骤九、建立零位摆臂空间向量U_i，表示为：

U_i＝[x_mi-x_bi y_mi-y_bi z_mi-z_bi]

步骤十、建立运动平台做[X，Y，Z，α，β，γ]运动后，摆臂空间向量V_1i，V_2i。

V_1i＝[x_i(1)-x_bi y_i(1)-y_bi z_i(1)-z_bi]

V_2i＝[x_i(2)-x_bi y_i(2)-y_bi z_i(2)-z_bi]

步骤十一、求解向量U_i和向量V_1i的夹角θ_1i，求解向量U_i和向量V_2i的夹角θ_2i：

并，比较θ_1i和θ_2i，较小者为所求；

步骤十二、比较计算△_i，△_i＝z_i-Z_mi，如果△_i为正，则驱动摆臂向上摆动；如果△_i为负，则驱动摆臂向下摆动。

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