CN209928284U - 一种六自由度平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种六自由度平台，包括运动机构、运动控制卡、若干个推动机构、一嵌入式控制模块和一嵌入式示教模块，所述嵌入式控制模块包括控制芯片、I/O单元、运动控制模块控制单元、存储单元和拓展接口单元，所述I/0单元、运动控制模块控制单元、存储单元和扩展接口单元均连接所述控制芯片，所述运动控制模块控制单元还连接所述运动控制模块，所述嵌入式示教模块连接所述控制芯片，用于输入控制指令并显示运动机构的运动状态。本实用新型提供的六自由度平台集成了嵌入式控制和示教系统，具有小的使用体积和更高的可移植性，而且还具有极高的可拓展性，此外，还具有示教功能，方便更直观的了解平台的运行状态。

Description

一种六自由度平台

技术领域

本实用新型涉及模拟运动平台领域，特别涉及一种六自由度平台。

背景技术

六自由度平台，通常由固定的下平台、运动的上平台以及通过铰链等连接在上下平台之间的六个运动机构组成。由于其并联机构的特性，六自由度平台具有承载能力强、结构紧凑、无累积误差和容易反解等优点，常用于训练模拟、飞行模拟、并联机床等领域。针对六自由度平台的运动控制，现有技术大多采用外接PLC或者工控主机方式进行控制，导致六自由度平台投入使用时，现场装配走线复杂，整体体积难以缩小；此外，针对六自由度平台的控制程序的编程，大多在计算机上完成编程，根据编程人员的个人感觉设置平台的位姿，难以直观的控制平台具体的位姿。

因而现有技术还有待改进和提高。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种六自由度平台，可减少六自由度平台的装配体积，同时还具有示教功能，方便更直观的了解平台的运行状态。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种六自由度平台，包括运动机构、运动控制卡以及若干个推动机构，还包括一嵌入式控制模块和一嵌入式示教模块；

所述运动机构包括相互平行的上平台和下平台，所述下平台固定在地面上，所述上平台和下平台之间通过若干个推动机构连接，所述运动控制卡安装于所述下平台的内部、并与所述推动机构连接，所述运动控制卡中设置有用于控制所述推动机构动作的运动控制模块；

所述嵌入式控制模块包括控制芯片、I/O单元、运动控制模块控制单元、存储单元和拓展接口单元，所述I/0单元、运动控制模块控制单元、存储单元和扩展接口单元均连接所述控制芯片，所述运动控制模块控制单元还连接所述运动控制模块；

所述嵌入式示教模块连接所述控制芯片，用于输入控制指令并显示运动机构的运动状态。

优选的，所述的六自由度平台中，所述推动机构包括伺服电动缸、伺服电动机和伺服驱动器，所述伺服电动缸的轴的头部通过一球铰连接上平台的下表面，所述伺服电动缸的缸体的底部通过一十字联轴器连接下平台的上表面，所述伺服电动机安装在所述伺服电动缸的侧边并通过同步带轮连接所述伺服电动缸，所述伺服驱动器连接所述伺服电动机以及运动控制模块。

优选的，所述的六自由度平台中，所述伺服电动缸的侧壁上安装有两个限位开关，两个限位开关安装于所述伺服电动缸的缸体的首尾两端。

优选的，所述的六自由度平台中，所述运动控制模块采用DSP系列的芯片。

优选的，所述的六自由度平台中，所述推动机构的数量为6个。

优选的，所述的六自由度平台中，所述控制芯片采用ARM系列的芯片。

优选的，所述的六自由度平台中，所述拓展接口单元包括若干个通信接口，各个通信接口均连接所述控制芯片。

优选的，所述的六自由度平台中，所述嵌入式示教模块包括处理芯片、控制装置以及显示屏，所述控制装置连接所述处理芯片，所述处理芯片还连接所述控制芯片，所述显示屏连接所述控制芯片，其中，所述控制装置包括控制摇杆和控制按钮。

优选的，所述的六自由度平台中，所述处理芯片通过485总线连接所述控制芯片。

优选的，所述的六自由度平台中，所述处理芯片采用STM32系列的单片机。

本实用新型与现在技术相比具有以下有益效果：有益效果：

1、本实用新型提供的六自由度平台集成了嵌入式控制和示教系统，具有小的使用体积和更高的可移植性；

2、集成的嵌入式控制系统内置了I/O单元和拓展接口单元，当六自由度平台所需的功能发生变更时，只需要对I/O单元的接线进行变更，同时更改响应的控制程序即可，具有极高的可拓展性；

3、集成了一个嵌入式示教系统，编程人员不仅可以直接在示教系统上编程，也可以将计算机上编写好的程序拷贝到嵌入式示教系统中，进行现场调试和修改。编程人员可以直观的根据六自由度当前的位姿状态进行取点，对编程中的位姿点进行调整，使得六自由度平台的运动控制程序编辑更加直观准确。

附图说明

图1为本实用新型提供的六自由度平台的一较佳实施例的结构框图。

图2为本实用新型提供的六自由度平台的一较佳实施例的第一视角的结构示意图。

图3为为本实用新型提供的六自由度平台的一较佳实施例的第二视角的结构示意图。

图4为本实用新型提供的六自由度平台的运动流程图。

图5为本实用新型提供的六自由度平台的拓展功能实现的流程图。

图6为本实用新型提供的六自由度平台的示教功能实现的流程图。

具体实施方式

本实用新型提供一种六自由度平台，自身集成了一套嵌入式控制系统和一套嵌入式示教系统，不需要额外外接控制设备，减少了六自由度平台使用的复杂性，精简了六自由度平台使用的体积，同时示教系统提供了六自由度平台运行状态的直观显示，提升了六自由度平台控制代码的位置控制的精准性，极大的提高了六自由度平台的便携性、可拓展性和编程直观性。

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

请参阅图1至图3，本实用新型提供的六自由度平台，包括运动机构100、运动控制卡200、若干个推动机构300、嵌入式控制模块400和嵌入式示教模块500。

所述运动机构100包括相互平行的上平台110和下平台120，所述下平台120固定在地面上，所述上平台110和下平台120之间通过若干个推动机构300连接，所述运动控制卡200安装于所述下平台120的内部、并与所述推动机构300连接，所述运动控制卡200中设置有用于控制所述推动机构300动作的运动控制模块210。

具体来说，所述上平台110为运动平台，整体为六边形，由三条长边和三条短边交替组成。上平台110的中间为圆形镂空，周边分布六个螺纹孔，长边两端螺纹孔中心与圆心夹角为90°，短边两端的螺纹孔中心与圆心夹角为30°；所述下平台120为静止平台，整体为六边形，三条长边与三条短边交替组成。下平台120中间为圆心镂空，周边分布六个圆孔，每个圆孔周围均匀分布四个螺纹孔，长边两端圆孔中心与圆心夹角为90°，短边两端圆孔中心与圆心夹角为30°。

请继续参阅图2和图3，进一步的实施例中，所述推动机构300包括伺服电动缸310、伺服电动机320和伺服驱动器330，所述伺服电动缸310的轴的头部通过一球铰311连接上平台110的下表面，所述球铰311安装于所述上平台110的一个螺纹孔中，所述伺服电动缸310的缸体的底部通过一十字联轴器312连接下平台120的上表面，所述十字联轴器312安装于所述下平台120的一个螺纹孔中，所述伺服电动机320以折叠式方式安装在所述伺服电动缸310的侧边并通过同步带轮连接所述伺服电动缸310，所述伺服驱动器330连接所述伺服电动机320以及运动控制模块210，具体的，所述伺服驱动器330通过三相四线交流输电线和9PIN编码信号线与伺服电动机320连接，通过四个螺钉连接固定在下平台120的上表面上。三相四线交流输电线传输运动控制信号，9PIN编码信号线返回伺服电动机320的运行状态编码。

本实施例中，所述推动机构的数量为6个，在具体应用时，一个伺服驱动器330可以连接控制两个伺服电动机320，故本实施例中，只需采用3个伺服驱动器330即可。

进一步的实施例中，所述伺服电动缸310的侧壁上安装有两个限位开关，两个限位开关安装于所述伺服电动缸的缸体的首尾两端，用于限制所述伺服电动缸310的行程。

进一步的实施例中，所述运动控制模块210用于控制推动机构动作以实现上平台110的动作，所述运动控制模块210采用DSP系列的芯片，具体实施时，所述运动控制模块210可采用TMS320F28335 DSP芯片，性能优越，所述运动控制模块210匹配六个电动缸信号系统和六个电动缸运动控制系统，主要实现电动缸运动指令的生成以及伺服电机编码器和行程开关等传感器信号的采集和处理。其中电动缸信号系统用于产生电动缸运动所需要的脉冲+方向信号以及采集六自由度平台运行时产生的光电编码器与行程开关等传感器的信号，供运动控制模块210与嵌入式控制模块400实时掌控六自由度平台的运行状态。电动缸运动控制系统主要起到信号转换作用，即将电动缸信号系统产生脉冲+方向信号转换为伺服驱动器330可以识别的差分信号，将光电编码器输出的原始差分信号转变为DSP芯片可以识别信号等。

运动控制模块210在接收到嵌入式控制模块400发送过来的数据后，利用特有的6路高精度HRPWM元件产生指定频率与个数的PWM波，该PWM波的频率即为伺服电动缸310的运动速度，个数即为伺服电动缸310的运动位移。运动控制模块210通过这种脉冲+方向的形式实现对伺服电动缸310的伸缩控制，提高了本系统的可扩展性和兼容性，同时为保证伺服电动缸310运动过程中速度的稳定，运动控制模块210会通过实时采集到的光电编码器信号，利用PID算法实时调控PWM波的输出频率，以稳定各个伺服电动缸310的运行速度，同时运动控制模块210将光电编码器信号转换为六自由度平台的各个伺服电动缸的位置，实时传输给嵌入式控制模块400，供嵌入式控制模块400完成位姿的闭环处理。

请继续参阅图1，所述嵌入式控制模块400包括控制芯片410、I/O单元420、运动控制模块控制单元430、存储单元440和拓展接口单元450，所述I/0单元420、运动控制模块控制单元430、存储单元440和扩展接口单元450均连接所述控制芯片410，所述运动控制模块控制单元430还连接所述运动控制模块210。

具体来说，所述控制芯片410采用ARM系列的芯片，在具体实施时，所述控制芯片410可主要由CORTEX-A9芯片及其外围电路组成，使用嵌入式LINUX操作系统，内部运行软件由QT开发，通过QT程序的编辑实现对I/O单元420信号的采集、对运动控制模块210的运动的控制、对存储单元440内置程序的读取及自动运行、以及利用拓展接口单元450与外部计算机通信的功能；所述I/0单元为所述嵌入式控制模块400的拓展单元，可增强嵌入式控制模块400的拓展能力，其具体的电路原理为现有技术，在此不再赘述；所述运动控制模块控制单元430用于对控制芯片410输出的运动控制信号进行处理，以保证信号的准确性，例如采用放大电路和滤波电路对信号进行放大和滤波处理，使所述运动控制模块210可以准确接收到信号；所述存储单元440以FLASH和SD卡的形式存储本地程序文件，当本实用新型的六自由度平台基于单机模式运行时，嵌入式控制模块400读取本地内存中的程序文件进行编译和运行，从而实现六自由度平台单机的运动；所述拓展接口单元450包括若干个通信接口，各个通信接口均连接所述控制芯片410，所述通信接口可以为USB接口、以太网接口、无线接口、CAN接口、串口通信接口等计算机和工业常用接口，当本实用新型的六自由度平台需要进行联机运动时，外部计算机可以通过接口与本机嵌入式控制模块400通信，从而实现外部计算机控制六自由度平台的运动。

请继续参阅图1，所述嵌入式示教模块500用于输入控制指令并显示运动机构的运动状态，其连接所述控制芯片410，实现人机交互，具体实施时，所述嵌入式示教模块500包括处理芯片510、控制装置520以及显示屏530，所述控制装置520连接所述处理芯片510，所述处理芯片510还连接所述控制芯片410，所述显示屏530连接所述控制芯片410，其中，所述控制装置520包括控制摇杆和控制按钮。

具体来说，所述嵌入式示教模块500主要由显示屏530、控制摇杆和控制按钮三种人机交互输入方式组成。显示屏530主要显示嵌入式控制模块返回的六自由度平台的运行状态，便于操作人员直观了解，同时通过显示屏530输入可以完成程序的现场编辑和现场取点的功能；控制按钮包括急停按钮、使能按钮(控制六自由度平台开始运动)、自动寻零按钮(控制六自由度平台自动回零校准)和模式选择按钮(包括单机模式、联机模式、示教模式、手动模式、断点调试模式等)；控制摇杆可以实现对六自由度平台运动的控制，当选择手动模式后，操作人员可以通过控制摇杆手动控制六自由度平台步进运行。处理芯片510采集由控制摇杆和控制按钮的输入信息，经过芯片处理后，通过485总线的形式传输给嵌入式控制模块400，具体实施时，所述处理芯片采用STM32系列的单片机。嵌入式控制模块400接收到嵌入式示教模块500传输的信号后，提取信号信息，并根据信息对运动控制模块210发送控制信号，实现对六自由度平台的控制，并将控制的结果返回嵌入式示教模块500，显示在显示屏530上。

为了更好的理解本实用新型，以下结合图4来本实用新型提供的运动平台的运动过程进行详细说明：

当集成嵌入式控制和示教模块的六自由度平台处于运行状态时，嵌入式控制模块会读取存储模块中保存的本地程序文件，转化为可识别的代码块；嵌入式控制模块内置的语言解释器会解释代码块，转化为位姿指令；提取了位姿指令后，嵌入式控制模块对位姿的变化进行插值运算，使六自由度平台运行实际运动更顺滑；插值运算差生的目标位姿与电动机返回的光电编码经运动学正解后产生的当前位置进行求差，得出平台运动的位姿控制量；嵌入式控制模块对平台的位姿控制量进行运动学反解运算，计算出对应运动下每个伺服电动机需要进行的运动量，同时与运动控制模块进行通信，使运动控制模块发送PWM波，控制六自由度平台的伺服电机按照既定模式转动，从而实现六自由度平台的上平台的运动。

本实用新型提供的六自由度平台，自身集成了嵌入式控制系统，且嵌入式控制系统对控制功能进行了精简，删除了不必要的模块，与工控主机相比，嵌入式系统是工控主机的1/25，能耗是工控主机的1/10。因此，本实用新型的集成嵌入式控制和示教系统的六自由度平台具有更小的使用体积，同时由于现场没有复杂的布线，具有更高的可移植性，此外,集成的嵌入式控制系统内置了I/O单元和拓展接口单元，当六自由度平台所需的功能发生变更时，只需要对I/O单元的接线进行变更，同时更改响应的控制程序即可，具有极高的可拓展性，另外，通过集成一个示教模块，编程人员不仅可以直接在示教模块上编程，也可以将计算机上编写好的程序拷贝到嵌入式示教模块中，进行现场调试和修改。编程人员可以直观的根据六自由度当前的位姿状态进行取点，对编程中的位姿点进行调整，使得六自由度平台的运动控制程序编辑更加直观准确。

在一个实施例中，请参阅图5，其为六自由度平台的拓展功能的实现流程图，六自由度平台的拓展功能有两种实现方向：结合I/O单元实现智能控制运动和结合拓展接口单元外接控制计算机实现实时控制运动。

当选择结合I/O单元实现智能控制运动进行拓展时，操作人员可以根据需求将I/O单元的接口与项目中的开关或者传感器连接。嵌入式控制模块读取存储单元中的本地程序，将I/O单元返回的开关量或模拟量代入程序中，利用IF、WHILE、WHEN等循环和判断语句，针对实时采集的I/O单元中的开关量或模拟量，智能地选择不同的程序段运行。然后根据图4的控制流程，实现根据现场不同的状态控制六自由度平台产生不同的运动姿态的功能。

当选择结合拓展接口单元外接控制计算机进行拓展时，集成嵌入式控制和示教模块的六自由度平台通过拓展接口与外部计算机进行连接。嵌入式控制单元接收来自外部计算机的实时控制代码，并根据图4的控制流程，控制六自由度平台按照改代码运动，实现外部计算机对六自由度平台实时控制的功能。

优选的实施例中，请参阅图6，其为六自由度平台的示教功能的实现流程图。

嵌入式示教模块的显示屏实际为嵌入式控制模块的显示面板，其直接和嵌入式控制模块连接通信，显示嵌入式系统返回的六自由度平台的运动状态和嵌入式系统中程序的运行状态。同时通过点击显示屏，我们可以向嵌入式系统传递信号，控制嵌入式系统读取或修改存储模块中的程序文件，实现现场编程和现场取点调试。控制按钮主要用于模式的选择和功能的实现，包括：异常状态时将六自由度平台急停、通过使能按钮控制六自由度平台是否可以运行、控制六自由度平台自动回零和校准以及切换六自由度平台的运动模式(单机、联机、示教、手动、调试)等。控制摇杆主要用于控制六自由度平台在六个自由度方向上的手动运行，此功能只有在六自由度平台处于手动模式下才有效。嵌入式示教模块内置STM32芯片，该芯片读取控制按钮的模式选择信号和控制摇杆的运动控制信号，并将之整合为控制信号，利用485总线通信传递给嵌入式控制模块。嵌入式控制模块接收到控制信号后对系统模式进行相应调整，或者按照图4的流程控制六自由度平台的运动，并接收伺服电动机上返回的光电编码器进行运动学正解，提取出六自由度平台当前的运动位姿，返回到显示屏上显示。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种六自由度平台，包括运动机构、运动控制卡以及若干个推动机构，其特征在于，还包括一嵌入式控制模块和一嵌入式示教模块；

所述运动机构包括相互平行的上平台和下平台，所述下平台固定在地面上，所述上平台和下平台之间通过若干个推动机构连接，所述运动控制卡安装于所述下平台的内部、并与所述推动机构连接，所述运动控制卡中设置有用于控制所述推动机构动作的运动控制模块；

所述嵌入式控制模块包括控制芯片、I/O单元、运动控制模块控制单元、存储单元和拓展接口单元，所述I/0单元、运动控制模块控制单元、存储单元和扩展接口单元均连接所述控制芯片，所述运动控制模块控制单元还连接所述运动控制模块；

所述嵌入式示教模块连接所述控制芯片，用于输入控制指令并显示运动机构的运动状态。

2.根据权利要求1所述的六自由度平台，其特征在于，所述推动机构包括伺服电动缸、伺服电动机和伺服驱动器，所述伺服电动缸的轴的头部通过一球铰连接上平台的下表面，所述伺服电动缸的缸体的底部通过一十字联轴器连接下平台的上表面，所述伺服电动机安装在所述伺服电动缸的侧边并通过同步带轮连接所述伺服电动缸，所述伺服驱动器连接所述伺服电动机以及运动控制模块。

3.根据权利要求2所述的六自由度平台，其特征在于，所述伺服电动缸的侧壁上安装有两个限位开关，两个限位开关安装于所述伺服电动缸的缸体的首尾两端。

4.根据权利要求2所述的六自由度平台，其特征在于，所述运动控制模块采用DSP系列的芯片。

5.根据权利要求2所述的六自由度平台，其特征在于，所述推动机构的数量为6个。

6.根据权利要求1所述的六自由度平台，其特征在于，所述控制芯片采用ARM系列的芯片。

7.根据权利要求6所述的六自由度平台，其特征在于，所述拓展接口单元包括若干个通信接口，各个通信接口均连接所述控制芯片。

8.根据权利要求6所述的六自由度平台，其特征在于，所述嵌入式示教模块包括处理芯片、控制装置以及显示屏，所述控制装置连接所述处理芯片，所述处理芯片还连接所述控制芯片，所述显示屏连接所述控制芯片，其中，所述控制装置包括控制摇杆和控制按钮。

9.根据权利要求8所述的六自由度平台，其特征在于，所述处理芯片通过485总线连接所述控制芯片。

10.根据权利要求8所述的六自由度平台，其特征在于，所述处理芯片采用STM32系列的单片机。

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