空間六自由度運動的測量裝置及動態測量方法

2023-10-09 20:45:24

專利名稱：空間六自由度運動的測量裝置及動態測量方法
技術領域：
本發明涉及一種空間六自由度運動的測量裝置及動態測量方法，利用6-URS並聯機構及旋轉編碼器動態測量運動物體空間六自由度運動。空間六自由度運動包括三自由度運動位移X(t)、y(t)、z(t)及三自由度轉動角度Θ x(t)、θ y(t)、Θ z(t),運動位移及轉動角度微分後可轉換成運動速度、運動加速度、轉動角速度、轉動角加速度。
背景技術：
在現代エ業、國防及航空航天中，對空間六自由度運動動態測量的要求越來越高，如飛機或艦艇的大型エ件焊接裝配、並聯工具機、航海上的潛艇救援對接、航天星(船)箭對接、太空空間站對接、移動火箭(飛彈)發射系統中裝填車和發射車的對接、飛行或道路或飛彈發射的模擬器、精密操作的微動器、飛機空中加油、火箭(飛彈)發射裝置初始擾度的測量與控制等。空間六自由度運動動態測量的理論、方法、手段和工程應用研究一直是國內外學術界和工程界的熱點問題，儘管進行了大量研究，但是仍然有許多急需解決而又沒有完全解決好的工程實際問題和學術難點問題，集中體現在空間六自由度運動動態測量技術問題上。並聯機構具有承載能力強、運動精度高、剛度大、運動慣量小、自重負荷比小、動カ性能好、控制容易等一系列優點，在國民生產的各個領域應用越來越廣泛。並聯機構複雜的機構學問題屬於空間多自由度多環並聯機構學理論研究領域，也包括隨機器人高技術發展起來的多機器人協調、多足歩行機、多指多關節高靈活手爪等構成的並聯多環機構學問題。目前，空間六自由度運動的測量多採用線性位移測量方式，線性位移測量方式存在較大的摩擦和磨損，存在精度低、壽命短等缺點，且沒有實現六自由度運動的同時測量。

發明內容
本發明的目的之ー在於提供一種空間六自由度運動的測量裝置，能夠對運動物體進行空間六自由度運動位姿高精度動態測量。空間六自由度運動位姿包括三自由度運動位移X (t)、y (t)、z⑴及三自由度運動角度ex(t)、ey(t)、θζα)，運動位移及角度微分後可轉換成運動速度、運動加速度、轉動角速度、轉動角加速度。為實現上述目的，本發明的技術方案如下一種空間六自由度運動的測量裝置，在定平臺(I)上裝有六個虎克鉸(2),這六個虎克鉸(2)圍成ー個六角形；在所述定平臺(I)的上方設有動平臺(10),該動平臺(10)上裝有六個球鉸(9)，六個球鉸(9)也圍成ー個六
角形，並且六個球鉸(9)與六個虎克鉸(2)--對應；所述六個球鉸(9)均通過支鏈與對
應的六個虎克鉸(2)相連接，該支鏈包括上支杆(8)、下支杆(3)和旋轉副出)，所述上支杆
(8)的上端與對應的球鉸(9)連接，上支杆⑶的下端通過旋轉副(6)與下支杆(3)的上端鉸接，在旋轉副(6)上安裝有旋轉編碼器(5)，所述下支杆(3)的下端與對應的虎克鉸(2)連接，同一支鏈上的旋轉副(6)位於該支鏈所對應的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線的外偵牝同一支鏈所對應的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線同對應的旋轉副(6)位於ー個平面內，該支鏈只能在這個平面內運動。採用以上技術方案,虎克鉸用U表示,旋轉副用R表示,球鉸用S表示，六組球鉸、六組虎克鉸和六組支鏈構成測量空間六自由度運動的裝置，因此，本發明命名為6-URS並聯機構。上面選用球鉸，下面選用虎克鉸，能夠防止發生幹渉，使各支鏈只在所處平面作內外方向的運動。當被測運動物體空間六自由度運動的幅值、頻率較高吋，6-URS並聯機構需承受大的衝擊和震動。支鏈中的上支杆和下支杆剛度高、質量小，轉動靈活，抗衝擊能力強，從而降低了 6-URS並聯機構對被測運動物體的附加カ及附加質量，提高了測量精度。定平臺和下支杆通過虎克鉸相連，動平臺和上支杆通過球鉸連接，上支杆和下支杆之間通過轉動副連接以組成一個有機的整體，通過旋轉編碼器記錄下上支杆和下支杆作相對旋轉運動的角度時間曲線，以此來計算運動物體的空間六自由度運動。旋轉編碼器是集光機電技術於一體的角度位移傳感器，具有體積小、重量輕、品種多、功能全、頻響高、分辨能力高、カ矩小、耗能低、性能穩定、可靠使用壽命長等特點。利用6-URS並聯機構與旋轉編碼器相結合， 不僅能實現六自由度運動的同時測量，而且能夠確保測量結果的準確性。本發明結構簡單、性能可靠、應用範圍廣，並擁有較大的測量空間，能夠高精度地動態測量被測物體的空間六自由度運動。所述上支杆(8)和下支杆(3)的結構相同，均由螺紋套筒、螺杆和鎖定螺釘組成，螺杆的一端伸入螺紋套筒內，兩者之間螺紋配合，並通過徑向穿設的鎖定螺釘頂緊；所述上支杆(8)的螺杆與球鉸(9)連接，上支杆(8)的螺紋套筒通過旋轉副(6)與下支杆(3)的螺紋套筒鉸接，下支杆(3)的螺杆與虎克鉸(2)連接。以上結構各支杆的長度可以根據需要進行調節，以擴大測量的範圍。調節支杆長度時，只需將鎖定螺釘鬆開，擰動螺杆調整其伸入螺紋套筒的長度，再重新擰緊鎖定螺釘即可，既方便又快捷。支杆長度調整好以後，在螺紋配合的緊固作用以及鎖定螺釘的頂緊作用下，能有效防止支杆的長度在測量過程中發生變化，從而進一歩保障了測量結果的準確性。所述定平臺(I)為正六邊形，虎克鉸(2)安裝在定平臺(I)的六個角處；所述動平臺(10)也為正六邊形，並位於定平臺(I)的正上方，所述球鉸(9)安裝在動平臺(10)的六個角處。以上結構加工製作容易、裝配簡單方便，不僅能夠簡化算法，而且進一步確保了在測量六自由度運動的過程中6-URS並聯機構不產生幹渉。本發明的目的之ニ在於提供一種空間六自由度運動的動態測量方法，能夠對運動物體進行空間六自由度運動位姿高精度動態測量。為實現上述目的，本發明的技術方案如下一種空間六自由度運動的動態測量方法，其特徵在於包括以下步驟I)將被測運動物體剛性固定在動平臺(10)上，定平臺(I)剛性固定在相對靜止不動的物體上，六個球鉸(9)分別編號為S1' S2, S3、S4、S5、S6，六個虎克鉸(2)分別編號為U1'U2、U3、U4、U5、U6 ;在被測運動物體上設定空間直角正交體坐標系o-xyz，在動平臺上球鉸(9)所圍成六角形的幾何中心設定空間直角正交體坐標系動坐標系S-X』 Y』 Z』，S-X』 Y』 Z』與動平臺固連，其原點S與動平臺的形心重合，Z'軸垂直於動平臺向上，X'軸與S1S6垂直，Y'軸平行於S1S6，在定平臺上虎克鉸(2)所圍成六角形的幾何中心設定空間直角正交體坐標系O-XYZ，其原點O與定平臺的形心重合，Z軸垂直向上，Y軸與U1U6垂直，X軸平行於U1U6 ；2)被測運動物體空間六自由度的運動帶動動平臺(10)運動及旋轉編碼器(5)轉動，旋轉編碼器(5)測量旋轉副￠)的上支杆(8)與下支杆(3)的相對運動的角度時間曲線 Θ j (t), i=l,2,3,4,5,6 ；3)由旋轉編碼器(5)的角度時間曲線正解，得出被測運動物體空間六自由度的運動規律。5、根據權利要求4所述空間六自由度運動的動態測量方法，其特徵在於步驟3)包含如下過程a、運動分解動平臺的運動可分解為隨S-X』 Y』 Z』坐標原點S沿O-XYZ三個坐標軸方向上的平移(X(t)，Y(t)，Z(t))T，以及繞坐標軸的旋轉(a (t)，β (t), Y (t))τ ;被測運動物體可分解為隨o-xy z坐標原點ο沿S-X』Y』Z』三個坐標軸方向上的平移(x(t)，y(t)，z(t))T，以及繞坐標軸的旋轉(ex(t)，9y(t), 9z(t))T；b、坐標變換Si(i=l,2,3,4,5,6)表示動平臺上的各球鉸點，Ui (i = 1,2,3,4,5,6)表示定動平臺上的各虎克鉸點；Si(i = 1,2,3,4,5,6)在固定空間直角坐標系O-XYZ和動空間直角坐標系 S-X』Y』Z』 中的坐標向量表示分別為 S(SiX，SiY，SiZ)T、S(SiX,，SiY, , Siz, )τ ;Ui(i = 1,2,3,
4,5,6)在固定空間直角坐標系O-XYZ中的坐標向量表示分別為U(UiX，UiY，Uiz)T，Ii表示杆SiUi的長度(i = 1,2,3,4,5,6);靜坐標向量3は)(，5 ，57和坐標向量5は)(，，SiY,，Siz,)τ有如下變換公式
權利要求
1.一種空間六自由度運動的測量裝置，其特徵在幹在定平臺(I)上裝有六個虎克鉸(2)，這六個虎克鉸(2)圍成ー個六角形；在所述定平臺(I)的上方設有動平臺(10)，該動平臺(10)上裝有六個球鉸(9)，六個球鉸(9)也圍成ー個六角形,並且六個球鉸(9)與六個虎克鉸(2) —一對應；所述六個球鉸(9)均通過支鏈與對應的六個虎克鉸(2)相連接，該支鏈包括上支杆(8)、下支杆(3)和旋轉副出)，所述上支杆(8)的上端與對應的球鉸(9)連接，上支杆(8)的下端通過旋轉副(6)與下支杆(3)的上端鉸接，在旋轉副(6)上安裝有旋轉編碼器(5)，所述下支杆(3)的下端與對應的虎克鉸(2)連接，同一支鏈上的旋轉副(6)位於該支鏈所對應的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線的外側，同一支鏈所對應的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線同對應的旋轉副(6)位於ー個平面內，該支鏈只能在這個平面內運動。
2.根據權利要求I所述的空間六自由度運動的測量裝置，其特徵在於所述上支杆(8)和下支杆(3)的結構相同，均由螺紋套筒、螺杆和鎖定螺釘組成，螺杆的一端伸入螺紋套筒內，兩者之間螺紋配合，並通過徑向穿設的鎖定螺釘頂緊；所述上支杆(8)的螺杆與球鉸(9)連接，上支杆(8)的螺紋套筒通過旋轉副(6)與下支杆(3)的螺紋套筒鉸接，下支杆(3)的螺杆與虎克鉸(2)連接。
3.根據權利要求2所述的空間六自由度運動的測量裝置，其特徵在幹所述定平臺(I)為正六邊形，虎克鉸(2)安裝在定平臺(I)的六個角處；所述動平臺(10)也為正六邊形，並位於定平臺(I)的正上方，所述球鉸(9)安裝在動平臺(10)的六個角處。
4.ー種利用權利要求1-3任一所述測量裝置進行空間六自由度運動的動態測量方法，其特徵在於包括以下步驟 1)將被測運動物體剛性固定在動平臺(10)上，定平臺(I)剛性固定在相對靜止不動的物體上，六個球鉸(9)分別編號為31、も、53、54、55、56，六個虎克鉸(2)分別編號為U1,U2、U3、U4、U5、U6 ;在被測運動物體上設定空間直角正交體坐標系ο-xyz，在動平臺上球鉸(9)所圍成六角形的幾何中心設定空間直角正交體坐標系動坐標系S-X』 Y』 Z』，S-X』 Y』 Z』與動平臺固連，其原點S與動平臺的形心重合，Z'軸垂直於動平臺向上，X'軸與S1S6垂直，Y'軸平行於S1S6，在定平臺上虎克鉸(2)所圍成六角形的幾何中心設定空間直角正交體坐標系0-ΧΥΖ，其原點O與定平臺的形心重合，Z軸垂直向上，Y軸與U1U6垂直，X軸平行於U1U6 ； 2)被測運動物體空間六自由度的運動帶動動平臺(10)運動及旋轉編碼器(5)轉動，旋轉編碼器(5)測量旋轉副(6)的上支杆(8)與下支杆(3)的相對運動的角度時間曲線Θ i(t), i=l,2,3,4,5,6 ； 3)由旋轉編碼器(5)的角度時間曲線正解，得出被測運動物體空間六自由度的運動規律。
5.根據權利要求4所述空間六自由度運動的動態測量方法，其特徵在於 步驟3)包含如下過程 a、運動分解 動平臺的運動可分解為隨S-X』 Y』 Z』坐標原點S沿O-XYZ三個坐標軸方向上的平移(X(t)，Y(t)，Z(t))T，以及繞坐標軸的旋轉(a (t)，β (t)，y (t))τ ;被測運動物體可分解為隨o-xyz坐標原點ο沿S-X』Y』Z』三個坐標軸方向上的平移(x(t), y (t), z (t))T,以及繞坐標軸的旋轉(9x(t)，9y(t), Θ z(t))T ；b、坐標變換 Si(i=l,2,3,4,5,6)表示動平臺上的各球鉸點，UiQ = 1,2,3,4,5,6)表示定動平臺上的各虎克鉸點；Si(i = 1,2,3,4,5,6)在固定空間直角坐標系O-XYZ和動空間直角坐標系S-X』Y』Z』 中的坐標向量表示分別為 S(SiX, SiY，Siz)T, S(SiX,，SiY,，Siz, )T ;Ui(i = 1,2,3,4,·5,6)在固定空間直角坐標系O-XYZ中的坐標向量表示分別為U(UiX，UiY，UiZ)T，Ii表示杆SiUi的長度(i = 1,2,3,4,5,6);靜坐標向量3は)(，5 ，51グ和坐標向量5は)(,，SiY,，Siz, )τ有如下變換公式
全文摘要
本發明公開了一種空間六自由度運動的測量裝置及動態測量方法，測量裝置的定平臺(1)上裝有六個虎克鉸(2)，在定平臺(1)的上方設有動平臺(10)，該動平臺(10)上裝有六個球鉸(9)，六個球鉸(9)均通過支鏈與對應的六個虎克鉸(2)相連接，該支鏈的旋轉副(6)上安裝有旋轉編碼器(5)。動態測量方法包括建立坐標系、利用旋轉編碼器(5)測量旋轉副(6)的上下支杆的相對運動的角度時間曲線、以及由旋轉編碼器(5)的角度時間曲線正解得出被測運動物體空間六自由度的運動規律等步驟。本發明不僅能實現六自由度運動的同時測量，而且能夠確保測量結果的準確性，具有靈活性好，適應能力強，測量範圍廣，精度高等特點。
文檔編號G01B21/22GK102692201SQ201210203199
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者孫小勇, 宋代平, 尹兵, 張高峰, 江登林, 謝志江, 陳平, 雷鋼 申請人:貴州航天天馬機電科技有限公司, 重慶大學