專利名稱：空間六自由度運動的測量裝置及動態(tài)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間六自由度運動的測量裝置及動態(tài)測量方法，利用6-URS并聯(lián)機構(gòu)及旋轉(zhuǎn)編碼器動態(tài)測量運動物體空間六自由度運動?？臻g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(zhuǎn)動角度Θ x(t)、θ y(t)、Θ z(t),運動位移及轉(zhuǎn)動角度微分后可轉(zhuǎn)換成運動速度、運動加速度、轉(zhuǎn)動角速度、轉(zhuǎn)動角加速度。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代エ業(yè)、國防及航空航天中，對空間六自由度運動動態(tài)測量的要求越來越高，如飛機或艦艇的大型エ件焊接裝配、并聯(lián)機床、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(導彈)發(fā)射系統(tǒng)中裝填車和發(fā)射車的對接、飛行或道路或?qū)棸l(fā)射的模擬器、精密操作的微動器、飛機空中加油、火箭(導彈)發(fā)射裝置初始擾度的測量與控制等?？臻g六自由度運動動態(tài)測量的理論、方法、手段和工程應(yīng)用研究一直是國內(nèi)外學術(shù)界和工程界的熱點問題，盡管進行了大量研究，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(shù)難點問題，集中體現(xiàn)在空間六自由度運動動態(tài)測量技術(shù)問題上。并聯(lián)機構(gòu)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(yōu)點，在國民生產(chǎn)的各個領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。并聯(lián)機構(gòu)復雜的機構(gòu)學問題屬于空間多自由度多環(huán)并聯(lián)機構(gòu)學理論研究領(lǐng)域，也包括隨機器人高技術(shù)發(fā)展起來的多機器人協(xié)調(diào)、多足歩行機、多指多關(guān)節(jié)高靈活手爪等構(gòu)成的并聯(lián)多環(huán)機構(gòu)學問題。目前，空間六自由度運動的測量多采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(xiàn)六自由度運動的同時測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之ー在于提供一種空間六自由度運動的測量裝置，能夠?qū)\動物體進行空間六自由度運動位姿高精度動態(tài)測量?？臻g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后可轉(zhuǎn)換成運動速度、運動加速度、轉(zhuǎn)動角速度、轉(zhuǎn)動角加速度。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)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(shè)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，并且六個球鉸(9)與六個虎克鉸(2)--對應(yīng)；所述六個球鉸(9)均通過支鏈與對
應(yīng)的六個虎克鉸(2)相連接，該支鏈包括上支桿(8)、下支桿(3)和旋轉(zhuǎn)副出)，所述上支桿
(8)的上端與對應(yīng)的球鉸(9)連接，上支桿⑶的下端通過旋轉(zhuǎn)副(6)與下支桿(3)的上端鉸接，在旋轉(zhuǎn)副(6)上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器(5)，所述下支桿(3)的下端與對應(yīng)的虎克鉸(2)連接，同一支鏈上的旋轉(zhuǎn)副(6)位于該支鏈所對應(yīng)的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線的外偵牝同一支鏈所對應(yīng)的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線同對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副(6)位于ー個平面內(nèi)，該支鏈只能在這個平面內(nèi)運動。采用以上技術(shù)方案,虎克鉸用U表示,旋轉(zhuǎn)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(gòu)成測量空間六自由度運動的裝置，因此，本發(fā)明命名為6-URS并聯(lián)機構(gòu)。上面選用球鉸，下面選用虎克鉸，能夠防止發(fā)生干渉，使各支鏈只在所處平面作內(nèi)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并聯(lián)機構(gòu)需承受大的沖擊和震動。支鏈中的上支桿和下支桿剛度高、質(zhì)量小，轉(zhuǎn)動靈活，抗沖擊能力強，從而降低了 6-URS并聯(lián)機構(gòu)對被測運動物體的附加カ及附加質(zhì)量，提高了測量精度。定平臺和下支桿通過虎克鉸相連，動平臺和上支桿通過球鉸連接，上支桿和下支桿之間通過轉(zhuǎn)動副連接以組成一個有機的整體，通過旋轉(zhuǎn)編碼器記錄下上支桿和下支桿作相對旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)編碼器是集光機電技術(shù)于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(wěn)定、可靠使用壽命長等特點。利用6-URS并聯(lián)機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)編碼器相結(jié)合， 不僅能實現(xiàn)六自由度運動的同時測量，而且能夠確保測量結(jié)果的準確性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、應(yīng)用范圍廣，并擁有較大的測量空間，能夠高精度地動態(tài)測量被測物體的空間六自由度運動。所述上支桿(8)和下支桿(3)的結(jié)構(gòu)相同，均由螺紋套筒、螺桿和鎖定螺釘組成，螺桿的一端伸入螺紋套筒內(nèi)，兩者之間螺紋配合，并通過徑向穿設(shè)的鎖定螺釘頂緊；所述上支桿(8)的螺桿與球鉸(9)連接，上支桿(8)的螺紋套筒通過旋轉(zhuǎn)副(6)與下支桿(3)的螺紋套筒鉸接，下支桿(3)的螺桿與虎克鉸(2)連接。以上結(jié)構(gòu)各支桿的長度可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，以擴大測量的范圍。調(diào)節(jié)支桿長度時，只需將鎖定螺釘松開，擰動螺桿調(diào)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。支桿長度調(diào)整好以后，在螺紋配合的緊固作用以及鎖定螺釘?shù)捻斁o作用下，能有效防止支桿的長度在測量過程中發(fā)生變化，從而進一歩保障了測量結(jié)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，并位于定平臺(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(jié)構(gòu)加工制作容易、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并聯(lián)機構(gòu)不產(chǎn)生干渉。本發(fā)明的目的之ニ在于提供一種空間六自由度運動的動態(tài)測量方法，能夠?qū)\動物體進行空間六自由度運動位姿高精度動態(tài)測量。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種空間六自由度運動的動態(tài)測量方法，其特征在于包括以下步驟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(shè)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(shè)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'軸垂直于動平臺向上，X'軸與S1S6垂直，Y'軸平行于S1S6，在定平臺上虎克鉸(2)所圍成六角形的幾何中心設(shè)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軸平行于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(zhuǎn)編碼器(5)轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)編碼器(5)測量旋轉(zhuǎn)副￠)的上支桿(8)與下支桿(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(zhuǎn)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(guī)律。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述空間六自由度運動的動態(tài)測量方法，其特征在于步驟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(zhuǎn)(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(zhuǎn)(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表示桿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(quán)利要求
1.一種空間六自由度運動的測量裝置，其特征在干在定平臺(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(shè)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,并且六個球鉸(9)與六個虎克鉸(2) —一對應(yīng)；所述六個球鉸(9)均通過支鏈與對應(yīng)的六個虎克鉸(2)相連接，該支鏈包括上支桿(8)、下支桿(3)和旋轉(zhuǎn)副出)，所述上支桿(8)的上端與對應(yīng)的球鉸(9)連接，上支桿(8)的下端通過旋轉(zhuǎn)副(6)與下支桿(3)的上端鉸接，在旋轉(zhuǎn)副(6)上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器(5)，所述下支桿(3)的下端與對應(yīng)的虎克鉸(2)連接，同一支鏈上的旋轉(zhuǎn)副(6)位于該支鏈所對應(yīng)的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線的外側(cè)，同一支鏈所對應(yīng)的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線同對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副(6)位于ー個平面內(nèi)，該支鏈只能在這個平面內(nèi)運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空間六自由度運動的測量裝置，其特征在于所述上支桿(8)和下支桿(3)的結(jié)構(gòu)相同，均由螺紋套筒、螺桿和鎖定螺釘組成，螺桿的一端伸入螺紋套筒內(nèi)，兩者之間螺紋配合，并通過徑向穿設(shè)的鎖定螺釘頂緊；所述上支桿(8)的螺桿與球鉸(9)連接，上支桿(8)的螺紋套筒通過旋轉(zhuǎn)副(6)與下支桿(3)的螺紋套筒鉸接，下支桿(3)的螺桿與虎克鉸(2)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間六自由度運動的測量裝置，其特征在干所述定平臺(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，并位于定平臺(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(quán)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(tài)測量方法，其特征在于包括以下步驟 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(shè)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(shè)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'軸垂直于動平臺向上，X'軸與S1S6垂直，Y'軸平行于S1S6，在定平臺上虎克鉸(2)所圍成六角形的幾何中心設(shè)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軸平行于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(zhuǎn)編碼器(5)轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)編碼器(5)測量旋轉(zhuǎn)副(6)的上支桿(8)與下支桿(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(zhuǎn)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(guī)律。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述空間六自由度運動的動態(tài)測量方法，其特征在于 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(zhuǎn)(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(zhuǎn)(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表示桿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(fā)明公開了一種空間六自由度運動的測量裝置及動態(tài)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(shè)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(yīng)的六個虎克鉸(2)相連接，該支鏈的旋轉(zhuǎn)副(6)上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器(5)。動態(tài)測量方法包括建立坐標系、利用旋轉(zhuǎn)編碼器(5)測量旋轉(zhuǎn)副(6)的上下支桿的相對運動的角度時間曲線、以及由旋轉(zhuǎn)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(guī)律等步驟。本發(fā)明不僅能實現(xiàn)六自由度運動的同時測量，而且能夠確保測量結(jié)果的準確性，具有靈活性好，適應(yīng)能力強，測量范圍廣，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(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)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