[發明專利]空間六自由度運動的測量裝置及動態測量方法

有效

• 申請號: 201210203199.9
• 申請日: 2012-06-19
• 公開（公告）號: CN102692201A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 謝志江;張高峰;尹兵;江登林;陳平;宋代平;雷鋼;孫小勇
• 申請（專利權）人: 重慶大學;貴州航天天馬機電科技有限公司
• 主分類號: G01B21/04
• 分類號: G01B21/04;G01B21/22
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所 50211
• 代理人: 方洪

1.一種空間六自由度運動的測量裝置，其特征在于：在定平臺(1)上裝有六個虎克鉸(2)，這六個虎克鉸(2)圍成一個六角形；在所述定平臺(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)也圍成一個六角形，并且六個球鉸(9)與六個虎克鉸(2)一一對應；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，該支鏈包括上支桿(8)、下支桿(3)和旋轉副(6)，所述上支桿(8)的上端與對應的球鉸(9)連接，上支桿(8)的下端通過旋轉副(6)與下支桿(3)的上端鉸接，在旋轉副(6)上安裝有旋轉編碼器(5)，所述下支桿(3)的下端與對應的虎克鉸(2)連接，同一支鏈上的旋轉副(6)位于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)位于一個平面內，該支鏈只能在這個平面內運動。

2.根據權利要求1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)的結構相同，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，兩者之間螺紋配合，并通過徑向穿設的鎖定螺釘頂緊；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.根據權利要求2所述的空間六自由度運動的測量裝置，其特征在于：所述定平臺(1)為正六邊形，虎克鉸(2)安裝在定平臺(1)的六個角處；所述動平臺(10)也為正六邊形，并位于定平臺(1)的正上方，所述球鉸(9)安裝在動平臺(10)的六個角處。

4.一種利用權利要求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(1)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)運動及旋轉編碼器(5)轉動，旋轉編碼器(5)測量旋轉副(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=1，2，3，4，5，6；

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(α(t)，β(t)，γ(t))^T；被測運動物體可分解為隨o-xyz坐標原點o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(θ_x(t)，θ_y(t)，θ_z(t))^T；

b、坐標變換：

S_i(i=1，2，3，4，5，6)表示動平臺上的各球鉸點，U_i(i＝1，2，3，4，5，6)表示定動平臺上的各虎克鉸點；S_i(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(S_iX，S_iY，S_iZ)^T、S(S_iX′，S_iY′，S_iZ′)^T；U_i(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(U_iX，U_iY，U_iZ)^T，l_i表示桿S_iU_i的長度(i＝1，2，3，4，5，6)；靜坐標向量S(S_iX，S_iY，S_iZ)^T和坐標向量S(S_iX′，S_iY′，S_iZ′)^T有如下變換公式：

SiXSiYSiZ=[T]×SiX′SiX′SiX′+XYZ,]]>i＝1，2，3，4，5，6

其中T為坐標變換公式，這里有：

[T]=cosβcosγ-cosαsinγ+sinαsinβcosγsinαsinγ+cosαsinβcosγcosβsinγcosαcosγ+sinαsinβsinγ-sinαcosγ+cosαsinβsinγ-sinβsinαcosβcosαcosβ]]>

根據上下支桿旋轉角度的變化，利用機構運動學算法解算出動平臺的六自由度運動變化，得出動平臺的空間位姿V＝(X(t)，Y(t)，Z(t)，α(t)，β(t)，γ(t))^T，通過坐標變換得到被測運動物體的六自由度運動變化，確定被測物體的空間位姿W＝(x(t)，y(t)，z(t)，θ_x(t)，θ_y(t)，θ_z(t))^T；通過旋轉編碼器電機上的編碼記錄的旋轉角度，能夠精確地的得出上球鉸與下虎克鉸距離的變化Δl_i(t)(i＝1，2，3，4，5，6)；則上球鉸與下虎克鉸的距離可表示為：(i＝1，2，3，4，5，6)，其中l_i(t)表示狀態角度為θ時上球鉸與下虎克鉸的距離，l_下為轉動副中心到虎克鉸中心的距離，l_上為轉動副中心到球鉸中心的距離，則動平臺位姿(X(t)，Y(t)，Z(t)，α(t)，β(t)，γ(t))^T和六組球鉸及胡可鉸的距離l_i(t)的非線性約束方程式為：

F_i(X(t)，Y(t)，Z(t)，α(t)，β(t)，γ(t))=l_i²-[(S_ix-U_ix)²+(S_iy-U_iy)²+(S_iz-U_iz)²]＝0，(i＝1，2，3，4，5，6)

c、迭代解法：

令V＝(X(t)，Y(t)，Z(t)，α(t)，β(t)，γ(t))^T，F(V)=(f₁(V)，f₂(V)，f₃(V)，f₄(V)，f₅(V)，f₆(V))^T，選擇初始點V₀，F_i(V₀)(i＝1，2，3，4，5，6)在V₀附近進行泰勒展開，取得其線性部分作為動平臺姿態的牛頓迭帶公式：

V_k+1=V_k-[J(V_k)]^-1F(V_k)(k＝0，1，2，...)

其中

經過多次迭代后，當滿足|V_k+1-V_k|<E時終止迭代，此時的V_k+1便是滿足精度要求的動平臺空間位姿V=(X(t)，Y(t)，Z(t)，α(t)，β(t)，γ(t))^T的值，再經坐標轉換矩陣的轉換、平移，可得被測運動物體的空間位姿W＝(x(t)、y(t)、z(t)，θ_x(t)、θ_y(t)、θ_z(t))^T；被測運動物體上的空間直角坐標系相對動平臺上坐標系的坐標轉換矩陣T′：

T′=cosθycosθz-cosθxsinθz+sinθxsinθycosθzsinθxsinθz+cosθxsinθycosθzcosθysinθzcosθxcosθz+sinθxsinθysinθz-sinθxcosθz+cosθxsinθysinθz-sinθysinθxcosθycosθxcosθy.]]>