[發(fā)明專利]空間六自由度運(yùn)動(dòng)的測(cè)量裝置及動(dòng)態(tài)測(cè)量方法有效
| 申請(qǐng)?zhí)枺?/td> | 201210203199.9 | 申請(qǐng)日: | 2012-06-19 |
| 公開(公告)號(hào): | CN102692201A | 公開(公告)日: | 2012-09-26 |
| 發(fā)明(設(shè)計(jì))人: | 謝志江;張高峰;尹兵;江登林;陳平;宋代平;雷鋼;孫小勇 | 申請(qǐng)(專利權(quán))人: | 重慶大學(xué);貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司 |
| 主分類號(hào): | G01B21/04 | 分類號(hào): | G01B21/04;G01B21/22 |
| 代理公司: | 重慶市前沿專利事務(wù)所 50211 | 代理人: | 方洪 |
| 地址: | 400044 *** | 國(guó)省代碼: | 重慶;85 |
| 權(quán)利要求書: | 查看更多 | 說明書: | 查看更多 |
| 摘要: | |||
| 搜索關(guān)鍵詞: | 空間 自由度 運(yùn)動(dòng) 測(cè)量 裝置 動(dòng)態(tài) 測(cè)量方法 | ||
1.一種空間六自由度運(yùn)動(dòng)的測(cè)量裝置,其特征在于:在定平臺(tái)(1)上裝有六個(gè)虎克鉸(2),這六個(gè)虎克鉸(2)圍成一個(gè)六角形;在所述定平臺(tái)(1)的上方設(shè)有動(dòng)平臺(tái)(10),該動(dòng)平臺(tái)(10)上裝有六個(gè)球鉸(9),六個(gè)球鉸(9)也圍成一個(gè)六角形,并且六個(gè)球鉸(9)與六個(gè)虎克鉸(2)一一對(duì)應(yīng);所述六個(gè)球鉸(9)均通過支鏈與對(duì)應(yīng)的六個(gè)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(6),所述上支桿(8)的上端與對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的球鉸(9)與虎克鉸(2)中心連線同對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副(6)位于一個(gè)平面內(nèi),該支鏈只能在這個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間六自由度運(yùn)動(dòng)的測(cè)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(yùn)動(dòng)的測(cè)量裝置,其特征在于:所述定平臺(tái)(1)為正六邊形,虎克鉸(2)安裝在定平臺(tái)(1)的六個(gè)角處;所述動(dòng)平臺(tái)(10)也為正六邊形,并位于定平臺(tái)(1)的正上方,所述球鉸(9)安裝在動(dòng)平臺(tái)(10)的六個(gè)角處。
4.一種利用權(quán)利要求1-3任一所述測(cè)量裝置進(jìn)行空間六自由度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法,其特征在于包括以下步驟:
1)將被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體剛性固定在動(dòng)平臺(tái)(10)上,定平臺(tái)(1)剛性固定在相對(duì)靜止不動(dòng)的物體上,六個(gè)球鉸(9)分別編號(hào)為S1、S2、S3、S4、S5、S6,六個(gè)虎克鉸(2)分別編號(hào)為U1、U2、U3、U4、U5、U6;在被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體上設(shè)定空間直角正交體坐標(biāo)系o-xyz,在動(dòng)平臺(tái)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(biāo)系動(dòng)坐標(biāo)系S-X'Y'Z',S-X'Y'Z'與動(dòng)平臺(tái)固連,其原點(diǎn)S與動(dòng)平臺(tái)的形心重合,Z′軸垂直于動(dòng)平臺(tái)向上,X′軸與S1S6垂直,Y′軸平行于S1S6,在定平臺(tái)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(biāo)系O-XYZ,其原點(diǎn)O與定平臺(tái)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(cè)運(yùn)動(dòng)物體空間六自由度的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)(10)運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)編碼器(5)轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)編碼器(5)測(cè)量旋轉(zhuǎn)副(6)的上支桿(8)與下支桿(3)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度時(shí)間曲線θi(t),i=1,2,3,4,5,6;
3)由旋轉(zhuǎn)編碼器(5)的角度時(shí)間曲線正解,得出被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體空間六自由度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述空間六自由度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法,其特征在于:
步驟3)包含如下過程:
a、運(yùn)動(dòng)分解:
動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)可分解為隨S-X'Y'Z'坐標(biāo)原點(diǎn)S沿O-XYZ三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的平移(X(t),Y(t),Z(t))T,以及繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)(α(t),β(t),γ(t))T;被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體可分解為隨o-xyz坐標(biāo)原點(diǎn)o沿S-X'Y'Z'三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的平移(x(t),y(t),z(t))T,以及繞坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)(θx(t),θy(t),θz(t))T;
b、坐標(biāo)變換:
Si(i=1,2,3,4,5,6)表示動(dòng)平臺(tái)上的各球鉸點(diǎn),Ui(i=1,2,3,4,5,6)表示定動(dòng)平臺(tái)上的各虎克鉸點(diǎn);Si(i=1,2,3,4,5,6)在固定空間直角坐標(biāo)系O-XYZ和動(dòng)空間直角坐標(biāo)系S-X'Y'Z'中的坐標(biāo)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(biāo)系O-XYZ中的坐標(biāo)向量表示分別為U(UiX,UiY,UiZ)T,li表示桿SiUi的長(zhǎng)度(i=1,2,3,4,5,6);靜坐標(biāo)向量S(SiX,SiY,SiZ)T和坐標(biāo)向量S(SiX′,SiY′,SiZ′)T有如下變換公式:
其中T為坐標(biāo)變換公式,這里有:
根據(jù)上下支桿旋轉(zhuǎn)角度的變化,利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法解算出動(dòng)平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)變化,得出動(dòng)平臺(tái)的空間位姿V=(X(t),Y(t),Z(t),α(t),β(t),γ(t))T,通過坐標(biāo)變換得到被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的六自由度運(yùn)動(dòng)變化,確定被測(cè)物體的空間位姿W=(x(t),y(t),z(t),θx(t),θy(t),θz(t))T;通過旋轉(zhuǎn)編碼器電機(jī)上的編碼記錄的旋轉(zhuǎn)角度,能夠精確地的得出上球鉸與下虎克鉸距離的變化Δli(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(wèi)i(t)表示狀態(tài)角度為θ時(shí)上球鉸與下虎克鉸的距離,l下為轉(zhuǎn)動(dòng)副中心到虎克鉸中心的距離,l上為轉(zhuǎn)動(dòng)副中心到球鉸中心的距離,則動(dòng)平臺(tái)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li(t)的非線性約束方程式為:
Fi(X(t),Y(t),Z(t),α(t),β(t),γ(t))=li2-[(Six-Uix)2+(Siy-Uiy)2+(Siz-Uiz)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(xiàn)(V)=(f1(V),f2(V),f3(V),f4(V),f5(V),f6(V))T,選擇初始點(diǎn)V0,F(xiàn)i(V0)(i=1,2,3,4,5,6)在V0附近進(jìn)行泰勒展開,取得其線性部分作為動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)的牛頓迭帶公式:
Vk+1=Vk-[J(Vk)]-1F(Vk)(k=0,1,2,...)
其中
經(jīng)過多次迭代后,當(dāng)滿足|Vk+1-Vk|<E時(shí)終止迭代,此時(shí)的Vk+1便是滿足精度要求的動(dòng)平臺(tái)空間位姿V=(X(t),Y(t),Z(t),α(t),β(t),γ(t))T的值,再經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的轉(zhuǎn)換、平移,可得被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的空間位姿W=(x(t)、y(t)、z(t),θx(t)、θy(t)、θz(t))T;被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體上的空間直角坐標(biāo)系相對(duì)動(dòng)平臺(tái)上坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T′:
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