[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

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并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后可轉換成運動速度、運動加速度、轉動角速度、轉動角加速度。

背景技術

在現代工業、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工件焊接裝配、并聯機床、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)發射系統中裝填車和發射車的對接、飛行或道路或導彈發射的模擬器、精密操作的微動器、飛機空中加油、火箭(導彈)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，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。

并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、動力性能好、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。并聯機構復雜的機構學問題屬于空間多自由度多環并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、多足步行機、多指多關節高靈活手爪等構成的并聯多環機構學問題。

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，且沒有實現六自由度運動的同時測量。

發明內容

本發明的目的之一在于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)、z(t)及三自由度運動角度θ_x(t)、θ_y(t)、θ_z(t)，運動位移及角度微分后可轉換成運動速度、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(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。

采用以上技術方案，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并聯機構。上面選用球鉸，下面選用虎克鉸，能夠防止發生干涉，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、頻率較高時，6-URS并聯機構需承受大的沖擊和震動。支鏈中的上支桿和下支桿剛度高、質量小，轉動靈活，抗沖擊能力強，從而降低了6-URS并聯機構對被測運動物體的附加力及附加質量，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桿和下支桿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、力矩小、耗能低、性能穩定、可靠使用壽命長等特點。利用6-URS并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、應用范圍廣，并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。