测量空间六自由度运动的滑块式并联机构

摘要

本发明公开了一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，在机座(8)固定有两组左右平行的导轨(1)，每组导轨(1)的旁边设有一个光栅尺(10)，在每组导轨(1)前部、中部及后部各安装一个滑块(2)，每个滑块(2)上均安装有下球铰(7)和光栅尺读数头(9)；在机座(8)上方设有动平台(4)，该动平台(4)的四个角处均装有上球铰(6)，所述动平台(4)后侧边的中央连接有一块斜板(4a)，该斜板(4a)上也安装有两个上球铰(6)，六个上球铰(6)各通过一根拉杆(3)与对应的下球铰(7)连接。本发明具有刚度好、结构简单，灵活性好，量程大，同时测量六自由度等特点，可解决环境、耦合等问题，提高了测量精度和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，用于对运动物 体进行空间六自由度机械运动的动态测量。该六自由度包括：三自由度运动位 移x(t)、y(t)、z(t)及三自由度运动角度θx(t)、θy(t)、θz(t)。

背景技术

现有工业、军事以及航天航空等各种行业对物体空间运动的测量精度要求 越来越高，并且工作环境也越来越复杂，原有的测量方式，已不能够满足要求。

如：火箭弹(导弹)发射时，发射产生的大推力、强冲击、高温高压、气 浪等一系列原因使发射装置处于恶劣的环境中，发射装置对火箭弹(导弹)发 射的初始扰动影响其飞行轨迹、命中精度及密集度，甚至导致整个部队的战斗 力下降。为了评价恶劣环境中发射装置各关键部位可靠性和安全性，考察发射 装置的抗扰动能力及对火箭弹(导弹)射击精度的影响，需要对发射过程中的 初始扰动各主要因素进行动态测试和研究，尤其需要能够适应特殊环境下的全 程准确测量发射装置空间六自由度运动(轴向移动、平移、升沉、俯仰、偏航、 滚转)的测量方法及装置。

目前国内外测量发射装置空间运动的方法有：

1)拉线式位移传感器测量法。火箭弹(导弹)武器系统现场试验时，在发 射装置上安装了拉线式位移传感器。该方法是单自由度测量，方法简单、便携、 测量容易，但在测量精度、多自由度耦合测量和高频扰动测量时，存在重大缺 陷，会产生多自由度耦合原理性误差，高温、气浪对拉线长度有影响，产生环 境误差，甚至造成拉线断毁。

2)机器视觉测量法。是非接触光学测量法，采用高速摄像头基于图像分析 法测量运动位移，精度高，便于数据处理。如南京理工大学的李开明利用高速 线阵列CCD测试定向器束运动角位移。该方法可以是多自由度测量，但是非接 触式测量易受到弹丸脱离炮口瞬间所产生的羽流的干扰，高温气浪的空气折射 波动及烟雾粉尘使该方法测量误差大，不能适应发射时的烟尘、高温环境，甚 至完全不能使用。

3)振动传感器测量法。采用振动加速度传感器或振动速度传感器直接安装 在发射装置上，经积分成速度或位移，该方法很难做到多自由度测量，由于高 温、量程、频响及积分误差等造成误差较大。

4)陀螺仪测量法。采用三轴陀螺仪测量空间三轴角速度，积分成角位移， 该方法不能测量三轴位移，由于量程、频响及积分误差等造成误差较大。

在工业、军事以及航天航空的其它工程应用中，目前国内外测量物体空间 六自由度运动的方法与测量发射装置空间六自由度运动的方法大同小异，直接 将有关位移/角度、速度/角速度、加速度/角加速度的测量方法应用到物体空间 六自由度运动的测量。目前在测量领域同时测量运动物体空间六自由度的传感 器较少，常见的有单独测量位移和角度的传感器。如单向、两向、三向的运动 加速度传感器，一轴、两轴、三轴的角度传感器，但积分后误差很大。如果测 量同一运动物体的位移和角度，两种传感器不便于安装。有一种基于多目机器 视觉的非接触的测量方法可以实现空间六自由度运动的测量，但系统复杂，对 被测物体表面、大小及测量环境要求高。除多目机器视觉测量法外，其它方法 都不能准确、同时得到空间六自由度运动的测量值

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种测量空间六自由度运动的滑块式 并联机构，能够快速和精确的同时测量不同环境条件下被测运动物体的空间六 自由度运动。

本发明的技术方案如下：一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构， 在机座(8)上固定有两组左右平行的导轨(1)，每组导轨(1)的旁边设有一 个光栅尺(10)，所述光栅尺(10)固定在机座(1)上，各光栅尺(10)与对 应的导轨(1)相平行，并保持一定距离安装；在每组导轨(1)的前部、中部 及后部各安装一个滑块(2)，该滑块(2)能在对应的导轨(1)上滑动，左右 两边导轨(1)上的滑块(2)对称布置，在每个滑块(2)上均安装有下球铰(7) 和光栅尺读数头(9)，同一边的滑块(2)上的光栅尺读数头(9)位于对应的 光栅尺(10)的上方，光栅尺读数头(9)与对应的光栅尺(10)之间具有间隙； 在所述机座(8)的上方设有动平台(4)，该动平台(4)为矩形，在动平台(4) 的四个角处均装有上球铰(6)，所述动平台(4)后侧边的中央连接有一块斜板 (4a)，该斜板(4a)上也安装有两个左右对称的上球铰(6)，所述动平台(4) 前端角落处的两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨前部滑块(2) 上的下球铰(7)连接，动平台(4)后端角落处的两个上球铰(6)分别通过拉 杆(3)与左右两边导轨后部滑块(2)上的下球铰(7)连接，斜板(4a)上的 两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨中部滑块(2)上的下球铰 (7)连接。

采用以上技术方案，将被测运动物体固定在动平台上，设定空间正交体坐 标系o-xyz，被测运动物体的运动通过动平台及拉杆，带动滑块在导轨上滑动， 六个滑块运动的同时，根据六个光栅尺读数头的位置测量数据Si(t)，i＝1，2， 3，4，5，6，再经机构运动学正解计算，即可同时得到被测运动物体空间六自 由度运动：三自由度运动位移x(t)、y(t)、z(t)及三自由度运动角度θx(t)、 θy(t)、θz(t)。

本发明采用并联机构，消除了由于测量环境影响带来的不便，并且使用测 量精度极高的光栅尺，保证了的运动物体的测量精度。由于本发明在测量过程 中需承受较大的冲击和震动，要求并联机构刚度高、质量小，尽量降低并联机 构对被测运动物体的附加力及附加质量。

为了简化结构、方便加工制作及装配，所述机座(8)为平板结构，动平台 (4)位于机座(8)的正上方，该动平台(4)与机座(8)相平行。

为了尽可能地提高运动性能，左右两边导轨(1)与滑块(2)相配合的面 为斜面，该斜面与机座(8)之间具有15-45°的夹角，并且左右两边导轨(1) 的斜面相对。

作为优选，所述斜板(4a)的上端与动平台(4)的后侧边相固定或连为一 体，斜板(4a)与动平台(4)之间具有20-60°的夹角。

本发明的有益效果是：

1)由一套并联机构实现了运动物体同一测量点的三个运动位移和三个运动 角度的六自由度的同时测量，并联机构刚度好、结构简单，测量精度高、无耦 合误差。

2)灵活性好，量程大，适应能力强，可以根据环境和需要改变机构的结构 尺寸。

3)既满足烟尘、高温等室外特殊环境下测量，又能够在实验室条件下进行 测量。

4)应用范围广，可应用到并联机床、飞行模拟器、空间对接设备等工业、 军事、国防重点领域中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的原理简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，机座8为矩形平板结构，在机座8上固定有两组左右平行的 导轨1。在每组导轨1的前部、中部及后部各安装一个滑块2，该滑块2能在对 应的导轨1上滑动，左右两边导轨1上的滑块2对称布置，并且左右两边导轨1 与滑块2相配合的面为斜面，该斜面与机座8之间具有15-45°的夹角，左右两 边导轨1的斜面相对。每组导轨1的旁边设有一个光栅尺10，所述光栅尺10固 定在机座1上，左边光栅尺10位于左边导轨1的右侧，右边光栅尺10位于右 边导轨1的左侧，各光栅尺10与对应的导轨1相平行，并保持一定距离安装。

如图1所示，在左边三个滑块2的右侧边中部均安装有光栅尺读数头9，该 光栅尺读数头9位于左边光栅尺10的上方，且该光栅尺读数头9与左边光栅尺 10之间具有间隙。在右边三个滑块2的左侧边中部也安装有光栅尺读数头9， 该光栅尺读数头9位于右边光栅尺10的上方，且该光栅尺读数头9与右边光栅 尺10之间具有间隙。在每个滑块2上均安装有下球铰7，左右两边的下球铰7 对称分布，左右两边的光栅尺读数头9也对称分布。

如图1所示，在机座8的上方设有动平台4，本实施例中，动平台4位于机 座8的正上方，该动平台4与机座8相平行。所述动平台4为矩形，在动平台4 的四个角处均装有上球铰6，所述动平台4后侧边的中央连接有一块斜板4a， 该斜板4a的上端与动平台4的后侧边相固定或连为一体，斜板4a的下端向后 下方延伸，斜板4a与动平台4之间具有20-60°的夹角，并在斜板4a的下端上 也安装有两个左右对称的上球铰6。所述动平台4前端左边角处的上球铰6通过 一根拉杆3与左边导轨前部滑块2上的下球铰7连接，动平台4前端右边角处 的上球铰6通过一根拉杆3与右边导轨前部滑块2上的下球铰7连接，动平台4 后端左边角处的上球铰6通过一根拉杆3与左边导轨后部滑块2上的下球铰7 连接，动平台4后端右边角处的上球铰6通过一根拉杆3与右边导轨后部滑块2 上的下球铰7连接。斜板4a下端左边角处的上球铰6通过一根拉杆3与左边导 轨中部滑块2上的下球铰7连接，斜板4a下端右边角处的上球铰6通过一根拉 杆3与右边导轨中部滑块2上的下球铰7连接。

如图2所示，拉杆3两端分别为上球铰6和下球铰7，球铰表示为S，滑块 2和导轨1之间是移动副P，并联测量机构共有6个运动支链，故并联测量机构 也被称为6-PSS并联机构。

在图2中，上球铰6使用U_i＝1，2，3，4，5，6)表示，下球铰7使用D_i(i＝1， 2，3，4，5，6)表示。建立坐标系，固定坐标系OX₀Y₀Z₀在上球铰组成的平面 内，惯性坐标系O₁X₁Y₁Z₁在动平台上。并联机构共有17个几何机构参数，分别 拉杆长度l₁，l₂，l₃，l₄，l₅，l₆，滑块导轨和水平面倾斜角度θ，左右导轨距离 D₁D₄的一半d₄，下球铰D₁和D₃在平面YZ中的距离d₅，动平台坐标系原点到 D₁D₂D₄D₅平面距离h，下球铰到导轨平面距离h₁、h₂，动平台上球铰U₁(U₄)到 平面YZ距离d₆，上球铰U₂U₅在平面XY中距离d₇，上球铰U₂U₅距离的一半d₈， 上球铰U₁U₄距离的一半d₉，上球铰U₂U₃在平面XY中投影和X轴夹角φ。

运动学逆解

已知动平台的运动规律，根据并联机构的已知结构参数，上球铰在惯性坐 标系中的坐标位置，下球铰(也是滑块位置)在固定坐标系中位置坐标在YZ方 向的分量都可直接求出。根据被测运动物体的运动，计算得到滑块X方向位移 S_i(t)(在计算过程中计作x_di)就是运动学逆解。

上球铰在惯性坐标系中坐标为：

U₁：(d₆，-d₉，0)

U₂：(-d₆-d₇cosφ，-d₈，-h₇-d₇sinφ)

U₃：(-d₆，-d₉，0)

U₄：(d₆，d₈，0)

U₅：(-d₆-d₇cosφ，d₈，-h₇-d₇sinφ)

U₆：(-d₆，d₈，0)

下球铰在固定坐标系中坐标为：

D₁：(x_d1，-d₄+h₁sinθ，h₁cosθ)

D ₂：(x_d2，-d₄+h₁sinθ，h₁cosθ)

D ₃：(x_d3，-d₄+h₂sinθ-d₅cosθ，h₂cosθ+d₅sinθ)

D ₄：(x_d4，d₄-h₁sinθ，h₁cosθ)

D ₅：(x_d5，d₄-h₁sinθ，h₁cosθ)

D ₆：(x_d6，d₄-h₂sinθ+d₅cosθ，h₂cosθ+d₅sinθ)

上球铰坐标从惯性坐标系到固定坐标系转化：

$\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}R& P\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\\ 1\end{array}\right)$

式中，P＝(x，y，z)^T表示惯性坐标系在固定坐标系中的位置向量，R为惯性坐 标系到固定坐标系的方向余弦矩阵：

$R=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{c\beta c\alpha }& -\mathrm{s\beta c\gamma }+\mathrm{c\beta s\alpha s\gamma }& \mathrm{s\beta s\gamma }+\mathrm{c\beta s\alpha c\gamma }\\ \mathrm{s\beta c\alpha }& \mathrm{c\beta c\gamma }+\mathrm{s\beta s\alpha s\gamma }& -\mathrm{c\beta s\gamma }+\mathrm{s\beta s\alpha c\gamma }\\ -\mathrm{s\alpha }& \mathrm{c\alpha s\gamma }& \mathrm{c\alpha c\gamma }\end{array}\right)$

其中cβ＝cosβ，sβ＝sinβ，依次类推。上球铰和下球铰在固定坐标系中的位 置坐标全部可以求得。根据拉杆长度计算公式：

l_i²＝(x_ui-x_di)²+(y_ui-y_di)²+(z_ui-z_di)²，(i＝1～6)

式中，(x_ui，y_ui，z_ui)表示第i个上球铰在固定坐标系中的位置坐标，(x_di，y_di，z_di)表 示第i个下球铰在固定坐标系中的位置坐标。可以推导出滑块位移方程：

$x_{\mathrm{di}}=x_{\mathrm{ui}}\pm \sqrt{l_i^2-{(y_{\mathrm{ui}}-y_{\mathrm{di}})}^2-{(z_{\mathrm{ui}}-z_{\mathrm{di}})}^2},(i=1~6)$

式中根据滑块的运动特点取“+”或“-”。并联测量机构可以根据几何结构 参数灵活变动结构尺寸和布置方式。如动平台和机座可平行或倾斜布置，动平 台与机座的距离参数，动平台和滑块上的球铰布置方式等。根据被测运动物体 运动范围，按被测运动物体运动范围的1.5倍，利用并联测量机构的逆解算法， 优化确定并联测量机构的17个几何结构参数。在满足测量范围及测量精度要求 的基础上，并联测量机构几何尺寸最小、重量最轻、刚度最优。

测量算法

根据光栅尺读数头9测量的滑块位移数据，利用测量算法可以求得被测运 动物体的空间六自由度运动。

因为并联测量机构的滑块位移数据已经测量得到：

$x_{\mathrm{di}}=x_{\mathrm{ui}}+\sqrt{l_i^2-{(y_{\mathrm{ui}}-y_{\mathrm{di}})}^2-{(z_{\mathrm{ui}}-z_{\mathrm{di}})}^2}=g_i(x,y,z,\alpha ,\beta ,\gamma )$

因滑块位置已经得到，则可得到关于动平台位姿x、y、z、α、β、γ和滑块i的 位置x_di的约束方程式：

f_i(x，y，z，α，β，γ，x_di)＝x_di-g_i(x，y，z，α，β，γ)＝0

将六个支链的约束方程联立可得到并联机构关于支杆末端位姿 x、y、z、α、β、γ和滑块位置x_di的约束方程组：

$\left(\begin{array}{c}{f}_1(x,y,z,\alpha ,\beta ,\gamma ,x_{d1})=0\\ ·\\ f_6(x,y,z,\alpha ,\beta ,\gamma ,x_{d6})=0\end{array}\right)$

对于约束方程组位置正解可转化为已知x_di求解非线性方程组关于 x，y，z，α，β，γ的解，这样将x_di作为已知量时，方程组就可简写为：

f(x)＝0

其中x＝[x，y，z，α，β，γ]^T

f(x)＝[f₁(x)，f₂(x)，·，f₆(x)]^T

求解非线性方程组的Newton法的迭代格式为：

x_k+1＝x_k-[J(x_k)]^-1f(x_k)，k＝0，1，2，·

式中，J为并联测量机构的雅克比矩阵。根据位移传感器数据，就可一次 性解算出测量点的六自由度运动规律。

根据本发明中的上述测量方法，本发明的并联机构相当于一种传感器。传 感器灵敏度L＝L₁*L₂，传感器的灵敏度L不和测量对象呈线性关系，单位是mv/um。 根据滑块位移变化正解得到被测对象空间六自由度的值，滑块位移变化与被测 对象空间六自由度值的关系为L₁，包括，机构的几何精度(包括加工精度和安 装精度)，机构的动态精度(弹性变形及运动副间隙)，算法精度等。L₂是滑块 位移变化的位移传感器的灵敏度，单位是mv/um，一般要求六个传感器的灵敏度 L₂一致。