六自由度运动仿真平台的运动控制方法及系统

摘要

本发明提供一种六自由度运动仿真平台的运动控制方法、系统、计算机设备和存储介质，通过获取期望的上平台的运动位置和姿态信息，所述运动位置包括X,Y，Z三个方向的位移量，所述姿态信息包括绕X,Y,Z三轴的旋转角；利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸的伸长量；基于各个液压缸的伸长量，通过P I D控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸按照所述伸长量进行伸缩；通过液压缸活塞杆的伸缩驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，本发明能够实现利用一个软件对六自由度运动仿真平台进行多领域统一建模和集成，相比多领域软件联合仿真建模，明显提高了仿真效率和求解精度。

说明书

技术领域

本申请涉及计算机仿真技术领域，具体而言，涉及一种六自由度运动仿真平台的运动控制方法、系统、计算机设备和存储介质。

背景技术

六自由度运动仿真平台具有刚度大、动态响应速度快、精度高、承载能力强等优点，因此六自由度运动仿真平台在工业应用中也受到越来越多的关注。随着六自由度运动仿真平台的发展，其结构设计和运动控制越来越受到重视，已经在机器人、制造装配、医疗机械、航空、航天等领域有着广泛的应用。液压驱动型六自由度平台相对其他驱动类型的六自由度平台而言，具有功重比大、承载能力高、响应快等优点。在六自由度运上平台设计过程中，建立其系统仿真模型，进行运动学和动力学仿真，对六自由度运上平台运动过程中的运动学和动力学特性进行分析，基于仿真结果对运上平台系统结构和装配关系进行校核，对于提高六自由度运上平台的研发效率和系统的可靠性具有重要意义。

通过查找资料和相关文献发现，现有的六自由度运上平台进行建模时通常采用多软件联合仿真的方法进行的，需要工程师对系统涉及的各个领域进行解耦并对各个子系统进行集成，这样建立起的系统模型由于不同软件间的求解器差异和数据通讯，仿真效率低，操作复杂，模型参数设置繁琐。

因此，亟需一种能够在一个软件中实现六自由度运动仿真平台各个子系统的建模和集成，提高仿真效率和求解精度的基于多领域统一的六自由度运动仿真平台系统及构建方法，从而为后续涉及六自由度运上平台的设备进行系统仿真奠定基础，缩短设备研发周期，降低研发成本。

发明内容

本发明实施例提供一种六自由度运动仿真平台的运动控制方法、系统、计算机设备和存储介质，用以解决现有的六自由度运上平台进行建模时采用多软件联合仿真，由于不同软件间的求解器差异和数据通讯不同，会造成仿真效率低，操作复杂，模型参数设置繁琐等诸多问题。

为了实现上述目的，本发明实施例的第一方面，提供一种六自由度运动仿真平台的运动控制方法，包括：

获取期望的上平台的运动位置和姿态信息，所述运动位置包括X,Y，Z三个方向的位移量，所述姿态信息包括绕X,Y,Z三轴的旋转角；

利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸活塞杆的伸长量；

基于计算的各个液压缸活塞杆的伸长量，通过PID控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸活塞杆按照所述伸长量进行伸缩；

通过液压缸的伸缩驱动驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接。

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸活塞杆的伸长量，包括：

根据所述姿态信息得到旋转矩阵，所述旋转矩阵用于将上平台坐标系转换到下平台坐标系；

根据所述旋转矩阵计算所述上平台的6个铰接点在下平台坐标系中的坐标向量；

其中，p

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，在计算所述上平台的6个铰接点在下平台坐标系中的坐标向量后，还包括：

基于上平台的6个铰接点在下平台坐标系中的坐标向量，和下平台的6个铰接点在下平台坐标系中的坐标向量，计算液压缸的实际长度；

根据所述液压缸的实际长度和原始长度，计算液压缸活塞杆的伸长量。

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述机械结构包括下平台构件、虎克铰构件、液压缸体构件、活塞杆构件和上平台构件，其中，下平台构件和虎克铰构件、液压缸体构件和虎克铰构件、活塞杆构件和虎克铰构件以及上平台构件和虎克铰构件之间均由转动副进行连接，转动副起连接作用；液压缸体和活塞杆之间由移动副和转动副进行连接，移动副起驱动作用。

本发明实施例的第二方面，提供一种六自由度运动仿真平台系统，包括：

参考信号获取模块，用于给定期望的上平台的运动位置和姿态信息，所述运动位置包括X,Y，Z三个方向的位移量，所述姿态信息包括绕X,Y,Z三轴的旋转角。

逆运动学计算模块，用于利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸的伸长量；

液压伺服系统模块，用于基于计算的各个液压缸活塞杆的伸长量，通过PID控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸活塞杆按照所述伸长量进行伸缩；

机械系统模块，用于通过活塞杆液压缸的伸缩驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接。

本发明实施例的第三方面，提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。

本发明实施例的第四方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现本发明第一方面及第一方面各种可能设计的所述方法的步骤。

本发明提供的六自由度运动仿真平台的运动控制方法、系统、计算机设备和存储介质，通过获取期望的上平台的运动位置和姿态信息，所述运动位置包括X,Y，Z三个方向的位移量，所述姿态信息包括绕X,Y,Z三轴的旋转角；利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸活塞杆的伸长量；基于各个液压缸活塞杆的伸长量，通过PID控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸活塞杆按照所述伸长量进行伸缩；通过液压缸的伸缩驱动驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接，本发明能够在同一个软件对六自由度运动仿真平台各个子系统的统一建模和集成，相比多领域软件联合仿真建模，明显提高了仿真效率和求解精度。

附图说明

图1为六自由度运动仿真平台的运动控制方法的第一种实施方式的流程图；

图2为六自由度运动平台的三维示意图；

图3为上下平台坐标系的示意图；

图4为机械结构模型的结构示意图；

图5为六自由度运动仿真平台系统的第一种实施方式的结构图；

图6为液压驱动型六自由度运动仿真平台模型的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。

应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。

取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

实施例1：

本发明提供一种六自由度运动仿真平台的运动控制方法，如图1所示其流程图，包括：

步骤S110、获取期望的上平台的运动位置和姿态信息。

在本步骤中，根据实际场景需求，可在参考信号模块中设置用户期望的六自由度运动仿真平台上平台的运动位置和姿态信息，其中，运动位置包括上平台原点在X,Y，Z三个方向的位移量，姿态信息包括上平台原点绕X,Y,Z三轴的旋转角，具体上平台如图2中的1所示。

步骤S120、利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸活塞杆的伸长量。

在步骤S120中，通过将预先设置好的上平台的运动位置和姿态信息输入至逆运动学模型中，从而利用空间向量法计算得到直线驱动的伸长量。

步骤S130、基于各个液压缸活塞杆的伸长量，通过PID控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸活塞杆按照所述伸长量进行伸缩。

在该步骤中，会将计算得到的6个液压缸活塞杆的伸长量作为液压伺服系统的输入信号，从而根据各个液压缸活塞杆的伸长量，控制PID控制器，通过控制伺服阀阀芯的位移来控制液压缸的伸缩，使得液压缸活塞杆能按照其对应的伸长量进行伸缩，结合液压伺服系统模型，可以研究液压系统的动态特性对运动仿真平台的运动性能的影响。其中，所述PID控制器是由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成，通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定，来减小被控系统的输入于输出之间的误差，PID控制器主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统；所述伺服阀包括电液伺服阀，是一种在伺服系统中将电信号输入转换为功率较大的压力或流量压力信号输出的控制元件，是一种电液转换和功率放大元件。伺服阀具有灵敏度高，快速性好，能将很小的电信号(例如10毫安)转换成很大的液压功率(如几十匹马力以上)，可以驱动多种类型的负载。

步骤S140、通过液压缸的伸缩驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接。

在步骤S140中，在对上平台的运动进行控制之前需要预先构建机械结构模型，通过将各个液压缸的缸体构件通过转动副构件与机械结构模型中对应的移动副进行连接，并且将所述对应的移动副与活塞缸构件进行连接，上平面与通过转动副和虎克铰构件进行连接，从而根据各个液压缸的伸长量，通过控制PID控制器，来控制伺服阀阀芯的位移来控制液压缸的伸缩，以实现通过对液压缸的伸缩运动来驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接。

在一个实施例中，所述利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸活塞杆的伸长量，包括：根据所述姿态信息得到旋转矩阵，所述旋转矩阵用于将上平台坐标系转换到下平台坐标系；根据所述旋转矩阵计算所述上平台的6个铰接点在下平台坐标系中的坐标向量；

其中，p

基于上平台的6个铰接点在下平台坐标系中的坐标向量，和下平台的6个铰接点在下平台坐标系中的坐标向量，计算液压缸的实际长度；根据所述液压缸的实际长度和原始长度，计算液压缸活塞杆的伸长量。

在该步骤中，会根据期望的上平面运动位置和姿态信息，利用空间向量法对各个液压缸活塞杆的伸长量进行计算。在计算之前需要预先为六自由度仿真平台的上平台和下平台分别设置各自独立的坐标系，具体如图3所示，上平台坐标系为p-frame，下平台坐标系为b-frame，p

首先，通过如下公式计算上平面6个铰接点在下平面坐标系下的坐标向量q

其中T表示p-frame坐标系原点在b-frame坐标系中的位置，

其次，在已知b

本发明提供的六自由度运动仿真平台的运动控制方法，通过获取上平台的运动位置和姿态信息，所述运动位置包括X,Y，Z三个方向的位移量，所述姿态信息包括绕X,Y,Z三轴的旋转角；利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸活塞杆的伸长量；基于计算的各个液压缸活塞杆的伸长量，通过PID控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸活塞杆按照所述伸长量进行伸缩；通过液压缸活塞杆的伸缩驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接，本发明能够在同一个软件对六自由度运动仿真平台进行多领域统一建模和集成，相比多领域软件联合仿真建模，明显提高了仿真效率和求解精度。

在一个实施例中，所述机械结构模型如图4所示，包括下平台构件(1)，姿态转换模块(2)，转动副(3)，虎克铰构件(4)，液压缸体构件(5)，移动副(6)，活塞杆(7)构件，上平台构件(8)，其中，下平台构件和虎克铰构件、液压缸体构件和虎克铰构件、活塞杆构件和虎克铰构件以及上平台构件和虎克铰构件之间均由转动副进行连接，转动副起连接作用；液压缸体和活塞杆之间由移动副和转动副进行连接，移动副起驱动作用，不同的构件之间相对位置通过姿态转换模块进行确定。

实施例2：

本发明的实施例还提供一种六自由度运动仿真平台系统，如图5所示，包括：

参考信号获取模块，用于给定期望的上平台的运动位置和姿态信息，所述运动位置包括X,Y，Z三个方向的位移量，所述姿态信息包括绕X,Y,Z三轴的旋转角。

逆运动学计算模块，用于利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸的伸长量；

液压伺服系统模块，用于基于计算的各个液压缸活塞杆的伸长量，通过P I D控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸活塞杆按照所述伸长量进行伸缩；

机械系统模块，用于通过活塞杆液压缸的伸缩驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接。

本发明提供的六自由度运动仿真平台系统，通过获取上平台的运动位置和姿态信息，所述运动位置包括X,Y，Z三个方向的位移量，所述姿态信息包括绕X,Y,Z三轴的旋转角；利用空间向量法，根据所述运动位置和姿态信息计算得到各个液压缸活塞杆的伸长量；基于各个液压缸活塞杆的伸长量，通过P I D控制伺服阀阀芯的运动，使得各个液压缸活塞杆按照所述伸长量进行伸缩；通过液压缸活塞杆的伸缩驱动对应移动副的运动，从而驱动上平台的运动，其中各个液压缸与机械结构模型中对应的移动副连接，本发明能够在同一个软件对六自由度运动仿真平台进行多领域统一建模和集成，相比多领域软件联合仿真建模，明显提高了仿真效率和求解精度。

实施例3，本发明的实施例还提供一种液压驱动型六自由度运动仿真平台模型，如图6所示，包括参考信号模块(1)、逆运动学控制模块(2)、液压伺服模块(3)、机械结构模块(4)：

步骤一：搭建六自由度运动仿真平台机械系统模型：

六自由度运动仿真平台机械系统仿真模型，在SolidWorks软件中搭建三维模型，通过插件Kinetrans将三维模型导出成.mo文件，在多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer中打开，完成六自由度运动仿真平台机械结构仿真模型的搭建，其中下平台构件、虎克铰构件、液压缸体构件、活塞杆构件和上平台构件都由Modelica中的BodyShape模块表示。下平台构件和虎克铰构件、液压缸体构件和虎克铰构件、活塞杆构件和虎克铰构件以及上平台构件和虎克铰构件之间均由转动副进行连接，转动副起连接作用；液压缸体和活塞杆之间由移动副和转动副进行连接，移动副主要起驱动作用。不同的构件之间相对位置通过姿态转换模块进行确定。

步骤二：搭建六自由度运动仿真平台液压伺服系统模型：

利用多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer，基于Modelica语言规范，根据上平台液压系统原理图搭建运动仿真平台液压系统仿真模型，并结合PID控制器，完成六自由度运动仿真平台液压伺服系统仿真模型的搭建。

步骤三：搭建六自由度运动仿真平台逆运动学计算模型：

逆运动学是利用空间向量法根据期望的上平台位置和姿态，求解各个液压缸活塞杆的伸长量，从而实现期望的运上平台位置和姿态，是六自由度运动仿真平台进行后续运动控制的基础。

步骤四：六自由度运动仿真平台系统模型集成：

将参考信号模块、步骤三搭建的逆运动学计算模型、步骤二搭建的液压伺服系统模型和步骤一搭建的机械系统模型进行连接集成，得到六自由度运动仿真平台系统模型。

在参考信号模块中设置上平台的运动位置和姿态，包括X,Y,Z三个方向的位移和绕X,Y,Z三轴的旋转角，将位姿信息传递到逆运动学系统中通过计算得到6个液压缸活塞杆的伸长量，并输出到液压伺服系统中作为控制系统的输入信号；在液压伺服系统中通过PID控制，控制伺服阀阀芯的运动，使得液压缸活塞杆能按照输入进行伸缩；最后将6个液压缸活塞杆与机械系统中的移动副进行连接，通过液压缸活塞杆的运动驱动移动副运动，进而驱动上平台的运动。

技术效果：

(1)通过所述六自由度运动仿真平台系统模型，可以分析六自由度运动仿真平台运动过程中的运动学和动力学特性，也可以作为其他系统的运上平台。所述六自由度运动仿真平台系统模型及其构建方法，对并联机构的系统建模方法具有参考意义。

(2)该建模方法是基于Modelica语言进行建模的。Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言,针对涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建具有天然的优势。

(3)集成了液压系统，机械系统和控制系统，在同一软件中实现多领域统一建模，相比多领域软件联合仿真建模，仿真求解精度和效率更高。

(4)仿真结果可以进行可视化分析，结合三维动画和曲线进行运动分析，提高模型的调试效率和建模准确性。

其中，可读存储介质可以是计算机存储介质，也可以是通信介质。通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。计算机存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。例如，可读存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该可读存储介质读取信息，且可向该可读存储介质写入信息。当然，可读存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和可读存储介质可以位于专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)中。另外，该ASIC可以位于用户设备中。当然，处理器和可读存储介质也可以作为分立组件存在于通信设备中。可读存储介质可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

本发明还提供一种程序产品，该程序产品包括执行指令，该执行指令存储在可读存储介质中。设备的至少一个处理器可以从可读存储介质读取该执行指令，至少一个处理器执行该执行指令使得设备实施上述的各种实施方式提供的方法。

在上述终端或者服务器的实施例中，应理解，处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，DSP)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。