CN105116925A - 一种Stewart平台并联机构的限位测控装置及其测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Stewart平台并联机构的限位测控装置及其测控方法。其装置包括基座，在基座上安装有虎克铰；在基座上固定设置有第一姿态传感器，在虎克铰的内环上固定设置有第二姿态传感器，在运动平台上固定设置有第三姿态传感器；在虎克铰的内环上还固定设置有绝对值式拉线编码器，绝对值式拉线编码器的拉绳直线连接运动平台的中心线上一点和虎克铰的外环轴的轴线与内环轴的轴线的交点；还设置有数据处理模块。本发明提供了一种简单可靠的Stewart平台并联机构的限位测控装置及其测控方法。

Description

一种Stewart平台并联机构的限位测控装置及其测控方法

技术领域

本发明涉及一种Stewart平台并联机构，尤其是一种Stewart平台并联机构的限位测控装置及其方法。

背景技术

Stewart平台并联机构是典型的六杆并联机构，目前已经在航空、航天、海底作业、地下开采、制造装备等行业有着广泛的应用。其包括固定平台和运动平台，固定平台和运动平台之间通过六个电动缸连接；通过对六个电动缸的分别驱动，可以使运动平台在一定范围内实现六个自由度的联合运动。

如上所述，运动平台只能在一定范围内运动，否则就会导致机构的损坏，而其驱动控制比较复杂，所以需要一种简单可靠的限位测控装置及其测控方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种简单可靠的Stewart平台并联机构的限位测控装置及其测控方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种Stewart平台并联机构的限位测控装置，包括固定设置在固定平台的台面上的基座，在基座上安装有虎克铰；虎克铰包括对称构造的外环和对称构造的内环，外环通过设置在外环对称轴上的外环轴连接在基座上，外环能够绕外环轴相对于基座自由转动，内环通过设置在内环对称轴上的内环轴对称连接在外环上，内环能够绕内环轴相对于外环自由转动，外环轴与内环轴相垂直，而且外环轴平行于固定平台的台面，外环轴的轴线与内环轴的轴线的交点处在固定平台的中心线上；在基座上固定设置有与固定平台的台面相平行的第一姿态传感器，在虎克铰的内环上固定设置有与外环轴的轴线与内环轴的轴线所决定的平面相平行的第二姿态传感器，在运动平台上固定设置有与运动平台的台面相平行的第三姿态传感器；在虎克铰的内环上还固定设置有绝对值式拉线编码器，绝对值式拉线编码器的拉绳直线连接运动平台的中心线上一点和虎克铰的外环轴的轴线与内环轴的轴线的交点；还设置有通过RS485总线与第一姿态传感器、第二姿态传感器、第三姿态传感器和绝对值式拉线编码器相连的数据处理模块，数据处理模块又通过TCP/IP总线连接Stewart平台并联机构的控制器。

在运动平台上相对于固定平台的一面固定设置有第二基座，在第二基座上安装有球关节轴承的外圈，球关节轴承的中心线与运动平台的中心线重合；第三姿态传感器通过固定连接在第二基座上与运动平台固定连接，绝对值式拉线编码器的拉绳固定连接在球关节轴承的内圈上，并且其拉绳直线通过球关节轴承的内圈中心点。

数据处理模块固定设置在基座上。

上述的Stewart平台并联机构的限位测控装置的测控方法，包括下列步骤：

a、利用第一姿态传感器测量固定平台相对于大地坐标系的姿态

信号；

b、利用第二姿态传感器测量绝对值式拉线编码器相对于大地坐标系的姿态信号；

c、利用第三姿态传感器测量运动平台相对于大地坐标系的姿态信号；

d、利用绝对值式拉线编码器测量运动平台相对于固定平台的距离信号；

e、数据处理模块通过RS485总线对第一姿态传感器、第二姿态传感器、第三姿态传感器和绝对值式拉线编码器进行检测，并进行数据处理，得到运动平台相对于固定平台的姿态信号和位置信号；

f、数据处理模块把步骤e所得到的信号跟其设定数值进行比较，当步骤e所得到的信号达到其设定数值时，通过TCP/IP协议对Stewart平台并联机构的控制器发送警告控制信号，Stewart平台并联机构的控制器根据警告控制信号做出相应决策。

本发明所取得的有益效果：

通过三个姿态传感器和绝对值式拉线编码器的相互配合，检测出相应的数值，在数据处理模块中进行计算，可以得到运动平台相对于固定平台的位置和姿态，从而可以根据与设定值的比较对Stewart平台并联机构的控制器发出警告控制信号，防止运动平台的运动超出其运动范围。本发明结构紧凑，提供了一种简单可靠的Stewart平台并联机构的限位测控装置及其测控方法。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明的装置的构造示意图；

图2是图1中基座组件的构造示意图；

图3是图1中第二基座组件的构造示意图；

图4是本发明的装置安装在Stewart平台并联机构上的构造示意图；

图5是本发明的装置的测控构造示意图。

图中：1.基座，2.第一姿态传感器，3.数据处理模块，4.绝对值式拉线编码器，5.第二姿态传感器，6.第二基座，7.第三姿态传感器，8.外环，9.内环，10.球关节轴承，11.固定平台，12.基座组件，13.运动平台。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种Stewart平台并联机构的限位测控装置，包括固定设置在固定平台11的台面上的基座1，在基座1上安装有虎克铰；虎克铰包括对称构造的外环8和对称构造的内环9，外环8通过设置在外环8对称轴上的外环轴连接在基座1上，外环8能够绕外环轴相对于基座1自由转动，内环9通过设置在内环9对称轴上的内环轴对称连接在外环8上，内环9能够绕内环轴相对于外环8自由转动，外环轴与内环轴相垂直，而且外环轴平行于固定平台11的台面，外环轴的轴线与内环轴的轴线的交点处在固定平台11的中心线上；在基座1上固定设置有与固定平台11的台面相平行的第一姿态传感器2，在虎克铰的内环9上固定设置有与外环轴的轴线与内环轴的轴线所决定的平面相平行的第二姿态传感器5，在运动平台13上固定设置有与运动平台13的台面相平行的第三姿态传感器7；在虎克铰的内环9上还固定设置有绝对值式拉线编码器4，绝对值式拉线编码器4的拉绳直线连接运动平台13的中心线上一点和虎克铰的外环轴的轴线与内环轴的轴线的交点；还设置有通过RS485总线与第一姿态传感器2、第二姿态传感器5、第三姿态传感器7和绝对值式拉线编码器4相连的数据处理模块3，数据处理模块3又通过TCP/IP总线连接Stewart平台并联机构的控制器。

在运动平台13上相对于固定平台11的一面固定设置有第二基座6，在第二基座6上安装有球关节轴承10的外圈，球关节轴承10的中心线与运动平台13的中心线重合；第三姿态传感器7通过固定连接在第二基座6上与运动平台13固定连接，绝对值式拉线编码器4的拉绳固定连接在球关节轴承10的内圈上，并且其拉绳直线通过球关节轴承10的内圈中心点。

数据处理模块3固定设置在基座1上。

上述的Stewart平台并联机构的限位测控装置的测控方法，包括下列步骤：

a、利用第一姿态传感器2测量固定平台11相对于大地坐标系的姿态信号；

b、利用第二姿态传感器5测量绝对值式拉线编码器4相对于大地坐标系的姿态信号；

c、利用第三姿态传感器7测量运动平台13相对于大地坐标系的姿态信号；

d、利用绝对值式拉线编码器4测量运动平台13相对于固定平台11的距离信号；

e、数据处理模块通过RS485总线对第一姿态传感器2、第二姿态传感器5、第三姿态传感器7和绝对值式拉线编码器4进行检测，并进行数据处理，得到运动平台13相对于固定平台11的姿态信号和位置信号；

f、数据处理模块把步骤e所得到的信号跟其设定数值进行比较，当步骤e所得到的信号达到其设定数值时，通过TCP/IP协议对Stewart平台并联机构的控制器发送警告控制信号，Stewart平台并联机构的控制器根据警告控制信号做出相应决策。

其具体计算过程如下：

1、绝对值式拉线编码器相对固定平台的姿态计算

第一姿态传感器2、第二姿态传感器5分别检测到固定平台11和绝对值式拉线编码器4相对大地坐标系的姿态角分别为(α₁β₁γ₁)、(α₂β₂γ₂)，对应旋转变换矩阵分别为则可求得绝对值式拉线编码器4相对于固定平台11的旋转变换矩阵为

$R_{O_2}^{O_1}={R_{O_1}^{O_0}}^{-1}\·R_{O_2}^{O_0}---\left(1\right)$

式中，

$R_{O_1}^{O_0}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\α}}_1{\mathrm{c\β}}_1& {\mathrm{c\α}}_1{\mathrm{s\β}}_1{\mathrm{s\γ}}_1-{\mathrm{s\α}}_1{\mathrm{c\γ}}_1& {\mathrm{c\α}}_1{\mathrm{s\β}}_1{\mathrm{c\γ}}_1-{\mathrm{s\α}}_1{\mathrm{s\γ}}_1\\ {\mathrm{s\α}}_1{\mathrm{c\β}}_1& {\mathrm{s\α}}_1{\mathrm{s\β}}_1{\mathrm{s\γ}}_1-{\mathrm{c\α}}_1{\mathrm{c\γ}}_1& {\mathrm{s\α}}_1{\mathrm{s\β}}_1{\mathrm{c\γ}}_1-{\mathrm{c\α}}_1{\mathrm{s\γ}}_1\\ -{\mathrm{s\β}}_1& {\mathrm{c\β}}_1{\mathrm{s\γ}}_1& {\mathrm{c\β}}_1{\mathrm{c\γ}}_1\end{array}\right]$

$R_{O_2}^{O_0}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\α}}_2{\mathrm{c\β}}_2& {\mathrm{c\α}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{s\γ}}_2-{\mathrm{s\α}}_2{\mathrm{c\γ}}_2& {\mathrm{c\α}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{c\γ}}_2-{\mathrm{s\α}}_2{\mathrm{s\γ}}_2\\ {\mathrm{s\α}}_2{\mathrm{c\β}}_2& {\mathrm{s\α}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{s\γ}}_2-{\mathrm{c\α}}_2{\mathrm{c\γ}}_2& {\mathrm{s\α}}_2{\mathrm{s\β}}_2{\mathrm{c\γ}}_2-{\mathrm{c\α}}_2{\mathrm{s\γ}}_2\\ -{\mathrm{s\β}}_2& {\mathrm{c\β}}_2{\mathrm{s\γ}}_2& {\mathrm{c\β}}_2{\mathrm{c\γ}}_2\end{array}\right]$

设绝对值式拉线编码器4相对于固定平台11的姿态角为(α₂₁β₂₁γ₂₁)，则旋转变换矩阵可表示为

$R_{O_2}^{O_1}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\α}}_{21}{\mathrm{c\β}}_{21}& {\mathrm{c\α}}_{21}{\mathrm{s\β}}_{21}{\mathrm{s\γ}}_{21}-{\mathrm{s\α}}_{21}{\mathrm{c\γ}}_{21}& {\mathrm{c\α}}_{21}{\mathrm{s\β}}_{21}{\mathrm{c\γ}}_{21}-{\mathrm{s\α}}_{21}{\mathrm{s\γ}}_{21}\\ {\mathrm{s\α}}_{21}{\mathrm{c\β}}_{21}& {\mathrm{s\α}}_{21}{\mathrm{s\β}}_{21}{\mathrm{s\γ}}_{21}-{\mathrm{c\α}}_{21}{\mathrm{c\γ}}_{21}& {\mathrm{s\α}}_{21}{\mathrm{s\β}}_{21}{\mathrm{c\γ}}_{21}-{\mathrm{c\α}}_{21}{\mathrm{s\γ}}_{21}\\ -{\mathrm{s\β}}_{21}& {\mathrm{c\β}}_{21}{\mathrm{s\γ}}_{21}& {\mathrm{c\β}}_{21}{\mathrm{c\γ}}_{21}\end{array}\right]---\left(2\right)$

令

${R_{O_1}^{O_0}}^{-1}\·R_{O_2}^{O_0}=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]---\left(3\right)$

由式(2)和(3)可得

${\mathrm{cos\β}}_{21}=\±\sqrt{r_{11}^2{+}_{21}^2}---\left(4\right)$

根据设计指标-90°<β₂₃<90°，取式(4)中的

${\mathrm{cos\&beta;}}_{21}=\sqrt{r_{11}^2{+}_{21}^2}$

进而可以求得绝对值式编码器4相对于固定平台11的姿态角可分别表示为

α₂₁＝atan2(r₂₁,r₁₁)(5)

${\mathrm{\&beta;}}_{21}=atan2(-r_{31},\sqrt{r_{11}^2+r_{21}^2})---\left(6\right)$

γ₂₁＝atan2(r₃₂,r₃₃)(7)

2、运动平台相对固定平台的姿态计算

第一姿态传感器2、第三姿态传感器7分别检测到固定平台11和运动平台13相对大地坐标系的姿态角分别为(α₁β₁γ₁)、(α₃β₃γ₃)，对应旋转变换矩阵分别为则可求得运动平台13相对与固定平台11的旋转变换矩阵为

$R_{O_3}^{O_1}={R_{O_1}^{O_0}}^{-1}\&CenterDot;R_{O_3}^{O_0}---\left(8\right)$

式中

$R_{O_3}^{O_0}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\&alpha;}}_3{\mathrm{c\&beta;}}_3& {\mathrm{c\&alpha;}}_3{\mathrm{s\&beta;}}_3{\mathrm{s\&gamma;}}_3-{\mathrm{s\&alpha;}}_3{\mathrm{c\&gamma;}}_3& {\mathrm{c\&alpha;}}_3{\mathrm{s\&beta;}}_3{\mathrm{c\&gamma;}}_3-{\mathrm{s\&alpha;}}_3{\mathrm{s\&gamma;}}_3\\ {\mathrm{s\&alpha;}}_3{\mathrm{c\&beta;}}_3& {\mathrm{s\&alpha;}}_3{\mathrm{s\&beta;}}_3{\mathrm{s\&gamma;}}_3-{\mathrm{c\&alpha;}}_3{\mathrm{c\&gamma;}}_3& {\mathrm{s\&alpha;}}_3{\mathrm{s\&beta;}}_3{\mathrm{c\&gamma;}}_3-{\mathrm{c\&alpha;}}_3{\mathrm{s\&gamma;}}_3\\ -{\mathrm{s\&beta;}}_3& {\mathrm{c\&beta;}}_3{\mathrm{s\&gamma;}}_3& {\mathrm{c\&beta;}}_3{\mathrm{c\&gamma;}}_3\end{array}\right]$

设运动平台13相对固定平台11的姿态角为(α₃₁β₃₁γ₃₁)，对应旋转变换矩阵为

$R_{O_3}^{O_1}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\&alpha;}}_{31}{\mathrm{c\&beta;}}_{31}& {\mathrm{c\&alpha;}}_{31}{\mathrm{s\&beta;}}_{31}{\mathrm{s\&gamma;}}_{31}-{\mathrm{s\&alpha;}}_{31}{\mathrm{c\&gamma;}}_{31}& {\mathrm{c\&alpha;}}_{31}{\mathrm{s\&beta;}}_{31}{\mathrm{c\&gamma;}}_{31}-{\mathrm{s\&alpha;}}_{31}{\mathrm{s\&gamma;}}_{31}\\ {\mathrm{s\&alpha;}}_{31}{\mathrm{c\&beta;}}_{31}& {\mathrm{s\&alpha;}}_{31}{\mathrm{s\&beta;}}_{31}{\mathrm{s\&gamma;}}_{31}-{\mathrm{c\&alpha;}}_{31}{\mathrm{c\&gamma;}}_{31}& {\mathrm{s\&alpha;}}_{31}{\mathrm{s\&beta;}}_{31}{\mathrm{c\&gamma;}}_{31}-{\mathrm{c\&alpha;}}_{31}{\mathrm{s\&gamma;}}_{31}\\ -{\mathrm{s\&beta;}}_{31}& {\mathrm{c\&beta;}}_{31}{\mathrm{s\&gamma;}}_{31}& {\mathrm{c\&beta;}}_{31}{\mathrm{c\&gamma;}}_{31}\end{array}\right]---\left(9\right)$

令

${R_{O_1}^{O_0}}^{-1}\&CenterDot;R_{O_3}^{O_0}=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]---\left(10\right)$

由式(9)和(10)可得

${\mathrm{cos\&beta;}}_{31}=\&PlusMinus;\sqrt{r_{11}^2{+}_{21}^2}---\left(11\right)$

根据设计指标-90°<β₂₃<90°，取式(11)中的

${\mathrm{cos\&beta;}}_{31}=\sqrt{r_{11}^2{+}_{21}^2}---\left(12\right)$

进而可以求得运动平台13相对于固定平台11的姿态角可分别表示为

α₃₁＝atan2(r₂₁,r₁₁)(13)

${\mathrm{\&beta;}}_{31}=atan2(-r_{31},\sqrt{r_{11}^2+r_{21}^2})---\left(14\right)$

γ₃₁＝atan2(r₃₂,r₃₃)(15)

3、运动平台相对固定平台的位置矢量计算

绝对值式拉线编码器4检测到运动平台13与固定平台11的直线距离为L，根据过程中1计算获得的第二姿态传感器5相对于固定平台11的旋转变换矩阵为则运动平台13相对固定平台11的位置矢量可表示为

$P=R_{O_2}^{O_1}L---\left(16\right)$

通过以上三个过程的计算分析，获得了运动平台相对于固定平台的位置矢量和姿态，为实现对其运动范围的限制，可通过图5所示TCP/IP协议对其限制范围进行设置，在使用过程中当该装置检测到运动平台到达其极限位置或姿态时，将通过TCP/IP协议向Stewart平台并联机构的控制器发送警告控制信号，并联机构可根据警告控制信号做出相应决策。

Claims (4)

1.一种Stewart平台并联机构的限位测控装置，其特征在于：包括固定设置在固定平台(11)的台面上的基座(1)，在基座(1)上安装有虎克铰；虎克铰包括对称构造的外环(8)和对称构造的内环(9)，外环(8)通过设置在外环(8)对称轴上的外环轴连接在基座(1)上，外环(8)能够绕外环轴相对于基座(1)自由转动，内环(9)通过设置在内环(9)对称轴上的内环轴对称连接在外环(8)上，内环(9)能够绕内环轴相对于外环(8)自由转动，外环轴与内环轴相垂直，而且外环轴平行于固定平台(11)的台面，外环轴的轴线与内环轴的轴线的交点处在固定平台(11)的中心线上；在基座(1)上固定设置有与固定平台(11)的台面相平行的第一姿态传感器(2)，在虎克铰的内环(9)上固定设置有与外环轴的轴线与内环轴的轴线所决定的平面相平行的第二姿态传感器(5)，在运动平台(13)上固定设置有与运动平台(13)的台面相平行的第三姿态传感器(7)；在虎克铰的内环(9)上还固定设置有绝对值式拉线编码器(4)，绝对值式拉线编码器(4)的拉绳直线连接运动平台(13)的中心线上一点和虎克铰的外环轴的轴线与内环轴的轴线的交点；还设置有通过RS485总线与第一姿态传感器(2)、第二姿态传感器(5)、第三姿态传感器(7)和绝对值式拉线编码器(4)相连的数据处理模块(3)，数据处理模块(3)又通过TCP/IP总线连接Stewart平台并联机构的控制器。

2.根据权利要求1所述的Stewart平台并联机构的限位测控装置，其特征在于：在运动平台(13)上相对于固定平台(11)的一面固定设置有第二基座(6)，在第二基座(6)上安装有球关节轴承(10)的外圈，球关节轴承(10)的中心线与运动平台(13)的中心线重合；第三姿态传感器(7)通过固定连接在第二基座(6)上与运动平台(13)固定连接，绝对值式拉线编码器(4)的拉绳固定连接在球关节轴承(10)的内圈上，并且其拉绳直线通过球关节轴承(10)的内圈中心点。

3.根据权利要求1所述的Stewart平台并联机构的限位测控装置，其特征在于：数据处理模块(3)固定设置在基座(1)上。

4.根据权利要求1所述的Stewart平台并联机构的限位测控装置的测控方法，其特征在于：包括下列步骤：

a、利用第一姿态传感器(2)测量固定平台(11)相对于大地坐标系的姿态信号；

b、利用第二姿态传感器(5)测量绝对值式拉线编码器(4)相对于大地坐标系的姿态信号；

c、利用第三姿态传感器(7)测量运动平台(13)相对于大地坐标系的姿态信号；

d、利用绝对值式拉线编码器(4)测量运动平台(13)相对于固定平台(11)的距离信号；

e、数据处理模块通过RS485总线对第一姿态传感器(2)、第二姿态传感器(5)、第三姿态传感器(7)和绝对值式拉线编码器(4)进行检测，并进行数据处理，得到运动平台(13)相对于固定平台(11)的姿态信号和位置信号；

f、数据处理模块把步骤e所得到的信号跟其设定数值进行比较，当步骤e所得到的信号达到其设定数值时，通过TCP/IP协议对Stewart平台并联机构的控制器发送警告控制信号，Stewart平台并联机构的控制器根据警告控制信号做出相应决策。