基于Stewart平臺的空間平面靜態(tài)位置檢測方法研究

摘 要：文章提供了一種非接觸式Stewart平臺靜態(tài)空間位置測量與分析方法。通過研究Stewart平臺的常見幾種空間位置姿態(tài)，簡化建立了數(shù)學(xué)模型，利用激光傳感器測量與計算Stewart平臺三個點的空間位置，用平面的點法式方程計算出平面的靜態(tài)空間位置。通過實驗結(jié)果表明，該方法避免了接觸式測量儀對模型作用一定的力而產(chǎn)生的誤差，能夠精確地計算出Stewart平臺的靜態(tài)空間位置。

關(guān)鍵詞：六自由度并聯(lián)平臺；激光傳感器；非接觸式

引言

六自由度并聯(lián)機構(gòu)（Stewart平臺）目前在各類運動仿真系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是一些實驗?zāi)M臺，如空間對接模擬設(shè)備、道路模擬臺等。這類運動平臺在21世紀有著廣闊的發(fā)展前景，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)都投入了大量人力物力來研究，優(yōu)化六自由度并聯(lián)平臺[1]。模擬實驗臺研制涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器、實時信號傳輸、動態(tài)仿真等一系列高科技領(lǐng)域，引起了廣泛的研究興趣，使得其發(fā)展極為迅速。

六自由度并聯(lián)平臺是一種由運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及計算機控制系統(tǒng)組成的大型設(shè)備，現(xiàn)已經(jīng)廣泛運用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域。隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展，六自由度并聯(lián)平臺在空間對接等需要對特定目標跟蹤的方面發(fā)揮了巨大的作用，能夠在降低成本的基礎(chǔ)上檢驗設(shè)計的可行性。研究生產(chǎn)中常見的六自由度并聯(lián)平臺機構(gòu)，如圖1所示，通常由下平臺、六個液壓缸、上平臺及12個球鉸（或萬向鉸）組成[2]。每個液壓缸的運動各由一電液伺服閥控制。驅(qū)動桿沿著桿長方向作線性伸縮往復(fù)移動使平臺實現(xiàn)六個自由度上的運動。

1 激光傳感器

激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點，應(yīng)用于測量和加工等方面，可以實現(xiàn)無觸點遠距離的測量，而且速度高、精度高，測量范圍廣，抗光、電干擾能力強，因此激光得到了廣泛的應(yīng)用。激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光傳感器的工作原理為：根據(jù)測量光速與接收間的時間差，估計與障礙物之間的距離，距離公式為：

激光位移傳感器是一種高精度測量位移的傳感器[4]，具有高精度測量位移的特點，將其用在測量角度上，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的角度測量[5]。文章就是將其應(yīng)用在角度測量中，實現(xiàn)高精度的角度測量。為了提高Stewart平臺位置測量的準確性，提出一種激光傳感器的Stewart平臺位姿測量方法。

2 基于激光傳感器的Stewart平臺靜態(tài)位置檢測

2.1 平臺機構(gòu)

Stewart平臺并聯(lián)機構(gòu)由于具有剛度大、承載能力強、位置誤差不累計等特點，在應(yīng)用上與串聯(lián)機構(gòu)形成互補，已成為空間機構(gòu)學(xué)的研究熱點。目前，Stewart平臺并聯(lián)機構(gòu)已經(jīng)在航空、航天、海底作業(yè)、地下開采、制造裝配等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

2.1.1 平臺機構(gòu)介紹

平臺由上、下兩個平臺、六個驅(qū)動關(guān)節(jié)和連接球鉸組成，上平臺為運動平臺，下平臺為基座，上、下平臺的六個鉸點分別組成一個六邊形，連接六個液壓缸作為驅(qū)動關(guān)節(jié)，每個液壓缸兩端各連接一個球鉸。六個驅(qū)動關(guān)節(jié)的伸縮運動是獨立的，由液壓比例壓力閥控制各液壓缸作伸縮運動，從而改變各個驅(qū)動缸的長度，使動平臺在空間的位置和姿態(tài)發(fā)生變化。

通過基座和上平臺之間的液壓缸協(xié)調(diào)配合運動實現(xiàn)平臺的空間姿態(tài)變換，即橫搖、橫蕩、縱蕩、縱搖、艏搖和垂蕩這六種動作[6]。該平臺是通過六個驅(qū)動桿的協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)三個線性移動及三個轉(zhuǎn)動共六個自由度的運動。

為了求解上平臺以及負載相對于下平臺的運動情況，可通過在上下平臺中心點建立兩個物理坐標系[6-8]。其中在下平臺中心點建立起O-XYZ的慣性參考坐標系，并把該坐標系定義為靜坐標系。本方法就是利用靜坐標系作為基準，計算求解。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.2 六自由度平臺技術(shù)參數(shù)

2.2 空間平面靜態(tài)位置建模

因為過空間一點可以作而且只能作一平面垂直于一已知直線，所以當(dāng)平面？裝上一點M0（x0，y0，z0，）和它的一個法線向量

為已知時，平面？裝的位置就完全確定了。因此，只要求得該平面的法向量和該平面上的一個點，即可求得空間平面的位置。

建立空間坐標系，求空間平面位置。采用六個激光傳感器，測得空間平面上三個點坐標，已知平面上三個點坐標，即可求出該平面的法向量，三個點確定一個平面。如圖2所示，已知激光傳感器1在點A（X1，Y1，0），激光傳感器2在點B（X2，Y2，0），分別投射到平面上位置C點，使得測得AC投影O'A，O'A平行于X軸，BC投影O'B，O'B平行于Y軸。測得AC=l1，∠O'AC=？琢1，BC=l2，∠O'BC=？茁1其數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

2.3 計算過程

2.3.1 利用已知條件，求出C點的坐標

3 結(jié)束語

設(shè)計了一種新的六自由度并聯(lián)平臺靜態(tài)空間位置的求解方法。該方法基于空間平面的點法式求解方法將六自由度并聯(lián)平臺的空間位置和姿態(tài)進行求解，形式簡潔明了。通過實驗結(jié)果表明，該方法在保證精度、降低求解難度和復(fù)雜度方面具有優(yōu)勢，避免了接觸式測量儀對模型作用一定的力而產(chǎn)生的誤差，能夠精確地演算出六自由度并聯(lián)平臺的靜態(tài)空間位置。但是還是存在一些缺陷，不能實時監(jiān)測六自由度并聯(lián)平臺的動態(tài)空間位置，所以還需進一步改進計算設(shè)計方案，以保證實時監(jiān)測其動態(tài)空間位置。

參考文獻

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