跨尺度六自由度自动对接系统的制作方法

本发明涉及一种自动对接系统，属于空间六自由度对接领域，特别涉及一种跨尺度六自由度自动对接系统，其中该跨尺度六自由度自动对接系统能够远距离运输、高精度定位、并以极高精度调整位姿并最终完成对接。

背景技术：

空间六自由度对接问题由来已久，早在19世纪，英国科学家clerk·j·maxwell和a·mannheim就展开了对空间机构的理论研究；1931年，美国人gwinnett最早提出了一种基于并联机构的球面娱乐装置，并申请到了发明专利；1938年，pollard提出了一种在工业上用于汽车喷漆的并联机构，它是全球最早的三支链并联机器人。空间六自由度运动平台中最具典型的代表就是stewart平台，它最早期的结构是由德国的d·stewart提出的。随着工业技术的发展，计算机技术越来越多的应用到了空间六自由度机器人领域上，空间六自由度机器人得到了极大地发展。但是，普遍的空间六自由度对接机器人使用空间较小，并不能满足跨尺度对接这一要求。在很多情况下，对接机器人的初始位置与工作位置距离很远，这就要求对接机器人能够自己从初始位置运动到对接工作位置，并以极高的精度将对接模块进行位置与姿态的调整，并最终实现对接。

目前，在工业、军事以及航空航天等其他工程应用中，国内外的空间六自由度对接机器人并不能同时满足跨尺度运输与自动对接两个要求，这就急需一种既满足跨尺度运输，又能高精度对接的六自由度系统。因此，本发明提供一种跨尺度六自由度自动对接系统，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种跨尺度六自由度自动对接系统，该跨尺度六自由度自动对接系统能够远距离运输、高精度定位、并以极高精度调整位姿并最终完成对接。

为了达到上述目的，本发明提供一种跨尺度六自由度自动对接系统，其中该跨尺度六自由度自动对接系统包括一个自行走机构、一个水平调整机构、一个平面调整机构以及一个底板，其中该水平调整机构设置于该自行走机构，该平面调整机构设置于该水平调整机构，该底板设置于该平面调整机构，其中该自行走机构带动该水平调整机构和该平面调整机构移动，该水平调整机构调整绕x转动、绕y转动和z向大行程移动，该平面调整机构调整x向移动、y向移动和绕z转动，并且该底板和一个对接模块固定连接，以藉由该自行走机构、该水平调整机构和该水平调整机构调整该对接模块的位姿。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，该自行走机构包括一个车架、两个行走驱动单元、四个万向轮、两个电池组，各个该行走驱动单元、各个该万向轮和各个该电池组分别设置于该车架的底部，各个该万向轮分别设置于该车架的四个转角处，各个该行走驱动单元分别电性地连接于各个该电池组，该水平调整机构设置于该车架。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，该自行走机构包括一个激光导航仪，该激光导航仪设置于该车架。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，各个该行走驱动单元分别具有一个带抱闸的伺服电机。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，该水平调整机构四个运动支链、一个约束支链以及一个动平台，各个该运动支链的下端部可调节地设置于该自行走机构，各个该运动支链的上端部可活动地设置于该动平台的四个转角，该约束支链的下端部可调节地设置于该自行走机构，该约束支链的上端部可活动地设置于该动平台的中部。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，在四个该运动支链中有三个为驱动支链、一个为随动支链。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，各个该运动支链分别包括一个运动丝杠、一个导轨滑块、一个安装板以及一个运动连杆，该运动丝杠设置于该自行走机构，该导轨滑块可活动地设置于该运动丝杠，该安装板设置于该导轨滑块，该运动连杆的下端部通过球铰连接于该安装板，该运动连杆的上端部通过球铰连接于该动平台，该约束支链的上端部通过胡克铰连接于该动平台的中部。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，该运动支链为pss运动支链，该约束支链为pu约束支链。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，该平面调整机构分别设置于该动平台，并且该平面调整机构分别包括一个电机、一个减速机、一个联轴器、一个平面丝杠、一个螺母、一个连接件、一个十字滑块、一个十字滑轨以及一个轴承，该减速机连接于该电机和该联轴器，该平面丝杠连接于该联轴器，该螺母被可驱动地设置于该平面丝杠，该连接件连接于该螺母和该十字滑块，以使该十字滑块沿着该十字滑轨形成的轨道运动，该轴承设置于该十字滑块的上部，并且该轴承连接于该底板。

作为对本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的进一步优选的实施例，该平面调整机构的数量有三个，并且三个该平面调整机构分别设置于该动平台的三个侧边。

本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的优势在于：

本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统包括一个自行走机构、一个水平调整机构、一个平面调整机构以及一个底板，其中该水平调整机构设置于该自行走机构，该平面调整机构设置于该水平调整机构，该底板设置于该平面调整机构，其中该自行走机构带动该水平调整机构和该平面调整机构移动，该水平调整机构调整x向转动、y向转动和z向大行程移动，该平面调整机构调整x向移动、y向移动和z向转动，并且该底板和一个对接模块固定连接，以藉由该自行走机构、该水平调整机构和该水平调整机构调整该对接模块的位姿，以实现空间中两个对接模块远距离运输和精确的六自由度位姿调整以及对接。

该跨尺度六自由度自动对接系统的有益效果是：

本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统能够实现长距离移动和该精度对接，从而实现了真正意义上的跨尺度操作。

本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统的自行走机构实现跨尺度对接，其中该自行走机构的承载能力大、运动灵活、操控简单，可以实现直行、侧行、原地转弯和大半径转弯，并且定位准确可靠。

本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统通过两种并联机构串联成混联六自由度对接系统，以使该跨尺度六自由度自动对接系统的刚性和承载能力得到了大幅度的提升，并且该跨尺度六自由度自动对接系统的运动解耦性好、易于实现精确控制。

本发明的该跨尺度六自由度自动对接系统使对接过程不再出现刚性接触，而以柔性相接处，从而使接触力远小于刚性碰撞，实现柔性对接。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是该跨尺度六自由度自动对接系统的立体结构示意图。

图2是该跨尺度六自由度自动对接系统的自行走机构的立体示意图。

图3是该跨尺度六自由度自动对接系统的水平调整机构的示意图。

图4是该跨尺度六自由度自动对接系统的动平台的俯视示意图。

图5是该跨尺度六自由度自动对接系统的水平调整机构的调整过程示意图。

图6是该跨尺度六自由度自动对接系统的水平调整机构的坐标关系示意图。

图7是该跨尺度六自由度自动对接系统的平面调整机构的示意图。

图8是该跨尺度六自由度自动对接系统的平面调整机构的模型示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图8所示，依本发明的发明精神提供一种跨尺度六自由度自动对接系统，其包括一个自行走机构1、一个水平调整机构2、一个平面调整机构3以及一个底板4，其中该水平调整机构2设置于该自行走机构1，该平面调整机构3设置于该水平调整机构2，该底板4设置于该平面调整机构3，其中该自行走机构1带动该水平调整机构2和该平面调整机构3移动，该水平调整机构2调整x向转动、y向转动和z向大行程移动，该平面调整机构3调整x向移动、y向移动和z向转动，并且该底板4和一个对接模块5固定连接，以藉由该自行走机构1、该水平调整机构2和该水平调整机构3调整该对接模块5的位姿。

如图2，该自行走机构1包括一个车架101、两个行走驱动单元102、四个万向轮103、两个电池组104，各个该行走驱动单元102、各个该万向轮103和各个该电池组104分别设置于该车架101的底部，各个该万向轮103分别设置于该车架101的四个转角处，各个该行走驱动单元102分别电性地连接于各个该电池组104，该水平调整机构2设置于该车架。各个该万向轮103设置于该车架101的四个转角处，便于分布均匀承载，各个该电池组104能够提供直流电源，以使各个该行走驱动单元102工作，而驱动该自行走机构1行走。该电池组1-4的供电电压可以是48v、110ah。该自行走机构1采用四个该万向轮103和两个该行走驱动单元102的结构形成，可以实现直行、侧行、原地转弯和大半径转弯。有限地，各个该行走驱动单元102分别具有一个带抱闸的伺服电机驱动，使得定位比较准确且可靠。

该自行走机构1包括一个激光探头105，该激光探头105设置于该车架101，该激光探头105可以采集地面路径信息，例如该激光探头105可以不断扫描反射板进行数据处理，其中反射板可以装在墙上的位置。

如图3至图6，该水平调整机构2四个运动支链21、一个约束支链22以及一个动平台208，各个该运动支链21的下端部可调节地设置于该自行走机构1，各个该运动支链21的上端部可活动地设置于该动平台208的四个转角，该约束支链22的下端部可调节地设置于该自行走机构1，该约束支链22的上端部可活动地设置于该动平台208的中部。优选地，在四个该运动支链21中有三个为驱动支链、一个为联动支链。

进一步地，各个该运动支链21分别包括一个运动丝杠201、一个导轨滑块202、一个安装板203以及一个运动连杆205，该运动丝杠201设置于该自行走机构1，该导轨滑块202可活动地设置于该运动丝杠201，该安装板203设置于该导轨滑块202，该运动连杆205的下端部通过球铰连接于该安装板203，该运动连杆205的上端部通过球铰连接于该动平台208，该约束支链22的上端部通过胡克铰连接于该动平台208的中部。优选地，该运动支链21为pss运动支链，该约束支链22为pu约束支链。

如图4至图6，该水平调整机构2的该四点调平采用“追逐式”调平方法，以该水平调整机构2的该运动丝杠201升降为调平的执行部件，以该动平台208高点位为目标，其余各低点位在倾斜信号的控制下向高点位趋近，由于各点位的耦合，高点位发生变化，从而进行再次趋近，直至各点位同时处于水平面时，信号消失，调平过程结束，该动平台208处于水平状态。该动平台208上升时预留合理的初始调平预设高度。由于该运动丝杠201具有自锁功能，该动平台208调整的过程中该动平台208均有很好的稳定性和可靠性。

具体实现：该动平台208经过预支承后，一般是不水平的，这样在有倾角的情况下，该动平台208肯定会有一个最高点。“最高点”调平方法就是在调平时，保持最高点不动，其它支承点向上运动与之对齐，当各点达到最高点位置时平台即处于水平状态。具体实现方法是：根据倾角传感器的信号，确定平台的最高点，并计算各支承点到最高点的位置误差；将这个误差值送给各自的伺服系统，驱动电机转过一定的角度，使支腿上升给定的距离，从而各点处于同一个高度，平台达到水平状态。

1)建立坐标转换关系

建立非水平状态即平台有倾角情况下，各支腿的受力情况的数学模型。并假设支腿只承受垂直方向的力，没有侧向力。此时平台坐标关系如图6所示。平台x轴方向的倾角为α，z轴方向的倾角为β，ox0y0为水平坐标系，oxy为平台坐标系。

令平台坐标为：(i，j，k)，当α≠0、β＝0时，坐标变为：(i′，j′，k′)，则根据坐标变换，可以得到式(1)：

当α不变，β≠0时，坐标变为水平坐标(i0，j0，k0)，则根据坐标变换，可以得到式(2)：

将式(1)带入式(2)，可以得：

从而可以得到各个支撑点水平坐标系的坐标。

(2)、确定最高点

如图6所示，α、β为正。

当α＞0、β＞0时，1点为最高点；

当α＞0、β＜0时，2点为最高点；

当α＜0、β＞0时，4点为最高点；

当α＜0、β＜0时，3点为最高点；

(3)、计算位置误差

设平台各支承点在平台坐标系中的坐标为(xi，y，0)(i＝1，2，3，4)。三式的坐标变换关系矩阵中，由于平台倾角是小量，忽略高阶项，近似得：cosα＝cosβ＝1，306连接于该螺母305和该十字滑块307，以使该十字滑块307沿着该十字滑轨309形成的轨道运动，该轴承308设置于该十字滑块307的上部，并且该轴承308连接于该底板4。优选地，该平面调整机构3的数量有三个，并且三个该平面调整机构3分别设置于该动平台208的三个侧边。

如图所示，在基座和动平台上分别建立固定坐标系{o-xyz}和动坐标系{o′-x′y′z′}，其坐标原点分别位于二者的几何中心。根据并联机器人位置与姿态的描述和空间坐标变换理论，可以得到

pi＝tp′i，i＝1，2，3(11)

式中：pi为连接杆pili与动平台的连接点在固定坐标系{o′-x′y′z′}中的坐标矢量，记为

pi＝[ptxptyptz]^t(12)

pi′为连接杆pili与动平台的连接点在动坐标系{o′-x′y′z′}中的坐标矢量，记为

p′t＝[p′txp′typtz]^t(13)

矩阵t为动坐标系对固定坐标系平移和旋转后的齐次坐标变换矩阵，其值为

式(14)表示在固定坐标系{o-xyz}下，动坐标系{o′-x′y′z′}绕y轴旋转β角，沿x，z轴平移δx，δz所得到的相对于固定坐标系的齐次变换矩阵。

pi′可由结构尺寸直接得p1(-340，-330)、p2(340，-330)、p3(340，330)、p4(-340，330)。sinα＝α，sinβ＝β。则可以简化为式(4)：

则各支承点的水平坐标为式(5)：

对接平台经过预支承以后，初始倾角为α0、β0。根据式(5)，可以得到各支承点在水平坐标系中的初始z0值及式(6)：

通过式(6)可以得到一个最高点，设i＝h为最高点，即⁰z0i≤⁰z0k。得到任意时刻各支承点的位置误差为：

ei＝⁰zh-⁰zi＝-α(xh-xi)-β(yh-yi)(7)

假设α＞0、β＞0，则1点为最高点，3点位最低点，将节各支承点的坐标代入上式得：

e1＝0，e2＝αlα，e3＝αla+βlb，e4＝βlb(8)

总调节距离为：

调平时间由最低点3的位置误差大小决定：

t＝e3/v＝(αla+βlb)/v(10)

其中，t为调平时间(s)，v为丝杠的运动速度(m/s)。

如图7和图8，该平面调整机构3被设置于该动平台208，该平面调整机构分别包括一个电机302、一个减速机301、一个联轴器303、一个平面丝杠304、一个螺母305、一个连接件306、一个十字滑块307、一个十字滑轨309以及一个轴承308，该减速机301连接于该电机302和该联轴器303，该平面丝杠304连接于该联轴器303，该螺母305被可驱动地设置于该平面丝杠304，该连接件

当给出动平台相对于固定坐标系的位置(δx,δy,δz)和姿态(β,0,0)后，pi由式(15)可直接求得：设连接杆pili与十字滑轨的连接点li在固定坐标系中的坐标矢量为

li＝[lixliyliz1](i＝1，2，3)(16)

已知十字滑轨只能沿x,y方向运动，连接杆pili始终垂直于xoy平面，显然有连接杆pili长度l＝|piz-liz|，又根据空间两点距离公式可得：

l²＝(liz-piz)²＝(lix-pix)²+(liy-piy)²+(liz-piz)²(17)

即(lix-pix)²+(liy-piy)²＝0(18)

式(18)要成立，须有：

lix＝pix；liy＝piy

式(19)即为定位平台的位置逆解。当给定动平台的位姿,可由上式求出三个十字滑轨的位置逆解。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属

于本发明的专利涵盖范围之内。