专利名称：空间六自由度运动的测量装置及动态测量方法
技术领域：
本发明涉及一种空间六自由度运动的測量装置及动态测量方法，利用6-URS并联机构及旋转编码器动态测量运动物体空间六自由度运动。空间六自由度运动包括三自由度运动位移X(t)、y(t)、z(t)及三自由度转动角度Θ x(t)、θ y(t)、Θ z(t),运动位移及转动角度微分后可转换成运动速度、运动加速度、转动角速度、转动角加速度。
背景技术：
在现代エ业、国防及航空航天中，对空间六自由度运动动态测量的要求越来越高，如飞机或舰艇的大型エ件焊接装配、并联机床、航海上的潜艇救援对接、航天星(船)箭对接、太空空间站对接、移动火箭(导弹)发射系统中装填车和发射车的对接、飞行或道路或导弹发射的模拟器、精密操作的微动器、飞机空中加油、火箭(导弹)发射装置初始扰度的測量与控制等。空间六自由度运动动态测量的理论、方法、手段和工程应用研究一直是国内外学术界和工程界的热点问题，尽管进行了大量研究，但是仍然有许多急需解决而又没有完全解决好的工程实际问题和学术难点问题，集中体现在空间六自由度运动动态测量技术问题上。并联机构具有承载能力强、运动精度高、刚度大、运动惯量小、自重负荷比小、动カ性能好、控制容易等一系列优点，在国民生产的各个领域应用越来越广泛。并联机构复杂的机构学问题属于空间多自由度多环并联机构学理论研究領域，也包括随机器人高技术发展起来的多机器人协调、多足歩行机、多指多关节高灵活手爪等构成的并联多环机构学问题。目前，空间六自由度运动的測量多采用线性位移測量方式，线性位移測量方式存在较大的摩擦和磨损，存在精度低、寿命短等缺点，且没有实现六自由度运动的同时测量。
发明内容
本发明的目的之ー在于提供一种空间六自由度运动的測量装置，能够对运动物体进行空间六自由度运动位姿高精度动态测量。空间六自由度运动位姿包括三自由度运动位移X (t)、y (t)、z⑴及三自由度运动角度ex(t)、ey(t)、θζα)，运动位移及角度微分后可转换成运动速度、运动加速度、转动角速度、转动角加速度。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种空间六自由度运动的測量装置，在定平台(I)上装有六个虎克铰(2),这六个虎克铰(2)围成ー个六角形；在所述定平台(I)的上方设有动平台(10),该动平台(10)上装有六个球铰(9)，六个球铰(9)也围成ー个六
角形，并且六个球铰(9)与六个虎克铰(2)--对应；所述六个球铰(9)均通过支链与对
应的六个虎克铰(2)相连接，该支链包括上支杆(8)、下支杆(3)和旋转副出)，所述上支杆
(8)的上端与对应的球铰(9)连接，上支杆⑶的下端通过旋转副(6)与下支杆(3)的上端铰接，在旋转副(6)上安装有旋转编码器(5)，所述下支杆(3)的下端与对应的虎克铰(2)连接，同一支链上的旋转副(6)位于该支链所对应的球铰(9)与虎克铰(2)中心连线的外侦牝同一支链所对应的球铰(9)与虎克铰(2)中心连线同对应的旋转副(6)位于ー个平面内，该支链只能在这个平面内运动。采用以上技术方案,虎克铰用U表示,旋转副用R表示,球铰用S表示，六组球铰、六组虎克铰和六组支链构成测量空间六自由度运动的装置，因此，本发明命名为6-URS并联机构。上面选用球铰，下面选用虎克铰，能够防止发生干渉，使各支链只在所处平面作内外方向的运动。当被测运动物体空间六自由度运动的幅值、频率较高吋，6-URS并联机构需承受大的冲击和震动。支链中的上支杆和下支杆刚度高、质量小，转动灵活，抗冲击能力強，从而降低了 6-URS并联机构对被测运动物体的附加カ及附加质量，提高了測量精度。定平台和下支杆通过虎克铰相连，动平台和上支杆通过球铰连接，上支杆和下支杆之间通过转动副连接以组成一个有机的整体，通过旋转编码器记录下上支杆和下支杆作相对旋转运动的角度时间曲线，以此来计算运动物体的空间六自由度运动。旋转编码器是集光机电技术于一体的角度位移传感器，具有体积小、重量轻、品种多、功能全、频响高、分辨能力高、カ矩小、耗能低、性能稳定、可靠使用寿命长等特点。利用6-URS并联机构与旋转编码器相结合， 不仅能实现六自由度运动的同时测量，而且能够确保測量结果的准确性。本发明结构简单、性能可靠、应用范围广，并拥有较大的測量空间，能够高精度地动态测量被测物体的空间六自由度运动。所述上支杆(8)和下支杆(3)的结构相同，均由螺纹套筒、螺杆和锁定螺钉组成，螺杆的一端伸入螺纹套筒内，两者之间螺纹配合，并通过径向穿设的锁定螺钉顶紧；所述上支杆(8)的螺杆与球铰(9)连接，上支杆(8)的螺纹套筒通过旋转副(6)与下支杆(3)的螺纹套筒铰接，下支杆(3)的螺杆与虎克铰(2)连接。以上结构各支杆的长度可以根据需要进行调节，以扩大测量的范围。调节支杆长度时，只需将锁定螺钉松开，拧动螺杆调整其伸入螺纹套筒的长度，再重新拧紧锁定螺钉即可，既方便又快捷。支杆长度调整好以后，在螺纹配合的紧固作用以及锁定螺钉的顶紧作用下，能有效防止支杆的长度在测量过程中发生变化，从而进一歩保障了測量结果的准确性。所述定平台(I)为正六边形，虎克铰(2)安装在定平台(I)的六个角处；所述动平台(10)也为正六边形，并位于定平台(I)的正上方，所述球铰(9)安装在动平台(10)的六个角处。以上结构加工制作容易、装配简单方便，不仅能够简化算法，而且进一步确保了在測量六自由度运动的过程中6-URS并联机构不产生干渉。本发明的目的之ニ在于提供一种空间六自由度运动的动态测量方法，能够对运动物体进行空间六自由度运动位姿高精度动态测量。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种空间六自由度运动的动态测量方法，其特征在于包括以下步骤I)将被测运动物体刚性固定在动平台(10)上，定平台(I)刚性固定在相对静止不动的物体上，六个球铰(9)分别编号为S1' S2, S3、S4、S5、S6，六个虎克铰(2)分别编号为U1'U2、U3、U4、U5、U6 ;在被测运动物体上设定空间直角正交体坐标系o-xyz，在动平台上球铰(9)所围成六角形的几何中心设定空间直角正交体坐标系动坐标系S-X’ Y’ Z’，S-X’ Y’ Z’与动平台固连，其原点S与动平台的形心重合，Z'轴垂直于动平台向上，X'轴与S1S6垂直，Y'轴平行于S1S6，在定平台上虎克铰(2)所围成六角形的几何中心设定空间直角正交体坐标系O-XYZ，其原点O与定平台的形心重合，Z轴垂直向上，Y轴与U1U6垂直，X轴平行于U1U6 ；2)被测运动物体空间六自由度的运动带动动平台(10)运动及旋转编码器(5)转动，旋转编码器(5)測量旋转副￠)的上支杆(8)与下支杆(3)的相对运动的角度时间曲线 Θ j (t), i=l,2,3,4,5,6 ；3)由旋转编码器(5)的角度时间曲线正解，得出被测运动物体空间六自由度的运动规律。5、根据权利要求4所述空间六自由度运动的动态测量方法，其特征在于步骤3)包含如下过程a、运动分解动平台的运动可分解为随S-X’ Y’ Z’坐标原点S沿O-XYZ三个坐标轴方向上的平移(X(t)，Y(t)，Z(t))T，以及绕坐标轴的旋转(a (t)，β (t), Y (t))τ ;被测运动物体可分解为随o-xy z坐标原点ο沿S-X’Y’Z’三个坐标轴方向上的平移(x(t)，y(t)，z(t))T，以及绕坐标轴的旋转(ex(t)，9y(t), 9z(t))T；b、坐标变换Si(i=l,2,3,4,5,6)表示动平台上的各球铰点，Ui (i = 1,2,3,4,5,6)表示定动平台上的各虎克铰点；Si(i = 1,2,3,4,5,6)在固定空间直角坐标系O-XYZ和动空间直角坐标系 S-X’Y’Z’ 中的坐标向量表示分别为 S(SiX，SiY，SiZ)T、S(SiX,，SiY, , Siz, )τ ;Ui(i = 1,2,3,
4,5,6)在固定空间直角坐标系O-XYZ中的坐标向量表示分别为U(UiX，UiY，Uiz)T，Ii表示杆SiUi的长度(i = 1,2,3,4,5,6);静坐标向量3は)(，5 ，57和坐标向量5は)(，，SiY,，Siz,)τ有如下变换公式
权利要求
1.一种空间六自由度运动的測量装置，其特征在干在定平台(I)上装有六个虎克铰(2)，这六个虎克铰(2)围成ー个六角形；在所述定平台(I)的上方设有动平台(10)，该动平台(10)上装有六个球铰(9)，六个球铰(9)也围成ー个六角形,并且六个球铰(9)与六个虎克铰(2) —一对应；所述六个球铰(9)均通过支链与对应的六个虎克铰(2)相连接，该支链包括上支杆(8)、下支杆(3)和旋转副出)，所述上支杆(8)的上端与对应的球铰(9)连接，上支杆(8)的下端通过旋转副(6)与下支杆(3)的上端铰接，在旋转副(6)上安装有旋转编码器(5)，所述下支杆(3)的下端与对应的虎克铰(2)连接，同一支链上的旋转副(6)位于该支链所对应的球铰(9)与虎克铰(2)中心连线的外侧，同一支链所对应的球铰(9)与虎克铰(2)中心连线同对应的旋转副(6)位于ー个平面内，该支链只能在这个平面内运动。
2.根据权利要求I所述的空间六自由度运动的測量装置，其特征在于所述上支杆(8)和下支杆(3)的结构相同，均由螺纹套筒、螺杆和锁定螺钉组成，螺杆的一端伸入螺纹套筒内，两者之间螺纹配合，并通过径向穿设的锁定螺钉顶紧；所述上支杆(8)的螺杆与球铰(9)连接，上支杆(8)的螺纹套筒通过旋转副(6)与下支杆(3)的螺纹套筒铰接，下支杆(3)的螺杆与虎克铰(2)连接。
3.根据权利要求2所述的空间六自由度运动的測量装置，其特征在干所述定平台(I)为正六边形，虎克铰(2)安装在定平台(I)的六个角处；所述动平台(10)也为正六边形，并位于定平台(I)的正上方，所述球铰(9)安装在动平台(10)的六个角处。
4.ー种利用权利要求1-3任一所述测量装置进行空间六自由度运动的动态测量方法，其特征在于包括以下步骤 1)将被测运动物体刚性固定在动平台(10)上，定平台(I)刚性固定在相对静止不动的物体上，六个球铰(9)分别编号为31、も、53、54、55、56，六个虎克铰(2)分别编号为U1,U2、U3、U4、U5、U6 ;在被测运动物体上设定空间直角正交体坐标系ο-xyz，在动平台上球铰(9)所围成六角形的几何中心设定空间直角正交体坐标系动坐标系S-X’ Y’ Z’，S-X’ Y’ Z’与动平台固连，其原点S与动平台的形心重合，Z'轴垂直于动平台向上，X'轴与S1S6垂直，Y'轴平行于S1S6，在定平台上虎克铰(2)所围成六角形的几何中心设定空间直角正交体坐标系0-ΧΥΖ，其原点O与定平台的形心重合，Z轴垂直向上，Y轴与U1U6垂直，X轴平行于U1U6 ； 2)被测运动物体空间六自由度的运动带动动平台(10)运动及旋转编码器(5)转动，旋转编码器(5)測量旋转副(6)的上支杆(8)与下支杆(3)的相对运动的角度时间曲线Θ i(t), i=l,2,3,4,5,6 ； 3)由旋转编码器(5)的角度时间曲线正解，得出被测运动物体空间六自由度的运动规律。
5.根据权利要求4所述空间六自由度运动的动态测量方法，其特征在于 步骤3)包含如下过程 a、运动分解 动平台的运动可分解为随S-X’ Y’ Z’坐标原点S沿O-XYZ三个坐标轴方向上的平移(X(t)，Y(t)，Z(t))T，以及绕坐标轴的旋转(a (t)，β (t)，y (t))τ ;被测运动物体可分解为随o-xyz坐标原点ο沿S-X’Y’Z’三个坐标轴方向上的平移(x(t), y (t), z (t))T,以及绕坐标轴的旋转(9x(t)，9y(t), Θ z(t))T ；b、坐标变换 Si(i=l,2,3,4,5,6)表示动平台上的各球铰点，UiQ = 1,2,3,4,5,6)表示定动平台上的各虎克铰点；Si(i = 1,2,3,4,5,6)在固定空间直角坐标系O-XYZ和动空间直角坐标系S-X’Y’Z’ 中的坐标向量表示分别为 S(SiX, SiY，Siz)T, S(SiX,，SiY,，Siz, )T ;Ui(i = 1,2,3,4,·5,6)在固定空间直角坐标系O-XYZ中的坐标向量表示分别为U(UiX，UiY，UiZ)T，Ii表示杆SiUi的长度(i = 1,2,3,4,5,6);静坐标向量3は)(，5 ，51グ和坐标向量5は)(,，SiY,，Siz, )τ有如下变换公式
全文摘要
本发明公开了一种空间六自由度运动的测量装置及动态测量方法，测量装置的定平台(1)上装有六个虎克铰(2)，在定平台(1)的上方设有动平台(10)，该动平台(10)上装有六个球铰(9)，六个球铰(9)均通过支链与对应的六个虎克铰(2)相连接，该支链的旋转副(6)上安装有旋转编码器(5)。动态测量方法包括建立坐标系、利用旋转编码器(5)测量旋转副(6)的上下支杆的相对运动的角度时间曲线、以及由旋转编码器(5)的角度时间曲线正解得出被测运动物体空间六自由度的运动规律等步骤。本发明不仅能实现六自由度运动的同时测量，而且能够确保测量结果的准确性，具有灵活性好，适应能力强，测量范围广，精度高等特点。
文档编号G01B21/22GK102692201SQ201210203199
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者孙小勇, 宋代平, 尹兵, 张高峰, 江登林, 谢志江, 陈平, 雷钢 申请人:贵州航天天马机电科技有限公司, 重庆大学