本发明涉及并联机构控制领域，尤其涉及一种四自由度驱动平台及其控制方法。
背景技术：
对于四自由度并联机构控制，正解是通过每个电缸的伸长量来推算出动平台的空间姿态及空间运动范围，把电缸的伸长量li(l1、l2、l3)转化为动平台的位置姿态(z,α,β,γ)，正解求解复杂，存在无数解且求解的方法各异，存在一定误差，设计难度大；反解是通过动平台的位置姿态(z,α,β,γ)推算出各个电缸的伸长量li(l1、l2、l3)，反解有唯一解，精确度高，求解相对简单，降低了控制的难度，然而，现有技术并未有结构简单可靠的四自由度驱动机构及简便精确的反解算法。
技术实现要素：
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种结构简单可靠的四自由度驱动机构及简便精确的反解算法。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种四自由度驱动平台，所述驱动平台包括：底座，三个垂直向固设于底座上的驱动缸体，铰接于驱动缸体的伸缩杆末端的滑动组件，固设于滑动组件的滑轨上的低阶动平台，及通过轴承转动地连接于低阶动平台的高阶动平台。
相应地，本发明实施例还提供了一种四自由度驱动平台控制方法，包括：设置步骤：设置高阶动平台的四自由度位姿指令信号，并将指令信号输入到位姿反解计算模块中；反解步骤：位姿反解计算模块通过位姿反解计算，得出三个驱动缸体的伸缩杆的位移，并产生对应的位移指令驱动动力源运动，实现四自由度运动。
本发明实施例通过提出一种四自由度驱动机构及其反解算法，驱动平台包括：底座，三个垂直向固设于底座上的驱动缸体，铰接于驱动缸体的伸缩杆末端的滑动组件，固设于滑动组件的滑轨上的低阶动平台，及通过轴承转动地连接于低阶动平台的高阶动平台，具有结构简单可靠，算法简便精确的技术效果。
附图说明
图1是本发明实施例的四自由度驱动平台整体结构示意图。
图2是本发明实施例的四自由度驱动平台局部结构示意图。
图3是本发明实施例的反解步骤基于的驱动平台初始状态的反解简化模型示意。
图4是本发明实施例的反解步骤基于的驱动平台运动过程中的反解简化模型示意。
图5是本发明实施例的四自由度驱动平台控制方法流程示意图。
附图标号说明
底座10
固定板11
抵压柱12
驱动缸体20
滑轨30
滑块40
止挡块31
锥形抵顶块32
低阶动平台50
高阶动平台60
轴承61
座椅51
轴线性驱动器52
枢接件53
脚踏板54
垫块70。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
本发明实施例的四自由度驱动平台及其控制方法，可用于并联型动感游戏运动等。请参照图1～图2，本发明实施例的四自由度驱动平台主要包括底座10，驱动缸体20，滑动组件，低阶动平台50及高阶动平台60。
底座10为镂空设计的长方体，底座10的底面内侧开设有容置驱动缸体20底部的凹槽(图未示出)，底座10的顶面开设有供驱动缸体20穿过的通孔，通孔的四周开设有螺孔，通孔外侧安装有固定板11，固定板11的中心开设有供驱动缸体20穿过的穿孔，固定板11抵压于驱动缸体20对应的台阶面上，螺柱依次穿过螺孔、抵压柱12的轴心孔、固定板11的过孔后通过螺丝锁紧固定。进而，通过凹槽对驱动缸体20底部的收容固定，再通过固定板11对台阶面的套设和按压固定，加强了对驱动缸体20的可靠性，避免缸体工作过程中的上下左右晃动。
作为一种实施方式，凹槽的底面开设有调节孔(图未示出)，调节螺钉穿过调节孔抵于驱动缸体20的底面上，并配合设于低阶动平台50或高阶动平台60上的水平仪以调节保持四自由度驱动平台初始状态的水平。进而，通过开设调节孔及安装调节螺钉，并配合水平仪进行调节，使得四自由度驱动平台达到了工作过程中根据实际需要灵活地调整，保持精确的初始水平状态的技术效果。
驱动缸体20有三个，垂直向固设于底座10上。优选地，驱动缸体20采用电缸或液压缸。
滑动组件通过球铰铰接于驱动缸体20的伸缩杆末端，滑动组件包括滑轨30和滑动地设于滑轨30上的滑块40，优选地，滑轨30和滑块40的位置可以互换。作为一种实施方式，滑轨30的两端凸设有用于限定滑块40活动范围的止挡块31，止挡块31的朝向滑块40一侧固设有锥形抵顶块32，锥形抵顶块32的底面贴合于止挡块31上。优选地，锥形抵顶块32采用弹性塑胶材料制成。进而，通过设置止挡块31及锥形抵顶块32，达到了运动过程中的有效减震缓冲，为用户带来稳定持久的舒适感。
低阶动平台50固设于滑动组件的滑轨30上。优选地，低阶动平台50大致呈正三角形，采用镂空设计结构。
高阶动平台60通过轴承61转动地连接于低阶动平台50，优选地，高阶动平台60呈圆形，采用镂空设计结构。如图1所示，高阶动平台60上固设有座椅51及用于可转动调节地承载用户腿脚的座椅51配件，座椅51配件包括轴线性驱动器52、枢接件53及脚踏板54，在轴线性驱动器52的带动下脚踏板54绕枢接件53进行旋转。作为一种实施方式，四自由度驱动平台还包括垫块70，用于方便用户踩踏，以坐在座椅51上。
请参照图3至图5，本发明实施例还提供了一种四自由度驱动平台控制方法，所述控制方法包括设置步骤s1及反解步骤s2。
设置步骤s1：设置高阶动平台60的四自由度位姿指令信号，并将指令信号输入到位姿反解计算模块中。
反解步骤s2：位姿反解计算模块通过位姿反解计算，得出三个驱动缸体20的伸缩杆的位移，并产生对应的位移指令驱动动力源运动，实现四自由度运动。
所述反解步骤包括以下子步骤：初始参数设置子步骤、坐标系建立子步骤及坐标计算子步骤。
初始参数设置子步骤：简化四自由度驱动平台初始状态反解模型，具体地，将四自由度驱动平台初始状态反解模型简化为图3所示模型，将四自由度驱动平台运动状态反解模型简化为图4所示模型，设连接驱动缸体20与滑动组件的对应铰接件的中点为bi，滑块40与滑轨30接触面的中点为di，滑轨30与滑块40接触面的中点为ai，滑轨30对应轨道下表面中心线最外面的点为ci，其中，i＝1、2、3；
坐标系建立子步骤：建立以底座10中心点o为原点的静坐标系oxyz；低阶动平台50上表面中心点o1为动坐标系o1x1y1z1的原点；o与o1的垂直距离设为k；则
其中，cxi,cyi,czi分别为ci在动坐标系中x、y、z轴的坐标值；同样地，axi，ayi，azi分别为ai在动坐标系中x、y、z轴的坐标值；o1为动坐标系的原点，ai、ci为旋转前的坐标点；
bi在静坐标系下的坐标为：
坐标计算子步骤：若高阶平台沿z轴升降k,则三个驱动缸体20同时升降k；
若平台绕z轴旋转γ，则轴线性驱动器52绕z轴旋转γ；
设高阶动平台60分别绕y、x轴旋转的角度为β、α，则旋转矩阵r为：
旋转后ai、ci在动坐标系的坐标为：
旋转后ai、ci在静坐标系的坐标为：
为计算方便，用变量替换
则
其中，e1-e6分别为ai、ci在x、y、z轴的坐标变化量，即
e1＝cosβαxi+sinαsinβαyi+cosαsinβαzi；e2＝cosααyi-sinααzi；
e3＝-sinβαxi+sinαcosβαyi+cosαcosβαzi；
e4＝cosβcxi+sinαsinβcyi+cosαsinβczi；e5＝cosαcyi-sinαczi；
e6＝-sinβcxi+sinαcosβcyi+cosαcosβczi+k；
dxi、dyi分别为di在动坐标系中x、y、z轴的坐标值；
旋转后bi、di在静坐标系下的坐标为：
由结构的特性可知：向量
(dxi-bxi)(e4-e1)+(dyi-byi)(e5-e2)+(dzi-bzi-li)(e6-e3)＝0；③
(dxi-bxi)2+(dyi-byi)2+(dzi-bzi-li)2＝f2；④
由式①②③④可得驱动缸体的伸长量为li，i＝1、2、3；e为坐标向量：
其中：
e11＝(e4-e1)e7+(e5-e2)+(e6-e3)e9，
e15＝e12-byi，e16＝e9e13-1，
e17＝e9e12+e10-bzi。
综上，本发明实施例通过采用上述结构及步骤方法，达到了结构简单可靠，算法简便精确的技术效果。
另外，本发明的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本发明的方法和/或技术方案。而调用本发明的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本发明的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本发明的多个实施例的方法和/或技术方案。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。