本發(fā)明涉及一種機(jī)械領(lǐng)域的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)控制方法。具體的說是一種帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的多數(shù)六自由度液壓運(yùn)動平臺，都是液壓缸通過鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺直接相連。下平臺和地面固定，通過液壓缸的伸縮運(yùn)動來驅(qū)動上平臺的運(yùn)動，從而模擬六個(gè)自由度的運(yùn)動?？蓮V泛的應(yīng)用在航天、汽車、建筑等領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域?qū)\(yùn)動平臺控制精度的要求越來越高。傳統(tǒng)的六自由度液壓運(yùn)動平臺，在較高的頻率下，液壓缸會產(chǎn)生較大的慣性力，不利于對運(yùn)動平臺的精確控制。

帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺可有效解決液壓缸缸體在高頻振動時(shí)產(chǎn)生的橫向振動，提高了運(yùn)動平臺的可靠性。采用輕量連桿，不但有效減少了驅(qū)動力用于克服液壓缸本身重量所做的功，而且有效減少了克服鉸接摩擦力所做的功。但目前通用六自由度液壓運(yùn)動平臺的控制方法不適用于帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺。

將位姿運(yùn)動學(xué)反解算法與單個(gè)閥控缸位置控制方法結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的運(yùn)動控制。位姿運(yùn)動學(xué)反解算法主要用于將六自由度運(yùn)動平臺的位姿指令轉(zhuǎn)換為單個(gè)液壓缸指令?，F(xiàn)有的位姿運(yùn)動學(xué)反解算法沒有涉及帶連桿的運(yùn)動平臺的。

對于帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺，水平液壓缸通過連桿與上平臺連接，連桿的上、下虎克鉸隨上平臺一起運(yùn)動。而現(xiàn)有的位姿反解方法中，均假定所有液壓缸的下鉸點(diǎn)是靜止不動的。若將現(xiàn)有的位姿反解方法應(yīng)用于帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺，將極大降低控制精度，無法實(shí)現(xiàn)六自由度指令信號的準(zhǔn)確再現(xiàn)。

本發(fā)明涉及的參考文獻(xiàn)如下：

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)下鉸點(diǎn)不固定的帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的控制方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的控制方法，所述的六自由度液壓運(yùn)動平臺包括：下平臺、上平臺、三個(gè)水平向液壓缸、三個(gè)垂直向液壓缸和三個(gè)水平向連桿；所述的三個(gè)水平向液壓缸分別為1號液壓缸、2號液壓缸和3號液壓缸；所述的三個(gè)垂直向液壓缸分別為4號液壓缸、5號液壓缸和6號液壓缸；所述的三個(gè)水平向連桿分別為1號連桿、2號連桿和3號連桿；所述的1號液壓缸、2號液壓缸和3號液壓缸分別通過1號液壓缸支座、2號液壓缸支座和3號液壓缸支座固定在下平臺上；所述的1號連桿、2號連桿和3號連桿的末端通過各自的下虎克鉸分別與1號液壓缸、2號液壓缸和3號液壓缸連接，1號連桿、2號連桿和3號連桿的首端通過各自的上虎克鉸與上平臺連接；所述的4號液壓缸、5號液壓缸和6號液壓缸的下端分別通過各自的下虎克鉸與下平臺連接，4號液壓缸、5號液壓缸和6號液壓缸的上端分別通過各自的上虎克鉸與上平臺連接；

具體的控制方法，包括以下步驟：

a、設(shè)定上平臺的六自由度位姿指令信號，并將指令信號輸入到位姿反解計(jì)算模塊中；

b、位姿反解計(jì)算模塊通過位姿反解計(jì)算，得出六個(gè)液壓缸的位移，作為六個(gè)液壓缸位移指令信號；所述的反解計(jì)算包括以下步驟：

b1、設(shè)1號連桿、2號連桿、3號連桿、4號液壓缸、5號液壓缸、6號液壓缸的上虎克鉸鉸點(diǎn)中心的坐標(biāo)矩陣a和下虎克鉸鉸點(diǎn)中心的坐標(biāo)矩陣b分別為：

式中，h1為1號連桿上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a1到平臺中心o的水平距離；h2為平臺中心o到2號連桿上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a2與3號連桿上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a3的連線的水平距離；hv為4號液壓缸、5號液壓缸和6號液壓缸各自的上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a4、a5和a6組成的平面到平臺中心o的垂直距離；d1為1號連桿上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a2到2號連桿上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a3的距離；；l1為1號連桿下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b1到上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a1的距離；l2為2號連桿下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b2到上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a2的距離；l3為3號連桿下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b3到上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a3的距離；dv為4號液壓缸、5號液壓缸和6號液壓缸各自的下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b4、b5和b6組成的平面到平臺中心o的垂直距離；r為4號液壓缸、5號液壓缸和6號液壓缸各自的下虎克鉸鉸點(diǎn)中心所在分布圓的半徑；δl1為1號液壓缸的位移；δl2為2號液壓缸的位移；δl3為3號液壓缸的位移；

b2、計(jì)算變換矩陣t和g

定義上平臺六個(gè)自由度的指令信號為q＝(q1q2q3q4q5q6),式中,q1-橫搖角；q2-縱搖角；q3-偏航角；q4-沿ox平移量；q5-沿oy平移量；q6-沿oz平移量，則存在變換矩陣t：

式中c表示求余弦符號cos，s表示求正弦符號sin。

利用矩陣t與矩陣a的乘積求取矩陣g，即：

g＝(gij)＝t·a

b3、計(jì)算液壓缸的位移

1號液壓缸、2號液壓缸和3號液壓缸的位移通過求解下述方程組得出：

式中，lm為三個(gè)水平向液壓缸的連桿的兩端虎克鉸鉸點(diǎn)中心的距離；gkm為矩陣g中的元素；bkm為矩陣b中的元素。求解上述方程組，即得出三個(gè)水平向液壓缸的位移δl1、δl2和δl3；

4號液壓缸、5號液壓缸和6號液壓缸的位移的計(jì)算公式為：

式中，l0為垂直向液壓缸上、下鉸點(diǎn)中心的初始距離；gkn為矩陣g中的元素；bkn為矩陣b中的元素；

c、將六個(gè)液壓缸的位移指令信號輸入到閥控缸位置控制系統(tǒng)中，驅(qū)動液壓缸運(yùn)動，由液壓缸驅(qū)動上平臺實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明通過進(jìn)行局部坐標(biāo)變換，利用水平液壓缸的位移獲取連桿下虎克鉸鉸點(diǎn)中心坐標(biāo)的表達(dá)式，通過求解方程組，求得水平液壓缸的位移，實(shí)現(xiàn)了帶連桿六自由度運(yùn)動平臺的位姿反解運(yùn)算，提高了由上平臺的六自由度位姿指令信號到六個(gè)液壓缸位移指令信號的轉(zhuǎn)換精度。結(jié)合單個(gè)閥控缸位置控制系統(tǒng)，給出帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的控制方法，明顯提高了帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的控制精度。

2、本發(fā)明可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。在cpu為intelpd2.6g、內(nèi)存為1g的advantech工控機(jī)ipc-610上測試，算法的運(yùn)行周期小于0.5ms，能夠滿足運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，所以本發(fā)明易于采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的側(cè)視圖。

圖3是圖1的俯視圖。

圖4是本發(fā)明的流程圖。

圖中：1、1號液壓缸，2、2號液壓缸，3、3號液壓缸，4、4號液壓缸，5、5號液壓缸，6、6號液壓缸，7、下平臺，8、上平臺，9、1號連桿，10、2號連桿，11、3號連桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1-4所示，一種帶連桿的六自由度液壓運(yùn)動平臺的控制方法，所述的六自由度液壓運(yùn)動平臺包括：下平臺7、上平臺8、三個(gè)水平向液壓缸、三個(gè)垂直向液壓缸和三個(gè)水平向連桿；所述的三個(gè)水平向液壓缸分別為1號液壓缸1、2號液壓缸2和3號液壓缸3；所述的三個(gè)垂直向液壓缸分別為4號液壓缸4、5號液壓缸5和6號液壓缸6；所述的三個(gè)水平向連桿分別為1號連桿9、2號連桿10和3號連桿11；所述的1號液壓缸1、2號液壓缸2和3號液壓缸3分別通過1號液壓缸支座、2號液壓缸支座和3號液壓缸支座固定在下平臺7上；所述的1號連桿9、2號連桿10和3號連桿11的末端通過各自的下虎克鉸分別與1號液壓缸1、2號液壓缸2和3號液壓缸3連接，1號連桿9、2號連桿10和3號連桿11的首端通過各自的上虎克鉸與上平臺8連接；所述的4號液壓缸4、5號液壓缸5和6號液壓缸6的下端分別通過各自的下虎克鉸與下平臺7連接，4號液壓缸4、5號液壓缸5和6號液壓缸6的上端分別通過各自的上虎克鉸與上平臺8連接；

具體的控制方法，包括以下步驟：

a、設(shè)定上平臺8的六自由度位姿指令信號，并將指令信號輸入到位姿反解計(jì)算模塊中；

b、位姿反解計(jì)算模塊通過位姿反解計(jì)算，得出六個(gè)液壓缸的位移，作為六個(gè)液壓缸位移指令信號；所述的反解計(jì)算包括以下步驟：

b1、設(shè)1號連桿9、2號連桿10、3號連桿11、4號液壓缸4、5號液壓缸5、6號液壓缸6的上虎克鉸鉸點(diǎn)中心的坐標(biāo)矩陣a和下虎克鉸鉸點(diǎn)中心的坐標(biāo)矩陣b分別為：

式中，h1為1號連桿9上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a1到平臺中心o的水平距離；h2為平臺中心o到2號連桿10上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a2與3號連桿11上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a3的連線的水平距離；hv為4號液壓缸4、5號液壓缸5和6號液壓缸6各自的上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a4、a5和a6組成的平面到平臺中心o的垂直距離；d1為1號連桿9上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a2到2號連桿10上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a3的距離；；l1為1號連桿9下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b1到上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a1的距離；l2為2號連桿10下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b2到上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a2的距離；l3為3號連桿11下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b3到上虎克鉸鉸點(diǎn)中心a3的距離；dv為4號液壓缸4、5號液壓缸5和6號液壓缸6各自的下虎克鉸鉸點(diǎn)中心b4、b5和b6組成的平面到平臺中心o的垂直距離；r為4號液壓缸4、5號液壓缸5和6號液壓缸6各自的下虎克鉸鉸點(diǎn)中心所在分布圓的半徑；δl1為1號液壓缸1的位移；δl2為2號液壓缸2的位移；δl3為3號液壓缸3的位移；

b2、計(jì)算變換矩陣t和g

定義上平臺8六個(gè)自由度的指令信號為q＝(q1q2q3q4q5q6),式中,q1-橫搖角；q2-縱搖角；q3-偏航角；q4-沿ox平移量；q5-沿oy平移量；q6-沿oz平移量，則存在變換矩陣t：

式中c表示求余弦符號cos，例如，cq2表示cos(q2)，其余類同；s表示求正弦符號sin，例如，sq3表示sin(q3)，其余類同。

利用矩陣t與矩陣a的乘積求取矩陣g，即：

g＝(gij)＝t·a

b3、計(jì)算液壓缸的位移

1號液壓缸1、2號液壓缸2和3號液壓缸3的位移通過求解下述方程組得出：

式中，lm為三個(gè)水平向液壓缸的連桿的兩端虎克鉸鉸點(diǎn)中心的距離；gkm為矩陣g中的元素；bkm為矩陣b中的元素。求解上述方程組，即得出三個(gè)水平向液壓缸的位移δl1、δl2和δl3；

4號液壓缸4、5號液壓缸5和6號液壓缸6的位移的計(jì)算公式為：

式中，l0為垂直向液壓缸上、下鉸點(diǎn)中心的初始距離；gkn為矩陣g中的元素；bkn為矩陣b中的元素；

c、將六個(gè)液壓缸的位移指令信號輸入到閥控缸位置控制系統(tǒng)中，驅(qū)動液壓缸運(yùn)動，由液壓缸驅(qū)動上平臺8實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動。

本發(fā)明的具體計(jì)算結(jié)果如下：取六自由度液壓運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)為：r＝3.5×10^-1米，d1＝6×10^-1米，l1＝7.2×10^-1米，l2和l3的值與l1相同，dv＝1.23米，h1＝6.2×10^-1米，h2的值與h1相同，hv＝1.5×10^-1米。設(shè)上平臺六自由度位姿指令信號為[0度0度10度0米0米0米]，定義液壓缸伸出方向?yàn)槲灰普较?。?yīng)用現(xiàn)有的位姿反解算法，解得六個(gè)液壓缸的位移指令分別為1.473×10^-2米、-3.662×10^-2米、6.616×10^-2米、1.722×10^-3米、1.722×10^-3米和1.722×10^-3米，此時(shí)上平臺的實(shí)際輸出位姿為[2.995×10^-2度1.91×10^-2度9.993度-3.111×10^-3米-2.273×10^-3米0米]。應(yīng)用本發(fā)明提出的帶連桿的位姿反解算法，解得六個(gè)液壓缸的位移指令分別為1.751×10^-2米、-3.388×10^-2米、6.893×10^-2米、1.722×10^-3米、1.722×10^-3米和1.722×10^-3米，此時(shí)上平臺的實(shí)際輸出位姿為[0度0度10度0米0米0米]。對比上平臺輸出位姿可知，應(yīng)用本發(fā)明提出的帶連桿的位姿反解方法，能夠明顯提高六自由度位姿指令的再現(xiàn)精度。

本發(fā)明不局限于本實(shí)施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改變，均列為本發(fā)明的保護(hù)范圍。