側立式交叉桿型并聯機構六自由度航天器運動仿真平臺的制作方法
本發明涉及一種側立式交叉桿型并聯機構六自由度航天器運動仿真平臺，屬于仿真與空間運動模擬技術領域。
背景技術：
在空間技術領域中，為完成航天器對空間目標的跟蹤、捕獲以及交會對接等任務，經常需要進行地面物理/半物理仿真試驗，以驗證對目標進行跟蹤、瞄準、對接以及對準等任務的方案和策略。而實現這些仿真功能的傳感器和末端執行機構，往往需要安裝在一個承載平臺上，由平臺的運動實現位姿的跟蹤、對接和對準等運動。該平臺應具有空間多個自由度的運動能力和負載能力。
傳統的對準和對接承載平臺結構，往往采用多軸轉臺實現。通常的二或三軸轉臺，可實現兩個或三個方位自由度上的姿態旋轉運動。作為姿態運動平臺，轉臺的轉動精度較高，但若需要進行平移運動，則還需要將轉臺安裝于可平移運動的行車等機構上。同時，轉臺的自重往往較大，給承載它的平移運動系統帶來較大的承載負擔；轉臺的體積較大，也給安裝和結構設計帶來很大壓力，在空間約束緊張時，適用性受到限制。更為重要的是，高精度的轉臺須采用直接驅動方式，不能使用減速機構，這使承載能力受到很大限制；同時運動中產生的偏載往往需要動態平衡裝置，使機構和控制系統的實現復雜化。
自上世紀九十年代以來，Stewart平臺開始應用于各類數控并聯機床和運動模擬器中。作為最典型的并聯機構，它具有剛度大，運動精度高，自重負荷比小，承載能力強等一系列優點。由于Stewart平臺是一種完全并聯驅動的機器人機構(如圖1和圖2所示)，理論上，從輸入到輸出的中間環節可以做到最少，這樣大大減少了各個傳動環節在傳動中的誤差積累，定位精度高。同時，由于多根驅動桿同時作用于動平臺上，且各個桿的受力情況接近于二力桿，不論是承載能力還是機構綜合剛度都很高。Stewart平臺可以有六個自由度，除三維姿態轉動外還能實現三維平動；且在同樣載荷下，其體積和自重都遠比轉臺要小，重量和空間優勢明顯。這些特點使Stewart平臺更適合作為運動仿真的承載平臺。
但是，由于Stewart平臺并聯機構的轉動空間有限，需要對接、對準和跟瞄等橫向工作時，只能采用側立式安裝方式。但現有的Stewart平臺機構在側立工作時，其六驅動桿受力分布極不均勻，部分桿件可能受力很少，部分桿件卻可能承受絕大部分的負載，造成剛度和承載能力下降。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決上述現有技術存在的問題，即現有的Stewart平臺機構在側立工作時，其六驅動桿受力分布極不均勻，部分桿件可能受力很少，部分桿件卻可能承受絕大部分的負載，造成剛度和承載能力下降。進而提供一種側立式交叉桿型并聯機構六自由度航天器運動仿真平臺。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種側立式交叉桿型并聯機構六自由度航天器運動仿真平臺，包括：動平臺、六個變長驅動桿、定平臺、三個安裝支架和三個安裝面，所述動平臺和定平臺上下同軸設置，三個安裝支架呈正三角形分布，三個安裝支架的下端均固定在定平臺上，每個安裝支架的上端固定有一個安裝面，變長驅動桿的上部和動平臺相連接，變長驅動桿的下部和定平臺相連接。
所述變長驅動桿包括電機安裝套筒、定平臺虎克鉸、定平臺虎克鉸安裝軸、驅動桿、阻轉花鍵、動平臺虎克鉸和動平臺虎克鉸安裝軸，所述驅動桿的一端與定平臺虎克鉸的一端相連接，定平臺虎克鉸的另一端與電機安裝套筒相連接，定平臺虎克鉸上設有定平臺虎克鉸安裝軸，驅動桿的另一端與動平臺虎克鉸之間連接有阻轉花鍵，動平臺虎克鉸上設有動平臺虎克鉸安裝軸，定平臺虎克鉸安裝軸用于與和定平臺相連接，動平臺虎克鉸安裝軸用于與動平臺相連接。
定平臺上的所有定平臺虎克鉸的中心分布在同一平面圓周上，動平臺上的所有動平臺虎克鉸的中心間隔分布在兩個平面圓周上，使六個變長驅動桿呈交叉分布。
本發明克服了現有技術的不足之處，其結構借鑒了傳統對接對準仿真平臺機構和現有數控并聯機構的優點，將結構設計，控制方法和標定方法有機融合，設計出可側立應用的大承載高精度運動平臺，具有剛度大，運動自由度多、承載能力強、精度高、體積和自重負荷比小等一系列優點，既可作為航天器空間對接對準運動和武器系統瞄準的運動仿真承載平臺，也可以滿足用戶對大型運動系統的物理/半物理仿真的要求。
附圖說明
圖1為標準Stewart平臺結構示意圖。圖1中，1為動平臺，2為關節軸承，3為變長驅動桿，4為定平臺(基座)。
圖2為已有的基于Stewart并聯機構的運動承載平臺機構示意圖。圖2中，1為動平臺，2為關節軸承，3為變長驅動桿，4為定平臺(基座)，5為伺服電機。這種常規結構的Stewart平臺一般用于正立或倒置工作的運動承載平臺或運動模擬器。
圖3～圖7為本發明側立式交叉桿型并聯機構六自由度航天器運動仿真平臺結構示意圖。圖3～圖6分別給出了四個角度的立體視圖。圖中安裝面6處于兩平臺之間。
由于要求并聯機構側立安裝，且負荷較大，工作時其力學特性不同于常規應用的正立和倒置狀態。為提高其剛度和承載能力，采用交叉桿結構設計。經優化計算后，理論設計的定平臺虎克鉸中心分布在同一平面圓周上；而動平臺虎克鉸中心間隔分布在兩個平面圓周上，使六個驅動桿呈交叉分布。
圖8為變長驅動桿3的裝配立體圖。
圖3～圖8中，1為動平臺，2為傾斜安裝座，3為變長驅動桿，4為定平臺(基座)，5為安裝支架，6為安裝面，7為重心線，8為平直安裝座，11為電機安裝套筒，12為定平臺虎克鉸，13為定平臺虎克鉸安裝軸，14為驅動桿，15為阻轉花鍵，16為動平臺虎克鉸，17為動平臺虎克鉸安裝軸。該驅動桿通過兩端的虎克鉸分別與動平臺和定平臺連接，桿件移動部分和固定部分之間設計有花鍵用于阻轉。
圖9為本發明中用于控制Stewart平臺的多模型魯棒切換控制方法方框圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發明的保護范圍不限于下述實施例。
如圖3～圖8所示，本實施例所涉及的一種側立式交叉桿型并聯機構六自由度航天器運動仿真平臺，包括：動平臺1、六個變長驅動桿3、定平臺4、三個安裝支架5和三個安裝面6，所述動平臺1和定平臺4上下同軸設置，三個安裝支架5呈正三角形分布，三個安裝支架5的下端均固定在定平臺4上，每個安裝支架5的上端固定有一個安裝面6，變長驅動桿3的上部和動平臺1相連接，變長驅動桿3的下部和定平臺4相連接。
所述變長驅動桿3包括電機安裝套筒11、定平臺虎克鉸12、定平臺虎克鉸安裝軸13、驅動桿14、阻轉花鍵15、動平臺虎克鉸16和動平臺虎克鉸安裝軸17，所述驅動桿14的一端與定平臺虎克鉸12的一端相連接，定平臺虎克鉸12的另一端與電機安裝套筒11相連接，定平臺虎克鉸12上設有定平臺虎克鉸安裝軸13，驅動桿14的另一端與動平臺虎克鉸16之間連接有阻轉花鍵15，動平臺虎克鉸16上設有動平臺虎克鉸安裝軸17，定平臺虎克鉸安裝軸13用于與和定平臺4相連接，動平臺虎克鉸安裝軸17用于與動平臺1相連接。
定平臺4上的所有定平臺虎克鉸12的中心分布在同一平面圓周上，動平臺1上的所有動平臺虎克鉸16的中心間隔分布在兩個平面圓周上，使六個變長驅動桿3呈交叉分布。
所述動平臺1的下端面上，間隔地設有三個傾斜安裝座2和三個平直安裝座8，六個變長驅動桿3上的動平臺虎克鉸安裝軸17間隔地一個與傾斜安裝座2轉動連接，一個與平直安裝座8轉動連接。
本實施例中，動平臺通過虎克鉸(或球鉸)與交叉分布的六根變長驅動桿相連接，變長驅動桿通過虎克鉸(或球鉸)與定平臺(基座)相連接。桿件的交叉分布通過動平臺的鉸鏈中心分布實現。這樣，動平臺、變長驅動桿和定平臺之間構成一個交叉結構的空間閉鏈。這種桿件交叉分布的空間閉鏈結構具有很高的剛度，良好的結構抗震性和工作穩定性，從而可有效地保障平臺在大載荷下的運動精度。這種機構在側立安裝的情況下，工作時可大大地減小各桿件受力的不均勻性，從而和標準的Stewart并聯機構相比具有更大的剛度，更適合具有較大自重和載荷時側立工作。動平臺中心設計有安裝主軸電機的空腔，減少動平臺的質量，有利于改善動平臺的性能。承載安裝平臺與動平臺之間可以直接固連，隨并聯機構運動；也可以通過主軸電機驅動旋轉機構與動平臺連接，以增加該垂直軸線方向上的滾轉運動范圍。該裝置可以安裝在固定支架或基座上，為擴展平動范圍，也可以安裝在三維龍門架或行車等平動運動機構上。
平臺機構采用伺服電機驅動的六軸聯動控制。由于運動空間內的Stewart平臺的動力學特性變化明顯，為實現平臺控制系統在較大負載下工作時仍具有良好的動態伺服跟蹤性能，本發明為控制系統設計了多模型魯棒切換控制策略，該控制方法通過在不同工作空間內切換不同的模型和控制器，以實現模型、控制器與平臺工作狀況的匹配；同時設計的魯棒控制器用于調整模型/控制器匹配誤差抑制系統擾動和不確定性的影響，使全工作空間內穩定性和控制性能得以保障。
本發明設計了多輪迭代測量和修正的方法，基于激光跟蹤器測量對并聯機構的結構參數進行標定，明顯地提高了平臺的運動精度。標定方法提出的標定函數可通過對平臺位置和姿態進行加權處理使位置和姿態分別滿足不同的精度指標，以滿足不同的應用要求。
圖9是本發明中用于控制Stewart平臺的多模型魯棒切換控制方法的框圖。
本發明控制方案實施的基礎是通過簡化計算反動力學來補償Stewart平臺動力學模型中的非線性，對于由此引入的模型誤差和模型本身的不精確和攝動等不確定性因素，設計魯棒控制器進行抑制。相對自適應方法，魯棒控制器計算負擔小得多。
事實上，完全的反動力學計算負擔很大，而通常的簡化模型計算又使反饋線性補償很難在全任務空間取得良好的效果；同樣，設計單一魯棒控制器，也難以保障Stewart平臺在整個運動空間內的控制效果。因此，方法實施過程中，將Stewart平臺動態模型在整個工作空間劃分為不同的模型集，對每個模型集采用相應的局部反饋線性化方法簡化反動力學計算，同時針對每個模型集設計不同的魯棒控制器來抑制擾動和局部的模型誤差，在工作過程中根據空間范圍指標函數來切換模型和控制器，從而實現整個工作空間的良好動態控制效果。這種方法的計算負擔較小，其穩定性可以使用LMI等方法證明。
對每組模型和控制器的行為，可做如下說明：
控制策略中使用PID控制器控制一個線性參考模型跟蹤給定的輸入軌跡，作為系統的前饋行為，該模型采用理想線性參考模型。針對實際計算反動力學補償引入模型誤差，再設計一個魯棒控制器，用于抑制可能存在的擾動和模型誤差不確定性，同時也用于消除實際模型和理想模型不匹配而帶來的輸出誤差。
圖9中虛線框內是經過反饋線性化補償的Stewart平臺，理想情況下應為一線性系統。由于實際的未建模特性和反動力學計算時引入的模型誤差，使該模型中存在不確定性。參考模型的控制回路作為系統的前饋部分，給反饋控制回路提供參考輸出XM和并且輸出控制量uf控制平臺跟蹤給定輸入量。這一部分不在系統閉環中，因此不影響系統的穩定性。魯棒控制器輸出的控制量uA，與uf一起作用于反饋線性化后的對象；模型不確定性和擾動d，由uA來抑制，使實際輸出X和跟蹤理想參考輸出XM和其中e是跟蹤誤差。
該方案可在保證Stewart平臺末端位姿控制精度的基礎上有較好的動態響應性能，對外界擾動和負載變化等具有很好的魯棒性。在一般條件下，當動態性能不高時該方案還可簡化為常規的并聯機器人運動學控制方案，具有很好的靈活性和適應性。
為提高運動平臺機構的運動精度，本發明使用激光跟蹤器對并聯機構的結構參數進行標定。標定方法使用位置和姿態可加權的多輪迭代測量和修正方法：使用激光跟蹤器同時測量平臺六個自由度方向上的位姿誤差，通過多輪的迭代計算和反復測量，逐漸使42個結構參數的設計計算值逐步逼近其真實值；同時標定函數對位置和姿態進行加權處理，通過標定可使位置和姿態分別滿足不同的精度指標。
影響運動Stewart平臺運動精度的結構參數，主要包括十二個虎克鉸(關節軸承)在空間的三十六個坐標值和六根變長驅動桿的長度。他們組成定平臺六個連接關節軸承中心坐標位分布矩陣Sf、動平臺六個關節軸承中心坐標位置分布矩陣Sm和六個基準桿長列矢量L。
測量m個點的位姿，本發明標定方法具體實施步驟如下：
1.令表示由L,Sf,Sw中的共四十二個參數確定的動平臺在第n個測量點的位姿理論計算值，Pn表示相應的第n個測量點的實際位姿測量值。Pn和都用位姿齊次變換矩陣表示。這時可以定義第n個測量點的位姿誤差；
2.根據參數L0,Sf0,Sm0，在每個測量點處計算Stewart平臺的運動學反解，得到對應的理論桿長向量ln。
3.對桿長向量加增量dL修正L0，得到每個測量點處新的桿長向量。并且給Sf0和Sm0也加修正量，令Sf＝Sf0+ΔSf和Sm＝Sm0+ΔSm。
4.在每個測量點處，根據一輪修正后新的結構參數L,Sf和Sw進行位置正解計算，得到新的計算位姿
5.將新計算的位姿和實際測量值Pn進行比較，計算目標函數。根據(1)式，計算每個測量點處的位姿誤差，然后再計算相應的位姿微分增量算子；
從其中的元素可得各點處的位姿微分運動矢量
構造誤差函數為
作為極小化的目標函數。
6.判斷f(L,Sf,Sm)是否小于給定精度指標。如是，則計算停止，此時得到的dL,ΔSf和ΔSm就是結構參數L0,Sf0,Sw0的修正量。如否，則用一次修改后的L,Sf和Sm代替L0,Sf0,Sw0，跳轉到第2步，重復這一迭代過程，直到指定的計算次數停止。
如果優化結果L,Sf和Sm滿足運動精度要求，則修正結束，否則需要進行下一輪測量和修正，直至滿足運動精度要求或不再收斂為止。隨著f減小，各個結構參數向其實際值接近。若在動平臺的運動空間內以適當的密度分布取測量點，則可以提高動平臺在整個運動空間的定位精度。
對于平臺位置和姿態運動精度不同的指標要求，可以對位置微分和姿態微分向量分別加權，重新構造極小化目標函數
其中ρ和μ是加權系數，由所需的位置精度和姿態精度確定。為避免收斂過程陷入局部極小值，應使用遺傳算法等具有全局尋優能力的方法進行優化。
構造的算法通過計算測量點的加權微分運動來構造極小化目標函數，優化過程中需要反復計算Stewart平臺的位置反解和正解。使用該目標函數優化結構參數時可以對位置精度和姿態精度的指標進行調整和折衷，可望通過標定更有效地提高姿態精度，從而改善整體的運動性能。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基于本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！