6-PSS并联机构及位置正逆解方法技术

本发明专利技术属于机器人技术领域，公开了一种6‑PSS并联机构及位置正逆解方法，设置有圆形轨道，轨道上有六个主动沿轨道精确运动的滑动模块；每个滑动模块通过球铰与固定长度的连杆下端相连接，每根连杆的上端通过球铰与运动平台相连。本发明专利技术可以实现运动平台的六自由度运动，其显著特征是运动平台绕竖直轴线可以实现任意角度旋转，提高了机构运动灵活性，扩大了姿态调整工作空间；可应用于轻型雷达天线座、射电望远镜馈源支撑平台、运动模拟器等多种场合。本发明专利技术操作简单，有效地改善了Stewart平台类传统六自由度并联机器人存在的工作空间受限问题；通过驱动六个并联的滑动模块实现运动平台的运动，提高了运动平台的运动速度。 1

6-PSS parallel mechanism and position positive inverse solution

The invention belongs to the field of robot technology, and discloses a 6 PSS parallel mechanism and position positive inverse solution. There are circular orbits, and there are six sliding modules on the track which are active along the track. Each slide module is connected to the lower end of the connecting rod through the ball hinge and the upper end of each connecting rod through the ball hinges and transport. The moving platform is connected. The invention can realize the motion of six degrees of freedom of the motion platform. Its remarkable feature is that the motion platform can rotate at any angle around the vertical axis, improve the flexibility of the motion of the mechanism and expand the attitude adjustment working space, and can be applied to the light radar antenna pedestal, the radio telescope feed support platform, the motion simulator and so on. A kind of occasion. The invention has simple operation and effectively improves the working space limitation of the traditional six degree of freedom parallel robot of the Stewart platform. By driving six parallel sliding modules, the motion of the motion platform is realized, and the motion speed of the motion platform is improved. One

【技术实现步骤摘要】
6-PSS并联机构及位置正逆解方法
本专利技术属于机器人
，尤其涉及一种6-PSS并联机构及位置正逆解方法。
技术介绍
1962年，Gough专利技术了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置；三年后，Stewart首次将基于并联机构的六自由度轮胎检测装置推广应用为飞行模拟器的运动产生装置；基于并联机构的六自由度轮胎检测装置也是应用范围最广的并联机构，被称为Gough-Stewart机构或Stewart机构。1978年澳大利亚Hunt教授提出将Stewart平台作为机器人的机械在中国，燕山大学黄真教授在1991年研制出我国第一台六自由度并联机器人样机。国内外有许多学者研究六自由度并联机构，提出了各种新型的结构形式，但其中多数都没有改变传统Stewart并联机器人铰接点位置固定的布局方式。并联机器人运动平台的工作空间主要受到运动奇异点、运动副摆角、支腿长度的极限值以及支腿间干涉四个方面的限制，由于传统Stewart并联机器人采用底部铰接点位置固定的形式，当运动平台在绕自身轴线旋转时需要支腿长度趋向于极限值，支腿之间距离更近易于发生干涉，支腿与铰链之间的摆角也会趋向于结构角度极限，从而导致其难以绕竖直轴线大角度旋转的问题，限制了并联机器人的运动空间。综上所述，现有技术存在的问题是：传统Stewart并联机器人动平台难以绕竖直轴线大角度旋转，限制了并联机器人的运动空间。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种6-PSS并联机构及位置正逆解方法。本专利技术是这样实现的，一种6-PSS并联机构，所述6-PSS并联机构设置有：六个沿圆形轨道精确运动的滑动模块；滑动模块由与圆形轨道外齿条啮合的小齿轮驱动；所述滑动模块通过伺服模块驱动的小齿轮与圆形轨道上的外齿条啮合绕圆形轨道运动。伺服模块由伺服电机和减速机组成，通过螺栓将其固定在滑动模块中的U型固定板上。滑动模块用来支撑底部球铰的安装；伺服模块驱动小齿轮，使与之连接的滑动模块在圆形轨道上运动。所述滑动模块通过球铰与连杆下端连接；所述连杆的上端通过球铰与运动平台相连。进一步，圆形轨道上设置有六个滑动模块；每个滑动模块通过由伺服电机带动的小齿轮与圆形轨道外齿条啮合驱动；每个滑动模块通过球铰与固定长度的连杆下端相连接，每根连杆的上端通过球铰与运动平台相连；所述滑动模块包括伺服电机、与伺服电机相连接的减速机和小齿轮、U型固定板、两个滑块；所述滑块通过螺钉与U型固定板连接；所述伺服电机、减速机、小齿轮安装在U型固定板上；小齿轮与圆形轨道底座的外圆齿条啮合形成齿轮副，齿轮副由伺服电机和减速机驱动；所述连杆两端通过球铰与运动平台和滑块连接。本专利技术的另一目的在于提供一种所述6-PSS并联机构的运动学逆解方法，所述运动学逆解方法包括：并联机构的位置逆解是给定运动平台的位姿，求输入构件的位置。对本专利技术中的并联机构进行位置逆解求解是已知运动平台的位姿，求基座球铰的位置。(1)求基座球铰的位置相当于求解基座球铰中心与全局坐标系原点连线和全局坐标系X轴形成的夹角：利用机构参数求得基座球铰位置如下：式中，xi、yi、zi为6个运动平台铰接点在全局坐标系中的坐标(i＝1,2,…,6)，R为基座铰接点中心所在圆的半径，L为连杆长度，atan2是四象限反正切函数。(2)由上式可知每一个基座球铰对应的位置有两个值，这与机构的初始位置有关。在初始位姿时，上平台的坐标系OP-XPYPZP和固定坐标系OB-XBYBZB重合，铰接点B1、B3、B5对应的夹角大于铰接点P1、P3、P5在基座铰接点中心圆上的投影点对应的夹角，由此可得基座球铰位置如下：同理得：进一步，所述运动学正解方法包括：与位置逆解相反，位置正解是给定输入构件的位置，求运动平台的位姿。对本专利技术中的六自由度并联机构进行位置正解计算是给定基座球铰的位置θi，求解运动平台的位姿：P＝(xyzαβγ)T。通过运动学逆解方程求出雅克比矩阵J如下：由雅克比矩阵的定义可知其是由输入构件传向输出构件的速度比，即：Vp＝JVθ。式中，Vp为输出构件广义速度，Vθ为输入构件广义速度，J为关于输入构件的雅克比矩阵。由上式求得输出构件广义速度和输出构件广义速度关系为：Vθ＝J-1Vp＝MVp。式中M为雅克比矩阵J的逆矩阵。将等式两边同时乘以时间得：P＝Mθ。此方程即为位置正解方程。给定运动平台的初始位姿P0＝(x0y0z0α0β0γ0)T，根据位置逆解方程求出基座球铰中心与全局坐标系原点连线和全局坐标系X轴形成的夹角θ0＝(θ1，0θ2，0θ3，0θ4，0θ5，0θ6，0)T，并将其设置基座球铰的初始位置。给出一组待求解基座球铰位置θ＝[θ1θ2θ3θ4θ5θ6]T，计算基座球铰位置变化量Δθ0＝θ-θ0。给定位置误差ε＝10-10，判断位置误差Δθ0的模值是否小于位置误差ε,若满足条件则输出运动平台位姿为P0，若不满足条件则继续进行下一次迭代。由位置正解方程可得动平台位姿变化量为：ΔP0＝M0Δθ0。此时P1＝P0+ΔP0，将P1代入位置逆解方程求得此位姿下基座球铰位置θ1，令Δθ1＝θ-θ1，判断位置误差Δθ1的模值是否满足条件，同上，若满足条件则输出运动平台位姿为P1，不满足条件则继续迭代。以此类推，直至n次迭代后满足位置误差条件，输出此时运动平台的位姿Pn,完成位置正解计算。本专利技术的另一目的在于提供一种所述6-PSS并联机构形式的三自由度并联机构，其特征在于，所述三自由度并联机构安装有三组滑动机构和三个连杆。本专利技术的另一目的在于提供一种所述6-PSS并联机构形式的四自由度并联机构，其特征在于，所述四自由度并联机构安装有四组滑动机构和四个连杆。本专利技术的另一目的在于提供一种所述6-PSS并联机构形式的五自由度并联机构，其特征在于，所述五自由度并联机构安装有五组滑动机构和五个连杆。本专利技术的另一目的在于提供一种安装有所述6-PSS并联机构的飞行器姿态控制器。本专利技术的另一目的在于提供一种安装有所述6-PSS并联机构的轻型雷达天线。本专利技术提供了一种新型六自由度并联机构，同传统Stewart并联机构相比，该机构的主要创新点在于将基座铰接点安装在可以运动的滑动模块上。通过伺服电机驱动，使固定在滑动模块上的基座铰接点的位置发生改变，从而使该并联机构能够完成传统Stewart并联机构实现的六自由度运动，即沿三个轴线方向的直线运动以及绕三个轴线的旋转运动。传统Stewart并联机构由于结构限制绕Z轴的旋转角度很难达到180度。而该新型并联机构的显著特点是基座铰接点位置可以改变，当六个伺服电机以相同的转速驱动时，可以使运动平台在不同位姿下绕竖直轴线旋转任意角度，提高机构运动灵活性。附图说明图1是本专利技术实施例提供的6-PSS并联机构结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的滑动模块及驱动原理的示意图；图3是本专利技术实施例提供的圆形轨道外侧的齿条示意图；图4是本专利技术实施例提供的新型6-PSS并联机构位置正逆解计算示意图；图中：1、圆形轨道；2、滑动模块；3、连杆；4、运动平台；5、上平台球铰；6、齿轮轴；7、滑块；8、基座球铰；9、伺服电机；10、减速机；11、小齿轮；12、U型固定板；13、轨道外齿条。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种6‑PSS并联机构，其特征在于，所述6‑PSS并联机构设置有：

【技术特征摘要】
1.一种6-PSS并联机构，其特征在于，所述6-PSS并联机构设置有：六个沿圆形轨道滑动的滑动模块；滑动模块由与圆形轨道外齿条啮合的小齿轮驱动；所述滑动模块通过球铰与连杆下端连接；所述连杆的上端通过球铰与运动平台相连。2.如权利要求1所述的6-PSS并联机构，其特征在于，所述6-PSS并联机圆形轨道上设置有六个滑动模块；每个滑动模块通过由伺服电机驱动的小齿轮与圆形轨道外齿条的啮合运动驱动；每个滑动模块通过球铰与固定长度的连杆下端相连接，每根连杆的上端通过球铰与运动平台相连；所述滑动模块包括伺服电机、与伺服电机相连接的减速机和小齿轮、U型固定板、两个滑块；所述滑块通过螺钉与U型固定板连接；所述伺服电机、减速机、小齿轮安装在U型固定板上；小齿轮与圆形轨道底座的外圆齿条啮合形成齿轮副，齿轮副由伺服电机和减速机驱动；所述连杆两端通过球铰与运动平台和滑动模块连接。3.一种如权利要求1所述6-PSS并联机构的位置逆解方法，其特征在于，所述位置逆解方法包括：并联机构的位置逆解是给定运动平台的位姿，求输入构件的位置；对本发明中的并联机构进行位置逆解求解是已知运动平台的位姿，求基座球铰的位置；(1)求基座球铰的位置相当于求解基座球铰中心与全局坐标系原点连线和全局坐标系X轴形成的夹角；利用机构参数求得基座球铰位置如下：式中，xi、yi、zi为6个运动平台铰接点在全局坐标系中的坐标(i＝1,2,…,6)，R为基座铰接点中心所在圆的半径，L为连杆长度，atan2是四象限反正切函数；(2)由上式可知每一个基座球铰对应的位置有两个值，这与机构的初始位置有关；在初始位姿时，上平台的坐标系OP-XPYPZP和固定坐标系OB-XBYBZB重合，铰接点B1、B3、B5对应的夹角大于铰接点P1、P3、P5在基座铰接点中心圆上的投影点对应的夹角，由此可得基座球铰位置如下：同理得：4.如权利要求1所述的6-PSS并联机构的位置正解方法，其特征在于，所述位置正解方法包括：与位置逆解相反，运动学正解是给定输入构件的位置，求运动平台的位姿；对本发明中的六自由度并联机构进行位置正解...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡圣鑫，段学超，徐存存，吴小川，李炳川，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61