三自由度并联机构的姿态角控制方法技术

本发明专利技术实施例提供三自由度并联机构的姿态角控制方法，包括：以动平台上铰接点所在圆的中心处建立体坐标系Ob‑XbYbZb，并在大地上建立固定的参考坐标系Op‑XpYpZp，并联机构处于工作初始位置时体坐标系与参考坐标系重合；应用体坐标系相对与参考坐标系的广义坐标来描述所述动平台的姿态，所述广义坐标包括三个欧拉角，三个所述欧拉角为横摇角、纵摇角和偏航角；获取体坐标系相对与参考坐标系的旋转矩阵；并获取所述动平台在体坐标系中角速度、角加速度与欧拉角导数之间的关系；根据期望的姿态角，获得所述动平台的平动位移；依据所述动平台的姿态角和平动位移，运用运动学反解方法，获得并联结构中各个所述作动器的运动规律。

Attitude angle control method of three degree of freedom parallel mechanism

The embodiment of the invention provides a method for controlling the attitude angle of a three-degree-of-freedom parallel mechanism, including: establishing a body coordinate system Ob_XbYbZb at the center of the circle where the articulation points on the moving platform are, and establishing a fixed reference coordinate system Op_XpYpZp on the earth, and coinciding the body coordinate system with the reference coordinate system when the parallel mechanism is in its initial position; The attitude of the moving platform is described by using the generalized coordinates of the body coordinate system relative to the reference coordinate system. The generalized coordinates include three Euler angles, which are roll angle, pitch angle and yaw angle, obtain the rotation matrix of the body coordinate system relative to the reference coordinate system, and obtain the moving platform in the body coordinate system. The relationship between angular velocity, angular acceleration and Euler angle derivatives, the translation displacement of the moving platform is obtained according to the desired attitude angle, and the motion law of the actuators in the parallel structure is obtained by using the inverse kinematics method according to the attitude angle and translation displacement of the moving platform.

【技术实现步骤摘要】
三自由度并联机构的姿态角控制方法
本专利技术涉及三自由度摇摆试验台的领域，具体而言，涉及一种三自由度并联机构的姿态角控制方法。
技术介绍
多自由度摇摆试验台包括并联机构和串联机构，并联机构具有刚度大、承载能力大、积累误差大、动态特性好、结构紧凑等特点，近年来广泛应用于模拟战机、机床、机器人等方面。并联机构各零件结构复杂，运动关系复杂，导致并联机构的姿态控制困难，难以满足预期的运动需求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提供一种三自由度并联机构的姿态角控制方法，以改善现有技术中并联机构的姿态控制困难且精度低的问题。本专利技术较佳实施例提供了：三自由度并联机构的姿态角控制方法，所述并联机构包括三组作动器、三组支撑杆和动平台，三组所述作动器的一端分别与所述动平台铰接，三组所述作动器的另一端分别与地基或者所述支撑杆铰接；三组所述支撑杆的一端分别与地基铰接，三组所述作动器的另一端分别与所述动平台或者所述作动器铰接；控制方法包括：以动平台上铰接点所在圆的中心处建立体坐标系Ob-XbYbZb，并在大地上建立固定的参考坐标系Op-XpYpZp，并联机构处于工作初始位置时体坐标系与参考坐标系重合；应用体坐标系相对与参考坐标系的广义坐标来描述所述动平台的姿态，所述广义坐标包括三个欧拉角，三个所述欧拉角为横摇角、纵摇角和偏航角；获取体坐标系相对与参考坐标系的旋转矩阵；并获取所述动平台在体坐标系中角速度、角加速度与欧拉角导数之间的关系；根据期望的姿态角，获得所述动平台的平动位移；依据所述动平台的姿态角和平动位移，运用运动学反解方法，获得并联结构中各个所述作动器的运动规律；三个所述作动器依据获得的运动规律进行运动。进一步的，所述并联机构处于工作初始位置时：所述作动器、所述支撑杆与所述动平台的上铰接点在同一平面内，且位于一个圆上；三个所述支撑杆的长度相同，且与所述地基的下铰接点位于一个圆上；所述下铰接点所在圆的圆心是动平台中心在地基上的垂直投影；三个所述作动器之一与所述地基平行，其余所述作动器与所述地基垂直。进一步的，采用ZYX型欧拉角来描述所述并联机构的姿态；体坐标系相对于参考坐标系的广义坐标表示为：q＝[q1,q2,q3,q4,q5,q6]T；q1、q2和q3依次表示为横摇角、纵摇角和偏航角，q4、q5和q6为体坐标系原点O1在参考坐标系中的坐标分量。进一步的，获取体坐标系相对与参考坐标系的旋转矩阵，具体包括：首先，绕OZ轴旋转偏航角q3，相应地OX转至OX′，OY转至OY′，此旋转对应的变换矩阵为R3，其中R3表示为：其次，绕OY′轴旋转纵摇角q2，相应地OZ转至OZ′，OX′转至OX1，对应的变换矩阵为R2，其中R2表示为：最后，绕OX1轴旋转横摇角q1，OY′转至OY1，OZ′转至OZ1，获得体坐标系O-X1Y1Z1，相应的变换矩阵为R1，其中R1表示为：式中，sqi表示为sin(qi)，i＝1,2,3；cqi表示为cos(qi)，i＝1,2,3；则体坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵为：根据权利要求3所述的三自由度并联机构的姿态角控制方法，其特征在于，获取所述动平台在体坐标系中角速度、角加速度与欧拉角导数之间的关系，具体包括：令X1、Y′和Z分别为OX1、OY′和OZ轴的单位矢量，根据角速度合成定理，获得体坐标系中所述动平台的角速度ωb为：其中，Y′＝cq1Y1-sq1Z1；Z＝-sq2X1+cq2Z'＝-sq2X1+cq2sq1Y1+cq2cq1Z1；进行坐标变换，获得体坐标系中所述动平台的角速度为：设qb＝[q1q2q3]T，则体坐标系中所述动平台的角速度进一步表示为：对体坐标系中所述动平台的角速度进行求导，获得体坐标系中所述动平台的角加速度εb，其中，εb表示为：式中，进一步的，根据期望的姿态角，获得所述动平台的平动位移，具体包括：将体坐标系相对参考坐标系的位移矢量表示为[q4q5q6]T，且欧拉角表示为[q1q2q3]T；将所述动平台的上铰接点在体坐标系中的坐标表示为ai＝[axiayiazi]T，并将其下铰接点在参考坐标系中的坐标表示为bi＝[bxibyibzi]T，其中i＝1～6，则上铰接点在参考坐标系中的矢量坐标表示为：gi＝Rai+c式中，gi表示为上铰接点在参考坐标系中的矢量坐标，gi＝[gxigyigzi]T，i＝1,2,…,6；c表示为体坐标系原点在参考坐标系中的矢量，c＝[q4q5q6]T；进而，所述支撑杆的长度约束方程为：式中，l4、l5、l6分别表示三个所述支撑杆的长度；基于所述支撑杆的长度约束方程，求解q4、q5、q6，进而获得所述动平台的平动位移；根据所述动平台的姿态角和平动位移，获得所述作动器的矢量为：li＝Rai-bi+c(i＝1,2,3)；进一步，所述支撑杆的矢量为：li＝Rai-bi+c(i＝4,5,6)。进一步的，依据所述动平台的姿态角和平动位移，运用运动学反解方法，获得并联结构中各个所述作动器的运动规律，具体包括：根据空间矢量关系，依据所述作动器的矢量与所述支撑杆的矢量，获得各个上铰接点的速度；并将上铰接点速度在所述作动器与所述支撑杆的方向上投影，获得所述作动器与所述支撑杆的伸缩速度；所述作动器包括活塞杆和缸筒，依据所述作动器或所述支撑杆中上铰接点的角速度、矢量以及加速度的关系，获得所述作动器的缸筒质心的加速度与活塞杆质心的加速度。本专利技术的有益效果是：通过建立体坐标系与参考坐标，并采用欧拉角来描述姿态，进而获得动平台的平动位移；最后依据动平台与平动位移，运用运动学反解的方法，获得作动器的运动规律。能够根据期望的姿态角，准确的控制作动器的运动，具有精度高、实时性好的优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术建立的体坐标系与参考坐标系处于工作初始位置时的结构示意图。图2为本专利技术中并联机构的姿态角定义示意图。图3是作动器的结构示意图。具体实施方式实施例中，并联机构包括三组作动器、三组支撑杆和动平台，三组作动器的一端分别与动平台铰接，三组作动器的另一端分别与地基或者支撑杆铰接；三组支撑杆的一端分别与地基铰接，三组作动器的另一端分别与动平台或者作动器铰接；并联机构处于工作初始位置时：作动器、支撑杆与动平台的上铰接点在同一平面内，且位于一个圆上；三个支撑杆的长度相同，且与地基的下铰接点位于一个圆上；下铰接点所在圆的圆心是动平台中心在地基上的垂直投影；三个作动器之一与地基平行，其余作动器与地基垂直。实施例中，三自由度并联机构的结构参数如表1表1三自由度并联机构的结构参数实例中，姿态角控制方法包括：参见图1所示，以动平台上铰接点所在圆的中心处建立体坐标系Ob-XbYbZb，并在大地上建立固定的参考坐标系Op-XpYpZp，并联机构处于工作初始位置时体坐标系与参考坐标系重合；应用体坐标系相对与参考坐标系的广义坐标来描述动平台的姿态，广义坐标包括三个欧拉角，三个欧拉角为横摇角、纵摇角和偏航角；获取体坐标系相对与参考坐标系的旋转矩阵；并获取动平台本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三自由度并联机构的姿态角控制方法，其特征在于，所述并联机构包括三组作动器、三组支撑杆和动平台，三组所述作动器的一端分别与所述动平台铰接，三组所述作动器的另一端分别与地基或者所述支撑杆铰接；三组所述支撑杆的一端分别与地基铰接，三组所述作动器的另一端分别与所述动平台或者所述作动器铰接；控制方法包括：以动平台上铰接点所在圆的中心处建立体坐标系Ob‑XbYbZb，并在大地上建立固定的参考坐标系Op‑XpYpZp，并联机构处于工作初始位置时体坐标系与参考坐标系重合；应用体坐标系相对与参考坐标系的广义坐标来描述所述动平台的姿态，所述广义坐标包括三个欧拉角，三个所述欧拉角为横摇角、纵摇角和偏航角；获取体坐标系相对与参考坐标系的旋转矩阵；并获取所述动平台在体坐标系中角速度、角加速度与欧拉角导数之间的关系；根据期望的姿态角，获得所述动平台的平动位移；依据所述动平台的姿态角和平动位移，运用运动学反解方法，获得并联结构中各个所述作动器的运动规律；三个所述作动器依据获得的运动规律进行运动。

【技术特征摘要】
1.三自由度并联机构的姿态角控制方法，其特征在于，所述并联机构包括三组作动器、三组支撑杆和动平台，三组所述作动器的一端分别与所述动平台铰接，三组所述作动器的另一端分别与地基或者所述支撑杆铰接；三组所述支撑杆的一端分别与地基铰接，三组所述作动器的另一端分别与所述动平台或者所述作动器铰接；控制方法包括：以动平台上铰接点所在圆的中心处建立体坐标系Ob-XbYbZb，并在大地上建立固定的参考坐标系Op-XpYpZp，并联机构处于工作初始位置时体坐标系与参考坐标系重合；应用体坐标系相对与参考坐标系的广义坐标来描述所述动平台的姿态，所述广义坐标包括三个欧拉角，三个所述欧拉角为横摇角、纵摇角和偏航角；获取体坐标系相对与参考坐标系的旋转矩阵；并获取所述动平台在体坐标系中角速度、角加速度与欧拉角导数之间的关系；根据期望的姿态角，获得所述动平台的平动位移；依据所述动平台的姿态角和平动位移，运用运动学反解方法，获得并联结构中各个所述作动器的运动规律；三个所述作动器依据获得的运动规律进行运动。2.根据权利要求1所述的三自由度并联机构的姿态角控制方法，其特征在于，所述并联机构处于工作初始位置时：所述作动器、所述支撑杆与所述动平台的上铰接点在同一平面内，且位于一个圆上；三个所述支撑杆的长度相同，且与所述地基的下铰接点位于一个圆上；所述下铰接点所在圆的圆心是动平台中心在地基上的垂直投影；三个所述作动器之一与所述地基平行，其余所述作动器与所述地基垂直。3.根据权利要求2所述的三自由度并联机构的姿态角控制方法，其特征在于，采用ZYX型欧拉角来描述所述并联机构的姿态；体坐标系相对于参考坐标系的广义坐标表示为：q＝[q1,q2,q3,q4,q5,q6]T；q1、q2和q3依次表示为横摇角、纵摇角和偏航角，q4、q5和q6为体坐标系原点O1在参考坐标系中的坐标分量。4.根据权利要求3所述的三自由度并联机构的姿态角控制方法，其特征在于，获取体坐标系相对与参考坐标系的旋转矩阵，具体包括：首先，绕OZ轴旋转偏航角q3，相应地OX转至OX′，OY转至OY′，此旋转对应的变换矩阵为R3，其中R3表示为：其次，绕OY′轴旋转纵摇角q2，相应地OZ转至OZ′，OX′转至OX1，对应的变换矩阵为R2，其中R2表示为：最后，绕OX1轴旋转横摇角q1，OY′转至OY1，OZ′转至OZ1，获得体坐标系O-X1Y1Z1，相应的变换矩阵为R1，其中R1表示为：式中，sqi表示为sin(qi)，i＝1,2,3；cqi表示为cos(qi)...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒天艺，王华，舒涛，徐静，
申请(专利权)人：舒天艺，
类型：发明
国别省市：福建,35