[发明专利]适于大角度复合姿态运动的多自由度运动平台及其运动控制反解方法

说明书

本发明提供一种适于大角度复合姿态运动的多自由度运动平台及其运动控制反解方法，其中运动平台包括：上平台；下平台；多个并联式设计的电动缸；每个电动缸配两个虎克铰，一个为折弯型虎克铰，另一个为立式虎克铰；每个电动缸的导杆末端的第一曲柄通过折弯型虎克铰铰接到上平台；每个电动缸的缸体底部的第二曲柄通过立式虎克铰铰接到下平台。本发明提出的多自由度运动平台，通过平台位置姿态以及折弯型虎克铰的底座的转轴旋转中心确定出折弯型虎克铰与电动缸的导杆末端的旋转中心的位置，实现对旋转中心、导杆以及铰接件的位置限定，避免控制过程不正确使得运动平台进入位置奇异的严重后果，造成整个运动平台结构性故障，产生严重的安全问题。

技术领域

本发明涉及多自由度运动平台技术领域，具体而言涉及一种适于大角度复合姿态运动的多自由度运动平台及其运动控制反解方法。

背景技术

多自由度运动平台是广泛应用在驾驶仿真领域，尤其是车辆驾驶模拟仿真(装甲车、坦克等)和飞行模拟仿真，基于六自由度运动平台模拟出一个人车路的闭环仿真系统，主要包括视景模拟显示系统、声感模拟反馈系统、体感模拟反馈系统以及驾驶对象的动力学模型。在飞行模拟仿真中还设计有操纵负荷模拟系统用来模拟力感反馈。驾驶模拟系统通过半实物仿真的方式进行训练模拟、性能分析和评价等，准确模拟驾驶操纵，获得实车、飞机的驾驶操纵感觉，对于人员的培训和评价具有重要的意义。

在这些驾驶仿真模拟系统中通常采用电动缸来设计多自由度的运动系统，实现给驾驶员的体感反馈，驾驶舱、油门踏板、方向盘、变速箱档位杆等操纵器安装在六自由度平台的上平台上，六自由度平台的典型结构如图1A所示，多个电动缸布置在上平台和下平台之间，其中电动缸端部的曲柄与上平台通过立式虎克铰之间铰接，电动缸的底部同样与下平台上的立式虎克铰铰接连接，通过电动缸的伸缩直线运动实现上下平台之间的多自由度运动操作。

在实际平台运动过程中，立式虎克铰在复合姿态角运动时会产生导杆自转效应，实际运行过程中由于导杆及虎克铰转轴无法进行相应的快速旋转，导致虎克铰破坏，结合图1B测试了周期为4s的25°复合摇摆动作时的虎克铰轴自转角速度，采用立式虎克铰的六自由度平台在复合姿态角运动过程中，导杆急速自转引起了结构破坏，如图1C所示为由于导杆自转效应引起的虎克铰塑性弯曲破坏的实际效果。为此我们提出一种采用斜面垫块来改善电动缸导杆急速自转效应带来的铰接件塑性弯曲破坏的问题，如图2A的结构设计中，在上铰接点的位置均设置一个30°的斜面垫块，立式虎克铰安装在斜面上，通过2B的测试结果可见通过增加的斜面垫块明显改善导杆急速自转效应带来的问题，立式虎克铰轴自转角速度大致平稳，而且斜面角度越大改善效果越好。但在实施过程中我们发现，上述设计对小角度的25°复合摇摆动作的改善是有效的，在40°以内基本上不会发生干涉，但在60°的复合摇摆动作过程中，仍然可能导致系统干涉，结合图3A-3C所示，通过3C的测试可见，在60°的复合摇摆动作时不仅可能产生干涉，而且虎克铰轴自转角速度仍然出现较大的急速变化，这是不希望看到的。

在现有技术的六自由度平台的典型结构的设计中，除了通过立式虎克铰进行电动缸的上下平台的铰接连接外，还采用卧式虎克铰进行铰接连接，如图4所示，但卧式虎克铰的连接方式的并联运动平台的运动范围有限，还会导致在复合姿态角运动时，尤其是在大运动角度时，铰接件之间容易出现干涉问题。

现有技术文献：

专利文献1：CN211479367U装甲车动态模拟运动平台

专利文献2：CN110107599A一种用于电动六自由度运动平台的虎克铰链结构

学位论文：谢潇：基于虚拟现实的六自由度驾驶模拟仿真系统开发

发明内容

本发明目的在于提供一种适于大角度复合姿态运动的多自由度运动平台，采用改进的折弯型虎克铰结构连接电动缸与上平台之间的铰接关系，解决现有技术中采用卧式虎克铰在运动角度大时的干涉问题，以及采用立式虎克铰在复合姿态角运动时导杆急速自转引起的结构破坏问题