文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)虛擬體驗(yàn)動(dòng)感平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

陶 永，高 彭，熊禾根，胡 磊，楊洪濤

（北京航空航天大學(xué)，北京 100091）

文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)虛擬體驗(yàn)動(dòng)感平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

陶 永，高 彭，熊禾根，胡 磊，楊洪濤

（北京航空航天大學(xué)，北京 100091）

針對(duì)文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)的虛擬體驗(yàn)和虛擬環(huán)境需求，設(shè)計(jì)了一種由Stewart平臺(tái)演變而來(lái)的6自由度虛擬體驗(yàn)動(dòng)感平臺(tái)，在其簡(jiǎn)化后的并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)基礎(chǔ)上，添加顯示與操作裝置，進(jìn)而通過(guò)ADAMS軟件對(duì)該動(dòng)感平臺(tái)中心點(diǎn)進(jìn)行了關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置與運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)了該虛擬體驗(yàn)動(dòng)感平臺(tái)在不同場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化，為其位置控制、速度控制奠定了基礎(chǔ)，驗(yàn)證了該平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制的有效性。

動(dòng)感平臺(tái)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)；ADAMS；運(yùn)動(dòng)軌跡

0　引言

隨著人類需求與技術(shù)的發(fā)展，虛擬體驗(yàn)技術(shù)逐漸變成熱門，其可以使體驗(yàn)者在安全環(huán)境下體驗(yàn)更真實(shí)刺激的環(huán)境感受。而在虛擬體驗(yàn)裝置的研究中，對(duì)于串并聯(lián)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的學(xué)習(xí)更是越來(lái)越廣泛。

本文針對(duì)某文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)的虛擬體驗(yàn)和虛擬環(huán)境需求，研究設(shè)計(jì)了一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的虛擬體驗(yàn)裝置-動(dòng)感平臺(tái)。在動(dòng)感平臺(tái)的相關(guān)研究中，其有二自由度、三自由度和六自由度。其中，二自由度和三自由度，其位姿變化較少，在空間上受到一定限制，而六自由度動(dòng)感平臺(tái)，基于Stewart平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下、左右、前后的位置變化。

在驅(qū)動(dòng)形式上多為傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)，其液壓系統(tǒng)造價(jià)高，且對(duì)環(huán)境易產(chǎn)生污染，且其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)連接處采用胡克鉸，會(huì)導(dǎo)致一定的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型結(jié)構(gòu)的虛擬體驗(yàn)動(dòng)感平臺(tái)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

1　動(dòng)感平臺(tái)的總體方案

本文提出的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)感平臺(tái)虛擬體驗(yàn)裝置，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：由顯示裝置、操作裝置、移動(dòng)平臺(tái)（上平臺(tái)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)桿）、固定平臺(tái)、控制系統(tǒng)六部分組成。其中，通電模擬軟件運(yùn)行后，經(jīng)過(guò)顯示裝置將虛擬體驗(yàn)?zāi)M畫面顯示出來(lái)，體驗(yàn)者位于上平臺(tái)，體驗(yàn)者根據(jù)不同虛擬場(chǎng)景（如汽車或過(guò)山車等場(chǎng)景）做出不同的控制動(dòng)作，并通過(guò)對(duì)位于上平臺(tái)上的操作裝置進(jìn)行操控。驅(qū)動(dòng)桿會(huì)根據(jù)不同場(chǎng)景來(lái)改變其伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度、速度、加速度等來(lái)改變上平臺(tái)位姿，使虛擬體驗(yàn)達(dá)到更好的效果。

圖1　動(dòng)感平臺(tái)并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示，動(dòng)感平臺(tái)簡(jiǎn)化為Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)后如圖3所示，由上下平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)桿組成。為了增強(qiáng)體驗(yàn)者的模擬感受及機(jī)構(gòu)可靠性，設(shè)置上平臺(tái)為如圖2所示的結(jié)構(gòu)，上平臺(tái)中間下凹，保證運(yùn)動(dòng)空間的前提下，有效的降低了上平臺(tái)重心，可以有效的降低位于體驗(yàn)裝置上體驗(yàn)者的重心。

圖2　并聯(lián)機(jī)構(gòu)上平臺(tái)

圖3　動(dòng)感平臺(tái)總體方案

移動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)由電動(dòng)伸縮缸連接，在連接處由兩個(gè)虎克鉸，和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別與移動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)連接，其連接裝置如圖4所示。驅(qū)動(dòng)桿（電動(dòng)伺服缸）與移動(dòng)平臺(tái)的連接由萬(wàn)向鉸和由兩個(gè)深溝球軸承和兩個(gè)止推軸承、軸、軸套組成，形成球鉸，保證了運(yùn)動(dòng)的靈活性。其關(guān)節(jié)剖視圖如圖5所示。

圖4　轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)

圖5　轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)剖視圖

2　動(dòng)感平臺(tái)的控制系統(tǒng)

對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用電動(dòng)缸的方式，采用伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，可以提高動(dòng)感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度。單個(gè)伺服電動(dòng)缸，如圖6所示，其中伺服電動(dòng)缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)-精確轉(zhuǎn)速控制，精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成-精確速度控制，精確位置控制等，且可以提供非常靈活的安裝配置。

圖6　單個(gè)伺服電動(dòng)缸

對(duì)于動(dòng)感平臺(tái)自由度及機(jī)構(gòu)逆解的計(jì)算：

由自由度計(jì)算公式：

在式(1)中，q為機(jī)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的全部自由度個(gè)數(shù)，在空間機(jī)構(gòu)中q等于6。n為機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)；Ni表示自由度為i的運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)。在所設(shè)計(jì)虛擬體驗(yàn)裝置動(dòng)感平臺(tái)中，根據(jù)公式，計(jì)算可得：F=6。

對(duì)于動(dòng)感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)逆解的計(jì)算，因?yàn)楸緞?dòng)感平臺(tái)是基于Stewart平臺(tái)的機(jī)構(gòu)模型，其中，Stewart平臺(tái)一般是由負(fù)載平臺(tái)和固定平臺(tái)與鉸副連接六個(gè)伸縮桿移動(dòng)副構(gòu)成。首先建立模型的坐標(biāo)系，其運(yùn)動(dòng)逆解是已知移動(dòng)平臺(tái)的位姿即三個(gè)線性坐標(biāo)參量(x,y,z)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)參量求解平臺(tái)六個(gè)電動(dòng)缸的長(zhǎng)度q。

如圖6所示，在移動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)上選擇OA和OB作為參考點(diǎn)，然后以這兩個(gè)參考點(diǎn)分別建立笛卡爾坐標(biāo)系{A}和{B}，移動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系A(chǔ)的原點(diǎn)設(shè)為P，P點(diǎn)在固定平臺(tái)B中的坐標(biāo)向量為P=[xp,yp,zp]T，所以，移動(dòng)平臺(tái)的位姿用橫滾，俯仰，偏轉(zhuǎn)歐拉角表示為。移動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系A(chǔ)相對(duì)于固定平臺(tái)坐標(biāo)系B的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

對(duì)于動(dòng)感平臺(tái)設(shè)計(jì)中，移動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)之間的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸來(lái)說(shuō)，作為驅(qū)動(dòng)伸縮桿，對(duì)其建立一個(gè)閉環(huán)向量表達(dá)式如下：

其中，i=1,2,…,6。

其中，i=1,2,…,6。

在公式中Bbi，Aai為已知量，所以根據(jù)相應(yīng)參數(shù)可求得驅(qū)動(dòng)伸縮桿即電動(dòng)缸的長(zhǎng)度，從而求得基于Stewart動(dòng)感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。

圖7　動(dòng)感平臺(tái)原理圖

3　仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)以上虛擬體驗(yàn)裝置動(dòng)感平臺(tái)的簡(jiǎn)化，可得到其簡(jiǎn)化模型為Stewart平臺(tái)，進(jìn)而對(duì)Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行模擬仿真。將模型簡(jiǎn)圖，如圖8所示，導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置上平臺(tái)中心點(diǎn)為原點(diǎn)。

圖8　動(dòng)感體驗(yàn)平臺(tái)的ADAMS模型簡(jiǎn)圖

在虛擬體驗(yàn)裝置動(dòng)感平臺(tái)中，為了更真實(shí)的體驗(yàn)?zāi)M環(huán)境，我們可設(shè)置平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)曲線，并在ADAMS軟件中進(jìn)行仿真，在平臺(tái)的中心點(diǎn)處設(shè)置marker點(diǎn)，在空間中，其可以有x，y，z三個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)，和分別繞x，y，z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，在marker點(diǎn)處設(shè)置motion。

場(chǎng)景一：為其添加運(yùn)動(dòng)方程使平臺(tái)以正弦或者余弦的形式，（如：ABS(440×sin(2×pi×time))）上下運(yùn)動(dòng)，可以得到其中心marker點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線，在仿真運(yùn)動(dòng)所設(shè)置的時(shí)間5s內(nèi)，其沿z軸運(yùn)動(dòng)的位置，速度，加速度路線圖如圖9所示，以及其中的電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿質(zhì)心處分別在x，y，z方向上以及其矢量和的運(yùn)動(dòng)曲線如圖10所示。

圖9　上平臺(tái)中心點(diǎn)沿z軸運(yùn)動(dòng)圖

圖10　電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿質(zhì)心位置變化

場(chǎng)景二：當(dāng)上平臺(tái)以正弦函數(shù)運(yùn)動(dòng)形式：sin（2×pi×time）進(jìn)行繞x軸的轉(zhuǎn)擺時(shí)，可在ADAMS仿真里得到各個(gè)電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在坐標(biāo)系下的矢量和，如圖11所示。

圖11　電動(dòng)伺服缸各驅(qū)動(dòng)桿質(zhì)心位置變化

場(chǎng)景三：進(jìn)行兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的融合，即上平臺(tái)以運(yùn)動(dòng)方程ABS( 440×sin（2×pi×time）)的形式沿marker點(diǎn)的z軸向上運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)使上平臺(tái)以運(yùn)動(dòng)方程sin（2×pi×time）的形式繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以得到六個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的位移曲線如下圖所示：其中圖12為電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿1，2的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線矢量圖，圖13為電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿3，4的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線矢量圖，圖14為電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿5，6的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線矢量圖。

圖12　電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿1,2的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線

圖13　電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿3,4的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線

圖14　電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)桿5,6的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線

4　結(jié)論

通過(guò)ADAMS/PostProcesser功能模塊，得到動(dòng)感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而對(duì)輸出數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以及結(jié)合對(duì)動(dòng)感平臺(tái)運(yùn)動(dòng)反解的求取，從而對(duì)動(dòng)感平臺(tái)在不同場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行更精確的控制，以便達(dá)到更真實(shí)的虛擬體驗(yàn)效果。

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TAO Yong, GAO Peng, XIONG He-gen, HU Lei, YANG Hong-tao

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A

1009-0134(2016)07-0030-04

2016-04-29

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題：大型文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)技術(shù)集成與應(yīng)用示范（2013BAH45F00）

陶永（1979 -），男，河北新樂(lè)人，工學(xué)博士，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人柔性機(jī)械臂技術(shù)、嵌入式機(jī)電控制技術(shù)與飛機(jī)柔性裝配制造技術(shù)。