文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)虛擬體驗動感平臺的結(jié)構(gòu)設計與仿真

陶 永，高 彭，熊禾根，胡 磊，楊洪濤

（北京航空航天大學，北京 100091）

文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)虛擬體驗動感平臺的結(jié)構(gòu)設計與仿真

陶 永，高 彭，熊禾根，胡 磊，楊洪濤

（北京航空航天大學，北京 100091）

針對文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)的虛擬體驗和虛擬環(huán)境需求，設計了一種由Stewart平臺演變而來的6自由度虛擬體驗動感平臺，在其簡化后的并聯(lián)機構(gòu)平臺基礎上，添加顯示與操作裝置，進而通過ADAMS軟件對該動感平臺中心點進行了關鍵參數(shù)設置與運動仿真，實現(xiàn)了該虛擬體驗動感平臺在不同場景下的運動軌跡優(yōu)化，為其位置控制、速度控制奠定了基礎，驗證了該平臺結(jié)構(gòu)設計和運動控制的有效性。

動感平臺；并聯(lián)機構(gòu)；ADAMS；運動軌跡

0　引言

隨著人類需求與技術的發(fā)展，虛擬體驗技術逐漸變成熱門，其可以使體驗者在安全環(huán)境下體驗更真實刺激的環(huán)境感受。而在虛擬體驗裝置的研究中，對于串并聯(lián)等運動機構(gòu)的學習更是越來越廣泛。

本文針對某文化主題園區(qū)創(chuàng)意展示系統(tǒng)的虛擬體驗和虛擬環(huán)境需求，研究設計了一種基于并聯(lián)機構(gòu)的虛擬體驗裝置-動感平臺。在動感平臺的相關研究中，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，而六自由度動感平臺，基于Stewart平臺，可以實現(xiàn)運動機構(gòu)的上下、左右、前后的位置變化。

在驅(qū)動形式上多為傳統(tǒng)液壓驅(qū)動，其液壓系統(tǒng)造價高，且對環(huán)境易產(chǎn)生污染，且其運動機構(gòu)上下平臺連接處采用胡克鉸，會導致一定的運動不平穩(wěn)等。在此基礎上，根據(jù)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點，設計一種新型結(jié)構(gòu)的虛擬體驗動感平臺，并進行運動仿真。

1　動感平臺的總體方案

本文提出的六自由度并聯(lián)機構(gòu)動感平臺虛擬體驗裝置，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：由顯示裝置、操作裝置、移動平臺（上平臺）、執(zhí)行機構(gòu)（驅(qū)動桿）、固定平臺、控制系統(tǒng)六部分組成。其中，通電模擬軟件運行后，經(jīng)過顯示裝置將虛擬體驗模擬畫面顯示出來，體驗者位于上平臺，體驗者根據(jù)不同虛擬場景（如汽車或過山車等場景）做出不同的控制動作，并通過對位于上平臺上的操作裝置進行操控。驅(qū)動桿會根據(jù)不同場景來改變其伸長的長度、速度、加速度等來改變上平臺位姿，使虛擬體驗達到更好的效果。

圖1　動感平臺并聯(lián)機構(gòu)整體設計

移動平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，動感平臺簡化為Stewart并聯(lián)機構(gòu)平臺后如圖3所示，由上下平臺和驅(qū)動桿組成。為了增強體驗者的模擬感受及機構(gòu)可靠性，設置上平臺為如圖2所示的結(jié)構(gòu)，上平臺中間下凹，保證運動空間的前提下，有效的降低了上平臺重心，可以有效的降低位于體驗裝置上體驗者的重心。

圖2　并聯(lián)機構(gòu)上平臺

圖3　動感平臺總體方案

移動平臺和固定平臺由電動伸縮缸連接，在連接處由兩個虎克鉸，和轉(zhuǎn)動關節(jié)分別與移動平臺和固定平臺連接，其連接裝置如圖4所示。驅(qū)動桿（電動伺服缸）與移動平臺的連接由萬向鉸和由兩個深溝球軸承和兩個止推軸承、軸、軸套組成，形成球鉸，保證了運動的靈活性。其關節(jié)剖視圖如圖5所示。

圖4　轉(zhuǎn)動關節(jié)

圖5　轉(zhuǎn)動關節(jié)剖視圖

2　動感平臺的控制系統(tǒng)

對于并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)的設計，采用電動缸的方式，采用伺服電動缸驅(qū)動上平臺運動，可以提高動感平臺的運動精度。單個伺服電動缸，如圖6所示，其中伺服電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，同時將伺服電機最佳優(yōu)點-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　單個伺服電動缸

對于動感平臺自由度及機構(gòu)逆解的計算：

由自由度計算公式：

在式(1)中，q為機構(gòu)中每個構(gòu)件的全部自由度個數(shù)，在空間機構(gòu)中q等于6。n為機構(gòu)構(gòu)件數(shù)；Ni表示自由度為i的運動副的個數(shù)。在所設計虛擬體驗裝置動感平臺中，根據(jù)公式，計算可得：F=6。

對于動感平臺的運動逆解的計算，因為本動感平臺是基于Stewart平臺的機構(gòu)模型，其中，Stewart平臺一般是由負載平臺和固定平臺與鉸副連接六個伸縮桿移動副構(gòu)成。首先建立模型的坐標系，其運動逆解是已知移動平臺的位姿即三個線性坐標參量(x,y,z)和三個旋轉(zhuǎn)坐標參量求解平臺六個電動缸的長度q。

如圖6所示，在移動平臺和固定平臺上選擇OA和OB作為參考點，然后以這兩個參考點分別建立笛卡爾坐標系{A}和{B}，移動平臺坐標系A的原點設為P，P點在固定平臺B中的坐標向量為P=[xp,yp,zp]T，所以，移動平臺的位姿用橫滾，俯仰，偏轉(zhuǎn)歐拉角表示為。移動平臺坐標系A相對于固定平臺坐標系B的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

對于動感平臺設計中，移動平臺和固定平臺之間的驅(qū)動電動缸來說，作為驅(qū)動伸縮桿，對其建立一個閉環(huán)向量表達式如下：

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)相應參數(shù)可求得驅(qū)動伸縮桿即電動缸的長度，從而求得基于Stewart動感平臺的運動學反解。

圖7　動感平臺原理圖

3　仿真實驗驗證

通過對以上虛擬體驗裝置動感平臺的簡化，可得到其簡化模型為Stewart平臺，進而對Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺進行模擬仿真。將模型簡圖，如圖8所示，導入ADAMS中，設置上平臺中心點為原點。

圖8　動感體驗平臺的ADAMS模型簡圖

在虛擬體驗裝置動感平臺中，為了更真實的體驗模擬環(huán)境，我們可設置平臺的運動曲線，并在ADAMS軟件中進行仿真，在平臺的中心點處設置marker點，在空間中，其可以有x，y，z三個方向的平移運動，和分別繞x，y，z方向的轉(zhuǎn)動，在marker點處設置motion。

場景一：為其添加運動方程使平臺以正弦或者余弦的形式，（如：ABS(440×sin(2×pi×time))）上下運動，可以得到其中心marker點運動曲線，在仿真運動所設置的時間5s內(nèi)，其沿z軸運動的位置，速度，加速度路線圖如圖9所示，以及其中的電動伺服缸驅(qū)動桿質(zhì)心處分別在x，y，z方向上以及其矢量和的運動曲線如圖10所示。

圖9　上平臺中心點沿z軸運動圖

圖10　電動伺服缸驅(qū)動桿質(zhì)心位置變化

場景二：當上平臺以正弦函數(shù)運動形式：sin（2×pi×time）進行繞x軸的轉(zhuǎn)擺時，可在ADAMS仿真里得到各個電動伺服缸驅(qū)動桿質(zhì)心點的運動軌跡在坐標系下的矢量和，如圖11所示。

圖11　電動伺服缸各驅(qū)動桿質(zhì)心位置變化

場景三：進行兩個方向運動的融合，即上平臺以運動方程ABS( 440×sin（2×pi×time）)的形式沿marker點的z軸向上運動，與此同時使上平臺以運動方程sin（2×pi×time）的形式繞x軸轉(zhuǎn)動，可以得到六個驅(qū)動桿的位移曲線如下圖所示：其中圖12為電動伺服缸驅(qū)動桿1，2的質(zhì)心運動曲線矢量圖，圖13為電動伺服缸驅(qū)動桿3，4的質(zhì)心運動曲線矢量圖，圖14為電動伺服缸驅(qū)動桿5，6的質(zhì)心運動曲線矢量圖。

圖12　電動伺服缸驅(qū)動桿1,2的質(zhì)心運動曲線

圖13　電動伺服缸驅(qū)動桿3,4的質(zhì)心運動曲線

圖14　電動伺服缸驅(qū)動桿5,6的質(zhì)心運動曲線

4　結(jié)論

通過ADAMS/PostProcesser功能模塊，得到動感平臺的運動規(guī)律，從而對輸出數(shù)據(jù)結(jié)果進行統(tǒng)計分析，以及結(jié)合對動感平臺運動反解的求取，從而對動感平臺在不同場景下的運動模式進行更精確的控制，以便達到更真實的虛擬體驗效果。

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