本發(fā)明涉及傾斜機(jī)構(gòu)，具體為一種可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)及控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)實(shí)中的坡度可分為平坡、緩坡、斜坡，側(cè)坡。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(如自行車(chē)，獨(dú)輪車(chē))在不同的坡上運(yùn)動(dòng)，其坡度絕不僅僅是單一的平坡和斜坡，而且運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同坡上行駛，會(huì)受到不同程度的影響。

目前，市場(chǎng)上現(xiàn)有的汽車(chē)車(chē)體升降機(jī)構(gòu)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)通過(guò)液壓油缸伸縮實(shí)現(xiàn)平臺(tái)傾斜，該機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)單一方向上的傾斜，卻無(wú)法沿任意方向傾斜模擬側(cè)坡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了能夠更好掌握坡度的具體傾斜度和地面平整度對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響，發(fā)明提出了一種能夠模擬不同坡度的可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)及控制方法。

發(fā)明可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)，其技術(shù)方案包括測(cè)試平臺(tái)和平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)裝置，所不同的是所述平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)裝置包括分別通過(guò)對(duì)應(yīng)輪架安裝且在水平面上圓周均布的三個(gè)全向輪，三個(gè)全向輪的軸線(xiàn)向下交匯于一點(diǎn)，各輪架上分別設(shè)有帶動(dòng)對(duì)應(yīng)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)和檢測(cè)對(duì)應(yīng)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的絕對(duì)式編碼器；所述測(cè)試平臺(tái)包括上、下同軸的圓盤(pán)體和半球體，所述圓盤(pán)體和半球體的總質(zhì)心位于半球體的球心處，測(cè)試平臺(tái)通過(guò)半球體放置于三個(gè)全向輪上，所述圓盤(pán)體上或半球體內(nèi)部設(shè)有檢測(cè)測(cè)試平臺(tái)姿態(tài)的陀螺儀。

為形成穩(wěn)定支撐，上述技術(shù)方案中還包括平臺(tái)輔助支撐裝置，所述平臺(tái)輔助支撐裝置包括間隔設(shè)于三個(gè)全向輪之間的三個(gè)牛眼輪，各牛眼輪設(shè)于對(duì)的斜撐架頂端并與半球體相接觸而形成支撐方向通過(guò)半球體球心的斜向支撐，各斜撐架上均設(shè)有帶動(dòng)吸盤(pán)沿斜撐方向運(yùn)動(dòng)并使吸盤(pán)吸附半球體的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

所述移動(dòng)機(jī)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)包括由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)且平行于斜撐方向設(shè)于斜撐架上的絲桿，所述絲桿上旋合有滑座，所述滑座上設(shè)有沿斜撐方向的推桿，所述吸盤(pán)設(shè)于推桿的頂端。

為調(diào)節(jié)全向輪支撐半球體分的部位，各輪架通過(guò)對(duì)應(yīng)設(shè)置的支撐架安裝于基座或地面上，所述支撐架包括斜撐桿，對(duì)應(yīng)的輪架設(shè)于斜撐桿上可伸縮的滑套上。

發(fā)明可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)控制方法(方案一)，其過(guò)程步驟為：

1、初始狀態(tài)下，所述圓盤(pán)體處于水平狀態(tài)或傾斜狀態(tài)。

2、所述伺服電機(jī)帶動(dòng)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，所述全向輪通過(guò)摩擦力帶動(dòng)半球體轉(zhuǎn)動(dòng)，使得圓盤(pán)體在初始狀態(tài)下發(fā)生傾斜。

3、圓盤(pán)體傾斜到位后，所述步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)滑座，所述滑座帶動(dòng)推桿伸向半球體而使吸盤(pán)吸附住半球體，從而使圓盤(pán)體穩(wěn)定在該傾斜位置。

4、可根據(jù)陀螺儀以及各絕對(duì)式編碼器檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)合旋轉(zhuǎn)公式計(jì)算出圓盤(pán)體的傾斜角度。

發(fā)明可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)控制方法(方案二)，其過(guò)程步驟為：

1、初始狀態(tài)下，所述圓盤(pán)體處于水平狀態(tài)或傾斜狀態(tài)。

2、所述圓盤(pán)體作為主動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生傾斜，半球體依靠摩擦力帶動(dòng)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

3、圓盤(pán)體傾斜到位后，所述步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)滑座，所述滑座帶動(dòng)推桿伸向半球體而使吸盤(pán)吸附住半球體，從而使圓盤(pán)體穩(wěn)定在該傾斜位置。

4、可根據(jù)陀螺儀以及各絕對(duì)式編碼器檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)合旋轉(zhuǎn)公式計(jì)算出圓盤(pán)體的傾斜角度。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)以三個(gè)全向輪為驅(qū)動(dòng)件，測(cè)試平臺(tái)為從動(dòng)件，通過(guò)全向輪帶動(dòng)測(cè)試平臺(tái)全方位傾斜運(yùn)動(dòng)；也可反過(guò)來(lái)以測(cè)試平臺(tái)全方位的傾斜運(yùn)動(dòng)為驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)三個(gè)全向輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

2、本發(fā)明通過(guò)三個(gè)全向輪驅(qū)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)全方位傾斜運(yùn)動(dòng)，有效模擬坡的傾斜角度，通過(guò)絕對(duì)式編碼器檢測(cè)各全向輪的轉(zhuǎn)角以及陀螺儀的姿態(tài)檢測(cè)，再根據(jù)幾何關(guān)系和坐標(biāo)系關(guān)系，可得到測(cè)試平臺(tái)對(duì)應(yīng)的傾斜角度。

3、本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)需求伸縮調(diào)節(jié)三個(gè)全向輪與測(cè)試平臺(tái)的接觸位置。

4、本發(fā)明通過(guò)吸盤(pán)吸住測(cè)試平臺(tái)以使測(cè)試平臺(tái)穩(wěn)定在某一確定的傾角位置。

5、本發(fā)明的測(cè)試平臺(tái)質(zhì)心落在半球體的球心處而形成多穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，減少了附加載荷對(duì)全向輪的影響，同時(shí)還減少了重力矩對(duì)支撐力矩的影響。

6、本發(fā)明可通過(guò)全向輪與測(cè)試平臺(tái)之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系得到測(cè)試平臺(tái)與全向輪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)在任意方位運(yùn)動(dòng)的角度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1實(shí)施方式的俯視圖。

圖3為圖1實(shí)施方式中平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為圖1實(shí)施方式中平臺(tái)輔助支撐裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5圖1實(shí)施方式控制方法的建模圖。

圖6為圖5建模方案的速度圖。

圖號(hào)標(biāo)識(shí)：1、圓盤(pán)體；2、半球體；3、輪架；4、全向輪；5、伺服電機(jī)；6、絕對(duì)式編碼器；7、牛眼輪；8、斜撐架；9、吸盤(pán)；10、步進(jìn)電機(jī)；11、絲桿；12、滑座；13、推桿；14、平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)裝置；15、陀螺儀；16、平臺(tái)輔助支撐裝置；17、斜撐桿；18、滑套；19、機(jī)座；20、鎖緊機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖所示實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)，包括測(cè)試平臺(tái)和平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)裝置14以及平臺(tái)輔助支撐裝置16。

所述測(cè)試平臺(tái)包括上、下同軸的圓盤(pán)體1和半球體2，所述圓盤(pán)體1和半球體2的總質(zhì)心位于半球體2的球心處，所述半球體2的球心處設(shè)有檢測(cè)測(cè)試平臺(tái)姿態(tài)參數(shù)的陀螺儀15，如圖1、圖2所示。

所述平臺(tái)輔助支撐裝置16包括在同一水平面上圓周均布的三個(gè)牛眼輪7，各牛眼輪7基于對(duì)應(yīng)的斜撐架8設(shè)置，所述斜撐架8的底部鉸連在地面的機(jī)座19上(斜撐架8的架體由反方向的斜架支撐)，斜撐架8的頂部安裝牛眼輪7，所述半球體2放置于三個(gè)牛眼輪7上由牛眼輪7形成對(duì)其的斜向支撐，各牛眼輪7的斜撐方向通過(guò)半球體2的球心，所述斜撐架8上設(shè)有沿斜撐方向的絲桿11(由安裝于斜撐架8上的步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動(dòng))，所述絲桿11上旋合有帶鎖緊機(jī)構(gòu)20的滑座12，所述滑座12上設(shè)有沿斜撐方向的推桿13，所述推桿13的頂部設(shè)有吸盤(pán)9，如圖4所示。

所述平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)裝置14包括在同一水平面上圓周均布的三個(gè)全向輪4，三個(gè)全向輪4間隔在三個(gè)牛眼輪7之間并與半球體2相接觸，各全向輪4基于對(duì)應(yīng)的支撐架設(shè)置，所述支撐架包括斜撐桿17，所述斜撐桿17的底部鉸連在地面的機(jī)座19上(斜撐桿17的桿體由反方向的斜桿支撐)，斜撐桿17的上部套裝有可伸縮調(diào)節(jié)的滑套18，所述滑套18頂部通過(guò)“u”型輪架3安裝全向輪4，安裝就位的三個(gè)全向輪4的軸線(xiàn)向下交匯于一點(diǎn)；所述輪架3上設(shè)有伺服電機(jī)5和絕對(duì)式編碼器6，所述伺服電機(jī)5的輸出軸連接全向輪4的一轉(zhuǎn)軸軸端，所述絕對(duì)式編碼器6的轉(zhuǎn)軸連接全向輪4的另一轉(zhuǎn)軸軸端，如圖3所示。

本發(fā)明可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)控制方法(方案一)，其過(guò)程步驟為：

1、初始狀態(tài)下，所述圓盤(pán)體1處于水平狀態(tài)或已發(fā)生傾斜。

2、所述伺服電機(jī)5帶動(dòng)全向輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，所述全向輪4通過(guò)摩擦力帶動(dòng)半球體2轉(zhuǎn)動(dòng)，使得圓盤(pán)體1在初始狀態(tài)下發(fā)生傾斜。

3、圓盤(pán)體1傾斜到位后，所述步進(jìn)電機(jī)10帶動(dòng)絲桿11旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)滑座12，所述滑座12帶動(dòng)推桿13伸向半球體2而使吸盤(pán)9吸附住半球體2，鎖緊結(jié)構(gòu)鎖定滑座12于絲桿11上，從而使圓盤(pán)體1穩(wěn)定在該傾斜位置。

4、可根據(jù)陀螺儀15以及各絕對(duì)式編碼器6檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)合不同坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)公式計(jì)算出圓盤(pán)體1的傾斜角度。

本發(fā)明可全方位傾斜的運(yùn)動(dòng)測(cè)試臺(tái)控制方法(方案二)，其過(guò)程步驟為：

1、初始狀態(tài)下，所述圓盤(pán)體1處于水平狀態(tài)或傾斜狀態(tài)。

2、所述圓盤(pán)體1作為主動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生傾斜到某一確定角度，半球體2依靠摩擦力帶動(dòng)全向輪4轉(zhuǎn)動(dòng)。

3、圓盤(pán)體1傾斜到位后，所述步進(jìn)電機(jī)10帶動(dòng)絲桿11旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)滑座12，所述滑座12帶動(dòng)推桿13伸向半球體2而使吸盤(pán)9吸附住半球體2，從而使圓盤(pán)體1穩(wěn)定在該傾斜位置。

4、可根據(jù)陀螺儀15以及各絕對(duì)式編碼器6檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)合旋轉(zhuǎn)公式計(jì)算出全向輪4應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

上述方案一和方案二中，可同步伸縮調(diào)節(jié)三個(gè)全向輪4以改變?nèi)蜉喥渑c半球體2接觸的位置，三個(gè)全向輪4施加給測(cè)試平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力矩會(huì)隨著全向輪4與半球體2接觸位置的不同而變化。

根據(jù)半球體2與全向輪4運(yùn)動(dòng)位置的數(shù)學(xué)關(guān)系，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了半球體2轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)全向輪4的控制方法，其具體數(shù)學(xué)關(guān)系如下所述：

步驟1、建立描述測(cè)試臺(tái)裝置與大地的坐標(biāo)系和描述各個(gè)點(diǎn)的幾何關(guān)系如圖5所示。

①、設(shè)大地坐標(biāo)系為0系，半球體2的半徑為r，全向輪4的半徑為r，三個(gè)全向輪4的幾何中心坐標(biāo)為(o1、o2、o3)，球心為o，點(diǎn)o1o2o3構(gòu)成等邊三角形。

②、等邊三角形三個(gè)高的交點(diǎn)為e、過(guò)點(diǎn)o2作高交于邊o1o3，該交點(diǎn)為d，以o2d上的e點(diǎn)作垂線(xiàn)；以球心o為坐標(biāo)系1的坐標(biāo)原點(diǎn)，oo1、oo2、oo3兩兩呈一個(gè)相同的角度，該角度記為α，α的取值范圍為0度到180度；坐標(biāo)系1的x軸與邊ed平行，y軸與過(guò)點(diǎn)e的垂線(xiàn)平行，根據(jù)右手定則得出z軸的方向向上。

③、通過(guò)陀螺儀15能測(cè)量出三個(gè)歐拉角q1,q2,q3，由旋轉(zhuǎn)變換公式rpy(q1，q2，q3)＝rot(z，q1)rot(y，q2)rot(x，q3)可計(jì)算出坐標(biāo)系0系轉(zhuǎn)換到1系的姿態(tài)矩陣為：

步驟2、描述各個(gè)點(diǎn)在1系下的坐標(biāo)和描述半球體2在1系下的位置與速度關(guān)系。

①、如圖5所示，在1系下確定點(diǎn)o1、o2、o3、p的坐標(biāo)值，oo1、oo2、oo3兩兩構(gòu)成三個(gè)等腰三角形，記oo1、oo2、oo3的長(zhǎng)度為l(l＝r+r)，轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)為(kx,ky,kz)，三個(gè)全向輪4的圓心分別為o1、o2、o3，全向輪4的軸線(xiàn)矢量在1系下分別為：

②、如圖6所示，半球體2在1系下繞軸在時(shí)間t內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度為φ，對(duì)應(yīng)的角速度ω＝φ/t，矢量的表達(dá)式分別為：(向量為向量的單位化矢量)，半球體2的角速度在軸下的表達(dá)式為：半球體2與全向輪4接觸點(diǎn)的速度表達(dá)式分別為：

步驟3、描述半球體2與全向輪4的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

①、半球體2在時(shí)間t內(nèi)繞軸k傾斜傾角φ，通過(guò)摩擦力的作用，對(duì)應(yīng)的三個(gè)全向輪4轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，記1號(hào)全向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ1，2號(hào)全向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ2，3號(hào)全向輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ3，對(duì)應(yīng)的角速度分別為ω1，ω2，ω3。

②、初始時(shí)刻，半球體2的位置姿態(tài)有兩種情況。第一種情況：半球體2處于水平位置，無(wú)任何傾角，它的位置姿態(tài)矩陣為r01。通過(guò)陀螺儀15測(cè)量出三個(gè)歐拉角q1、q2、q3，根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換公式rpy(α，β，γ)＝rot(z，q1)rot(y，q2)rot(x，q3)得出r01的表達(dá)式：

半球體2運(yùn)動(dòng)到某一確定位置，半球體2在該位置的最終姿態(tài)矩陣為r02，同理也可以通過(guò)陀螺儀15得出r02。半球體2繞軸傾斜一定傾角φ的姿態(tài)矩陣通式為：

由公式r01·r(k,φ)＝r02可得出r(k,φ)＝(r01)^-1·r02，由此解出kx，ky，kz，φ，再由步驟2可以得出半球體2的角速度ω；第二種情況：半球體2已傾斜一定的角度，其相對(duì)于水平位置的姿態(tài)矩陣為r′12，平臺(tái)的姿態(tài)矩陣相對(duì)大地坐標(biāo)系0的姿態(tài)矩陣r02已知，由關(guān)系式r01·r′12＝r02得出姿態(tài)矩陣r′12。在2系下，平臺(tái)繞軸傾斜一定傾角φ到另一個(gè)位置，其最終姿態(tài)矩陣為r′03，他們關(guān)系為r01·r′12·r(k,φ)＝r′03，軸此時(shí)是描述在2系上，因此通過(guò)公式：將軸變換到坐標(biāo)系1下，類(lèi)似的再由公式r01·r(k′,φ)＝r03，解出kx，ky，kz，φ，再由步驟2可以求解球的角速度ω。

③、全向輪4在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，半球體2與全向輪4接觸點(diǎn)的速度大小相等。其中，三個(gè)全向輪4的轉(zhuǎn)軸矢量為矢量分別與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸矢量叉積得一個(gè)新矢量，并對(duì)該矢量單位化。(他們的數(shù)學(xué)表達(dá)式：)，該矢量的方向與全向輪4的輪面的線(xiàn)速度矢量方向平行。全向輪4與半球體2一起運(yùn)動(dòng)，他們的速度滿(mǎn)足以下的關(guān)系：

即半球體2與全向輪4接觸點(diǎn)的速度矢量在新矢量上的投影等于全向輪的速度矢量在新矢量上的投影。對(duì)應(yīng)的速度表達(dá)式分別為

由半球體的轉(zhuǎn)軸和半球體繞轉(zhuǎn)軸的角速度，可以得對(duì)應(yīng)的三個(gè)全向輪的角速度