多自由度并联平台在科普展项中的应用

引言

科普展品是展示科学、普及科学知识的产品,大型互动模拟展项采用多自由度并联平台作为载体来获得最佳展示效果。本文将结合笔者在科技馆工作的实际经验,对科普展项中多自由度并联平台的应用进行探讨。

1多自由度并联平台

多自由度并联平台由多支伸缩杆和两个平台组成,下平台需固定在基础上,伸缩杆外壳套筒固定于下平台,上端利用万向较链与上平台连接,借助液压缸或电动缸为动作元件驱动伸缩杆进行伸缩运动,完成上平台在空间中多个自由度的运动。

多自由度并联平台并没有明确的命名规范,一般以自由度的数量＋执行器种类进行命名,例如图1平台具备六个自由度,执行器为伺服电动缸,则命名为"六自由度伺服电动缸平台"。

图1 六自由度伺服电动缸平台

2六自由度并联平台位置姿态及求解

六自由度并联平台的六个伸缩杆在控制下能够自由伸缩,所以要使六自由度平台能按照需求运动,必须要求六个伸缩杆协调动作。

六自由度并联平台上平台的位置姿态与各个伸缩杆的伸缩量为非线性关系,其正解计算过程复杂,而六自由度并联平台位置反解相对简单,一般都是给出平台的六个空间姿态参数(Ⅹ,Y,Z,a,8,y),通过计算求出六条伸缩杆的长度(L1~L6),即已知输出求输入。

如图2所示,设A1~A6为上平台与伸缩杆的较接点,设B1~B6为下平台与伸缩杆的较接点。

则上下平台的变换公式为:

其中[T]为旋转矩阵,先绕:轴旋转y,其变换关系如下:

写成矩阵的形式为:

同理,旋转8、a得到矩阵[B]、[A],则旋转矩阵[T]=[C]×[B]×[A]。将得到的矩阵[T]代入变换公式可求出伸缩杆的长度,其表达形式为:

根据以上计算可知,利用计算机可实时求出L10L6伸缩杆的长度,由计算机输出信号给伸缩杆控制器使其动作,从而达到精确控制六自由度并联平台姿态的目的。

3六自由度伺服液压系统平台在科普展品中的应用

如图~所示,宁夏科技馆的全景式飞行模拟器展品利用六自由度伺服液压平台根据观众的操作情况实时模拟飞机的姿态(左右倾斜、上下、旋转等动作),模拟真实的飞行环境。结合投影机内投射和多种声光电技术,从视觉和位置感觉上给参与者强有力的冲击,营造了几可乱真的仿真环境。

图3 全景式飞行模拟器

其六自由度伺服液压平台正常运行已经超过11年,仅发生过液压油微泄漏、密封垫损坏等小故障。

液压驱动产生的噪声普遍在75dB以上,宁夏科技馆在离飞机3m左右的距离设置了单独的设备间放置液压缸与油泵等设备,利用设备间来隔绝液压泵工作时的噪声。

4三自由度伺服电动缸平台在展品中的应用

"血管漫游"展项2017年开始投入使用,其通过三自由度电动平台与VR设备实时模拟虚拟场景中的变化,营造在血液中游动的感觉。

展项由七部分组成:VR设备、控制主机、三自由度伺服电动缸平台座椅、头戴式耳机、一体式头盔、游戏体验馆搭建器材、液晶电视等。

图4中座椅上挂黑线为VR眼镜数据线,其长度有限。要求必须把电脑主机放置在尽量近的地方。选用三自由度伺服电动缸作为运动平台,其结构相对简单,因而具备足够的空间放置电脑主机。同时,此展品为模拟血管中漫游的展品,采用三自由度即可满足其运动需求。

图4 宁夏科技馆展品"血管漫游"

5结语

多自由度并联平台的应用能很好地实现设计者的意图,尤其是在模拟仿真类展品中能给观众带来良好的互动体验,保证了此类展品对游客的持久吸引力,同时方便的维护性、优良的技术性能,都使得多自由度平台在大型模拟类科普展项中的应用越来越广泛。