多自由度并聯(lián)平臺(tái)在科普展項(xiàng)中的應(yīng)用

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  科普展品是展示科學(xué)、普及科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)品，大型交互式模擬展覽可以使用多自由度并行平臺(tái)作為載體，達(dá)到最佳的展示效果。本文將結(jié)合筆者在科技館工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，討論多自由度并行平臺(tái)在科普戰(zhàn)項(xiàng)目中的應(yīng)用。
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  一多自由度并聯(lián)平臺(tái)
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  多自由度并聯(lián)平臺(tái)由多個(gè)伸縮桿和兩個(gè)平臺(tái)組成，下部平臺(tái)必須固定，伸縮桿殼體套必須固定在下部平臺(tái)上，上部使用萬(wàn)向比較鏈連接到上部平臺(tái)嵌入式-PLD（可編程邏輯器件）
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0 }. q) w- n% @- O% b# t4 w$ b: s+ r
$ R- Y" O8 `& ~* C  多自由度并聯(lián)平臺(tái)沒(méi)有明確的命名規(guī)范，通常根據(jù)自由度數(shù)執(zhí)行器的類型命名。例如，如果圖1平臺(tái)有6個(gè)自由度，執(zhí)行器是伺服傳動(dòng)缸，則命名為“6個(gè)自由度伺服傳動(dòng)缸平臺(tái)”。嵌入式-FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）

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+ f- i5 p* B* F5 ^9 W' Q) v  2六自由度并聯(lián)平臺(tái)位置姿態(tài)及求解


  六自由度并聯(lián)平臺(tái)的六個(gè)伸縮桿可以在控制下自由伸縮，因此必須調(diào)整六個(gè)伸縮桿，使六自由度平臺(tái)能夠根據(jù)需要移動(dòng)。射頻

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5 |2 l( |' [- h  i2 d& }; @4 Y0 P  六自由度并聯(lián)平臺(tái)的平臺(tái)位置姿態(tài)與各伸縮桿的伸縮量呈非線性關(guān)系，正解計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，但六自由度并聯(lián)平臺(tái)位置反轉(zhuǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單。一般提供平臺(tái)的6個(gè)空間姿態(tài)參數(shù)（、Y、Z、A、8、Y），通過(guò)計(jì)算得出6個(gè)伸縮桿長(zhǎng)度（L1 ~）

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" y" H+ U0 \/ C! ?# h  如圖2所示，將A1~A6設(shè)置為上部平臺(tái)和伸縮桿的比較觸點(diǎn)，將B1~B6設(shè)置為下部平臺(tái)和伸縮桿的比較觸點(diǎn)。
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; _% B5 @2 x) Z1 J2 a* Z: _4 O3 v  上下平臺(tái)的轉(zhuǎn)換公式如下：


  其中[T]是旋轉(zhuǎn)矩陣，首先：繞軸旋轉(zhuǎn)y，平移關(guān)系如下：


/ Q. Q8 V, m+ [% |5 [( \$ P# W& b$ e  用矩陣書寫的格式如下：
: b2 k) M# C" H% H: J
; P5 r2 X. q' Z1 l/ ^( E- x6 }
  同樣，如果旋轉(zhuǎn)8、A得到矩陣[B]、[A]，則旋轉(zhuǎn)矩陣[T]=[C][B][A]。如果用轉(zhuǎn)換公式替換生成的矩陣[T]，則可以獲得伸縮條的長(zhǎng)度，表示如下：
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$ L1 D& |' ]7 B5 m* ]+ O  根據(jù)上述計(jì)算，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)獲取L10L6伸縮條的長(zhǎng)度，并可向伸縮條控制器提供計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)，以準(zhǔn)確控制六自由度并聯(lián)平臺(tái)的姿態(tài)。

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. W8 r1 D2 o  o: v# _  三六自由度伺服液壓系統(tǒng)平臺(tái)在科普展品中的應(yīng)用


4 Y1 _& \% S0 s8 b9 k- {, s' T  如圖~所示，寧夏科技館的全景飛行模擬器展品利用六自由度伺服液壓平臺(tái)，根據(jù)觀眾的工作情況實(shí)時(shí)模擬飛機(jī)的姿態(tài)（左右傾斜、上下旋轉(zhuǎn)等），模擬實(shí)際飛行環(huán)境。將投影儀內(nèi)投影與多種聲光電技術(shù)相結(jié)合，從視覺(jué)和位置感上給予參與者強(qiáng)大的沖擊，創(chuàng)造出幾個(gè)雜亂的模擬環(huán)境。


' B7 w8 J4 C/ |3 c( k; [5 \5 W  六自由度伺服液壓平臺(tái)正常運(yùn)行已超過(guò)11年，僅發(fā)生液壓油微泄漏、密封墊損壞等小故障。液壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的噪音一般在75dB以上，寧夏科技館利用設(shè)備在距離飛機(jī)3米左右的單獨(dú)設(shè)備之間放置液壓缸和油泵等，以阻斷液壓泵工作時(shí)的噪音。


  四三自由度伺服電動(dòng)氣缸平臺(tái)在展品中的應(yīng)用
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& C; z4 N; r* k  “血管漫游”展覽從2017年開(kāi)始啟動(dòng)，通過(guò)三自由度電動(dòng)平臺(tái)和VR設(shè)備實(shí)時(shí)模擬虛擬場(chǎng)景的變化，給人一種在血液中游泳的感覺(jué)。
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+ N8 V: n9 c3 R' X) O' z* P! w  展覽由VR設(shè)備、控制主機(jī)、三自由度伺服電動(dòng)缸平臺(tái)座椅、耳機(jī)、一體頭盔、游戲體驗(yàn)館建設(shè)機(jī)構(gòu)、液晶電視等7部分組成。
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  圖4中的座位上掛著黑線，VR眼鏡數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度有限。要求電腦主機(jī)要放在盡可能近的地方。選擇三自由度伺服電動(dòng)缸作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此有足夠的空間部署計(jì)算機(jī)主機(jī)。同時(shí)，該展品是模擬血管內(nèi)漫游的展品，有三個(gè)自由度，可以滿足運(yùn)動(dòng)需求。
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  5結(jié)論
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. V/ @1 B' A- R0 ]3 R1 X  多自由度并行平臺(tái)的應(yīng)用可以很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師的意圖。特別是在模擬模擬展品中，能給觀眾帶來(lái)良好的互動(dòng)體驗(yàn)，這種展品在保證對(duì)游客持續(xù)吸引力的同時(shí)，便捷的可維護(hù)性、優(yōu)秀的技術(shù)性能，在大型模擬科普展覽項(xiàng)目中，多自由度平臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

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