多自由度并聯(lián)平臺在科普展項中的應(yīng)用

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  科普展品是展示科學、普及科學知識的產(chǎn)品，大型交互式模擬展覽可以使用多自由度并行平臺作為載體，達到最佳的展示效果。本文將結(jié)合筆者在科技館工作的實際經(jīng)驗，討論多自由度并行平臺在科普戰(zhàn)項目中的應(yīng)用。


! a# H( O: {& r; M2 N0 l  一多自由度并聯(lián)平臺
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, s6 A4 g6 B6 Z+ k  多自由度并聯(lián)平臺由多個伸縮桿和兩個平臺組成，下部平臺必須固定，伸縮桿殼體套必須固定在下部平臺上，上部使用萬向比較鏈連接到上部平臺嵌入式-PLD（可編程邏輯器件）


  多自由度并聯(lián)平臺沒有明確的命名規(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平臺有6個自由度，執(zhí)行器是伺服傳動缸，則命名為“6個自由度伺服傳動缸平臺”。嵌入式-FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）

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4 Z4 F9 ?( z& _' j6 P# n2 X% q( M  2六自由度并聯(lián)平臺位置姿態(tài)及求解


  六自由度并聯(lián)平臺的六個伸縮桿可以在控制下自由伸縮，因此必須調(diào)整六個伸縮桿，使六自由度平臺能夠根據(jù)需要移動。射頻
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* V5 R# K6 H% A; E  六自由度并聯(lián)平臺的平臺位置姿態(tài)與各伸縮桿的伸縮量呈非線性關(guān)系，正解計算過程復(fù)雜，但六自由度并聯(lián)平臺位置反轉(zhuǎn)相對簡單。一般提供平臺的6個空間姿態(tài)參數(shù)（、Y、Z、A、8、Y），通過計算得出6個伸縮桿長度（L1 ~）
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  如圖2所示，將A1~A6設(shè)置為上部平臺和伸縮桿的比較觸點，將B1~B6設(shè)置為下部平臺和伸縮桿的比較觸點。
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% w1 s/ Z4 ]- w$ b1 e1 _6 r  上下平臺的轉(zhuǎn)換公式如下：


! c) p; q4 V2 U. ^: @6 s4 b2 [  其中[T]是旋轉(zhuǎn)矩陣，首先：繞軸旋轉(zhuǎn)y，平移關(guān)系如下：
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: P* s% f3 y3 _% I+ }5 E2 A2 `# K
) {. D7 W  A  ?/ @# M- m( r  用矩陣書寫的格式如下：
0 _4 d- @0 U. {( S. Q
/ x5 C  p1 t/ W6 h8 H" p4 ?; t
  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度，表示如下：


7 D0 _/ c" C6 {7 f2 ?- c5 t2 b  根據(jù)上述計算，利用計算機實時獲取L10L6伸縮條的長度，并可向伸縮條控制器提供計算機輸出信號，以準確控制六自由度并聯(lián)平臺的姿態(tài)。


- T7 F6 e; s2 R5 ^: q7 ~  三六自由度伺服液壓系統(tǒng)平臺在科普展品中的應(yīng)用

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  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，根據(jù)觀眾的工作情況實時模擬飛機的姿態(tài)（左右傾斜、上下旋轉(zhuǎn)等），模擬實際飛行環(huán)境。將投影儀內(nèi)投影與多種聲光電技術(shù)相結(jié)合，從視覺和位置感上給予參與者強大的沖擊，創(chuàng)造出幾個雜亂的模擬環(huán)境。

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" O; b5 C& z! @9 q. J7 K  六自由度伺服液壓平臺正常運行已超過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3米左右的單獨設(shè)備之間放置液壓缸和油泵等，以阻斷液壓泵工作時的噪音。

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  四三自由度伺服電動氣缸平臺在展品中的應(yīng)用


/ z/ e/ b: ^: V7 l. o5 N3 J  “血管漫游”展覽從2017年開始啟動，通過三自由度電動平臺和VR設(shè)備實時模擬虛擬場景的變化，給人一種在血液中游泳的感覺。

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  展覽由VR設(shè)備、控制主機、三自由度伺服電動缸平臺座椅、耳機、一體頭盔、游戲體驗館建設(shè)機構(gòu)、液晶電視等7部分組成。


$ X1 ~# s+ s+ E# }, }  圖4中的座位上掛著黑線，VR眼鏡數(shù)據(jù)線長度有限。要求電腦主機要放在盡可能近的地方。選擇三自由度伺服電動缸作為運動平臺，其結(jié)構(gòu)相對簡單，因此有足夠的空間部署計算機主機。同時，該展品是模擬血管內(nèi)漫游的展品，有三個自由度，可以滿足運動需求。
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  5結(jié)論

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/ s9 M* E- r( ^# L5 H3 C( K1 t  多自由度并行平臺的應(yīng)用可以很好地實現(xiàn)設(shè)計師的意圖。特別是在模擬模擬展品中，能給觀眾帶來良好的互動體驗，這種展品在保證對游客持續(xù)吸引力的同時，便捷的可維護性、優(yōu)秀的技術(shù)性能，在大型模擬科普展覽項目中，多自由度平臺的應(yīng)用越來越廣泛。

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