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(xué)、普及科學(xué)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。

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! @& \4 N) L" p  一多自由度并聯(lián)平臺
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  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）
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3 F9 a( j. `' [6 C% L  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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  2六自由度并聯(lián)平臺位置姿態(tài)及求解


" ]$ @1 }" E7 {* c6 H' |  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


  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 ~）


  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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+ T- Q0 B: b4 c4 w, X  上下平臺的轉(zhuǎn)換公式如下：
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3 F; z4 ~$ M6 U% d: z2 e
$ D- c: |7 U" m6 ^) y  其中[T]是旋轉(zhuǎn)矩陣，首先：繞軸旋轉(zhuǎn)y，平移關(guān)系如下：

: G, b# I$ b% E8 i6 R
* u+ R* i' W* P3 @& L  用矩陣書寫的格式如下：
& A3 Q2 ~" m, W2 M

  ?7 M0 G: I9 @, ?  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：

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  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(zhǔn)確控制六自由度并聯(lián)平臺的姿態(tài)。

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  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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) c- A3 A# @% A& A& ?. J2 ~  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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2 t% K* R) T% K, H) h. S
( G9 {/ V* B& \1 o9 V' [5 s  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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; M% z1 T9 r7 k# ~3 ]; e+ m  四三自由度伺服電動氣缸平臺在展品中的應(yīng)用

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; h- z# O& E+ i  “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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2 _7 w- c) h6 K) Q" [  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。


5 J# U( L7 _( V, I, Z0 q5 h  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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# Z; [4 u0 ^9 Z  5結(jié)論
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  e! e6 a0 N. o6 C$ z" |  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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