引言

科普展品是展示科學(xué)、普及科學(xué)知識的產(chǎn)品,大型互動模擬展項采用多自由度并聯(lián)平臺作為載體來獲得最佳展示效果。本文將結(jié)合筆者在科技館工作的實際經(jīng)驗,對科普展項中多自由度并聯(lián)平臺的應(yīng)用進行探討。

1多自由度并聯(lián)平臺

多自由度并聯(lián)平臺由多支伸縮桿和兩個平臺組成,下平臺需固定在基礎(chǔ)上,伸縮桿外殼套筒固定于下平臺,上端利用萬向較鏈與上平臺連接,借助液壓缸或電動缸為動作元件驅(qū)動伸縮桿進行伸縮運動,完成上平臺在空間中多個自由度的運動。

多自由度并聯(lián)平臺并沒有明確的命名規(guī)范,一般以自由度的數(shù)量＋執(zhí)行器種類進行命名,例如圖1平臺具備六個自由度,執(zhí)行器為伺服電動缸,則命名為"六自由度伺服電動缸平臺"。

圖1 六自由度伺服電動缸平臺

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)平臺的六個伸縮桿在控制下能夠自由伸縮,所以要使六自由度平臺能按照需求運動,必須要求六個伸縮桿協(xié)調(diào)動作。

六自由度并聯(lián)平臺上平臺的位置姿態(tài)與各個伸縮桿的伸縮量為非線性關(guān)系,其正解計算過程復(fù)雜,而六自由度并聯(lián)平臺位置反解相對簡單,一般都是給出平臺的六個空間姿態(tài)參數(shù)(Ⅹ,Y,Z,a,8,y),通過計算求出六條伸縮桿的長度(L1~L6),即已知輸出求輸入。

如圖2所示,設(shè)A1~A6為上平臺與伸縮桿的較接點,設(shè)B1~B6為下平臺與伸縮桿的較接點。

則上下平臺的變換公式為:

其中[T]為旋轉(zhuǎn)矩陣,先繞:軸旋轉(zhuǎn)y,其變換關(guān)系如下:

寫成矩陣的形式為:

同理,旋轉(zhuǎn)8、a得到矩陣[B]、[A],則旋轉(zhuǎn)矩陣[T]=[C]×[B]×[A]。將得到的矩陣[T]代入變換公式可求出伸縮桿的長度,其表達形式為:

根據(jù)以上計算可知,利用計算機可實時求出L10L6伸縮桿的長度,由計算機輸出信號給伸縮桿控制器使其動作,從而達到精確控制六自由度并聯(lián)平臺姿態(tài)的目的。

3六自由度伺服液壓系統(tǒng)平臺在科普展品中的應(yīng)用

如圖~所示,寧夏科技館的全景式飛行模擬器展品利用六自由度伺服液壓平臺根據(jù)觀眾的操作情況實時模擬飛機的姿態(tài)(左右傾斜、上下、旋轉(zhuǎn)等動作),模擬真實的飛行環(huán)境。結(jié)合投影機內(nèi)投射和多種聲光電技術(shù),從視覺和位置感覺上給參與者強有力的沖擊,營造了幾可亂真的仿真環(huán)境。

圖3 全景式飛行模擬器

其六自由度伺服液壓平臺正常運行已經(jīng)超過11年,僅發(fā)生過液壓油微泄漏、密封墊損壞等小故障。

液壓驅(qū)動產(chǎn)生的噪聲普遍在75dB以上,寧夏科技館在離飛機3m左右的距離設(shè)置了單獨的設(shè)備間放置液壓缸與油泵等設(shè)備,利用設(shè)備間來隔絕液壓泵工作時的噪聲。

4三自由度伺服電動缸平臺在展品中的應(yīng)用

"血管漫游"展項2017年開始投入使用,其通過三自由度電動平臺與VR設(shè)備實時模擬虛擬場景中的變化,營造在血液中游動的感覺。

展項由七部分組成:VR設(shè)備、控制主機、三自由度伺服電動缸平臺座椅、頭戴式耳機、一體式頭盔、游戲體驗館搭建器材、液晶電視等。

圖4中座椅上掛黑線為VR眼鏡數(shù)據(jù)線,其長度有限。要求必須把電腦主機放置在盡量近的地方。選用三自由度伺服電動缸作為運動平臺,其結(jié)構(gòu)相對簡單,因而具備足夠的空間放置電腦主機。同時,此展品為模擬血管中漫游的展品,采用三自由度即可滿足其運動需求。

圖4 寧夏科技館展品"血管漫游"

5結(jié)語

多自由度并聯(lián)平臺的應(yīng)用能很好地實現(xiàn)設(shè)計者的意圖,尤其是在模擬仿真類展品中能給觀眾帶來良好的互動體驗,保證了此類展品對游客的持久吸引力,同時方便的維護性、優(yōu)良的技術(shù)性能,都使得多自由度平臺在大型模擬類科普展項中的應(yīng)用越來越廣泛。