Hexapod technology

6 Degrees Of Freedom

六轴/六自由度运动系统原理

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六足平台(Hexapod)是一种并联运动结构,由通过6个执行器连接到固定平台的移动平台组成。
这种设计允许以6个自由度(DOF)移动放置在移动平台上的物体。换句话说,六足平台可以带动物体沿3个平移轴(Tx, Ty, Tz)和3个旋转轴(Rx, Ry, Rz)移动;任何运动组合都是可能的。

1. 物理结构基础
六足平台由上下两个刚性平台(上平台为动平台,下平台为定平台)通过六条可独立伸缩的支链连接构成。每条支链两端分别通过铰链(如球铰、虎克铰等)与平台相连,从而形成一个闭环的并联结构。这种机械结构天然具备高刚度、误差不累积以及六轴运动解耦的优势。
2. 逆运动学(核心控制原理)
这是实现高精度运动控制的核心理论基础。当控制系统接收到外部输入的目标姿态数据(即笛卡尔坐标系下的3个平移参数 X, Y, Z 和 3个旋转参数 Rx, Ry, Rz)时,核心控制算法会迅速进行复杂的数学运算。逆运动学的本质就是根据给定的动平台目标位姿,求解出各个驱动关节(即六条支链)所需的具体运动参数(如伸缩长度、速度和加速度等)。这在数学上是一个相对直接的几何距离计算问题,具有闭合解,计算稳定且实时性强。

3. 驱动与伺服闭环控制
在计算出各支链的目标长度后,控制器会驱动各腿并联执行(如通过压电促动器或伺服电机)。同时,系统内置的伺服闭环控制机制会实时比对目标执行器位置与传感器测量的实际位置,确保两者之间的位置误差被最小化,从而实现纳米级或微米级的精准定位。
4. 正运动学与误差反馈
与逆运动学相反,正运动学是指已知六条支链的实际长度,反推当前动平台唯一或有限个可能的空间位姿。这是一个复杂的非线性求解问题,通常需要数值迭代计算。在实际工程中,正运动学主要用于传感器反馈校验,以确保平台实际到达的位置与命令位置保持一致。
5. 阿贝原则的突破
传统的 XYZ 串联机床难以满足阿贝原则(即测量/加工点与标尺轴线存在偏移,容易产生误差)。而六自由度并联机构的加工或测量点可以位于支链轴线的延长线上,甚至不需要严格位于这些线上。因为六条支链能够同时测量并控制动平台的所有位置和姿态,即使存在偏移,也能通过整体位姿控制实现精准定位,从而摆脱了阿贝原则的限制。

工作空间

工作空间(Workspace)定义了移动平台在指定自由度下所有可达到的位置。
根据在 Tx、Ty、Tz、Rx、Ry、Rz 这六个自由度中,哪些被设定为扫描(变化)状态,哪些被设定为恒定状态,会存在无数种工作空间。
您可以使用我们的软件仿真工具 HexaSym 轻松验证可用的工作空间。

两种工作空间示例:
黄色区域:工作空间 [Tx=扫描, Tz=扫描, Ty=0, Rx=0, Ry=0, Rz=0]。
橙色区域:工作空间 [Tx=扫描, Tz=扫描, Ty=0, Rx=0, Ry=0, Rz=20°]。
橙色工作空间小于黄色工作空间,这是因为 Rz 轴的旋转需要执行器提供额外的伸缩长度。

自定义旋转中心

专为 MAX IV 实验室同步加速器设计和制造的六足平台。该平台定义了特殊的旋转中心,以便根据光束位置轻松调整极化仪。

为了使移动平台按预期方式进行定向(调整姿态),必须定义一个三维旋转中心。该点不仅限于移动平台的中心,用户可以根据需要将其放置在任何位置。

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ALPHA+控制器

该运动控制器与驱动放大器及电源高度集成于工业控制机柜中,是六足平台当之无愧的“大脑”。它通过API与上位机或基础控制系统无缝通信,依托智能状态机精准统筹各项控制指令。
在运动控制层面,控制器在底层完成坐标系变换,实现自由度(DOF)与执行器长度的精准运动学转换。配合伺服闭环控制与先进的插补算法,不仅能将位置误差降至最低,更能生成平滑的运动轨迹,确保极低的交叉耦合。结合其实时健康监测与运动前严格验证机制,系统运行安全无忧。强大的底层算力与极高的系统兼容性,使其成为解决各类复杂、特殊应用需求的理想选择。