六自由度运动平台PID控制系统仿真研究

摘要

Stewart 平台的出现始于 1965 年德国学者 Stewart 发明的具有六自由度运动能力的并联机构飞行模拟器。目前经典的 Stewart 平台机构由上、下两个平台和六个可伸缩的支腿以及它们之间的连接铰链构成，其下平台通常为基台（Base-platform）,上平台通常为负载平台（Payload-platform）（即 Stewart 平台的工作平台）。Stewart平台通过六个支腿的伸缩运动可以实现负载平台在工作空间范围内的六自由度运动，并具有刚度高、精度高、承载能力强、动态特性好等优点，因此近年来被广泛应用于并联机床、精密定位平台和振动隔离平台等方面。

Stewart 平台在并联机床和精密定位平台方面的应用相对成熟，已有实用化的商品供应市场。Stewart 平台应用于六自由度振动隔离平台的研究与开发相对发展较晚，不仅开发的系统远未达到实用化水平，其理论领域的研究也多属空白，其根本原因是应用于振动隔离的 Stewart 平台的基台是运动的，随之而带来许多新的问题。到目前为止，在 Stewart 平台的理论研究方面已取得一些研究成果，比如Mille（r1992）使用 Lagrange 动力学方程建立了 Stewart 平台的动力学模型；Dasgupta和 Mruthyunjaya（1998）使用 Newton-Euler 动力学方程推导出闭合形式的 Stewart平台的动力学模型；Codourey 和 Burdet（1997）、Wang 和 Gosselin（1998）、Tsai（2000）等人分别利用虚功原理建立了 Stewart 平台的逆动力学模型。但是，上述关于 Stewart 平台的动力学模型都是在假设Stewart 平台的基台固定不动的情况下建立的。

本文的主要研究工作和意义如下：

1、基于 Dasgupta 提出的在基台固定情况下的 Stewart 平台的动力学模型，在Matlab/Simulink 环境下建立了 Stewart 平台闭环动力学仿真系统。其意义在于利用该仿真系统能对一般的基台在固定情况下的Stewart 平台的动力学特性进行仿真分析。

2、分析了利用任务空间运动状态反馈方式求解 Stewart 平台的逆动力学问题，利用驱动空间运动状态反馈方式求解 Stewart 平台的正动力学问题。其意义在于利用 Stewart 平台的闭环动力学模型实现了 Stewart 平台的正动力学和Stewart 平台的运动学正解的求解，避开了直接建立 Stewart 平台的正动力学模型和直接求解Stewart 平台的运动学正解问题的复杂性。

关键词：Stewart 平台，六自由度，基台运动，动力学模型，Newton-Euler 法

ABSTRACT

The Stewart platform, which is a 6-DOF (degrees of freedom) parallel mechanism with two bodies connected together by six extensible legs through the joints, is generalized from the flight simulator proposed by Stewart (1965). The lower platform of a general Stewart platform is referred to as the base-platform and the upper platform is known as the payload-platform, which is always referred to as the work platform. The Stewart platform can not only let its payload-platform move with 6-DOF in the workspace through the extension and contraction of the six legs, but also possesses the high stiffness, high precision, high load, and excellent dynamic characteristics. In this case, the Stewart platform is widely used to realize the mechanical machining, the precision positioning, and the vibration isolation.

In the last two decades, the mechanical machining and the precision positioning based on Stewart platform are relatively mature to the vibration isolation based on Stewart platform. Some parallel machines and precision positioning platforms based on Stewart platform have been commercially available. However, the application of Stewart platform for the vibration isolation is developed latterly and the theoretical research in this field is incomplete up to now. The essential reason is the base-platform of Stewart platform for the application of vibration isolation is kinetic. Nowadays, some dynamic formulations of Stewart platform have been established. Miller (1992) built a dynamic formulation of Stewart platform through Lagrange approach; Dasgupta and Mruthyunjaya (1998) deduced a closed-form dynamic formulation of the Stewart platform successfully through Newton-Euler approach; Codourey and Burdet (1997), Wang and Gosselin (1998), and Tsai (2000) solved the inverse dynamics for the Stewart platform through the principle of virtual work principle.

KEYWORDS: Stewart platform, Six DOF, Base-platform Motion, Dynamic modeling,Newton-Euler approach, Vibration isolation, Precision positioning

中文摘要 (1)

英文摘要 (2)

1绪论................................................

1.1问题的提出...........................................

1.2 国内外发展的现状....................................

1.2.1 研究的方法................................................

1.2.2 研究成果的常用方法........................................

2 Stewart 平台的运动学理论 ............................

2.1引言.................................................

2.2 Stewart 平台的机构模型..............................

2.3 Stewart 平台的姿态描述..............................

2.4 Stewart 平台的运动学反解............................

2.5 Stewart 平台的运动学正解............................

2.6 Stewart 平台的运动学仿真模型........................

2.7 Stewart 平台的运动学仿真结果及其分析...................

3 Stewart 平台的动力学理论.............................

3.1 引言................................................

3.2 Newton-Euler 动力学方程.............................

3.3 Stewart 平台的 Newton-Euler 动力学模型..............

3.4 反馈控制算法........................................

3.5 Stewart 平台动力学的仿真模型........................

3.6 Stewart 平台动力学仿真结果及其分析 ................

4全文总结和展望.....................................

5英文文献及翻译...................................... 6参考文献.............................................

附

1 编程程序.................................................

2 Stewart 平台机构参数和PID仿真参数

1 绪论

1.1 问题的提出

1965 年德国学者 Stewart提出了一种具有六自由度运动能力的并联机构飞行模拟器，它由上、下两个平台和六个可伸缩的支腿通过运动副连接而成。后来这种六支腿的并联机构被命名为 Stewart 平台，从而开辟了研究并联机构的新篇章。Stewart 平台作为典型的并联机构，与串联机构相较具有精度高、刚度大、结构稳定、承载能力强、运动惯量小、动态特性好等优点，因此从 Stewart 平台诞生以来受到各国许多学者关注，并在理论和应用领域取得了相当丰硕的成果。但相对串联机构而言，并联机构的发展只有短短的几十年，随着 Stewart 台在理论研究领域的深入，在新的应用领域的不断尝试，近年来又涌现了一些急需解决的新问题，比如本课题研究的 Stewart 平台的动力学问题等。

从理论的角度来看，对 Stewart 平台的研究经历了机构学、运动学、动力学和控制这样的大致过程。在 Stewart 等人刚提出这种具有六支腿的并联机构作为飞行模拟器时，并不是今天我们研究的 Stewart 平台机构的样子，而是经过了在机构学上的一个复杂认知过程，当时参与研究与讨论的有 Stewart、Meier、Easten、Gough、Hunt 等人。随后，许多学者也提出了众多与 Stewart 平台这种机构形式不同的具有六自由度运动能力的并联机构。但人们一直把 Stewart 平台视为最经典的具有六自由度运动能力的并联机构之一，并开始着重研究这种并联机构带来的一些新的富有挑战性的运动学问题，比如 Stewart 平台并联机构的运动学正解问题。进而从研究 Stewart 平台的运动学问题到动力学和控制问题是非常自然的事情。但就目前而言，Stewart 平台在动力学领域和控制领域取得的成果并不多。尽管很多学者使用各类经典的动力学方法尝试建立了Stewart 平台的动力学模型，至少现在还没有一个较完善且具有普遍意义的动力学模型。

从应用的角度来看，Stewart 平台从最初被作为飞行模拟器开始，已经扩展到许多新的应用领域，使原有的Stewart 平台的动力学理论不能满足新形势下的要求。利用 Stewart 平台的刚度高和精度高的特点，首先发展起来的并联机床，已经开发出多台样机，基本达到实用化阶段。另一个发展起来的应用领域是精密定位平台，多家公司已经推出商品化的使用Stewart 平台机构的六自由度精密定位平台。

另外，目前正在兴起的一些应用领域包括六足机器人、六维力矩传感器等。

近年来，一个全新的应用领域，空间六自由度振动隔离 Stewart 平台已经引起世界各国学者和科研机构的广泛重视，纷纷投入巨大的人力和物力开展这一领域的研究，并努力不断提高其性能。

六自由度振动隔离 Stewart 平台的研究始于 80 年代末 90 年代初。当时美国在建立空间实验室的过程中，用到不少高精密的光学设备，本以为这些设备在外太空无重力的环境下能够得到理想的实验结果，然而由于空间站中某些微振动源的存在，如空间站上的太阳能电池板、空间天线、空间望远镜等大型柔性设备的伸缩运动，使得空间实验室的实验环境并不是很理想，因此这就诞生了研制一种具有空间六自由度振动隔离能力的实验平台的想法。随着六自由度振动隔离平台研究的深入，军事、民用领域都发现其广阔的应用前景。在军事工业方面，一些新武器系统要求高精度的稳定平台作为基座，特别是在实战中武器系统往往要工作于复杂的环境中，因此会导致武器平台产生复杂的多自由度振动，从而影响整

个武器系统的跟踪、瞄准和发射精度，难以满足现代武器作战系统的需要。另外，在 MEMS 加工、海上探测、精密实验等方面随着更高精度的制造加工设备、探测仪器、实验仪器的本身精度的提高，也相应的要求对外界振动隔离性能的提高，因此传统的低自由度低精度的振动隔离器已经不能满足要求，势必要求能实现空间六自由度振动隔离的一种新型平台的出现。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 Stewart 平台理论的研究现状

目前，比较流行的 Stewart 平台的经典机构公认由德国学者 Stewart 最早提出，并经过 Stewart 与 Gough 和 Whitehall 等人探讨之后进行改进得到的，Stewart 平台的经典机构包括上、下两个平台（通常又称为负载平台和基台）和六个可伸缩的支腿，上平台和支腿之间使用六个球铰连接，下平台和支腿使用六个虎克铰连接，因此是一种典型的 6-6 SPS（S-Spherical joint，P-Prismatic joint, S-Spherical joint）机构。之后，很多学者也相继提出了各具代表性的六自由度并联平台。如 1988 年 Behi 提出一种三腿 PRPS 机构（P-Prismatic joint,R-Revolute joint, S-Spherical joint）；同年，Hudgens 和 Tesar 提出一种具有六个可伸缩腿，每个腿是有四杆机构组成的机构；1993 年，Cleary 和 Brook 提出一种三腿的 UES 机构（U-Universal joint, E-Elbow joint, S-Spherical joint）。

后来，由于许多研究者在解决六自由度并联平台的运动学正解问题，为了简

化运动学方程的复杂性，又衍生出 x-y 型 Stewart 平台（x 与 y 分别代表上、下平台和支腿间的连接点个数）。中的平台，上、下平台和支腿间都有六个球铰副联接，因此我们通常称之为 6-6 SPS 型 Stewart 平台。

在解决 Stewart 平台的动力学问题时，McInroy 等人发现具有雅克比矩阵正交的 Stewart 平台有利于解耦。1993 年，Geng 和 Hanes首次提出了 Stewart 平台的“立方体结构（Cubic configuration）”模型，并在他们开发的六自由度振动隔离Stewart 平台样机中采用了这种机构。之后在其他研究机构开发的六自由度振动隔离平台中也多采用了这种机构模型。2003 年，Jafari 和 McInroy 在发表的论文中给出了正交 Stewart 平台的严格定义并进行了证明。

Stewart 平台的运动学设计有两个最基本的问题：正解和反解。Stewart 平台的运动学反解是已知负载平台的位姿即三个线性坐标参量和三个旋转坐标参量求解平台六个支腿的长度。如果已知六个支腿长求解负载平台的位姿，即 Stewart 平台的运动学正解问题。对串联机构来说，求解运动学正解比较容易而求解运动学反解比较困难，而并联机构恰恰相反。

由于并联机构的运动学正解具有多解性，因此 Stewart 平台的运动学正解问题一直没有得到很好的解决。但经过去几十年的研究，这一领域提出的方法颇多，下面就简要的归类介绍一下这些方法的优缺点：

（1）几何法

自从 Stewart 平台机构被提出以来，许多机构运动学专家和学者一直在不懈的努力寻找一种有效的运动学正解方法。早期的一些解法基本上都停留在对特定几何结构的 Stewart 平台进行运动学正解的研究，最简单的情况是 3-3 Stewart 平台的运动学正解问题，最一般的情况是 6-6 Stewart 平台的运动学正解问题。在 2000 年，Dasgupta 和 Mruthyunjaya发表的一篇对 Stewart 平台的研究具有总结性的文章中列出了在此之前使用这一方法的文献 30 余篇。由于建立的Stewart 平台运动学正解方程具有在多个自由度方向上的高度耦合特性和非线

性，因此要得到一般Stewart 平台位姿的显式表达式似乎成了不可及的工作。并考虑到运动学正解的多解性，因此使得求解 Stewart 的运动学正解极具挑战性。

（2）数值迭代法

由于几何法存在着上述困难，许多研究者自然想到利用计算机强大的数值求解能力对高度耦合的非线性方程组采用数字迭代的方法求出所有的数值解。数字迭代法方法简单，计算精度较高，但主要问题是算法的收敛性不确定，且收敛速度强烈依赖于初值的选取。实现 Stewart 平台的实时运动对计算机的运算速度要求比较高。因此与几何法相结合把非线性方程组化简到三个参变量的三维空间内进行迭代法求解，这样大大提高了运算速度。最成功的数字迭代法是由Raghavan 提出的，得到了整个复数域上的 40 个全解。

（3）代数消元法

这种方法主要是利用哈密尔顿四元数的概念来代替余弦旋转矩阵建立方程，通过代数消元法的思想化成一元高次多项式。正是利用这种方法 Wen 和 Liang确定了 6-6 Stewart 平台正解的全解最多只有 40 个。还有一些代表性的文献，它们也都最多只得到了 40 个全解。代数消元法和数值迭代法虽然都能得到全解，但是利用哈密尔顿四元数建立的 Stewart 运动学正解方程的更抽象、更复杂，两种方法计算起来都比较耗时,另外在得到所有解后还要根据特定的条件选择出唯一解，对要求实时处理的 Stewart 平台并不完全适用。

与并联机构的运动学存在正解和反解相对应，并联机构的动力学也存在正、

逆动力学两类问题。Stewart 平台的正动力学问题是指已知 Stewart 平台各主动关节

提供的广义驱动力或力矩随时间或位形的变化规律，求解任务空间的运动轨迹以及轨迹上各点的速度和加速度。其逆动力学问题是指已知通过轨迹规划给出的任务空间的运动路径以及轨迹上各点的速度和加速度，求解驱动器提供给主动关节随时间或位形变化的广义驱动力或力矩。与开链机构相比，Stewart 平台为空间多

环闭式运动链系统，由于系统中存在被动关节，且在运动过程中需要满足相应的运动学约束条件，因此其动力学建模比开链机构困难的多。有效消除关节驱动力与系统运动参数之间的简洁关系式并构造出相应的高效算法，是今后研究者努力的方向。

目前，在这个方面已有一些研究成果，常用的 Stewart 平台的建模方法有Lagrange 法、Newton-Euler 法、虚功法和 Kane 法。

（1）Lagrange 法

建立动力学方程是以系统动能和势能建立的，利用矩阵形式表示动力学模型

既能用于动力学控制，又能用于系统动力学模拟，而且能清楚地表示出各构件之间的耦合特性，有利于对系统的耦合特性做深入的研究，因此 Lagrange 方程得到了广泛的应用。但采用该方法的不足之处是建模过程复杂，消除关节处内部作用力困难，逆动力学分析时运算量较大。从事这方面的理论研究且较具代表性的学者有 Miller、Geng和 Lebert等人。另外，Codourey 和 Ji 等人从减少运算量的目的出发，考虑到支腿上惯性参数对系统动力学特性的影响，认为当支腿结构的惯性参数与动平台惯性参数相比较小时，在动力学分析时其惯性影响可忽略不计，以达到简化模型提高运算效率的目的；但当系统运行速度较高时，腿部的动力学效应则不容忽视。

（2）Newton-Euler 法

Newton-Euler 法是利用 Newton 定律和 Euler 方程建立动力学模型的方法。Dasgupta 是这方面理论的代表。按照串联机构的动力学建模思路通常认为Newton-Euler 法仅在逆动力学建模中比较方便，正动力学建模还是使用Lagrange法比较好，而 Dasgupta 却认为并联机构的动力学建模有所不同，由于 Newton-Euler法的物理意义比较清晰，对铰链之间的约束力和力矩可以事先消去以减轻计算负担，所以 Newton-Euler 法不仅适合并联机构的逆动力学问题同样也适用于并联机构的正动力学问题。Dasgupta 等人在考虑关节摩擦和阻尼因素影响的基础上导出了 Stewart 平台闭环动力学方程。由于在建模过程中结合系统的实际结构特征建立了适当的坐标系，并合理运用了矢量投影运算，因此得到的动力学模型具有较高的运算效率。另外，McInroy 根据柔性 Stewart 平台自身的特点，在忽略了铰链的摩擦力和约束反力的情况下利用 Newton-Euler 法推导出较适合柔性 Stewart平台控制的动力学方程。

（3）虚功法

由于 Newton-Euler 法要考虑每个关节的约束反力，然而在对 Stewart 平台控制时不需要考虑关节力，因此这种方法就显得比较烦琐。虚功法是利用动力学虚功原理建立 Stewart 平台的动力学方程，省去了对关节力的计算，因此有较高的运算效率。Wang 和 Gosselin，Codourey 和 Burdet，Tsai等人分别利用虚功原理建立了 Stewart 平台逆动力学模型。

（4）Kane 法

Kane 法是利用动力学 Kane 方程建立 Stewart 平台动力学模型的方法。Kane 法的好处是建立的动力学方程中不出现理想约束反力、不使用动力学函数，只需要进行矢量点积、叉乘运算而不需要求导，因而计算效率较高，便于计算机实现。但另一方面 Kane 法建立并联机器人的动力学方程，在解除约束后将这种多闭环的复杂结构分解成树状结构也是相当复杂的，建立该结构的整体动力学方程仍为不易。除此之外，还有旋量代数法、影响系数法、自然正交补空间方法

等，这里就不一一介绍了。

2 Stewart 平台的运动学理论

2.1 引言

机构的运动学理论旨在揭示机构运动的本质，是研究机构动力学、控制等其

它问题的理论基础。运动学问题主要是研究机构的位置、位移、速度、加速度和时间的关系。在并联机构中，运动学建模研究的最基本的两个内容就是并联机构的运动学正解和反解。与串联机构相比，并联机构的运动学正解较运动学反解问题复杂。Stewart 平台的运动学理论问题也集中在正解和反解两个问题上，尤其是正解问题。Stewart 平台从诞生以来，提出了许多机构模型，本章将从该课题研究的 6-UPS型 Stewart 平台开始介绍，同时补充了两种经典的机构模型：立方体结构和正交结构的 Stewart 平台。Stewart 平台运动学和动力学建模首先要建立描述 Stewart 平台位置关系的坐标系，以及建立在此坐标系上的旋转矩阵，由此可以进一步导出具有重要理论意义的雅克比矩阵。本章基于 6-UPS 型Stewart 平台和建立的相应坐标系，将对 Stewart 平台的运动学反解过程做详细的介绍。

2.2 Stewart 平台的机构模型

2.2.1 6-UPS 型 Stewart 平台

Stewart 平台一般是由上、下两个平台（负载平台（Payload-platform）和基台

（Base-platform））由铰副连接六个移动副构成。根据使用相应的铰副，常见的Stewart 平台可以分为 SPS 型和 UPS 型两种。SPS 型 Stewart 平台是指基台和支腿间、负载平台和支腿间都是由球铰（Spherical joint）连接，上、下支腿间通过柱铰（Prismatic joint）连接构成。而 UPS 型 Stewart 平台与 SPS 型 Stewart 平台的区别在于基台和支腿间是由万向铰（Universal joint）连接。根据上、下平台和支腿间的连接点数的不同，Stewart 平台分为 x-y 型平台（x 代表负载平台和支腿的连接点数，y 代表基台和支腿的连接点数）。常见的有 3-3 Stewart 平台、3-6 Stewart 平台和 6-6 Stewart 平台。

6-UPS 型 Stewart 平台是指上、下平台和支腿间有六个连接点，并采用球铰、柱铰、虎克铰的连接方式。该机构模型作为经典的 Stewart 平台之一，具有广泛的应用，6-SPS 型 Stewart 平台是另一应用比较广泛的机构模型。但在使用Newton-Euler 法建立动力学模型中，6-UPS 型 Stewart 平台更具有优势，因为6-SPS型 Stewart 需要考虑基台和支腿连接的球铰的方向问题，从而使模型复杂化。

2.2.2 正交结构的 Stewart 平台

正交结构的 Stewart 平台的提出促进了 Stewart 平台在精密定位和精密振动隔离应用领域的实物化水平。同时也对立方体结构的Stewart 平台有了更深刻的认识。Jafari 和 McInroy从理论的角度分析了正交结构（Orthogonal configuration）的Stewart 平台并给出了严格定义。从这个角度上来说，立方体结构的 Stewart 平台并不具有严格意义上的正交性。

3 Stewart 平台的动力学理论

3.1 引言

Stewart 平台是德国人 Stewart提出的一种六自由度并联机构，由于它较串联机构具有高刚度、高精度、负载能力强以及高灵敏度等优点，得到学术领域和应用领域的广泛关注。就学术领域而言，Stewart 平台的研究方向主要集中在运动学和动力学两大领域。在过去几十年中，关于 Stewart 平台的理论研究在运动学领取得的理论成果颇丰。由于并联机构的多体动力学问题的复杂性，关于Stewart 平台的理论研究在动力学领域的研究文献相对较少。在 2000 年Dasgupta 发表的综述性文章中列出的 1998 年之前的关于 Stewart平台的在动力学领域的研究文献不到 10 篇。早期在这方面研究的有 Fichter和Merlet 等人，之后 Do 和 Yang首先利用 Newton-Euler 方法在忽略连接铰摩擦以及支腿上的旋转惯量的情况下推导出 Stewart 平台的逆动力学方程；Liu 等人

利用简化的模型首先建立了 Stewart 平台的 Lagrangian 方程；Ji专门研究了Stewart 平台支腿的惯量效果；Wang 和Gosselin利用虚功原理建立了Stewart 平台的反向动力学方程；Dasgupta 和Mruthyunjaya使用Newton-Euler 方程在考虑支腿和平台上所有约束力和外力或外力矩的影响下建立了 Stewart平台最具一般性的闭环动力学方程。

本章从闭环动力学的角度推导了Stewart 平台的动力学方程，并使用Matlab/Simulink 建立了 Stewart 平台的动力学仿真系统。采用两种不同的比例微分（PID）控制反馈方式，通过循环运算的方法解决了 Stewart 平台的正逆动力学求解问题。给出了多种情况的仿真结果，并作了详细的分析。

3.5 Stewart 平台的仿真模型

使用 Simulink6.0 仿真环境，根据本章的 6-UPS Stewart 平台的动力学建模过程模，按照并行设计的思想设计了 Stewart 平台的动力学仿真系统，如图 3.2 所示。该仿真系统主要包括支腿动力学模块（Parallel Six Legs Dyn）、负载平台动力学模块（Platform Dyn）和 PD 控制器模块（PD Controller）三个模块，并由四个积分器和一些数学运算符构成的闭合的动态系统系统。支腿动力学模块（如图 3.3 所示）中六个支腿的动力学求解是同时独立运行的，而支腿和负载平台的运算模块也是同时独立运行的，各模块输出的参数再由式(0.49)中的Stewart 平台动力学方程解出平台在任务空间中的线性加速度和角加速度，并分别通过一次积分和二次积分得到线速度和角速度矢量，线位移和角度矢量。把数值积分得到的以上四个矢量反馈给 PD 控制器模块（如图 3.4 所示）。循环运行就得到了整个时间轴上的任务空间状态，同时根据本章建立的动力学方程中间过程中可以得到一系列有用的中间变量，驱动空间各支腿的运动状态、驱动力以及各连接点处的约束力和力矩等。

六自由度摇摆平台

大黄蜂机器人六自由度摇摆台大黄蜂机器人有限公司的六自由度平台系统由采用Stewart机构的六自由度运动平台、计算机控制系统、驱动系统等组成。六自由度运动平台（如下图）的下平台安装在地面上，上平台为运动平台，它由六只电动缸支承，运动平台与电动缸采用六个虎克铰连接，电动缸与固定基座采用六个虎克铰连接，六只电动缸采用伺服电机驱动的电动缸。计算机控制系统通过协调控制电动缸的行程，实现运动平台的六个自由度的运动，即笛卡尔坐标系内的三个平移运动和绕三个坐标轴的转动。

各主要部分简述如下：本设备主要由以下部分组成：运动上平台、下平台（基座）、电动缸及伺服电机、驱动器系统、综合控制及监测系统。各自功能如下：上平台：是有效载荷的安装基面，提供六自由度的摇摆运动。下平台：是六自由度摇摆台的安装基面，需要承受足够大的冲击力。电动缸及伺服电机：通过控制电动缸活塞杆的行程，实现运动平台台体的六自由度运动，共6套。驱动器系统：接收用户控制指令，通过控制伺服电机的输入，对伺服电机的输出转速和转角进行控制，达到控制电动缸活塞杆出速度和行程的目的，共6套。综合控制监测系统：硬件为用户计算机，软件为研制方配合开发；同时，它还对平台的运动过程进行监测，预防和处理系统的异常情况。

平台总体运动能力指标如上表，具体表述如下： a.平台定位精度及重复定位精度为0.5mm及0.1mm； b.平台转动精度及重复转动精度为0.1°及0.05°； c.行程回差小于0.2mm； d.平台X方向运动速度可从0mm/s到250mm/s连续变化；YZ方向运动速度可从0mm/s到250mm/s连续变化； e.单支杆可承受轴向力不小于700N； f.单支杆的运动速度可从0m/s到250mm/s连续变化； g.平台中位位置固有频率：不小于40Hz； h.机械组件需具有开放性，可拆卸组装； i.机械设计安全系数不小于 2.0，驱动裕度不小于 3.0； j.额定载荷下，全行程往复工作寿命不小于1×104次，存储寿命不小于48月；

六自由度平台力学仿真研究

六自由度运动平台动力学仿真研究陈勇军（华中光电技术研究所—武汉光电国家实验室，武汉430223）摘要：针对六自由度运动平台设计过程中遇到的问题，文中运用ADAMS软件对六自由度运动平台运动过程进行仿真研究，并进行可平台的逆运动学和正运动学仿真。仿真结果表明：通过仿真可以检测该机构运动过程中的干涉情况，也可直观再现平台的运动过程。还可求出平台的位置反解和位置正解，大大减少了工作量，缩短了产品的研制周期。关键字：六自由度运动平台；动力学分析；仿真；正解；反解 Research on Simulation of Dynamic Analysis on Six-DOF Motion Platform CHEN Yongjun （Huazhong Institute of Electro-optics—Wuhan National Laboratory for Optoelectronics，Wuhan 430223，China） Abstract:Due to Keywords: Six-DOF motion platform ; dynamic analysis ; simulation; positive solutions; anti-positive solutions 1 引言六自由度运动平台通过模拟物体在三个方向的平动和转动，即前后平移、左右平移、上下垂直运动、俯仰、滚转和偏航及复合运动，进而可模拟出各种空间运动姿态。六自由度平台作为一种重要的仿真实验设备，已广泛应用于导弹、飞机、舰船和车辆等领域的模拟训练，还可用来模拟地震的情景，在动感电影、娱乐设备等领域也有应用。六自由度运动平台主要由上下两个平台和六个并联的、可独立自由伸缩的缸组成，其中伸缩缸与平台通过球铰联接，通过改变伸缩缸的长度就可实现上平台的各种空间运动[1]。要准确的控制上平台的运动姿态就需要精确的控制六个缸的运动，这样就要求我们了解六自由平台的位置反解和位置正解的算法。杨永立运用欧拉角、旋转变换的方法推导出位置反解方程，并介绍了数值迭代法进行位置正解的过程[2]。李维嘉提出了采用虚拟连杆对结构进行简化，进而求解六自由度并联运动机构正向解的方法[3]。但到目前位置还没有一种非常高效的求六自由度平台位置正解的算法。近年来，随着计算机的快速发展，仿真软件已经成为设计产品过程中的一种重要工具，在运动学仿真方面也出现了许多仿真软件，这其中的杰出代表是ADAMS软件。本文提出了采用ADAMS软件对六自由度运动平台的运动过程进行仿真研究，使平台运动的位置反

六自由度运动模拟器

基于模型的阻抗控制六自由度电液斯图尔平台摘要—本文详细描述了一个以模型为基础的阻抗控制六自由度电液斯图尔平台，刚体和电液伺服阀模型，包括所用伺服阀模型和一套完整的系统方程，也包括摩擦和泄漏液压原件。所设计的控制器是采用系统动力学和液压模型产生伺服阀电流。控制规则包括反馈和前馈两个单独的部分。根据指定的特性阻抗过滤器会修改所需的轨迹，修改后的轨迹被送入系统模型，以减少非线性液压动力的影响。提出了模拟的典型期望轨迹，并得到了拥有良好性能的控制器。 1．导言最早的6自由度（DOF）斯图尔特高夫平台是在1954年发明的。在1965年，样机的平行机构被用做一个具有六自由度运动平台的飞行模拟器。此后，许多关于这种机构以及相关研究被发表，该机构可以是电动也可以是液动。许多研究人员已经研究了斯图尔特平台的动力学和运动学。然而驱动力却没有被考虑完全。虽然电动斯图尔平台已被广泛运用，但是很少有研究是关于包括驱动和控制的完整动力学。阻抗控制被认为是一种积极的兼容的运动控制，主要需要行业应用并于周围环境相互作用，例如数控机床，铣床等。这种控制器同时具有安全性和灵活性，相对而言是首选。液压科学与控制相结合，得到了新的液压系统的应用。这也是为什么液压系统会被作为一些工业和移动式应用机电驱动的首选。包括它们大批量快速生产的能力，它们的耐久性和刚度，还有他们的响应速度，液压体系不同于机电体系，在液压体系中力或例句输出与执行器的电流是不成真比的，因此，液压执行器不能作为力矩的来源模仿，但是可以作为受控阻抗，所以，要设计出了控制机器人的控制器。驱动力/力矩的虚拟设置在这里始终不可行。控制技术被用来补偿电动液压伺服系统的非线性。研究人员已经提出了关于液压伺服系统的非线性自适应控制技术的假设、反推以及方式。一个强力的控制器是在非线性定量反馈理论的基础上设计的，已被工业液力执行机构所实现，同时考虑了系统和环境的不确定性。一个电动机械手控制的统一方式适用于任何提案。运动学约束议案，以及机机械臂及其环境之间的动态交互研究已经通过审查。制定所需的机械臂阻抗技术和对一个给定应用程序选择适当的阻抗的技术的最优化理论已经被提出。这里有两种控制机电驱动高夫斯图尔特并行平台机械阻抗的空间几何方法，第一种基于球形位置函数，第二种则是利用指数映射关联有限位移与扭转位移平衡的平台。一个基于模型的高性能的压接头液压伺服系统前馈反馈阻抗控制器已经被提出，在这里，一个阻抗根据在自由空间或空间接触的行为来调整过滤器所需的轨迹，类似已提交的工作，其中基于位置阻抗控制器工业液压机械手已开发。此外，阻抗控制器研究已在遥控轮式液压伺服系统和重型工程中实施。在这篇论文中，提及了一种基于模型的六自由度电液伺服斯图尔特关节对称平台阻抗控制器，用于描述刚体斯图尔特平台和液压驱动系统，对比其它方法，这里有伺服模型和摩擦模型。先进的控制方案在分析方案时，应用了刚体、驱动力学和伺服阀的输入电流矢量。控制规律包括两个信号，反馈信号和前馈信号。根据指定的行为阻抗过滤器会修改所需的轨迹。修改后的轨迹被送入系统模型，以减少非线性液压动力的影响。现金控制器的性能说明使用了典型的轨迹。拟议的方法可以扩展到串行或闭链机器人和模拟器。 2系统建模在本节中，研究了六自由度电液伺服斯图尔特平台的动态模型，这是一个由支架和六个线性驱动器组成的闭环运动体系，该体系的原理如图1所示：

六自由度运动平台方案设计报告

编号密级内部阶段标记 C 会签校对审核批准六自由度运动平台方案设计名称

内容摘要：针对YYPT项目在原理样机出现的问题，对YYPT原理样机从结构设计、伺服系统等方面进行优化设计，以满足设计及使用要求。主 YYPT 优化题词更改单号更改日期更改人更改办法更改栏

1概述 YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。 2 原理样机技术状态 2.1 原理样机方案 2.1.1 组成原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。具体产品组成表见表2.1。序号产品名称型号厂家数量备注 1 电动缸KH08XX（3）西安方元明 6 安装345厂电机 2 电阻尺LTS-V1-375 上海徳测 6 3 驱动器50A8 AMC 6 3 A/D卡PCI1716 研华 1 4 D/A卡PCI1723 研华 1 5 工控机610H 研华 1 6 直流电源 1 2.1.2 结构方案六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

并联六自由度运动平台

并联六自由度运动平台 1．概述并联六自由度运动平台通过六个驱动缸（伺服缸或电动缸）的协调伸缩来实现平台在空间六个自由度的运动，即平台沿x、y、z向的平移和绕x、y、z轴的旋转运动（包括垂直、水平、横向、俯仰、侧倾和旋转六个自由度的运动），以及这些自由度的复合运动。并联六自由度运动平台可用于机器人、飞行模拟器、车辆驾驶模拟器、新型加工机床、及卫星、导弹等飞行器、娱乐业的运动模拟（动感电影摇摆台）、多自由度振动摇摆台的精确运动仿真等。图0-1：六自由度及其坐标系定义图我公司通过自行设计、安装调试，并开发控制软件，同时采用进口关键件对并联六自由度运动平台进行研究开发，目前已完成多套六自由度运动平台应用，典型应用有列车风档液压仿真试验台、F1国际赛车运动仿真台、汽车驾驶模拟器、飞机和飞碟运动模拟器、振动谱试验、海浪模拟试验等。六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等一系列高科技领域，是液压及控制技术领域的顶级产品。 2．系统组成 2.1液压伺服类典型的液压式并联六自由度运动平台主要由机械系统、液压系统、控制系统硬件和控制系统软件四部分组成。

机械系统主要包括：承载平台、上下连接铰链、固定座。液压系统主要包括：泵站系统、伺服阀、驱动器、伺服油缸和阀块管路。控制系统硬件主要包括：实时处理器、伺服控制单元、信号调理单元、监控单元和泵站控制单元。控制系统软件包括：实时信号处理单元、实时运算单元、伺服控制和特殊要求处理单元。 2.2 电动伺服类电动式并联六自由度运动平台则将伺服油缸用电动缸代替，而伺服阀、泵站系统及阀块管路等则相应取消，增加运动控制单元。具有系统简洁、响应速度快等优点，是多自由度平台今后重点发展的方向。 3．主要技术参数以下参数为液压类平台典型值，具体可按用户要求设计制造。 3.1平台主要参数平台最大负载：静态≥2000KG，动态≥3000KG。上平台球铰分布园直径1400mm，相邻球心距离157mm；下平台球铰分布园直径1600mm，相邻球心距离167mm；伺服缸最小球铰球心距离800mm，最大长度1200mm；（采用Φ63/45~400缸体）。平台初始高度约700mm。 3．2 泵站技术指标额定流量：90L/min 最大系统压力：12Mpa；泵站电机功率：22KW；空间尺寸：1400×1200×1320 3.3 运动参数伺服缸运动速度≥200mm/S；有效行程≥400mm。主要运动参数如下表：

六自由度平台说明书

技术领域本发明涉及一种总线型并联六自由度平台，利用总线型控制方式控制伺服电机，经过虎克铰、伺服电动缸的传动使上平台可以模拟各种空间动作。背景技术传统的伺服电机控制技术是通过运动控制卡发出脉冲信号和方向信号，驱动伺服电机做不同动作。每一个伺服电机都需要一组对应的脉冲信号和方向信号控制，六自由度平台有六个伺服电机就需要六组信号。用CAN总线控制伺服电机，只需要一台计算机通过CAN总线通信适配卡向总线发送控制信息，伺服驱动器选择需要的信息接收来控制伺服电机，不再需要运动控制卡，节省了硬件和接线，实现了传输信号的数字化。一条CAN总线最多可以有128个节点，一个六自由度平台有六个伺服电机即六个节点，所以一条总线可以控制最多20个六自由度平台。并且总线抗干扰能力强，可以适应恶劣的工作环境。六自由度运动平台是由六个伺服电机、六个伺服电动缸，上、下各六个虎克铰和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六个伺服电动缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（α，β，γ，X，Y，Z）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。六自由度运动平台涉及到机械、伺服电动缸、伺服电机、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理等一系列高科技领域，因此六自由度运动平台是控制领域水平的标志性象征。主要包括平台的空间运动机构、伺服系统、控制系统。发明内容本发明解决的技术问题是由总线型方式控制伺服电机使平台可以模拟各种空间运动姿态，并且达到精确控制和信息的反馈。本发明为解决其技术问题采用的方案是：平台包括三部分，分别是控制系统、伺服系统和运动机构。控制模块包括一台计算机、一个CAN总线通信适配卡和一条CAN总线；伺服系统包括六个伺服驱动器和六个伺服电机；运动机构包括十二个虎克铰、六个伺服电动缸和上、下平台。所述上位机与总线通信适配卡连接，CAN总线通信适配卡与CAN总线连接，CAN总线与六台伺服驱动器连接，六台伺服驱动器分别与六台伺服电机连接，伺服电机与伺服电动缸连接，伺服电动缸与虎克铰连接，六个虎克铰和上平台连接，下平台与六个虎克铰连

六自由度

物体在空间具有六个自由度，即沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。因此，要完全确定物体的位置，就必须清楚这六个自由度。六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。空间运动的目标是实现平台在空间运动的三个姿态角度和三个平动位移，即俯仰、滚转、偏航、上下垂直运动、前后平移和左右平移，及六个姿态的复合运动姿态。而空间目标是通过六个液压缸的行程实现的，这就需要一个空间的运动模型完成空间运动的转换，假设空间运动的目标俯仰、滚转、偏航、上下垂直位移、前后平移和左右平移用α，β，γ，X，Y，Z表示，六个油缸的行程用 L(i), (i＝1、2、3、4、5、6)表示。整个运动模型如下： L（i）＝TT（α，β，γ，X，Y，Z）其中，TT是一个空间转换矩阵模型。由此实时算出每一运动时刻液压油缸的行程。液压油缸的理论行程再通过D/A接口的转换，给出实际行程值。多自由度运动控制多自由度控制系统中，自由度最多为六自由度，并且六自由度运动控制难度最大，设备及系统最复杂，下面主要介绍我公司设计、生产的六自由度运动台。六自由度运动平台是由六支直线伺服电动缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只伺服电动缸）执行器）的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出

飞行器六自由度仿真

1引言现在的战争已不是过去大刀长矛的时代，他早已成为国家综合实力的体现，这很大程度取决于军事高科技。这其中导弹作为精确打击的利器关乎国家的战略安全。而研究其包括导弹在内的飞行器精确制导与控制便显得十分的重要。飞行器最优制导规律研究是进行武器系统总体方案论证和提高制导性能及精度的关键技术之一。而要进行制导规律最优性研究一方面需要研究合适的制导规律,另一方面需要进行接近实际情况的全面的大量的仿真研究。仿真验证包括建模与仿真两个方面。在大型工程的方案论证阶段甚至包括实际研制的各个阶段，都要进行仿真检验以论证可行性、合理性和最优性。仿真技术在工程应用特别在高端武器系统总体设计和方案论证中具有极为重要的作用。对制导问题的研究在国外倍受重视。在公开发表的文献中,专门讨论制导规律方面的研究论文很多，可见制导规律的研究是非常重要的。但是仅有理论研究是远远不够的，因为设计的所谓最优制导规律大都是把实际系统进行了大量简化情况下推导出来的，因而与实际情况差别较大。也就是说理论上是最优的制导规律或参数在实际系统中不一定是最优的。因此,必须建立接近实际状态的数学模型和仿真软件。通过仿真计算确定出制导系统的最优参数及制导规律的控制效果，才能最终确定制导规律的最优性。目前国内外这类问题研究主要存在下列三个问题:其一是模型被简化。从众多公开发表的文献资料看,大都是把控制系统简化为一阶、二阶、或三阶等根模型来推导制导规律,并据此模型进行仿真计算。其二是把飞行器的六自由度空间运动状态简化为平面运动状态进行仿真研究，以这种把飞行器运动限制在平面范围内进行仿真计算是有局限性的。其三是在全弹道数字仿真中仅选取几个特征点参数来代表全弹道的气动力参数，这些参数要表征全弹道动态过程是比较片面的，因而仿真结论的可信度是比较差的。若把飞行器看成一个刚体，则它在空间的运动，可以看做是质心的移动和绕质心的转动的合成运动。质心的移动取决于作用在飞行器上的力，绕质心的转动则取决于作用在飞行器上相对于质心的力矩。在飞行中，作用在飞行器上的力主要有：总空气动力、发动机的推力和重力等。作用在飞行器上的力矩有：空气动力引起的空气动力矩，由发动机推力(若推力作用线不通过飞行器质心时)引起的推力矩等。作用在导弹上的空气动

六自由度平台实验报告

六自由度平台实验报告机械电子工程系张梦辉21525074 一、实验简介实验对象为一个六自由度平台，每个自由度的运动均由一个永磁式直流电机驱动，实验要求对其中一个电动缸进行位置控制，位置由一个滑变电阻式的位移传感器反馈回的电压信号确定，驱动则是通过研华的PCI1716L的数字输出实现，控制软件采用Labview8.6。二、实验装置 PC机一台研华PCI1716L多功能板卡一个 PCI总线一根固态继电器板一块 220V AC—24VDC变压器三个直流电动机六个三、实验台介绍六自由度运动平台是由六支电动缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六只电动缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（α，β，γ，X，Y，Z）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。六自由度运动平台涉及到机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理等一系列高科技领域，因此六自由度运动平台是机电控制领域水平的标志性象征。主要包括平台的空间运动机构、空间运动模型、机电控制系统。本实验台，PC机作为板卡和人的接口，通过在PC机上编程来控制板卡发送数字信号和采集位置信号。将PCI多功能卡设置为设备0，选择PCI板卡的模拟信号输入口AI4口来采集2号缸的位置信号，通过PORT1号口来控制2号缸对应直流电机的正转、反转和停止。通过数字信号输出口发送开关量来控制固态继电器的开和闭，固态继电器导通的话，则接通直流电动机，直流电动机开始运行，这时候，电动缸就会朝着指定方向运行，并且到达指定的位置。

实验中用到的接口的说明： AI0-AI5 模拟信号输入口，用来采集六个缸的位置信号；AIGND 模拟信号公共地 DO0-DO11 数字信号输出口，用来控制六个缸的运动（其中DO11-DO10 分别控制1号缸的正反转 DO09-DO08 分别控制2号缸的正反转 DO07-DO06 分别控制3号缸的正反转 DO05-DO04 分别控制4号缸的正反转 DO03-DO02 分别控制5号缸的正反转 DO01-DO00 分别控制6号缸的正反转 DGND 数字输出信号公共地

六自由度运动平台的仿真研究

六自由度运动平台的仿真研究天津工程机械研究院杨永立摘要：本文分析了六自由度运动平台分别采用球铰链和万向节铰链进行连接时的自由度，运用欧拉角、旋转变换的方法推导出位置反解方程，介绍了数值迭代法进行位置正解的过程。关键词：并联，局部自由度，位置反解，位置正解。 1. 简介运动平台按结构形式可分为串联和并联两大类。与串联形式相比，并联形式具有刚度大、承载能力强、结构简单、运动负荷小、能实现包括横移、纵移、升沉等多个自由度运动等特点。同时，串联形式的优点也很明显，其具有运动空间大，测量精度高，运动、受力分析相对简单、控制、测量的实现相对容易，且每个自由度都能独立运动等特点。六自由度运动平台（如图1所示）是由六条油缸通过万向节铰链（或球铰链）将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条油缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X， Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。 2. 自由度的确定若在三维空间有n个完全不受约束的物体，任选其中一个作为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1) 个运动自由度。若在所有物体之间用运动副联接起来组成机构，设第i个运动副的约束为u i（1到5之间的整数），如果运动副的总数为g，则机构的自由度M为：

∑=--=g i i u n M 1)1(6 利用上述公式计算一下如图1所示运动平台(采用球铰链)的自由度数。将油缸分解为缸筒和活塞杆，则总的构件数n=14，油缸与上下平台之间的连接为12个球铰链（约束为3），缸筒和活塞杆构成6个既可以相对移动，又可以相对转动的运动副（约束为4），则平台的自由度M 为： ∑=--=g i i u n M 1)1(6=6 (14－1)－(3×12＋4×6)=18 计算结果出人意料，平台似乎无法只通过六条油缸进行驱动。但是，如果保持上平台和缸筒固定不动，由球铰链的特性可知，活塞杆仍然可以相对其轴线转动；同理，缸筒也具有同样的效应。实践证明，这种转动并不影响上平台的空间运动姿态，因此属于局部自由度。在六自由度运动平台的实际设计中，由于球铰链的刚度差，结构不稳定，所以一般采用万向节铰链（如图2所示，约束为4）来代替图1中的球铰链，则自由度M 为： ∑=--=g i i u n M 1)1(6=6 (14－1)－(4×12＋4×6)=6 3. 六自由度运动平台空间姿态的解算要实现对平台空间姿态的控制和测量，必须掌握它两个方向上的解算方法，即位置反解和位置正解。 3.1 位置反解（逆向解）：已知输出件的位置和姿态，求解输入件的位置称为机构的位置反解。在运动平台的实际应用当中，用户所给定的一般都是平台的六个空间姿态参数X ，Y ，Z ，α，β，γ，然而要实现对平台的控制，需要的是六条油缸的长度L 1、L 2…L 6，这正好是已知输出求输入，属于位置反解。也就是说，要实现对平台空间姿态的控制，就必需推导出平台的位置反解方程。如图1所示，在上平台建立动坐标系o-xyz ，在下平台建立静坐标系O-XYZ ，图2 万向节铰链

六自由度汽车驾驶运动模拟器设计

摘要汽车驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人—车—环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。近年来，由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，研究开发驾驶模拟器已经成为国内外一个重要发展方向。本文在查阅国内外大量资料的基础上，结合老师的研究课题主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。六自由度汽车运动模拟器采用液压伺服阀控制液压缸来驱动模拟平台的运动，以实现汽车驾驶模拟器运动姿态模拟。本文主要进行机械机构的设计、液压伺服系统设计、液压泵站设计和液压缸的设计等。通过模拟器的机构设计和驱动液压伺服系统设计，结合电气系统能够实现汽车在不同运行状态的模拟，当驾驶员坐在驾驶舱系统的座椅上进行模拟驾驶时，完全能够感受到实际汽车驾驶的各种体感，为实车训练驾驶提供了可替代的模拟平台；本设计也为今后的进一步研究及其在娱乐模拟器、动感电影等产业的实际推广和应用方面奠定了基础。关键词：汽车驾驶模拟器六自由度运动平台液压伺服系统运动姿态控制

Abstract The Automobile-driving i an important tool which used for the development of auto mobile product and the study of the transportation characteristics of “man-car-environment”or the driver training .In recent years, the study of the automobile-driving simulator used for development has become an important development direction in the world because of the notable characteristics of high safety, well reappearance of scene, easy to develop and low cost. This article is based on searching the large quantity of information about at home and abroad, and combines with the tea cher’s research task which mainly designs the part of 6-dof driving Simulator of hydraulic system .The 6-dof motion simulator adopts valves of hydraulic servo to control actuator to drive the movement of driving simulation platform, and to achieve the movement posture simulation of the automobile driving simulator. This article is mainly about the designing of machine, the system of hydraulic servo, hydraulic pump station, and actuator and so on. According to the designing of agencies of simulator and hydraulic servo system, it can combines the electrical system which can bring out the imitation of cars in different movement conditions, when the driver simulating drive on the seat of cockpit system, you can feel the feeling of driving a true car, and it also offer the simulator platform which can be replaced for true driving training. At the same time, this designing is also establishes for the further researches and the practice extension and use. Keywords:Driving-automobile simulator, 6-dof of motion platform, the system of hydraulic servo, the control of campaign attitude

六自由度舰船运动模拟器随机海浪谱模拟

六自由度舰船运动模拟器随机海浪谱模拟皮阳军1,　王宣银1,　罗晓晔2,　顾　曦1 (1浙江大学流体传动及控制国家重点实验室　杭州,310027)(2杭州职业技术学院模具研究所　杭州,310018) 摘要　为了测试随机海浪引起的振动对舰载设备性能和可靠性的影响,提出利用六自由度舰船运动模拟器复现随机海浪谱,对舰载设备进行环境模拟试验。针对六自由度舰船运动模拟器的实际情况,提出双闭环控制方法,利用实时正解代替输出传感器。研究了基于谱均衡和时域随机化的随机海浪谱驱动信号生成技术,并在六自由度舰船运动模拟器上进行试验。试验结果表明,该方法能在六自由度舰船运动模拟器上模拟随机海浪谱,频域复现精度达到±1dB。关键词　六自由度　模拟器　海浪谱　可靠性　随机振动中图分类号　T P242　T P391.76 引　言环境模拟试验是设备可靠性验证的重要组成部分,在设备的研发和可靠性验证中具有重要作用[1-2]。舰船在海洋中主要受到海浪扰动而产生振动,需要舰船运动模拟器来模拟海浪产生的振动。海浪引发的振动属于随机振动,而海浪功率谱密度是海浪重要统计特征之一[3]。因此,海浪随机振动的模拟又称为海浪功率谱密度的模拟。国外公司已经掌握了随机振动试验的控制技术,有较为成熟的产品[4-5]。Welar atna[6]介绍了随机振动试验的控制算法。Vaes[7]介绍了一种路面振动模拟的振动台。国内学者主要对随机振动试验中的理论进行了研究。蒋瑜等[8]对超高斯真随机信号的生成技术进行了研究。王述成等[9]对随机振动试验中的时域随机化技术进行了研究。这些研究主要集中在宽带随机振动控制,振动台的行程一般较短。研究表明,海浪谱为窄带信号,频谱主要集中在低频段,在时域内随机信号的幅值较大,因此不能采用一般的振动台进行模拟。六自由度舰船运动模拟器具有输出力大、输出位移长的优点,满足海浪谱模拟的要求。国内外学者对并联六自由度平台进行了较为深入的研究,基于该平台的六自由度模拟器已经在航空、汽车和舰船模拟上得到了广泛的应用[10]。本文根据六自由度模拟器的实际情况,利用位移传感器采集6个驱动杆长度,进行实时正解得到模拟器末端位姿。这种设计避免了安装加速度传感器,也方便在计算机内部进行位置闭环控制。 1　六自由度舰船运动模拟器六自由度舰船运动模拟器主要由并联六自由度平台构成。如图1所示,并联六自由度平台由6根可伸缩液压缸分别和上、下平台以球铰和虎克铰连接。下平台固定,上平台可以模拟舰船的纵移、横移、垂荡、纵摇、横摇和艏摇六自由度运动。平台上、下铰点分别用B i,A i(i=1,2,…,6)表示。上、下平台的坐标系分别为运动坐标系O p X p Y p Z p和惯性坐标系O g X g Y g Z g。平台的结构参数如下:上、下铰分布半径为R1和R0;上、下铰点分布角为 1和 0;支链铰间距为q;零位时上平台高为h。六自由度平台的输出与6个驱动关节的输入具有特定的映射关系。已知各个关节输入求取六自由度平台的输出称为正解问题。因此,试验系统采集6个驱动关节的位移,通过实时正解求出六自由度平台的输出位置,避免直接在输出端安装传感器。 2　随机海浪谱驱动信号生成原理传统的舰船运动模拟器一般将海浪作为规则波或规则波的叠加进行处理,实际上海浪是不规则的　第30卷第4期 2010年8月振动、测试与诊断 Journal of Vibratio n,M easurement&Diagnosis V o l.30No.4 A ug.2010 国家自然科学基金资助项目(编号:50375139);新世纪优秀人才支持计划资助项目(编号:N CET-04-0545);浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开放基金资助项目(编号:GZK F-2007004) 收稿日期:2009-06-16;修改稿收到日期:2010-03-12

六自由度运动平台设计方案

六自由度运动平台设计方案 1概述 YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。 2 原理样机技术状态 2.1 原理样机方案 2.1.1 组成原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。具体产品组成表见表2.1。序号产品名称型号厂家数量备注 1 电动缸KH08XX（3）西安方元明 6 安装345厂电机 2 电阻尺LTS-V1-375 上海徳测 6 3 驱动器50A8 AMC 6 3 A/D卡PCI1716 研华 1 4 D/A卡PCI1723 研华 1 5 工控机610H 研华 1

6 直流电源 1 2.1.2 结构方案六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X ，Y ，Z ，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。图1 六自由度平台外形图 a ）球笼联轴器（如图2所示）采用球笼铰链与上平面连接。球笼铰链结构简单、体积小、运转灵活、易于维护。初选球笼铰链型号BJB （JB/T6139-1992），公称转矩Tn=2000N/m ，工作角度40度，外径D=68mm ，轴孔选用圆柱孔d=24mm ，总长度L1=148mm ，转动惯量为0.00008kg.m 2，重量5kg 。球笼联轴器电动缸虎克铰链上动平台下静平台

六自由度机械手动力学仿真

机电工程学院机械动力学课程设计学号：专业：机械工程学生姓名：任课教师： 2012年10月

基于PRO/E和ADAMS的六自由度机械手运动仿真本文利用PRO/E软件对所设计六自由度机械手进行三维实体建模，然后通过PRO/E 和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导入ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的关节角位移、速度、加速度和驱动力矩的变化情况，通过观察各机构的运动轨迹以及相关曲线的变化趋势确定设计中存在的问题，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试。 1 六自由度机械手的三维实体模型 1.1利用Pro/E建立机械手的三维实体模型本文所研究的六自由度机械手由Part2-Part8七部分零件构成，Part_1为大地。将绘制完成的零件采用从下向上的装配顺序进行装配，其装配效果图如图1所示。图1 机械手装配模型 1.2三维模型的导入首先在Pro/E环境下将机械手装配模型保存为“.x_t”格式，然后在ADAMS中执行[import]导入刚才生成的“.x_t”文件。导入的模型没有质量，需要自己添加，在ADAMS 中分别定义各零件材料属性为“steel”。

2 ADAMS运动仿真机械手在运动过程中要尽量平滑、平稳，否则会产生机械部件的磨损加剧，并导致机械手的振动和冲击。因此在仿真过程中测量各个关节的关节角位移、速度、角加速度和驱动力矩的变化情况。将模型各零部件导入ADAMS软件中后，各个构件之间还没有任何的约束，模型只是提供了各构件的初始位置。本机械手两两相邻的构件构成的六个关节都是转动关节，均定义为旋转副，底座与大地之间定义为固定副，然后再为每个旋转副分别定义驱动(Motion)。从下往上，Part_2和Part_3之间为Motion_1，直到Part_7和Part_7之间为Motion_6。添加完驱动后的模型如图2所示。图2 ADAMS环境下机械手仿真模型本题为已知各关节转角运动关系，因此使用STEP函数定义各关节驱动为角位移的函数。各个旋转副相对应的运动方程如下：（1）Motion_1：STEP(time，0，0d，6，60d)；（2）Motion_2：STEP(time，0，0d，6，-15d)；（3）Motion_3：STEP(time，0，0d，6，45d)；（4）Motion_4：STEP(time，0，0d，6，40d)；（5）Motion_5：STEP(time，0，0d，6，40d)；（6）Motion_6：STEP(time，0，0d，6，20d)。至此建立起了机械手完整仿真模型，然后进行8s、80步的仿真。如图3所示。

六自由度电动平台控制系统设计研究

３０收稿日期：２０１１－０９－０５六自由度电动平台控制系统设计研究金　伟１，杨　斌２（１兰州城市学院培黎石油工程学院甘肃兰州，７３００７０）（２兰州城市学院甘肃兰州，７３００７０）摘　要：采用多轴运动控制器ＭＡＣ作为控制主体，基于“工控机＋运动控制卡”的模式，构建了一个开放式的六自由度电动平台控制系统。实现了六自由度电动平台的基本控制功能。建立了六自由度电动平台的故障保护系统及故障监控系统，并详细介绍了系统组成部分及实现过程。关键词：故障保护系统；故障监控系统；六自由度电动平台；ＭＡＣ Abstract: This dissertation applies the current high-powered servo controller MAC, based on “IPC+MAC ”，constructed an open numerical control system of 6-dof electric platform. The control software is designed with the functional modularization. The basic control functions of 6-dof electric platform are realized.Fault Protection System and Fault Monitoring System is established, and the components and the implementation process is described in detail. Key words: platform ; Fault protection system ; Fault monitoring system ; 6-dof electric- MAC 中图分类号：ＴＰ１３文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９２２７（２０１１）０６－００３０－０３０绪　论近年来由于电机伺服系统性能的大幅提升以及电动缸控制性能的优越性，在小载荷和高精度控制领域电机驱动平台系统有取代液压驱动平台系统的趋势，因此开展对六自由度电动平台运动系统的研究有着非常重大的意义与巨大的发展前景。本论文围绕搭建六自由度电动平台的控制系统实现实时运动控制而展开。本控制系统采用“工控机＋多轴运动控制卡”作为硬件基础，搭建了本六自由度电动平台的硬件控制系统；开发出六自由度电动平台的控制软件，建立起六自由度电动平台软件控制系统，实现六自由度电动平台的实时控制。构建六自由度电动平台故障保护系统及故障监控系统，实现电动平台的基本故障保护与远程故障监控。１六自由度电动平台的结构与特点六自由度电动平台由下平台（固定底座）、运动平台、虎克铰和六个作动器（伺服电动缸）组成。伺服电动缸通过虎克铰以并联的形式将固定底座和运动平台连接起来，因而六个伺服电动缸均可独立地伸缩。通过六个伺服电动缸的协调伸缩，相对于固定下平台，运动上平台就可以灵活实现空间六个自由度方向上的位姿运动。该结构具有以下特点：（ｌ）同串联机构的悬臂梁比较，六自由并联机构的运动平台由６个作动器同时支撑，结构稳定，刚度较大，且承载能力大；（２）串联式机器人的传动系统及驱动电动机大都固定在运动的大小臂上，导致系统惯性增加，动力性能恶化，而并联式则可将驱动电机置于固定底座上，减小了运动负荷，动力性能较好。（３）串联机构的误差是相关运动关节误差的积累和放大，因此误差大而精度低。而并联机构则误差趋向平均化，不存在如此的误差积累和放大关系，因而误差小、精度高；（４）并联式机器人组成结构往往为对称式，其各向同性好；（５）在运动学分析方面，串联机构正解容易，反解非常困难，而并联机构则与之相反，正解困难，反解容易。多自由度机构运动过程中，需要进行实时反解运算，并联式容易实现，而串联式却十分不易。２控制系统硬件体系结构２．１　控制系统逻辑结构在自动控制系统中，输出量以一定准度随着输入目标值的变化而变化的系统称为伺服系统。六自由度电动平台硬件控制系统的目标是：输入预定的目标位姿曲线，驱动伺服电机使电动缸推杆按照位姿曲线进行伸缩运动。因此本文要搭建的六自由度电动平台控制系统就是伺服系统。要实现对六自由度平台良好的控制，构建一个精度高，响应快速，稳定性好的伺服系统显然尤为关键。电动平台硬件系统由工控机、运动控制卡、数字式直流伺服放大器、伺服电机及检测原件组成。本系统以研华工控机（ＩＰＣ）作为上位机，以多轴运动控制器ＭＡＣ为下位机，电气伺服部分采用富士交流伺服电机，机械传动部分采用高精密滚珠丝杠。控制软件通过ＭＡＣ系列运动控制卡发送脉冲给富士电机伺服放大器，从而驱动伺服电动缸按照给定轨迹完成伸缩运动。在电动缸运动的同时，通过伺服电机中编码器将实际位置脉冲信号反馈到ＭＡＣ运动控制卡的接口，从而更准确地控制动平台六自由度电动平台控制系统设计研究金　伟，等