一种三自由度运动平台的研究及实现
两转一移三自由度并联机构研究
两转一移三自由度并联机构研究作者：董观金王鹏勃来源：《中国科技博览》2019年第13期[摘要]机构是制造装备的重要组成部分，甚至可以说是制造装备的“血”，可以装备不断更新换代离不开机构的技术的不断创新，对于机构存在大量自由度数不是很高的操作任务，可以在对机构进行应用优化后，来实现对自由度的有优化，并联机构具有很多的技术优势，特别是在制造、控制和维护等方面会极大地控制使用的成本，两转一移三自由并联机构中代表性最强的，该项技术已经成功用到了各项高端制造装备的主机构当中，对实现制造装备的技术创新，提供了极大地技术支持，本文基于该项技术的优势，对其再进行更为细致地探讨研究，主要从其构型综合、性能分析和尺度综合等三方面分析总结，探讨其技术存在的问题，以此展望制造装备的未来。
[关键词]两转一移；三自由；并联机构中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0030-01随着国家经济，技术的不断发展。
促使实业得到了不断地发展，实业面临着巨大的市场需要，但是该过程中，对机械行业的技术水平要求也逐年增加，对机械行业的质量、技术与生产等方面提出了更多的要求，对此需要不断创新机械设计与制造技术，需要不断更新生产设备，创新生产产品，增加市场竞争力。
虽然并联机构从出现到已经有六十多年的历史了，在机构研究等方面也实现了许多的技术突破和创新，对机械装备的技术发展提供了极大地技术支持。
1、RIT运动分类1.1坐标系的建立联连机构设计当中最为重要的是尺度综合，可以起到优化尺寸参数选择，以实现最终的日标，对此的可行性要求比较高。
2RIT型并联机构在进行尺度参数的研究研究时可以将该机构分为三个部分进行分析，工作平台以及相对应的建楼的运动支持，在支持运动时，需要对支量的两端进行转动的测定衡量，对于支量的两端的运动刷而言，需要机构进行驱动，在工作平台的三角形的外接圆心，并需要对此进行固定，也是为了更加方面地对模型运动进行分析，对此需要建立参考的坐标系，考虑到机构内部的结构复杂性，根据实际地需要可能建立，在两个平面建立一个整体的参考系。
三自由度稳定平台运动学分析
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三自由度并联自稳定平台的 机构设计与运动学分析
汇报人： 汇报人：
( X bi , Ybi , Zbi ,1)
旋转矩阵 Rop 为
cα sγ Rop = s s α γ cβ cγ + cα sβ c y − cα sβ c y 0
T
= Rop ( xbi , ybi , zbi ,1)
T
（1-1）
e ix β = − x b i c γ s β + y b i s γ s β + z b i c β e ix γ = − x b i s γ c β + y b i c γ c β
e iy α = − x b i s γ s α − x b i c γ s β s α − y b i c γ s α − y b i s γ s β c α − z b i c β c α e iy β = − x b i c γ c β c α − y b i s γ c β s α + z b i s β s α e iy γ = − x b i c γ c α − x b i s γ c β s α − y b i s γ s α − y b i c γ s β c α − z b i c β c α
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ai , Yai (pX−aixyz , Z ai )
自稳定平台的工作空间
一种3自由度自动导引车的运动学建模与仿真
仿真结果分析：情况（Ｉ）：由图４（ａ）及其图５（ａ）和图５（ｂ） 的仿真结果显示当车体方位与车体速度方向一致时，利用差 速驱动可以实现小车的曲线跟踪，即小车的左、右轮不用操 舵，只改变左、右轮的速度即可实现小车的转向。在这种情 况下，３自由度自动导引车在路径跟踪过程中只实现了两个 位置自由度，而缺少了方位自由度，相当于是２自由度自动 导引车。情况（２）：由图４（ｂ）及其图５（ｃ）和图５（ｄ）的仿真结 果显示当车体方位与车体速度方向有固定夹角或时变夹角
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式（５）、（６）中的钆和吼分别是右轮和左轮的舵角。
为不使小车产生横向滑移，则¨和Ｋ的ｘ向分速度应
建模与控制：高峰（１９６９．），男．宁夏人．讲师，研究方向为数控机床及
机器人控制。
动轮的方向从而对小车进行操舵。小车通过调节取动轮的转 速柬调节车体的运动速度，通过调节舵角或与运行速度结合 来控制车体角速度（轮子的结构简图如图１（ｂ）所示），町以 独立地控制小车的位置和方位。在整个任务执行过程中 ＡＧＶ利用“呆板”（Ｄｅａｄ—Ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ）算法导引定位。
蔷 曼
三自由度摇摆台方案设计及仿真分析
第19卷 第12期 中 国 水 运 Vol.19 No.12 2019年 12月 China Water Transport December 2019收稿日期：2019-07-23作者简介：时阳阳（1993-），男，上海理工大学硕士生。
三自由度摇摆台方案设计及仿真分析时阳阳，刘士宾，王克楠（上海理工大学，上海 200000）摘 要：三自由摇摆台是一种常见的机电一体化产品，作为一种空间运动结构，在模拟船舶、汽车、飞行器运动姿态方面有广泛的应用。
本文根据性能要求，对三自由度摇摆台进行了整体的结构方案设计。
其中包括摇摆台的机械结构设计，驱动设计方案设计，并运用Solidworks 建立了摇摆台的三维模型。
并运用ANYSY 有限元分析，对结构进行了轻量化设计。
基于ADAMS 的虚拟样机技术，建立了三自由度摇摆台的多刚体动力学模型，通过添加约束，载荷和仿真分析，得到了摇摆台的运动和受力规律，验证了摇摆台功能性。
关键词：摇摆台；结构设计；动力学；虚拟样机；仿真分析中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）12-0079-03电动摇摆台是集机械技术、控制技术和传感检测技术、计算机技术于一体的综合性测试设备[1]。
它作为一种空间运动机构主要用于车载、舰载和机载武器装备的稳定瞄准系统实验，被广泛用来模拟车辆、舰船及飞机的运动姿态，为实验对象提供一个非常接近实际的振动环境，在振动条件下对实验对象进行实验研究和性能考察，在国防和民用中都有很高的应用价值[2]。
电动摇摆台是典型的机电一体化的复杂产品，因此，采用虚拟样机技术相较于传统的研发模式，具有明显的优点，可以有效地缩短产品的实验周期，大大减少研发成本。
虚拟样机技术已在航空航天、兵器、车辆、机器人、机械等行业得到了广泛的应用。
一、机械结构设计为了实现摇摆台三自由度的运动，将三自由度摇摆台设计成3-RPS 结构，示意图如图1所示。
基于ADAMS的三自由度运动平台运动学分析
２２ 第３ 总 １期）・ 械 研 究 与 应 用 ・ ０ 年 期（ 第１ １ ９ 枕
基于 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ的 三 自 由度运 动 平 台运 动 学分 析
王 荣扬
（ 湖州职业技术学院 机 电工程分院 ， 浙江 湖州 ３ ３０ ） １０ ０
摘
要： 针对一种 三 自由度运动平 台， 实现 了复杂机械在 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ中的虚拟样机 建模 ， 运动平 台的整个运动 过程 直 使 观化 ， 并对建立的虚拟样机模型进行仿真 。仿 真结果表 明， 所建立的虚拟样机模型精确 ， 真结果迭到预 期要 仿
琐 等 问题 ， 总使 人 望 而 却 步 。 目前 ， 算 机技 术 的发 计
展 日新月异， 各学科 的工具软件 的功能越来越强大，
使 许 多繁 琐 的 问题 变得 简单 。 因此 ， 了简化运 动平 为
由此可 以得到此机 构具 有三个 自由度 ， 即沿 空 间
坐标轴三个坐标方向的移动。
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａｉ ｎ ｔｏ ｅ ｋｎ ｆｔｒ ｅ ｄ ｇｅ ｓ ｏ － ｒ ｅ ｏ ｍｏｉ ｎ ｐａ ｏ ｍ，ａｃ ｍｐ ｅ ｃ ａ ｉｍ ｄ ｌ ｓ ｃ ｍｐ ｅｅ ｓｒ ｃ ： ｍｉ ｇ ａ ｎ ｉ ｄ ｏ ｅ ｅ ｒ ｅ － ｆ ｆ ｄ ｍ ｔ ｌｔ ｒ ｈ ｅ ｏ ｆ ｏ ｌ ｘ ｍｅ ｈ ｎｓ ｍｏ ｅ ｏ ｌｔ ｄ ｉ ＡＤ— ｉ ｎ ＡＭＳ ｗ ｉ ｈ ｍａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｗｈ ｌ ｖ ｍｅ ｔｏ ｔ ｎ ｐ ａ ｏ ｉ ａｉａｉｎ ｈ ｃ ｋ ｎ ｈ ｏｅ ｍｏ ｅ ｎ ｆｍｏｉ ｌ ｔ ｒ ｖｓ ｌ ｔ ．Ｔ ｅ ｈ ｕｈ ｖ ｒ ａ ｒ ｔｔ ｐ ｓ ｓｍｕ ａｅ ．Ｔ ｅ ｏ ｆｍ ｕ ｚ ｏ ｈ ｎ ｔ ｅ ｂ ｉ ｉｔ ｌｐ ｏ ｏｙ ｅ ｉ ｉ ｌ ｔ ｄ ｕ ｈ ｓｍｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌ ｔ ｔ ｈ ｔｔ ｅ ｍｏ ｅ ｒｃ ｓ ，ａ ｄ ｉ ｃ ｎ Ｃ ｌＯ ｍ ｅｄ ｍａ ｄ ｏ ｉ ｌ ａｉ ｎ ｐｅ ｉｉｎ ｔ ｕ ｔ ｏ ｅ ｔ ｏ ｉ ｌ ｔ ｕ ｔ ｓａｅ ｔ ａ ｈ ｄ ｌ ｓｐ ｉｅ ｎ ａ Ｏ￣ ｒ ｔ ｔ ｅ ｎ ｆ ｍｕ ｔ ｒ ｃｓｏ ｈ ｓｉ ｃ ｎ ｓ ｔ ｅ ｆｒ ｏ ｅ ｓ ｉ ｅ ｔ ｏｈ ｓ ｏ ｌ
三自由度并联机器人的研究与开发中期报告
三自由度并联机器人的研究与开发中期报告一、研究背景随着自动化技术的发展，机器人在工业制造、医疗、服务等各个领域的应用越来越广泛。
其中，多自由度机器人在精密加工、高精度测量等领域具有广泛的应用前景。
而多自由度机器人的设计和控制具有较高的复杂性和技术难度，同时工作空间受到限制，因此单一多自由度机器人在某些应用场景存在一定的局限性。
为了克服这些局限性，三自由度并联机器人应运而生。
整个机器人由三个平面运动的自由度组成，并且具有较大的工作空间、高精度、高刚性等优点。
因此，本文研究了三自由度并联机器人的设计和控制问题，并探索了其在医疗、服务等领域的应用前景。
二、研究内容1. 机构设计在机构设计方面，本文设计了一个三自由度平面并联机器人。
整个机器人由一个固定平台、一个移动平台和三个连接杆组成。
连接杆采用了撑杆结构，具有较好的刚性和重量比。
同时，为了增加机器人的使用寿命和易制造性，连接杆采用了可制造的标准结构。
2. 运动学分析在运动学分析方面，本文首先推导了机器人的雅可比矩阵，得到了机器人的正逆运动学方程。
然后，我们采用matlab进行运动学仿真，得到了机器人的运动轨迹和工作空间图像。
3. 动力学建模在动力学建模方面，本文采用拉格朗日方法建立了机器人的动力学模型，并通过matlab进行仿真。
通过仿真结果，我们发现机器人的动态特性具有一定的耦合性和非线性特性。
4. 控制算法设计在控制算法方面，我们采用了基于PID控制器和反馈线性化控制器的混合控制算法。
针对机器人的动态耦合性和非线性特性，我们采用了反馈线性化控制器进行控制。
同时，为了提高系统的控制精度和鲁棒性，我们采用了PID控制器进行补偿。
三、预期成果1. 完成三自由度并联机器人的机构设计，并实现机器人的制造。
2. 掌握三自由度并联机器人的运动学原理，并可进行运动学分析。
3. 掌握三自由度并联机器人动力学建模的方法。
4. 开发基于PID和反馈线性化控制的混合控制算法，提高机器人的控制精度和鲁棒性。
三自由度平台
November 3, 2013
An illustrated guide to the Three free platform
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2.转矩控制 转矩控制是向伺服单元输入模拟量指令形式的转矩指令，利用与输入电压 成正比的转矩来控制伺服电机的运行，也是通过 Pn000 来选择自由度平 台的控制方式。 3.位置控制 位置控制是利用脉冲序列指令进行的控制。
November 3, 2013
An illustrated guide to the Three free platform
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控制系统的流程图
November 3, 2013
An illustrated guide to the Three free platform
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安川伺服驱动内部结构
其中我们用到 驱动器型号： SGDV-2R8A01A 电机型号： SGMJV-04AAA61
November 3, 2013
An illustrated guide to the Three free platform
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反馈回路：编码器实时反馈电动缸位移信号，实现三台伺服电机位置 闭环控制，使三只电动缸达到所要求的位移量，那么平台也就达到所期望 的运动姿态。 监测回路：为了保证平台安全可靠的运行，平台实时控制计算机，通 过数据采集卡实时读取平台极限位置信号，故障安全报警信号，并实时处 理，同时实时计算机把平台位姿和运行状态，返回给主控计算机人机界面， 供使用者监控。
November 3, 2013
An illustrated guide to the Three free platform
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三自由度平台外观
November 3, 2013
三自由度平台设计原理及应用范围
三自由度平台设计原理及应用范围三自由度运动平台能在空间三个自由度上做任一自由度的单自由度运动，也能做任意几个自由度的复合运动。
由于采用全数字控制的伺服系统及伺服电动缸作为平台运动部分的执行机构，因此，三自由度仿真平台的运动轨迹及速度平滑连续，既可实现高频响的快速运动，也可实现低速下的平稳运动。
三自由度平台是由三支伺服电动缸、上下各三只万向铰链(虎克铰)和上下两个平台组成。
下平台固定在基础设施上，借助三支伺服电动缸的伸缩运动，完成平台在空间三个自由度(X、Y、Z、α、β、γ)的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。
三自由度平台原理三自由度运动平台：系统原理总设计此图为模拟机的系统流程图，模拟机总控模块位于App系统的顶层，总体管理图形实时生成系统、训练考核系统、模拟驾驶专家系统的工作。
数据采集与实行系统作为模拟训练机的人机输入接口和实行输出接口，模拟机总控模块需要管理协调数据采集与系统。
三自由度平台应用范围一、模拟仿真用的动感平台模拟仿真用的动感平台的有效载荷范围为0.25吨-20吨，这些模拟仿真动感平台通过接受来自上位控制器的状态信号，控制平台的运动，广泛应用于各种训练模拟器如飞行操纵模拟器、舰艇操纵模拟器、直升机操纵模拟器、坦克操纵模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感影院、娱乐设备等领域。
二、严密定位测试用的平台精严密定位测试用的三自由度平台的有效载荷范围为0.5吨-50吨，位置定位精度达到0.02mm。
广泛应用于各种汽车姿态测试设备、飞机/导弹等飞行器的飞行姿态测试设备，以及空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接。
同时利用三自由度精严密定位机构，可以做成高刚度、高精度的三自由度加工机械和装配机械手(如三轴并联机床和并联机器人，广泛应用于各种复杂的特种加工、复杂装配(如飞机装配和卫星的装配)。
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华中科技大学硕士学位论文一种三自由度运动平台的研究及实现姓名：罗文豹申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：李维嘉2011-01-11华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要由于三自由度运动平台可以提供驾驶模拟器所需的主要动感特效，加之驱动关节少，性价比高等优点，在驾驶模拟器中的应用愈来愈广泛。
本文即根据某型驾驶模拟器运动平台的性能指标要求，对三自由度运动平台进行研究并予以实现。
首先，论文基于空间运动机构的相关理论，确定了一种带防扭臂结构的三自由度运动平台机构；然后，以平台运动范围、电动缸工作行程、平台台面尺寸等为约束条件，以平台可控性能和平台结构尺寸的加权综合最优为目标函数，采用加速遗传算法，对该平台的机构参数进行了优化，并将优化结果运用到实际平台的设计中；其次，针对运动平台的驱动控制系统设计，提出了全数字伺服控制的方案，提高了控制系统的抗干扰能力；再次，基于空间运动机构的动力学仿真，确定了驱动系统的动力匹配；最后，基于Wince6.0操作系统，开发了一套三自由度运动平台应用软件，实现了平台系统的实时控制。
调试结果表明，平台系统的各项性能指标，均满足了设计要求。
本文所研究并实现的三自由度运动平台系统，已投入使用，并小批量生产。
关键词：三自由度; 防扭臂; 机构优化;Wince;电动伺服控制华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractThe three degrees of freedom platform has been applied to the driving simulator more extensive, Since it can provide the main dynamic driving simulator effects, additionally it has less joint actuated and higher capability but lower cost. In this paper, three degrees of freedom motion platform has been studied and realized based on a certain type of driving simulator performance requirements.First, in the paper, a kind of the three DOF motion platform with anti-torque arm has been identified based on the theory of space motion agencies. Secondly, the key factors, such as the range of the platform, the stroke length of electric cylinders, the sizes of panels etc., as constraint conditions was concluded, the optimal weighed value of the controllability and the structure size of the platform as the optimal objective functions were chosen, the algorithm parameters of the platform mechanism were optimized based on acceleration genetic algorithm, and the optimization results were applied to the design of a kind of the three DOF motion platform with anti-torque arm. Thirdly, All-digital servo control scheme has been proposed for the design of the drive control system, and it has been Improved anti-jamming capability of the control system. Fourthly, The power matching for the drive control system has been determined based on the dynamic simulation of the Space motion mechanism. Finally, The internet applications have been developed ground on Wince6.0 and the process of designing the real-time control system for the platform has been carried out. The results have showed that all performances have meet the design requirements. The three-DOF motion platform system which has been Studied and implemented in this paper has been put into use, and small batch production.Key words：Three degrees of freedom；Anti-torsion arm；Mechanism optimization； Wince；Electro-mechanics servo control独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪论1.1课题来源及意义1.1.1课题来源本课题来源于某型汽车驾驶模拟器设计项目。
1.1.2课题意义实验室用运动平台模拟仿真试验具有明显的安全性、经济性、可操作性，不受场地和气象条件的限制和效率高等优点[1~3]，因而广泛应用于驾驶模拟训练、飞行模拟器、空间对接模拟、船载和车载运动模拟，以及机构力加载等各个方面，为提高我国的仿真技术水平，增强国防实力，提高工业生产力水平，作了巨大贡献。
Stewart运动平台已广泛运用于运动和力学仿真领域[4~5]。
在保证平台仿真效果的同时，为了进一步降低硬件成本，国内外已经研发了多款三自由度运动平台[6~7]。
但是这几款运动平台尚有一些不足，例如，平台机构空间尺寸较大，而提供的工作空间较小；平台机构设计和运动副选用不尽合理，运行一段时间后出现比较严重的磨损现象，影响了平台工作精度。
本文研究与设计的三自由度平台系统，其特点是在满足运动仿真效果的同时，尽量减小平台结构尺寸和加大平台运动范围，这样既利于平台小型化发展，又降低平台成本，从而进一步扩大运动平台的适用场合。
同时电动驱动方式的尝试，必将有利于推动电动平台的发展，减小平台的使用和维护成本，进而促进平台使用的推广。
1.2国内外相关研究的分析并联机构与串联机构相比[8~10]，具有结构刚度好、承载能力强、位置精度高、响华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文应快等一系列优点，结合运动仿真平台的自身特点与要求，目前运动仿真平台皆采用并联机构形式，常见的有三自由度、六自由度和七自由度等多种形式。
在国内外，对传统并联运动机构研究的理论和技术较为成熟，研究从机构优化、位姿正逆解、误差分析、运动学及动力学等各个方面展开，控制参数包含位移、速度、加速度，力等，控制算法从传统的PID算法到智能控制百花齐放。
到目前为止，带有运动平台系统的模拟器已广泛地应用于军用和民用仿真领域。
国外，70年代初，美国就开始开发用于飞行训练用的飞行模拟器。
国际上一些大型飞机制造公司都拥有自主研发的飞行模拟器，可以担当百分之六十以上的训练任务，明显减小开发和试验成本。
如波音公司在研制B-777飞机的同时，已开始B-777飞行器的研制工作。
汤姆森公司研制开发的飞行模拟器可以模拟飞机在不同天气和环境的训练状态，能够给飞行员提供多种训练。
70年代初，欧美一些发达国家，汽车驾驶训练仿真系统就作为一种培训工具用于驾驶员培训。
1985年德国Daimler-Benz 公司研制出当时世界上最逼真的汽车模拟器，模拟舱安装有一辆真正的汽车，运用复杂的计算机控制系统和视景设备可以模拟各种地形，加速度，全方位的视角和理想的音响效果，使人如同沉浸在真实汽车驾驶室里操纵一样。
国内，目前从事这方面研究的有北京航空航天大学，华中科技大学，哈尔滨工业大学等高校，以及星光凯明、穆韦机电等几家企业单位。
1994年，华中科技大学和青岛潜艇学院合作研制了一台六自由度潜艇训练模拟器。
2008年，华中科技大学为三一重工研制了一台载荷四十吨的六自由度试验台。
2010年，华中科技大学为西安某所研制了一台360°回转的六自由度平台。
目前，国内外的大型运动平台应用比较广泛的是采用液压驱动方式，液压驱动系统的优点是承载能力强，有较好的精度和响应速度，结构紧凑，而且液压系统的油液对运动部件能起到润滑的作用；其主要缺点是液压系统存在泄漏，易污染环境，伺服阀抗干扰、抗污染能力弱、容易堵塞，故障率高。
2000年后，电动缸的应用也逐渐得到重视，其维护简单，安全可靠，控制精度高，生产成本低。
许多小功率的应用场合，电动缸已经开始替代液压缸，实现高精度的控制，采用电驱动的运动平华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文台能克服上述不足，在高速高精度方面更能满足要求，到目前为止，国内电动平台载荷已经可以达到10吨，控制精度和动态响应能力已满足国军标要求，随着机电技术和控制技术的进一步发展，电动平台必然成为未来仿真平台的一种发展趋势。