六自由度电动平台控制系统设计研究

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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

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（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）０６－００３０－０３

０ 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

《自动化与仪器仪表》２０１１年第６期（总第１５８期）３１

运动。

其逻辑结构如图１所示。

图１　控制系统方框图

２．２　控制系统的硬件结构及性能介绍

２．２．１ＭＡＣ运动控制器

运动控制器是一种安装在计算机中通过编程发送脉冲实现伺服和步进电机运动控制的单元，它与计算机构成主从式控制结构。运动控制器大都通过ＰＣＩ总线与计算机插槽相接。工控机ＩＰＣ通过控制程序调用运动控制函数，经ＰＣＩ总线给运动控制器发送控制指令，运动控制器根据控制指令发送脉冲信号控制电机运转；同时通过通用１／０口采回电机当前实际位置与运行状态等，从而供ＩＰＣ机实现负反馈控制。

ＭＡＣ一３００２ＳＳＰＸ系列基于ＰＣＩ总线的高性能多轴运动控制卡，可以控制步进电机或伺服电机（脉冲串输入型）。该系列卡以专用控制芯片为核心器件，其输出脉冲频率最高可达６．４ＭＨｚ，在内部完成Ｔ形、Ｓ形速度曲线的规划，从而实现自动减加速功能，可控制实现多轴直线插补以及任何两轴之间的圆弧插补，可与各种类型的驱动器连接，构成高精度位置控制系统或调速系统。该卡是一种性能优越、功能强大的运动控制卡，适合于多轴插补联动等复杂用途。

六自由度电动平台有六个伺服电机，由于ＭＡＣ一３０ＯＺＳＳＰＸ系列最多只能实现四轴控制，因此选用运用了一个四轴运动控制卡和一个二轴运动控制卡来实现对六个伺服电机的控制。２．２．２交流伺服系统

系统的执行机构采用的是日本富士公司生产的ＦＡＬＤＩＣ一Ｗ系列全数字交流伺服统，包括电机及电机驱动器，是位置、速度、电流三环全数字化的交流伺服系统。富士交流伺服电机及其驱动器由于性能稳定、功能齐全、操作简单在行业中有着很好的声誉该ＦＡＬＤＩＣ－Ｗ系列伺服系统标准配备减震控制功能，有２个ＲＳ－４８５通信接口，具有调试简单、高速响应、使用方便、控制方式多样化、超低振动和保护措施齐全等优点。ＦＡＬＤＩＣ－Ｗ系列全数字交流伺服系统主要特点：高分辨率编码器：采用１３１０７２脉冲的高分辨率编码器。提高了伺服电机旋转分辨率实现低速平稳的机械运行。２．２．３限位开关

在机器人运行过程中，有可能出现运动程序设计的

欠缺或其他原因导致关节超出了运动空间。这种情况非常危险，有可能造成飞车或设备损坏，因此必须在各关节上安装限位开关。

限位开关是数控系统中常用的故障保护开关，本文六自由度电动平台在六个电动缸分支上都设有负向的硬限位开关，安装在每一电动缸的下端端极限位置附近。同时，本六自由度电动平台所设的负向限位开关为六个电动缸回零的参考点。

３ 控制系统软件界面和功能实现３．１　软件设计功能要求

（ｌ）上电、伺服控制功能：上电、伺服控制功能是运动控制器和被控机械本体建立联系的桥梁，运动控制系统通过它来完成对电机的控制运行从而实现相应的轨迹控制。

（２）交互功能：运动控制系统有很多状态信息需要实时地显示于操作界面上，以供操控者参照。因此，良好的人机交互功能有助于系统的开发、测试、监控和维护，是衡量控制系统性能的重要指标之一。

（３）多任务并发处理能力：为了满足系统的实时性要求，多个功能和任务需要并发执行，因而对这些功能和任务进行合理的调度和并发处理，选择合理的数据结构，使其协调地工作是运动控制系统的必备功能。

（４）运动轨迹控制功能：运动轨迹的控制是控制系统的最重要功能。根据需要的位姿反解计算得到的各末端执行电机轨迹信息，得出单个插补周期的各电机的运行量，进而控制平台各电机的运行，按预定轨迹达到平台预定的位姿。

（５）其他功能：报警提示功能，实时监测功能，参数设置功能等等。控制系统软件界面３．２　机器人辅助功能模块

辅助功能模块包括：回停机位，机器人复位、机器人急停和退出程序。这些功能是保证电动平台控制运行的重要基础。各按钮与控件的功能及实现过程如下：

（ｌ）回停机位。六自由度电动平台在任何位姿时回到最低位。平台的最低位为六个电动缸都触发光电开关时的位姿。若点击“回停机位”按钮时，如果电机正在行，则首先结束电机的运行进程。待各电机都停止后，发出指令使电动平台的六个电机都负向运行，即缩回电动缸。电动缸上的滑片触发限位光电开关时，电机会得到指令立即停止运行。当六个电机都停止运行时，电动平台便回到了停机位。

（２）机器人复位。对于六自由度并联平台而言，一般都一个设定的平台中位。因为中位是平台运行相对安全的位置，并且是进行运动学分析的初始位姿。因此平台上电后行时都要将电动平台复位至中位再进行下一步运行。机器人复位功能可以实现平台在何位姿运行至中位。点击“机器人复位按钮”后，平台首先回到平台停机位，而后再发给平台六个电机指定正向脉冲数，从而实现平台的复位。

（３）机器人急停。实现各电机在任何运动状态时立即停止。其功能是当电动平台运行状况出现异常时，让各电

机立即停止运转，避免事故的发生。

（４）退出程序。关闭控制程序软件界面，退出控制程序，并结束运动控制卡与伺服放大器的伺服上电。３．３　机器人功能模块

机器人功能模块主要包括：运动学逆解、点位运行、自动运行及查看各电动缸运行速度曲线。其中点动运行与自动运行功能是实现对六自由度电动平台运动控制的标志。

（ｌ）运动学反解

六自由度电动平台的反解算法在第二章中己经进行过详细介绍。在控制程序中根据反解算法编制了电动平台的反解程序。运动学反解算法是实现六自由度电动平台控制运动的关键，通过反解算法可以根据电动平台的位姿求解出六个电动缸的当前位置。当电动平台的位姿发生改变时，六个电动缸的位置便发生相应的移动。在编制的运动学反解对话框中，只要输入电动平台的第一点与第二点位姿，便可计算出与之对应的六个电动缸的位置以及两点位姿之间六伺服电机需要运行的脉冲数。

（２）点动运行

对六自由度电动平台的点动控制是成功实现对电动平台控制运行的重要标志。在点动运行模式下，输入目标位姿后，进行运动学反解得出六电动缸的理论伸长量。然后将各电动缸转化为运动指令发送给ＭＡＣ卡，使ＭＡＣ卡发送脉冲信号给各伺服放大器驱动六伺服电机运行达到预定位置，从而完成电动平台的位姿变换。

（３）自动运行

六自由度电动平台根据预先设定的轨迹进行连续的运行即为自动运行。考虑到船舶在实际航行时的运行状况，在本电动平台控制程序中设正弦运动为电动平台预定轨迹。在对话框中，可以设定正弦运动的幅值、频率及相位。自动运行实际上是由多个点动连续组成。首先，在控制程序中根据输入的运动参数进行编译并即时转换成即时位姿指令，随后再通过运动学反解求出六个电动缸的运动变化量，然后根据这些变量通过运动控制卡给六个伺服电机发出相应的脉冲指令，从而实现六个电动缸的单个点动运行。而后通过多媒体定时器来实现连续点动运行从而使电动平台实现设定的正弦轨迹运行。在电动平台运行的同时，对话框中会即时显示电动平台当前接收到的位姿指令和反馈回来的六电动缸实时缸长。

４ 六自由度电动平台故障保护与监控系统

４．１　六自由度电动平台运行位置超限保护

在六自由度电动平台控制运行的过程中，有可能因为各种原因使平台电机运行失准而超出安全工作空间从而造成安全事故。因此，必须对平台各电机实时运行位置进行跟踪反馈，从而实现在电机运行超出安全工作空间时使六电机立即停止来实现对电动平台的保护。

控制程序初始化之后，使电动平台复位到中位并将回馈计数器清零。随后控制者输入运动指令使平台运行，平台电机实际运行的脉冲数通过各电机编码器适时采回，并传送到运动控制卡。在运动控制卡中有专门的回馈计数器对适时采回的电机运行脉冲数进行记录。回馈计数器是一个２８位可逆计数器，可以对通过控制卡反馈编码器接口输入的脉冲（如编码器、光栅尺反馈脉冲等）进行计数。当采回的电机实际运行脉冲数大于设置的安全工作范围值时，在程序中同时对平台六伺服电机发出停止指令，从而使电动平台立即停止实现对电动平台的安全保护。４．４　六自由度电动平台给定速度保护

通过控制程序发送运行指令给电动平台时先后对指令位姿进行了六自由度范围及位姿反解判断来保证指令位姿的正确性。但由六自由度电动平台的每轴最大运动速度指标（表示六自由度平台的位姿改变速度）可知，还需要对平台的运行速度进行限制保护。为了更全面的保证平台的运行安全，在平台连续运行时，需要即时对平台的位姿改变速度进行范围判断。

４．５　六自由度电动平台运行速度超限保护

在电动平台执行控制运行的同时，利用多媒体定时器在控制程序中调用ＭＡＣ运动控制卡函数ｓｓＰＺ＿ｓｅｔ－－ｃ～ｔ－－ｃａｒｄ（）来实现对各电机实际运行速度的即时采回。当任一电机实际运行速度超过限制时，便在控制程序中对六电机同时发送停机指令来实现对电动平台的保护。本电动平台电机允许的最大转速为３０００ｒ／ｍｉｎ，因而在控制程序中以３０００ｒ／ｍｉｎ为限制值。而程序中ｓｓＰＺ＿ｓｅｔ－－ｃｕｒｒｅｎｔｃａｒｄ（）函数的作用是读回当前电机实际运行速度，读回数据的单位为脉冲／秒，而限制的电机的运行速度单位为ｒ加ｉｎ，因此在程序中需要进行一定的换算，３０００ｒ／ｍｉｎ即为５０ｒ／ｓ，而伺服系统中反馈脉冲数与ｒ比例值为２０４８：１，因此ＳＯｒ／Ｓ转换后为１０２４００脉冲／秒。在控制程序中便以１０２４００脉冲／秒来进行转速限制。

５ 结　论

本文在“工控机＋运动控制卡”的硬件控制模式下，对六自由度电动平台的控制系统进行了开发。并且考虑六自由度电动平台的实际应用需求，建立了故障监控系统包括硬件系统与软件系统。对于六自由度电动平台的控制系统开发，仍然有很多工作值得做，希望本文能在这个领域做出一定贡献。

参考文献

［１］　黄　真．空间机构学．北京：机械工业出版社，１９８９：１－７．

［２］　黄真，孔令富，方跃法．并联机器人机构学理论及控制．北京：机 械工业出版社，１９９７：ｌ－１０．

六自由度电动平台控制系统设计研究 金　伟，等

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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

六自由度电动

1：系统组成 六自由度平台系统是由六自由度运动平台、计算机控制系统、驱动系统等组成。下平台安装在地面的固定基座基上，上平台为支撑平台。计算机控制系统通过PLC控制驱动器从而控制电机以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，。 各主要部分简述如下： 1）运动平台 上平台：连接需要被模拟动作的机构 上铰链：双回转轴的虎克铰结构，用于连接上平台与电动缸的活塞杆。 下铰链：单虎克铰结构，用于连接固定基座与电动缸的筒体。 下平台：安装固定基座。 2）计算机控制系统硬件 运动控制计算机（伺服控制单元）：实现平台系统启动/停止、接收上位机发来的位姿控制信息、对电动缸进行运动控制、监控伺服电机驱动器的工作状态、监控系统的运动状态、完成故障处理以及安全保护工作。 信号调理单元：完成与平台系统运动状态相关的各种传感器信号、测试信号和数字I/O信号的调理，以及伺服驱动器的驱动等。 3）系统控制软件 运动控制计算机的软件包括运动控制软件和逻辑控制软件。 2：系统工作原理 平台的控制系统为分层控制结构，监控单元负责人机界面交互，接受用户操作指令。并将控制信号下达给实时控制计算机。 首先，用户输入期望的运动参数（运动平台位姿、速度或加速度），如X向正弦运动。该运动参数传输给运动控制计算机，运动计算机通过运动学反解计算出六个电动缸的运动参数（电动缸位移量）；然后，运动计算机根据六支电动缸运动参数和六个电动缸的位移反馈量，驱动六个伺服驱动器，实现六个电动缸闭环位置控制，使六个电动缸达到所要求的位移量，那么运动平台也就达到了所期望的运动姿态。 六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，六自由度运动平台是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z）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。 售后说明及建议

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

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

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）０６－００３０－０３ ０ 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

6自由度控制算法

由于六自由度位置姿态调整平台动力学特性和串联机器人是相通的,所以可以借鉴。增强型PD控制器,这种控制器是在一个线性PD控制的基础上加上沿期望轨迹计算的名义动力学前馈部分以及一个非线性补偿部分,它的最大优点是可以根据规划好的期望轨迹离线计算前馈补偿部分,从而降低实时计算的计算量。计算力矩控制方法,它通过计算力矩的方式控制非线性系统沿期望轨迹运动,如果机器人动力学模型是准确的,计算力矩控制器可以实现动态解耦,并得到一个指数稳定的闭环动力方程,从而实现跟踪误差的指数收敛。 在并联机器人的控制策略中,除了常用的PID控制之外,还有自适应控制，滑模变结构控制，鲁棒控制以及智能控制等控制方法。 基于滑模控制的方法 在具有不确定性的系统的研究和应用中，滑模控制一直是一个非常有效的控制方法。滑模控制也叫变结构控制，其本质是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”不是一成不变的，而是可根据系统当前的状态有目的地不断变化。对于具有信号传输时延的交互控制遥操作系统，也可以应用滑模控制来实现。只要知道时延大小，滑模控制就可以实现变时延情况下的遥操作系统的稳定控制。由于滑动模态与系统对象参数及扰动无关，因此滑模控制具有响应快、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。 鲁棒控制 由于遥操作系统中操作对象的不确定性，以及操作任务的实时变化，导致遥操作系统的特性和参数随工作状态和工作环境的变化而变化，这样就无法得到精确的描述遥操作系统特性的数学模型，给控制系统的设计带来困难。鲁棒控制设计的目标就是在模型不精确和存在其他变化因素的条件下，使系统仍能保持预期的性能。因此鲁棒控制在遥操作系统中发挥了巨大作用，它较大程度地消除了主观上认识的模型和真实的被控对象之间的误差和不确定性。 基于干扰观测器(DOB)的鲁棒运动控制方法由Ohnishi提出,目前广泛应用于各类电动高精度机械伺服系统"干扰观测器设计基于被控对象的开环数学模型,其基本思想是将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异,统统等效到控制输入端,即观测出等效干扰,在控制中引入等量的补偿,实现对各种干扰的完全抑制,同时还可以减弱非线性环节对伺服系统性能的影响,具有很强的鲁棒性。 六自由度并联平台运动控制器的设计可以分为基于铰接空间控制和基于工作空间控制两大类。 基于铰接空间的控制器设计主要依靠平台机构的运动学关系和驱动装置的动态模型,而不考虑六自由度平台的动力学模型,它假设六个液压缸是独立、无耦合的关系,对每个液压伺服系统分别设计控制器而不用考虑其它关节的影响,这就使得并联平台的控制器设计任务转化为一系列单轴伺服系统的控制器设计。 基于工作空间的控制器设计则需要进行平台动力学分析,建立整个并联平台系统的动力学模型,在给定了平台期望的运动轨迹后,求出按照期望轨迹运动所需的力或力矩,然后控制各个液压伺服系统的驱动装置输出所求出的力或力矩,从而使平台按照期望轨迹运动。 常规PID控制 常规PID目前是最常用的工业控制方法，PID控制器各校正环节的作用

六自由度运动平台正解(几何法)

六自由度运动平台正解(几何法) 1. 对上平台（运动平台）进行扩展，示意如下： Pic 1 上平台示意图 由于确定一个平面状态只需要三个点，因此获得C1,C2,C3坐标，即可确定平面状态。 如图，h1,h2均为已知量，设L h k /1=，212*h h L +=，),,(i i i i z y x C =。 设下平台各点坐标为),,(i i i i s n m B =，设各轴长为i i i l B A =。 于是问题简化为：已知：L k l B i i ,,,，求解i C 。 2. 建立方程组 2.1 i l 相关 对于1l ，分析如下：

Pic 2 单轴示意图 由图可知：向量3111111111*C C k C B A C C B A B +=+=， 即，1111111131313),,(),,(l s z n y m x z z y y x x k =---+--- 所以： )1......(0])1([])1([])1([21211321132113=---++--++--+l s z k kz n y k ky m x k kx 同理有： ) 6......(0])1([])1([])1([)5......(0])1([])1([])1([)4......(0])1([])1([])1([) 3......(0])1([])1([])1([) 2......(0])1([])1([])1([2626312631263125253225322532242423242324232323212321232122221222122212=---++--++--+=---++--++--+=---++--++--+=---++--++--+=---++--++--+l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx 2.2 L 相关 ) 9......(0)()()()8......(0)()()()7......(0)()()(222322322322312312312221221221=--+-+-=--+-+-=--+-+-L z z y y x x L z z y y x x L z z y y x x 3. 求解 3.1 联立方程组（1）-（9），牛顿迭代法解方程组，即可求的i C ， 取0>i z ，可得唯一解。 3.2 由i C 求出平台姿态 根据实际情况，建立坐标系如下

六自由度运动平台PID控制系统仿真研究

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

六自由度平台功能简介

北京星光凯明动感仿真模拟器中心 2011年10月9日 六自由度机电运动平台广泛的应用于飞机、舰船、车辆的运动仿真和人员训练。六自由度运动平台能在空间六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作为平台运动的执行机构，因此，平台运动光滑连续，可产生高频响的快速运动，亦可实现低速下的平稳运动。这类平台特别适合对不同路况条件下以不同车速运行的车辆进行动态模拟，以及对不同海况下的海上航行进行运动模拟。 我们是生产数控六自由度运动平台的专业化企业，具有多年从事仿真工作所积累的理论基础和实践经验。拥有一支高素质的技术队伍和完备的生产基地。曾经生产过的产品有：全数字六自由度飞行模拟器、特种车辆三自由度液压试验台、特种车辆四自由度液压摇摆台、特种车辆六自由度试验台、特种车辆倾斜试验台、全数字六自由度地震模拟平台、数控六自由度坦克工程模拟器运动平台和舰船用六自由度仿真设备等(详见用户名单)。在产品的性能、质量以及产品中高科技的含量等方面均得到仿真界的高度评价。 六自由度的定义 六自由度运动是指在X-Y-Z三维空间内分别沿X、Y、Z轴的平动运动和分别绕X、Y、Z轴的转动运动。将绕X轴的转动定义为滚转?，将绕Y轴的转动定义为俯仰θ，将绕Z轴的转动定义为偏航χ。如下图所示： x Y 具体指标如下： 机电式六自由度平台技术性能 （一）主要功能： 1.总载荷200kg 2. 1-6个自由度任意组合的多自由度复合正弦运动，幅值、频率均可以人为设定

3. 正弦复合运动 4. 随机运动 5. 对实测路面谱、海浪谱的运动复现 6. 运动平台满载条件下可以运动到任意位置，并锁定。 7. 具有机械、电器、软件多重安全保护措施 8. 测试系统（选件）实时采集六台缸的位置信号，通过反变换算法算得平台的位姿数据，并以曲线和数字两种方式在屏幕上实时显示，测试数据还可以实时输出。 9. 数据端口开放，可自由导出和输入。 （二）可执行标准： 1.国军标GBJ15023-91《军用设备环境试验方法倾斜和摇摆试验》 2.GJB2021-94《飞行模拟器六自由度运动系统设计要求》 3.GJB1395-92《飞行模拟器通用规范》设计 4.电磁兼容性设计按《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》执行 5.机械结构设计按GBJ17-1988钢结构设计规范 6.GB3811-83起重机设计规范。 （三）主要技术参数： 平台姿态 俯仰（绕Y轴）：±20° 侧倾（绕x轴）：±20° 精度：±0.5° 平台位移： 升降行程：200mm 精度：±1mm

六自由度机器人控制系统设计

1前言 1.1 焊接机器人的发展历史与现状 现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。美国原子能委员会下属的阿尔贡研究所为解决可代替人进行放射性物质的处理问题，在1947年研制了遥控式机械手臂；1948年又相继开发了电气驱动式的主从机械手臂，从而解决了对放射性物质的进行远距离操作的问题。1954年，美国科学家戴沃尔最先提出工业机器人的概念，并申请了新的专利。其主要特点是借助伺服技术来控制机器人的关节，并利用人手对机械手臂进行动作示教，机械手臂能实现人物动作的记录和再现。这就是示教再现机械臂，现在所用的机械手臂差不多都采用这种控制方式。伴随着现代社会的发展，为了提高生产效率，稳定和提高产品的质量，加快实现工业生产机械化，改善工人劳动条件，已经大大改进了机械手臂的性能，并大量应用于实际生产中，尤其是在高压、高温、多粉尘、高噪音和重度污染的场合。焊接机器人的诞生可以追溯到上世纪70年代，是由日本发那科（FANUC）公司生产的小型机器人改进的，受限于当时的技术手段以及高昂的造价，使得当时的焊接机器人不能得到很好的应用。机械手臂是一种工业机器人，它由控制器、操作机、检测传感装置和伺服驱动系统组成，是一种可以自动控制、仿人手操作、可以重复编程、可以在三维空间进行各种动作的自动化生产设备。机械手臂首先是在汽车制造工业中使用的，它一般可进行焊接、上下料、喷漆以及搬运。它可代替人们进行从事繁重、单调的重复劳动作业，并且能够大大改善劳动生产率，提高产品的质量[1]。 到了90年代初，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机，采用机器人的利润显然要比采用人工所带来的利大，使得焊机机器人得到了推广，同时技术的进步也使得焊机机器人技术得到很大提高。 进入新世纪之后，由于各国对焊接机器人的不断重视，使得焊接机器人技术取得了很大的进步。同时由于其焊机精度及更低的生产成本，也使得它得到了越来越多的应用。目前，焊接机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻以及热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都还不能满足工业生产发展需要。在一些特殊的行业，使用它来代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间小等的不适于人工作业的环境。 1.2 焊接机器人发展趋势

六自由度运动平台方案设计分析报告doc

六自由度运动平台方案设计报告doc

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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。