六自由度液压运动平台的自动控制论文
摘要
六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，可以完成在空间六个自由度（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上。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。
通过六自由度运动平台的机构特点及应用，可以在平台控制总体设计的基础上完成液压伺服系统的建模工作,在Matlab软件中对系统进行了仿真分析,将常规PID控制和基于神经网络算法的先进PID控制方法进行对比,仿真结果表明基于神经网络的PID控制方法对伺服系统具有良好的控制效果,同时也证明了电液伺服控制系统设计的合理性,将控制策略应用于样机平台,平台运行稳定,流畅。为平台控制的进一步改进和完善奠定了基础。
关键词：六自由度平台；液压；PID控制
Abstract
Six degree of freedom motion platform, because there is a very broad application prospects, can be completed in the space of six degrees of freedom (X, Y, Z, alpha, beta, gamma) movement, which can simulate various spatial motion, can be widely applied to various training simulator. As the development of six degree of freedom motion platform, relates to the mechanical, hydraulic, electrical, control, computer, sensor, the spatial movement mathematical model, real-time signal transmission and processing, graphic display, dynamic simulation and so on a series of high-tech fields, so the development of six degree of freedom motion platform into colleges and universities, research institutes to hydraulic and control field level symbol.
Through the mechanism, characteristics and application of six degree of freedom motion platform, can complete the modeling of hydraulic servo system based on the general control platform design, in the Matlab software to simulate the system analysis, the conventional PID control and PID neural network algorithm based on advanced control methods were compared, the simulation results show that the PID neural network the control method has good control effect of the servo system based on, it also proved that the design of electro-hydraulic servo control system is reasonable, the control strategy is applied in the prototype platform, platform stable operation, smooth. As a platform to control the further improvement and laid the foundation for the perfection of.
Key words：6-DOF platform；hydraulic；PID control
目录
摘要............................................................................................................................................... III ABSTRACT .................................................................................................................................. I V 目录................................................................................................................................................ V 1绪论........................................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1课题背景及意义................................................................................. 错误！未定义书签。
1.2六自由度平台发展及应用................................................................. 错误！未定义书签。
1.3六自由度平台国内外研究状况 (3)
1.3.1 国外研究现状 (3)
1.3.2 国内研究现状.............................................................................. 错误！未定义书签。
1.4课题主要研究内容 (4)
2 六自由度运动平台本体结构设计 (5)
2.1平台主要性能指标 (5)
2.2平台结构 (5)
2.3平台驱动方式 (6)
3 液压缸设计 (7)
3.1简介 (7)
3.2液压缸的设计 (7)
3.3液压缸的密封设计 (10)
3.4支承导向的设计 (10)
3.5防尘圈的设计 (11)
3.6液压缸材料的选用 (11)
3.7液压泵的选择 (12)
3.8电机的选择 (14)
4 液压油路设计 (15)
4.1液压设备外接线路 (15)
4.2操作板 (15)
4.3程序地址分配 (16)
4.4芯片接线图 (17)
4.5PLC程序指令 (20)
5 液压伺服系统的建模与仿真 (25)
5.1六自由度运动平台系统的总体设计 (25)
5.2数学模型的建立 (25)
5.2.1 单个作动器的数学模型 (26)
5.3系统的控制及仿真 (26)
5.3.1 基于常规PID的控制系统仿真研究 (26)
5.3.2 基于BP神经网络的控制算法 (27)
5.3.3 仿真实现 (28)
6 液压运动平台的运动仿真 (30)
6.1液压平台的基本结构设计 (30)
6.2虚拟样机的建立与仿真 (31)
6.2.1 零件建模 (31)
6.2.2 装配设计 (32)
6.2.3 运动分析 (33)
6.3结束语 (36)
7 结论与展望 (37)
致谢 (38)
参考文献 (39)
1绪论
1.1课题背景及意义
六自由度平台的研制对舰船运动规律的研究起着重要的作用平台可以在实验室中模拟舰船在海上航行时摇摆的情况将舰船在海洋中摇摆的姿态和运动真实地再现出来并能检测舰载直升机系统和各分系统在各种摇摆和位置姿态下的动态和静态技术性能。该专用设备主要由机械运动系统、液压伺服控制系统、传感检测系统、信号采集处理系统、计算机控制系统和各种安全保护装置等组成可按试验要求实现六个自由度的旋转运动以及这些自由度的复合运动以达到模拟舰船在海上的垂荡、纵荡、横荡、纵摇、横摇和艏摇各种摇摆状况的目的。
六自由度平台可以进行船舶运动和结构动力学研究同时也是驾驶员航海训练的一种良好设备可以将舰载武器和设备仪器放在平台上进行陆地实验减少海上实验次数这样就降低了实验成本和研究周期。可见用平台在实验室作运动模拟试验具有明显的节能性、安全性、可控性、无破坏性、经济性、可操作性和训练效率高等优点对进行舰船运动模拟技术研究具有重要意义。
目前运动模拟技术己成为多快好省达到研究舰船运动和训练飞行目的的最佳途径六自由度平台是一种发展快、应用广的典型运动模拟器是一具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖试验设备而我国在这一领域的设计和制造水平与西方发达国家相比还有相当大的差距。因此深入研究六自由度平台运动系统的基础理论对其关键技术进行理论分析和实验研制出性能优良能满足各方面需求的平台对提高我国的仿真技术水平增强国防实力具有重大的理论意义和实际应用价值。
1.2六自由度平台发展及应用
上世纪年代末特别是年代以来并联式机构被广为关注成为新的热点由于六自由度平台具有结构刚度大、承载能力强、位置精度高、哈尔滨工程大学硕十学位论文响应快的优点而且可以灵活地实现六个自由度的三维空间运动。
1965年六自由度平台是英国工程师Stewart于1965年在他的论文《A Platform with 6 degrees freedom》中作为一种六轴并联式空间机构的设计提出的,称为Stewart机构[1]。在制作飞行模拟器后,Stewart机构逐渐成为飞行摸拟器的标准机构。到70年代初,美国NASA等研究中心公布了6-DOF并联式平台的研究成果,相继出现了6-DOF并联机构运动平台的飞行模拟器。1974年美国制定了空勤人员训练模拟器6-DOF并联式运动平台系统军用标准MIL-STD-1588。此后6-DOF并联式运动平台己趋向标准化、系列化生产阶段。1978年澳大利亚著名的机构学专家Hunt.KH教授指出Stewart机构更接近于人体的结构,提出可将Stewart 平台机构用作并联机器人的主要机构,至此并联机器人的研究受到许多学者的关注。MacCallion和Pham在1979年首次利用这种机构设计出了用于装配的机器人,从此拉开了并联机器人研究的序幕,此后Stewart机构又被称为并联机器人。
Stewart机构在大功率装配机器人、步行机器人、机器人手腕等方面得到进步的发展。Stewart机构进一步的应用范围逐渐扩展到机床方面,即所谓的并联机床,但不论是并联机器人还是并联机床,要实现运动精确伺服控制是非常困难的,主要难点在于Stewart机构在运动学、动力学极其控制方面蕴涵的复杂性和
大量的计算。进入到上世纪80年代末以后,计算机工业的飞速发展为解决Stewart机构诸多难点提供了强有力的支持,对Stewart机构的研究和研究进入了一个新的时期。
Hunt应用空间机构自由度计算准则及螺旋理论对Stewart机构的机器人进行了机构综合研究,给出了多种6-DOF的并联机构的基本形式。1988年Merlet教授提出了INRIA并联机构的样机。1997年意大利研制出具有六个自由度的Turin并联机构。
六自由度平台的另一个重要的发展方向,是作为微动机构或微型机构,在三维空间微小移动,仍具有小的土作空间,这种微动机构正好发挥了六自由度摇摆台的特点,工作空间小大,但精度和分辨率都非常高。一个例子是用在眼科手术中,治疗视网膜静脉闭,另有一种微动双指并联机构,用于生物工程上的细微外科手术中的细胞操作。
由于六自由度并联机构的应用日益广泛,其领域不断扩展。按平台的工作特性,可以分为两个方面的应用操作器和运动仿真。
在国防军事上,随着高新技术在军事领域的广泛应用,现代化武器装备技术先进、价格昂贵的特点越来越突出。一艘先进战舰造价昂贵,如果全部实装训练不仅耗资巨大,同时也大大缩短了战舰的寿命。为解决这一难题,许多发达国家采取花巨资研制模拟器的对策,并规定凡：装备新武器,必须装备相应的模拟器。美国于20世纪40年代就研制出了第一台飞行模拟器。可见六自由度并联机构的应用就船舶模拟器而言,其制造和应用一方面是技术水平的反映,另一方面也具有极高的军事和经济意义。在民用领域方面的情况也是如此。
六自由度并联机构除了在上述领域得到极大的重视外,也在许多新兴的领域引起广泛的注意,如在航天对接模拟器,娱乐(当前国内外一些游乐场所已有六自由度体感模拟器、大航海体验馆、太空穿梭机、动感电影等娱乐模拟器),海上钻井平台以及主动隔震等方面。由于六自由度并联机构的优点,可以预料到未来六自由度并联机构会广泛应用到更多的领域。
表1-1平台运用案例
1.3六自由度平台国内外研究状况
1.3.1国外研究现状
目前世界上研制大型六自由度平台的国家较多,主要有加拿大、美国、英国、法国、德国、日本、俄罗斯、荷兰等国，大多用于飞机（包括战斗机、运输机和民航客机）模拟飞行训练，在舰船、装甲车辆、自行火炮等方面也有一些应用。早期研制的六自由度平台系统主要用于军事目的，例如美国五十年代开始研制的摇摆模拟台就用于装各海军。用于空间对接机构研究的六自由度半实物仿真实验系统，以俄罗斯和美国的系统最具代表性，其大型液压六自由度运动系统的性能，尤其是定位精度和频率响应特性已达到这类系统的极高水平。近几年来，六自由度平台系统也被应用到工业甚至娱乐场所，如美国Ford汽车公司研制的汽车行驶仿真器，美国Ingersoll机床公司生产的并联机床，德国Rexroth公司为德国奔驰汽车公司建造的大型汽车行驶模拟平台等等。用于娱乐场所的六自由度游乐模拟平台则是一种模拟运动载体特征，给人视觉、听觉、触觉以全方位真实感受的现代化新潮游乐设施，美国、日本等国家的一些著名游乐场所有六自由度UFO体感模拟台、航空航海模拟台，这是当代科技向游乐业渗透的产物。
随着6-DOF并联机构研究的深入,对于自由度少于六的空间并联机构(称为少自由度机构),也引起许多学者的注意。加拿大著名学者Gosselin和Angeles提出了平面和球面三自由度并联机器人的优化设计问题。加拿大Laval大学用球面三自由度并联机器人研制出了灵巧眼。Lee和Shah对空间三自由度并联机器人进行了运动学和动力学分析。Clavel提出了并联式三维移动机构，即DELTA机器人,后来Tsai作了改进，发明了Tsai氏三维移动机构，机构简单了许多。https://www.wendangku.net/doc/8a10476509.html,l等人也在此方面进行相应的研究。
虚拟轴机床在国外己出现的型式就有数十种之多，如6-SPS平台式、6-SPS球台式、6-PSS 立式、6-PSS上置式等等,又有不同参数比例的变化。美国Hexel公司将6杆并联结构作成独立部件应用于转塔铣床。这可将低价的普通铣床升级为轴联动铣床。其主要技术参数为工作台直径710mm、行程范围为直径305mm的圆，Z轴178mm，最大进给速度为5.1m/min，重91kg。瑞士技术院（ETH）、机床与制造技术院(IWF)和机器人院(IFR)也联合研制出了名为IWF的Hexaglide虚拟轴机床。迄今为止,我们了解的虚拟轴并联机床有二自由度、三自由度、三自由度、纯移动三自由度四自由度、对称五自由度和六自由度等类型。
虚拟轴数控并联机床多用于虚拟轴六自由度数控机床,瑞典Neos Robotics公司则采用了并联加串联的方案,从低层次应用做起,逐步积累经验和财力,向高层次应用发展,以及采用了三杆中央的中心管等正确的措施,其并联机床产品早已进入实用至今已创200余台的惊世销售业绩。该公司展出的Tricept845加工中心,其体积定位精度达±50μm,重复定位精度达±10μm,这两个指标距离传统机床虽还有较大的差距,但对并联机床已属重大的突破,具有实用价值。其进给速度已达90m/min,加速度已达2g,主轴功率为30~45KW,24,000~30,000r/min,采用瑞士IBAG公司电主轴、Siemens840D数控系统和Heidenhain的测量系统。该加工中心采用模块化结构。三杆结构组件有0o、45o、90o。三种布局可任选(即分别组成卧式、倾斜和立式加工中心)。德国Fraunhofer机床和成型技术研究所开发的6x型机床适于模具的高速加工,其主要
技术参数为：工作台：630X630,X,Y,Z行程均为630mm,两个转动自由度范围为30o,主轴最高速度为3000r/min,功率为16KW,腿的最大进给速度为30m/min,加速度为10m/s。
1.3.2国内研究现状
我国并联机器人出现的较晚,起先出现在引进的6-DOF飞行模拟器上。我国民航于1975年引进Beoing707,1988年引进MD-82飞机飞行模拟器,1992年引进Beoing737和757飞机飞行模拟器,近年来还引进了最新的Beoing777飞机飞行模拟器,都用于民航飞行员的培训。1984年北京航空模拟器技术联合开发公司按照航空部“七五”预研课题计划,开始研制6-DOF并联式飞行模拟器,三年后研制成功。现在该公司正进行国内生产机型的飞机飞行模拟器的研制与生产。
近几年来我国的一些高等院校和科研院所也相继投入人力物力。在微动器或称作微动机构研究方面,杨宜民教授等研制出仿生型直线驱动器,哈尔滨工业大学研制成了压电陶瓷驱动的6-DOF并联微动机器人,其重复精度可达20纳米；北京航空航天大学机器人所在自然科学基金资助下提出了用于微动操作的由两个3-DOF并联机构串联而成“串并联”机构以及PP-R-S型并联机构微动机器人等；燕山大学1994年研制了基于并联机构的误差补偿器,将其安装于机器人手腕处可以补偿手臂的误差；陈垦、李嘉等研究分析了6-PSS型6-DOF并联微操作手的运动学和工作空间。另外天津大学与天津第一机床厂联合研制了九杆三自由度并联机床Linapod，沈阳自动化所研制了五自由度并联机床样机，哈尔滨工业大学和东北大学分别研制了以Stewart平台为原型的6-DOF并联机床的样机和带有平行机构的三自由度Stewart 并联机床样机,燕山大学也在这方面作了一些基础性工作。1999年6月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现状,未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨,对并联机床在我国的发展起到了一定的促进作用。
由国防科技大学和香港科技大学联合研制的银河一2000虚拟轴机床是一种并联式六自由度机床，是由传统并联机床发展而来的,在保持原并联机构的诸多优点,如高刚度,高精度和高的运动速度外,用变异机构扩大了机床的运动范围。2005年哈尔滨工业大学流体传动于控制研究所与武汉719研究所研制了一种六自由度航海模拟器，用于训练潜艇驾乘人员和检测各种仪表的性能,。
总之,与国外相比,我国运动模拟器的研制工作起步较晚,以后由于种种原因又未能得到迅速发展,与国外的运动模拟技术相比还存在较大距离。因此目前面临的任务是如何迎头赶上技术先进国家并缩小与他们的距离。
1.4课题主要研究内容
通过查阅资料，了解国内外多自由度运动平台的现状和发展趋势，根据相关资料设计六自由度运动平台的结构，设计与其配套的液压缸等零件。通过三维软件画出三维实体图，并通过建立模型，使用PID控制方式提高系统的运动性能，利用虚拟样机等技术对模型进行运动仿真，对其的可靠性等相关性能进行分析比较，来证明其方法的可行性。
六自由度液压伺服平台实验报告
六自由度液压伺服平台实验报告 一、实验目的。 1、掌握电液位置伺服控制系统的基本原理； 2、掌握六自由度平台的结构解算的概念及其软件实现； 3、掌握VB6.0软件与下位机PAC通过以太网通信的方法； 4、掌握6SPT-1六自由度液压伺服平台复现指令信号的实施方 法。 二、实验方式：演示实验。 三、实验内容。 1、根据六自由度平台系统原理图和相关电气元器件接线说明设 计电控系统，演示模拟地震实验； 2、了解影片动作文件的编辑，熟练操作六自由度影片播放软件； 3、熟练操作六自由度平台调试软件； 四、实验原理。 1、电液位置伺服控制系统的基本原理 电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。控制系统结构图如图3.1所示：
图3.1电液位置伺服控制系统结构图 2.六自由度平台逆解算法 图3.2 空间机构位置关系示意图 六自由度平台又称为Stewart平台，其结构如图3.2所示，Stewart 平台由上、下两个平台、六个驱动关节和连接球铰组成，上平台为运动平台，下平台为基座，上、下平台的六个铰点分别组成一个六边形，连接6个液压缸作为驱动关节，每个液压缸两端各连接一个球铰。六个驱动关节的伸缩运动是独立的，由液压比例压力阀控制各液压缸作伸缩运动，从而改变各个驱动缸的长度，使动平台在空间的位置和姿态发生变化。因此该平台是通过六个驱动杆的协调动作来实现三个线性移动及三个转动共六个自由度的运动。 Stewart平台机构的空间位置关系是指运动平台的六个自由度与六个驱动杆长度的关系，是研究该并联机构最基本的任务，也是机构速度、加速度、误差分析、工作空间分析、动力分析等的基础。 对于6-SPS平台机构，其特点是动静平台铰点共面，考虑到工作空间的对称性要求，将平台的6个铰点分成3组，三组铰点沿圆周
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。
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
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
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
基于六自由度并联平台的模拟目标追踪
基于六自由度并联平台的模拟目标追踪系统设计 摘要 六自由度并联（Stewart）平台具有承载能力强、结构刚度大、精度高、系统动态响应快、累计误差小、反解容易等优点，经年来已被广泛应用于运动模拟器、并联机床、精密定位平台及各种娱乐场合。在此发展趋势下，将六自由度并联平台应用于模拟目标追踪，设计出了一套新型、高效的系统。上位机应运Visual Basic编程语言，通过Modbus协议实现PC机与PAC控制器的通讯，运用基于神经网络整定的PID控制算法，从而控制液压系统实现对平台的控制，完成目标追踪任务。 关键词：六自由度并联平台 Visual Basic编程 PAC控制器神经网络PID Abstract Six degrees of freedom parallel (Stewart) platform with strong bearing capacity, stiffness, high precision, fast dynamic responses of the system, the cumulative error is small, and easy in the solution, the years have been widely applied in motion simulator, a parallel machine tool, precision positioning platform and various kinds of entertainment places. Under this development tendency, six degree-of-freedom parallel platform is first used to simulate target tracking, designed a set of new and efficient system. PC use Visual Basic programming language, through the Modbus protocol implementation PC communications with PAC controller, using PID control algorithm based on neural network setting, so as to control hydraulic system to realize the control of the platform, target tracking task. Keywords: six degree-of-freedom parallel Visual Basic programming PAC controller Neural network PID 0引言 目标追踪在现代化战争、民用、工业、科研等领域都具有重要的影响。由于其广泛的应用前景，目标追踪问题一直备受关注。 目标追踪对机械执行系统的精度及响应速度要求甚高。而六自由度并联平台相对于六自由度并联平台相对串联平台具有以下特点： （1）刚度大、结构稳定。这是由于上运动平台经由6个液压缸的支撑。 （2）承载能力强。由于刚度大,较串联式机构在相同的自重或体积的情况下，具有高得多的承载能力。 （3）误差小、位姿精度高。这是因为没有串联机构的误差累积和放大。 （4）动力性能好。串联式机构的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，并联式机构将动力源放在机座上，减小了运动负载。 （5）反解容易。多自由度机构运动过程中，需要进行实时反解计算。串联机构的反解十分困难，而对并联机构反解非常容易。 由上述特点可以看出六自由度并联平台更能满足其要求。 1.六自由度并联平台的总装设计 1.1六自由度并联平台的机械部分 Stewart平台由上、下两个平台、六个驱动关节和连接球铰组成，上平台为运动平台，下平台为基座，上、下平台的六个铰点分别组成一个六边形，连接6个液压缸作为驱动关节，每个液压缸两端各连接一个球铰。六个驱动关节的伸缩运动是独立的，由液压比例压力阀控制各液压缸作伸缩运动，从而改变各个驱动缸的长度，使动平台在空间的位置和姿态发生变化。因此该平台是通过六个驱动杆的协调动作来实现三个线性移动及三个转动共六个自由度的运动。
六自由度液压运动平台的自动控制
编号 无锡太湖学院 毕业设计（论文） 题目：六自由度液压运动平台的自动控制信机系机械工程及自动化专业 学号： 学生姓名： 指导教师：（职称：副教授） （职称：） 2013年5月25日
无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚信承诺书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）六自由度液压运动平台的自动控制是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班级： 学号： 作者姓名： 2013 年5 月25 日
无锡太湖学院 信机系机械工程及自动化专业 毕业设计论文任务书一、题目及专题： 1、题目六自由度液压运动平台的自动控制 2、专题 二、课题来源及选题依据 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，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。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 1．查阅资料，了解国内外多自由度运动平台的现状和发展趋势。
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
六自由度液压运动平台的自动控制论文
摘要 六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，可以完成在空间六个自由度（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上。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。 通过六自由度运动平台的机构特点及应用，可以在平台控制总体设计的基础上完成液压伺服系统的建模工作,在Matlab软件中对系统进行了仿真分析,将常规PID控制和基于神经网络算法的先进PID控制方法进行对比,仿真结果表明基于神经网络的PID控制方法对伺服系统具有良好的控制效果,同时也证明了电液伺服控制系统设计的合理性,将控制策略应用于样机平台,平台运行稳定,流畅。为平台控制的进一步改进和完善奠定了基础。 关键词：六自由度平台；液压；PID控制
Abstract Six degree of freedom motion platform, because there is a very broad application prospects, can be completed in the space of six degrees of freedom (X, Y, Z, alpha, beta, gamma) movement, which can simulate various spatial motion, can be widely applied to various training simulator. As the development of six degree of freedom motion platform, relates to the mechanical, hydraulic, electrical, control, computer, sensor, the spatial movement mathematical model, real-time signal transmission and processing, graphic display, dynamic simulation and so on a series of high-tech fields, so the development of six degree of freedom motion platform into colleges and universities, research institutes to hydraulic and control field level symbol. Through the mechanism, characteristics and application of six degree of freedom motion platform, can complete the modeling of hydraulic servo system based on the general control platform design, in the Matlab software to simulate the system analysis, the conventional PID control and PID neural network algorithm based on advanced control methods were compared, the simulation results show that the PID neural network the control method has good control effect of the servo system based on, it also proved that the design of electro-hydraulic servo control system is reasonable, the control strategy is applied in the prototype platform, platform stable operation, smooth. As a platform to control the further improvement and laid the foundation for the perfection of. Key words：6-DOF platform；hydraulic；PID control
六自由度并联机器人基于外文翻译、中英对照、英汉互译讲解
基于Grassmann-Cayley代数的 六自由度三足并联机器人的奇异性条件 Patricia Ben-Horin，Moshe Shoham，IEEE准会员 关键词：指数，Terms-Grassmann-Cayley代数，奇异性条件，六自由度三足机器人 摘要 本文研究了每一个腿上都有一个球形接头的大多数六自由度并联机器人的奇异性条件。首先,应该确定致动器螺丝位于腿链中心，然后在使用基于Grassmann-Cayley代数和相关的分解方法来确定这些螺丝包含的哪些条件是导数刚度等级不足的。这些工具是非常有用,因为他们可以方便的表示坐标-并用简单的表达式来表示几何实体,从而使用几何解释奇异性条件是更容易获得。利用这些工具, 这类奇异性条件的144种组合被划定在四个平面所相交的一个点上。这四个平面被定义为这个零距螺丝球形关节的位置和方向。 一、介绍 在过去的二十年里,许多研究人员一直在广泛地研究并联机器人的奇异性。不像串联机器人, 尽管并联机器人失去了在奇异配置中的自由度,而且执行器都是锁定的，但是他们的的自由度还是可以获得的。因此,对这些不稳定姿势的机器人的全面研究对于提高机器人的设计和确定机器人的路径规划是至关重要的。 用于寻找并联机器人奇异性的主要的方法之一,是基于计算雅可比行列式进行计算。Gosselin和安杰利斯的分类奇异性的闭环机制是通过考虑两个雅克比定义输入速度和输出速度之间的关系。圣鲁克和Gosselin减少了定义的雅可比行列式算术操作要求,从而通过数值计算得到多项式。 另一个重要的工具,是用螺旋理论分析奇异性,在1900的论文中中开发机器人的相关应用程序，有几项研究已经应用这个理论找到并联机器人的奇异性。在论文中，特别注意到情况是执行机构是线性和代表螺丝是零投的。在这些情况下,
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
六自由度并联机构设计说明书
（ 需微要信 swan165 本科毕业设计说明书 题 目：六自由度伸缩式并联机床结构设计 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别：机械系 专 业：机械电子工程 班 级：机电10-4班 指导教师：讲师
摘红字要 并联系联机微床信，也可叫获取做整套并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，曾经被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是近年来国内外机床研究的方向，它具有多自由度、刚度高、精度高、传动链短、制造成本低等优点。但其也不足之处，其中位置正解复杂就是关键的一条。6-THRT伸缩式并联机床是Stewart 机床的一种变形结构形式，它主要构成是运动和静止的两个平台上的6个关节点分别分布在同一个平面上，且构成的形状相似。 并联机床是一种气动机械，集气（液），在一个典型的机电一体化设备的控制技术，它是很容易实现“六轴联动”，在第二十一世纪将成为主要的高速数控加工设备。本次毕业设计题目结合本院实验室现有的六自由度并联机床机构进行设计，使其能根据工艺要求进行加工。提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。 此次毕业设计的主要内容是对并联机床结构设计，其内容主要包括机器人结构设计总体方案的确定，机器人机构设计的相关计算，以及滚珠丝杠螺母副、步进电机、滚动轴承、联轴器等主要零部件的计算选用，并利用CAXA软件绘制各相关零部件的零件图和总装配图，以期达到能直观看出并联机床实体机构的效果。 关键词：并联机床；步进电动机；空间变换矩阵；滚珠丝杠螺母副
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
Stewart平台是六自由度并联机构
一、设计（论文）目的、意义 设计目的及意义 Stewart平台是六自由度并联机构的基础平台。Stewart平台具有诸多优良特性，它在许多领域得到了广泛应用。六自由度运动平台由于应用场合不同，采用不同的驱动方式。目前，这种并联机构驱动方式主要包括电机驱动滚珠丝杠驱动方式、阀控液压缸驱动方式、气动人工肌肉驱动方式、电动液压混合执行器驱动方式、压电陶瓷驱动方式、电机驱动滑轮钢索驱动方式等。阀控液压缸驱动方式的优点是刚度大、抗干扰能力强、功率-重量比和力矩-惯量比大、响应速度快、系统频带宽。对该平台的驱动机构设计对于深刻理解并联机床和运动模拟器的机理具有重要的意义。 二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法） 设计内容： 对Stewart平台的运动学参数进行了理论分析和计算。重点分析了动平台的位置、速度和加速度和支撑杆的相应参数之间的关系。 对Stewart平台的驱动机构进行了设计和校核,并完成了平台的各个组件的设计。 三、设计（论文）完成后应提交的成果 （一）计算说明部分 设计说明书字数在1.5万字以上（说明书一式1份）。 （二）图纸部分 1、装配图A0一张。 2、零件图若干张 3、总折合图纸当量A0三张。
四、设计（论文）进度安排 2015年03月02日-2015年03月20日确定题目，下达任务书；学生调研、收集、查阅资料，完成 开题报告。 2015年03月21日-2015年03月30日平台的方案、总体布局及工作原理分析。 2015年04月01日-2015年05月15日结构组件进行综合性设计，其中包括液压缸组件设计、相 关阀设计等。 2015年05月16日-2015年06月06日整体装配图的绘制以及相关设计计算的整理 2015年06月06日-2015年06月14日准备答辩。 五、主要参考资料 1刘文涛.并联机床性能分析与研究[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文，2010 2 李洪人.液压控制系统[M]. 国防工业出版社，2009 3张尚盈. 液压驱动并联机器人力控制研究[J]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2009. 4梁军,付铁. 基于Stewart平台的并联机床刚度分析[J]. 现代制造工程, 2008 5文福安,梁崇高,廖启征. 并联机器人机构位置正解[J]. 中国机械工程, 2009 6黄真,孔令富,方跃法. 并联机器人机构学理论及控制[M]. 北京:机械工业出版社,2007 7熊有伦, 丁汉, 李恩沧. 机器人学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. 8赵强. 六自由度舰艇运动模拟器的优化设计及性能分析[M]. 哈尔滨工业大学, 2010 9黄真,杜雄. 3 /62SPS型Stewart机器人的一般线性奇异分析[J]. 中国机械工程2010 10吴江宁，骆涵秀，李世伦.并联式六自由度电液平台的控制与应用[J]. 机床与液压，2006年第6期 六、备注 指导教师签字： 年月日教研室主任签字： 年月日
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
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
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。
六自由度平台功率及推力计算
六自由度平台所需功率及推力计算 Sky16807@https://www.wendangku.net/doc/8a10476509.html, QQ：44915263 一、单缸运动 A. 按功率计算 单缸运动，1秒内，单缸从行程0运作到行程100，造成平台的重心位置从614提高到631.2，六人平台加座椅，总重按照1吨计算。根据功能原理：电动缸所做的功= 平台重力势能的提高? P= mgh t ()3 310 ? ? - ? ? = 631 2. P- 10 614 10 1 P= 172 w B. 按受力分析计算 将平台看作杠杆，单缸的升起，顶动杠杆绕着支点转动。 支点，由于六自由度平台不是简单的杠杆，运动时，支点位置漂浮并转移，不好找。但是一个简单的道理，支点离该缸越近，该缸越省力，但是为了计算的可靠，我们认为，支点为离该缸最远的转动点。六个缸的头尾支点分布在直径800的圆周上，于是认为单缸的力臂为800，同时，缸与水平面成角46°，由杠杆平衡： = ? F0? ? sin46 400 mg 800 6950 F= N ÷ P3= ? = =- FS ? 695 t/ w 10 1 6950 100 单缸运动，行程刚开始时，为最费力的时刻。当单缸继续升起，该缸越趋于垂直状态，有效分力更大；另一方面，单缸运动，平台开始转动，重心也会朝支点方向移动，该缸将更加轻松，所需的力气减小。
二、双缸运动 双缸运作，分为相邻、相隔、相向三种情况。如果是相邻缸，则和单缸运作相比，势必更省力，所需功率更小。 A. 相向的两缸 对岸相向的两缸，同时运作，会造成平台的曲线平移，平移个过程中，既有水平移动又有垂直升高。 A-1 功能原理 mgh t P =? ()33106141.646101012P -?-??=? w 5.160P = A-2 按受力分析计算 相向两缸刚开始启动，两缸共承担也一直承担1/3的总重。 3/mg 46sin F 2=?? N 1031.2F 3?= w 2311101001031.2t /FS P 34=÷???==-