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
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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
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Abstract
The 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
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日期： 年 月 日 日期： 年 月
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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
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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
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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。
根据上述分析，国外在理论水平和技术水平上都要比国内高一些，目前国内外对于运动平台的研究开发主要采用液压伺服驱动方式，以电液伺服阀控缸作为驱动机构；以电机驱动的三自由度微小型平台的研究是国内该领域一个较前沿的研究方向。
1.3 课题的关键技术
（1）平台机构优化设计。如何在保证平台较大运动范围条件下，减小平台整体结构尺寸的同时，保证平台良好的运动特性，将直接决定平台机构设计的成败。因而，为机构建立合理的优化数学模型，采用良好的优化算法，对平台机构优化设计，将成为本文设计的一大重点和难点。
（2）嵌入式系统及应用软件开发。选择合适的实时系统，在其基础上对平台系统软件开发，直接决定了平台系统运行可靠性与控制实时性。
（3）洗出算法的研究。目前国内外对洗出算法的研究和资料并不多见，根据平台特性，研究合理的洗出算法，将直接决定平台动感效果。
1.4研究目标和内容
研究目标是在满足项目平台要求的技术指标的基础上，开发出结构刚度更大，结构尺寸更小，承载能力更强，控制精度更高，空间运动范围更大，位姿精度更高、响应更快、可靠性更高的平台，即在有限的资金空间内，开发出运动范围与结构尺寸比更大，仿真水平更高，真实感更强的运动平台。主要研究内容如下：（1）平台机构设计及优化。
（2）根据平台系统总体性能指标，以及平台机构，进行系统硬件设备选型。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （3）平台系统软件开发。
（4）平台控制系统分析与优化。
1.5平台特性及技术指标
本文研究与实现的全电动的三自由度动感平台，具有在模拟的性能包线范围内给车辆驾驶人员提供一定范围内姿态角变化的动感信息的能力，从而使车辆驾驶人员在同样环境下，在姿态变化的感觉方面与在被模拟车辆上的感觉相似。
1.5.1有效载荷重量
有效载荷：300kg
总载荷：400kg（含上平台及铰链100kg）
1.5.2 平台机构尺寸
平台面积：1.5m×1.5m
平台高度：小于0.6m
1.5.3运动能力指标
表1.1平台位移量
自由度位移量
垂直（Z轴平移）±0.12m
俯/仰角（X轴转动）±16°
横滚角（Y轴转动）±18°
表1.2动感平台速度
自由度相对中立点速度
Z轴方向平移±0.3m/s
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两个转动方向±30°/s
表1.3平台加速度要求
平台加速度 0.3g
1.5.4频率响应
从指令输入到动感平台位置响应的闭环频率特性。
1.4动感平台闭环响应
频率范围(Hz) 最大相位移（°) 最大衰减(dB)
0.1～0.5 -15 一1.0
0.5～1.0 -30 一1.5
1.0～
2.0 -90 —2．5 1.5.5稳态精度
表1.5 动感平台稳态误差
自由度位移量
Z轴方向平移±1mm
两个转动方向±0.1°
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2 平台机构优化设计
2.1平台运动机构组成及原理
平台主要由固定平台（下平台）、运动平台（上平台）、三只可以实现伸缩和轴线回转运动的电动缸、连接电动缸与上、下平台的十字铰链，以及三只防扭臂组成。控制三只电动缸的伸缩长度，能够使运动平台实现绕X轴和Y轴转动，以及沿Z轴进行直线运动。平台整体设计如图2-1所示。
图2-1 平台整体设计模型
根据运动平台的对称性运动要求，电动缸上下十字铰链，分别呈等腰三角形分布于上平台和下平台；X轴方向上的一对防扭臂位于等腰三角形高的中垂线上，等距分布在两侧；Y方向上的一支防扭臂位于等腰三角形的高上；电动缸与下平台呈一定的倾角布置。
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2.2平台运动机构自由度论证
平台自由度分析论证是平台机构设计的根本基础，若机构过约束，平台将无法实现设计要求的所有运动；若欠约束平台将会坍塌[11~12]。
根据空间运动机构的理论，可以得出如公式2-1所表示的空间运动机构自由度的计算公式：
()161g i
i F N U ==??∑ （2-1）
式2-1中，F —自由度数，N —机构的总的构件数，i U —第i 个运动副的约束，g —
物体之间的运动副数目。
在利用上面公式，计算本文设计的三自由度平台的自由度时，需要指出的是，X 方向上的一对防扭臂，其结构与作用完全相同，理论上一支就能够约束平台Y 轴方向上的运动，本文选用两支的目的是为了改善防扭臂的受力状况、提高机构的结构刚度。
若将缸筒和丝杆分开，则平台总的构件数为N=12；电动缸上下铰链和X 方向上一对防扭臂上臂上铰链皆为十字铰链，其约束为4，Y 方向防扭臂上臂上铰链为十字复合铰链，其约束为3，柱状副的约束为4，销轴副的约束为5，可由式2-1计算出本平台的自由度：
6(121)31410543F =×??×?×?×=
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2.3平台机构运动学分析
2.3.1 三自由度平台运动学反解
图2-2 机构结构简图
平台运动可由三种运动合成，分别是平台质心在Z 轴方向向上的升降运动（heave ）、平台前倾运动（pitch ）和平台的横摇运动（roll ）。平台的运动可以表示为：
[](0,0,)(0,,0)(,)(,)r p T Trans h Trans y Rot x Rot y θθ=Δ (2-2)
10000100(0,0,)0010
001Trans h h ??????=?????? （2-3） 1000010sin sin (0,,0)00101
001r p l Trans y θθ???????Δ=??????
（2-4）
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10000cos sin 0(,)0sin cos 00
001r r r r r Rot x θθθθθ???????=?????? （2-5） cos 0sin 00100(,)sin 0cos 00001p p p p p
Rot y θθθθθ??????=???????
（2-6） 其中，(,)(,)r p Rot x Rot y θθ、为轴x ，y 作转角为θ的旋转变换；(0,0,)Trans h 为
升降变换；(0,,0)Trans y Δ为防扭臂牵制了平台的横摇、前倾复合运动，平台产生了沿Y 轴方向的牵连运动变换。若运动前后，三支电动缸上铰链中心点的坐标分别为
[]a b c 和[A1 B1 C1]，下铰链中心点的坐标[A B C]，则三支电动缸的长度分别为
[][][A1 B1 C1] a b c T = (2-7)
11L A A =? (2-8)
21L B B =? (2-9)
31L C C =? (2-10)
2.3.2 三自由度平台运动学正解
通过平台运动学反解，可以得到三只电动缸的长度与平台平移、旋转角度之间的非线性方程组：
(),,0,1,2,3i r p f h i θθ== （2-17）
该方程组为复杂的非线性方程组，采用牛顿下山法求解。
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2.4平台机构优化设计
针对本文所分析的三自由度平台机构，技术指标特别关注两个方面，即1可控性指标；2平台的整体尺寸指标。为了实现良好的运动仿真效果，必须在满足足够的运动空间的同时，使其具有良好的可控性能，也就是它的雅克比矩阵的条件数尽可能得小；为了适应模拟器小型化的要求，必须尽量减小平台尺寸，尤其是平台的高度指标。本着这一思想，本文提出的优化目标，是在保证平台具有一定的运动空间的基础上，实现平台可控性和平台尺寸的加权综合最优。
2. 4.1优化数学模型
（1）设计变量
[]X d D b l = （2-18）
式中，d 、D 分别为3只电动缸上、下铰链轴中心所构成的等腰Δabc 和等腰ΔABC
的高，b 为Δabc 与ΔABC 的底边长度，l 为电动缸的行程。
（2）目标函数
12()()()f X c X c m X η=?+? （2-19）
其中1c 、2c 为权重系数，可以根据平台设计需要选取。
1/()()w
W k J dW X dW
η=∫∫∫∫∫∫ （2-20）
1()k J J J ?=? (2-21)
()X η为平台全域条件数，表示平台在工作空间内的总体运动性能。式（2-20）、
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（2-21）中，()k J 机构局部条件数，W 为平台的工作空间，J 为平台的雅可比矩阵，可以根据平台运动方程求取。()X η越大，说明平台在工作空间内，速度、力从平台驱动输入端到平台输出端的传递越均匀，可控性越好。
()m X 为平台整体结构尺寸的衡量指标，由于本文对平台的工作高度特别关注，为此，令()=1H m X ?，H 为平台高度。
（3）约束条件
平台运动范围的约束：最大纵倾角度max 1825r θ≤≤o ， 最大横摇角max 1518p θ≤≤o ，最大升降高度max 0.23h m >；
电动缸上下铰链轴中心距长度变化范围约束：0.380.382m l L m l +≤≤+?（其中
的0.38m 是由电动缸的最小需要长度所决定）
； 电动缸行程约束：0.23m l ≤；
台面约束：下平台台面允许的最大面积为1.6 1.6m m ×，上平台允许的台面面积为1.0 1.0m m ×，充分考虑铰链座和防扭臂的布置，则0.45m 0.9m b ≤≤，0.6m 1.5m D ≤≤，0.4m 0.9m d ≤≤。
2.4.2优化过程及结果
从建立的数学模型看，这是一个典型的多变量非线性有约束的优化问题，本文选用加速遗传算法[13~15]进行优化。加速遗传算法克服了标准遗传算法易早熟收敛、计算量大、计算速度慢等缺点，它是在标准遗传算法基础上，利用标准遗传算法解出的优秀个体这一子群体，压缩解空间的一种算法。
算法控制参数设定为：编码长度e =10，变异率 1.0m P =，群体规模数n=500，优
秀个体数s=3；目标函数权重系数：121,0.5c c ==。优化后所得到的最优机构参数
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结果如表2-1所列，平台所具有的运动范围见表2-2。
表2-1 优化结果 单位(m) 机构参数
d b D l 优化结果 0.7995 0.7885 1.5000 0.2184
表2-2 平台运动范围 因素
max p θ(o ) max r θ（o ） max h （m ） H （m ） 优化结果 17.57 19.31 0.2546 0.4769
2.4.3优化结果分析
平台机构参数的最终确定，除了考虑最优参数外，还需要结合机构的具体布置，以及平台个性化设计要求一起考量。为此，本文根据优化结果，设定部分相关联的机构参数为常量，然后以余下参数为变量，求出使平台综合性能优良的变量集合，为平台机构参数整定提供解空间。
由平台结构可知，当电动缸行程l 一定时，平台高度、平台最大纵倾角度和最大升降高度由d 、D 决定；平台最大横摇角主要由b 决定。
设定0.8085b m =，0.2182l m =，在给定的约束条件下，目标函数随d 、D 变化如图2-3所示。以d 为X 轴，D 为Y 轴，目标函数值为Z 轴，黑色平面区域为无效区域，即无法满足平台运动范围要求或平台的雅可比矩阵为奇异矩阵。颜色由浅至深的曲面区域为有效区域，曲面上颜色越深，目标函数值越大，平台综合性能越好，d 在0.7m~0.8m 、D 在1.3m~1.5m 区间时，平台具有较佳的综合性能。
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图2-3 目标函数随d 、D 变化曲面
设定=0.8015m d ， 1.5D m =，0.2182l m =，在给定的约束条件下，目标函数随b 变化如图2-4所示，随着b 的增加，目标函数值增大，当0.75b m >，目标函数值增大速度减慢，平台综合性能趋于稳定。
图2-4目标函数随b 变化曲线
设定=0.8015m d ， 1.5D m =，0.8085b m =，在给定的约束条件下，目标函数随l 的变化如图2-5所示，随着l 的增加，目标函数值减小，因此机构参数整定时，应先确定其它参数，最后在满足平台的约束条件下，选取最短行程。
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图2-5 目标函数随l 变化曲线
2.5平台机构的确定
根据平台机构参数的优化设计结果，确定三自由度运动平台的机构尺寸分别为：=0.8m d ， 1.5D m =，0.22l m =，0.8b m =。研制出来的平台如图2-6所示，缸体部分与Stewart 平台类似，倾斜装配，在降低平台高度和增加平台升降高度的同时，增强平台的整体结构刚度。
图2-6 平台实图
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 电动缸上下铰链都采用十字铰链（如图2-7所示），避免了因采用球铰链产生的刚度较差、结构不稳定等问题；上下支座与水平面成一定倾角布置，改善了支座受力特性。
图2-7 电动缸上下铰链及支座图
为了实现三自由度运动，平台在机构设计上必须能有效约束平台X、Y轴方向的平动和绕Z轴方向的旋转。鉴于已有的某些三自由度平台存在的部分缺陷，如自由度过约束，机构进行复合运动时，是通过机械间隙实现，导致机械部分磨损过快的现象。本文三只防扭臂及其运动副采用如下设计：三支防扭臂完全相同，每支防扭臂由上臂和下臂组成二连杆结构；下臂与下平台、下臂与上臂采用普通铰链连接；X轴方向的一对防扭臂，与上面板通过十字铰链相连接；Y轴方向的防扭臂，与上平台通过十字复合铰链相连接，如图2-8所示，复合铰链是在普通铰链轴上安装一个关节轴承予以实现，具有三个自由度。三支防扭臂及其运动副，通过采用常见的连杆结构，以及成熟而又可靠的运动副，实现了复杂的自由度约束，其结构简单，工作可靠；防扭臂呈等腰三角形布置，承载能力强，整体刚度大。此外，机构的零部件简洁，三只防扭臂的主要尺寸相同，加工成本较低。
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图2-8 Y轴方向防扭臂上铰链及支座
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
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
本文以示教型六自由度串联机械手为试验设备，进行机械手的复杂运动控制，使机械手完成各种复杂轨迹的运动控制等功能，能够在现代工业焊接、喷漆等方面的任务。 本文从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。目前，六自由度机械手的复杂运动控制已经有了比较好的逆解算法，也有一些针对欠自由度机械手的逆解算法。逆解算法求出的解不是唯一的，它能使机械手达到更多位姿，完成大部分的原计划任务，但其中的一些解并不是最优化的，因此必须讨论其反解的存在性和唯一性。 本文通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。 最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。 关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄ABSTRACT
In this paper, mechanical hand control the complex movement based on the series of six degrees of freedom manipulator so that the mechanical hand complete the complex trajectory of the movement control functions. In modern industrial welding, painting, and other aspects of the mandate can be used. This article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. At present, the six degrees of freedom manipulator complex movement has been relatively good control of the inverse algorithm.There are also some less freedom for the inverse of the manipulator algorithm. Solutions sought by inverse algorithm is not the only solution, it can reach more manipulator Pose, originally planned to complete most of the task.But some of these solutions is not the most optimal, it is necessary to discuss their anti-the existence of solutions and uniqueness. Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists. So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct. The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming. key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates，Equations of motion，Simulation，Demonstration handle.
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；
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：
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。
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
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。
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 Abstract The 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
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
自由度机械手运动控制公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-
西南交通大学 本科毕业设计（论文） 六自由度机械手复杂运动控制 年级:200X级 学号:200XXXX 姓名:XXX 专业: 机械工程系数控技术 指导老师:XXX 0X年 6月 院系机械工程系专业数控技术 年级 200X级姓名 XXX 题目六自由度机械手复杂运动控制 指导教师 评语 指导教师 (签章) 评阅人 评语 评阅人 (签章) 成绩 答辩委员会主任 (签章) 年月 日 毕业设计（论文）任务书
班级 0X级数控技术（1）班学生姓名 XXX 学号 200XXXXX 发题日期： 0X年 3月 1 日完成日期： 6月18日 题目六自由度机械手复杂运动控制 1、本论文的目的、意义本设计主要以实验室设备（六自由度串联机械手）为基础，运用六自由度串联机械手完成现实工程及实际需要为出发点。通过对 机械手的系统分析建立机器人坐标系的方法，并对其进行正运动分析和逆运 动学分析结合矩阵的变换等研究该机器人系统在平面轨迹方面的设计。并利 用MATLAB对该设计的准确行进行验证。本次设计让我们能有效的利用学校的设备对实际需要进行分析设计，从而使我们能将理论与实际有效结合。并从 中掌握了工程设计的主要方法和了解了现存技术中需要我们进行探索的必 要。 2、学生应完成的任务由于本课题取材于实际生产运用中，不仅从理论方面对设计有分析等要求，更要结合理论做出实际需要的运动控制。下面主要以学 生的设计为主提出其需要完成的任务：（1）完成一万字符的外文翻译； （2）完成复杂运动控制设计的总体方案； （3）通过老师指导可以对机械手进行熟悉的操作和运用； （4）利用现有资料对机械手进行运动学理论分析，并 结合矩阵 工具对其建立的运动学方程进行求解； （5）利用机械手完成平面文字轨迹的运动控制；
图片简介: 本技术创造公开的三自由度运动平台的装配方法，包括顺序安装固定平台(1)，安装定万向铰节器(4)，安装伺服电动缸，安装动万向铰节器(11)，安装控制箱(18)，安装防转机构，安装连接电缆，安装电缆保护盖(3)，调整伺服电动缸达到初始化长度，安装运动平台(12)以及连接防转机构的步骤；控制箱可以在伺服电动缸及动万向铰节器(9)或定万向铰节器(4)装配前后进行，甚至在防转机构(11)安装步骤后进行，安装防转机构的步骤应先于安装运动平台步骤前执行；通过各步骤关键点的保证实现三自由度运动平台装配结果的一致性和精确度。 技术要求 1.一种三自由度运动平台的装配方法，其特征是：包括以下步骤： 1)、安装固定平台(1)，使用吊装设备同时吊挂固定平台的吊挂点(26)，对正固定平台的螺栓孔(27)与平整后安装基面上的固定螺栓，使用紧固件将固定螺栓所在安装基面与固定平台(1)底面紧贴在一起为固定平台(1)提供稳定的固定基础；
2)、安装定万向铰节器(4)，将定万向铰节器(5)的固定端放置在固定平台(1)的定万向铰节器支撑座(2)上，对正定万向铰节器(4)的固定端固定孔与定万向铰节器支撑座(2)上的螺纹孔，使用紧固件均匀压紧； 3)、安装伺服电动缸(15、6、13)，吊住伺服电动缸的两端，对正伺服电动缸的减速器端的螺纹孔与定万向铰节器(4)的活动端的固定孔，使用紧固件均匀压紧； 4)、安装动万向铰节器(9)，对正动万向铰节器(9)的螺柱(8)与伺服电动缸的导杆(7)螺纹孔，螺柱完全旋入导杆(7)螺纹孔后，反向旋出45-90°为动万向铰节器相对运动预留一定的空间； 5)、安装控制箱(21)，将控制箱(21)无固定耳的一面正对固定平台中间位置的防转架(28)开口并缓慢平稳推入防转架(28)内，直至控制箱的固定耳(20)与防转架(28)的支撑立柱紧贴；使用紧固件紧固控制箱的固定耳(20)与防转架(28)限定住控制箱的位置； 6)、安装防转机构(11)，将防转机构(11)未装配万向铰节器的一端(17)正对着防转架(28)顶部的防转固定盘(17)，调整防转机构(11)使其三个活动臂(14)分别朝向相邻的两台伺服电动缸(15、6、13)的中间位置，对正防转机构(11)的固定孔与防转固定盘(17)的螺纹孔，使用紧固件均匀压紧紧固使防转机构(11)与防转架(28)连接； 7)、安装连接电缆，将伺服电动缸(15、6、13)与控制箱(21)上的伺服电机连接插头(23、24、25)依次对应编号，连接电缆两端分别连接对应编号的伺服电动缸(15、6、13)与控制箱上的伺服电机连接插头(23、24、25)，锁紧连接插头；编号需对应匹配于控制箱中伺服驱动器的站号； 8)、安装电缆保护盖(3)，将电缆保护盖开口面朝向固定平台(1)，围绕固定平台边沿拼接成一圈，各个伺服电动缸(15、6、13)的连接电缆从最近的出线口出线，其余设置于电缆保护盖内；使用紧固件连接电缆保护盖(3)与固定平台(1)； 9)、调整伺服电动缸(15、6、13)达到初始化长度，向控制箱(21)供电，启动控制系统，分别测量各个伺服电动缸(15、6、13)的导杆(7)伸出长度，记录各个伺服电动缸(15、6、13)到达初始化长度所使用伺服电机的编码器读值，写入到控制系统中，作为基准参数；
第8期2017年8月组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool &Automatic Manufacturing Technique No.8Aug.2017 文章编号:1001-2265(2017)08-0055-04一一一一DOI:10.13462/https://www.doczj.com/doc/6013522243.html,ki.mmtamt.2017.08.014 收稿日期:2016-08-15;修回日期:2016-10-26 一?基金项目:国家自然科学基金(51105257,51310105025) 作者简介:孙凤(1978 ),男,满族,辽宁阜新人,沈阳工业大学副教授,博士,研究方向为磁悬浮技术与数控技术,(E -mail)sunfeng@https://www.doczj.com/doc/6013522243.html,三 三自由度磁力驱动平台的实验研究? 孙一凤1,吴利平1,李一东2,李一强1,佟一玲1,金嘉琦1,张一明3 (1.沈阳工业大学机械工程学院,沈阳一110870;2.中国华录松下电子信息有限公司,辽宁大连一116023;3.东北大学机械工程与自动化学院,沈阳一110819) 摘要:文章介绍了一种永磁弹簧自复位的三自由度磁力驱动平台,该平台由3对差动电磁铁组和永磁弹簧自复位结构组成三3对电磁铁组分别为X 方向的两对电磁铁组和Y 方向的一对电磁铁组,可以实现X 二Y 方向的平动和C 轴的转动;永磁弹簧自复位结构由3对均布的永磁体组构成三建立三自由度磁力驱动平台的动力学模型,搭建控制器,并利用dSPACE1104系统为核心控制器进行X 二Y 平动方向和C 轴转动的驱动实验三分析对比了阶跃输入时,X 二Y 方向平动和C 轴转动的响应结果,分析了实验平台的结构对实验结果的影响,实现了三自由度磁力驱动平台的稳定驱动,结果说明该驱动平台响应特性较好三 关键词:电磁驱动;PD 控制;数学模型;差动控制中图分类号:TH122;TG65一一一文献标识码:A Experiment Study on 3-DOF Magnetic Driving Platform SUN Feng 1,WU Li-ping 1,LI Dong 2,LI Qiang 1,TONG Ling 1,JIN Jia-qi 1,ZHANG Ming 3 (1.School of Mechamical Engineering,Shenyang Unniversity of Technology,Shenyang 110870,China;2.China Hualu 四Panasonic Avc Networks Co.,Ltd.,Dalian Liaoning 116023,China) Abstract :This paper introduces a 3-DOF magnetic driving platform with self-centering permanent magnetic springs.This platform is composed of three differential electromagnet groups and the self-centering perma-nent magnetic springs.Three pairs of electromagnet groups realize the translation in X ,Y direction and the rotation with C -axis;the self-centering permanent magnetic springs consist of three pairs of uniform permanent magnets.3-DOF dynamic model of magnetic driving platform and control system are established and the dSPACE1104system is used as the core controller.Finally,the driving experiments were carried out with the experimental prototype in X ,Y translational directions and the rotational direction with C -axis.The results in-dicate that the experiment has achieved a stable driving control with the 3-DOF magnetic driving platform.Key words :electromagnetic drive ;PD control ;mathematical model ;differential control 0一引言 传统的运动平台,各部件之间存在运动摩擦副,定位精度低,响应速度慢[1]三电磁悬浮驱动技术是利用电磁力作为驱动力的无接触驱动技术,其特点是中间传动环节少,结构简单,不产生机械接触摩擦,无灰尘,无需润滑,易于实现紧凑型的多自由度驱动等优势,可在一定程度上弥补传统驱动技术的不足[2-5]三 由于电磁驱动技术具有以上特点,国内外的研究机构对其进行了广泛关注,并取得了许多研究成果三其中麻省理工学院的学者们制造的世界第一台高精度六自由度磁悬浮平面电机[6],其采用Halbach 永磁体阵列的方式,定子线圈即产生水平驱动力,同时产生悬浮力,定位精度达到了5nm三韩国忠州大学的学者设计磁悬浮定位平台[7]采用两个部件分别实现悬浮和驱动,这种结构系统控制较为简单,但线性度不好三长春 光机电所的学者设计的二维磁悬浮工作台[8]通过层叠式的结构来间接定位,可以实现平面XY 运动三中南大学的学者构建了一种新型磁悬浮运动平台[9]进而实现了大行程二高精密电磁驱动三 本文介绍了三自由度电磁驱动平台的结构,采用3对差动电磁铁实现了X 二Y 方向平动以及C 轴的转动,利用3对均布的永磁体构成永磁弹簧,实现自复位,并且使驱动平台的结构更为紧凑三对三自由度磁力驱动平台进行数学建模,并利用dSPACE1104系统为核心控制器进行实验分析,对该驱动器的响应特性进行了实验研究,以期在微动平台的实际工程应用中提供重要的参考三 1一驱动器结构及工作原理 三自由度磁力驱动平台结构如图1所示[10]三该装置由电磁铁,上顶盖,下底盖,环形永磁体,柱形永磁 万方数据