六自由度平台样本

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。

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。

6 直流电源 12.1.2 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图2 球笼联轴器b）虎克铰链（如图3所示）采用虎克铰链与下平面连接。

万向节铰链传动效率高，允许两轴间的角位移大，适用于有大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35º~45º，噪音小，对润滑要求不高，传递转矩大，而且使用可靠，因此获得广泛的应用。

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；k.0HZ～10HZl.1500Wm.平台系统连续运行12h以上，任何一个电动缸的位置漂移不超过0.00025m。

振动隔离多轴机器人平台G．Satheesh库马尔，永贵斯里尼瓦萨和T. Nagarajan精密工程和机械工程印度理工学院Chennai -600 036电子邮件：human_flag@摘要Stewart平台在多轴振动控制领域的应用证明它在高速和六自由度运动控制方面很有前途。

关键问题是Stewart平台相关高非线性和不确定性的动态。

Stewart平台系统动力学建模开发一个简单的线性模型，固定使用刚体运动的牛顿 - 欧拉方程的立场Stewart平台的议案。

阻尼和刚度矩阵被发现彼此成正比，所以简化成动力学语言。

为应用开发的动态模型的各种控制策略和系统的性能进行了研究，以确定最佳的隔振应用适合的控制策略。

控制策略的建模和测试都是使用MATLAB和实验验证。

简介振动控制关键在于所有指向及定位系统的精度。

振动控制，实现由被动和主动的方式。

而被动的方式是有效地引进无动力配置没有不稳定的风险。

发现主动方式非常适合动态系统，并承诺增加的隔离性能。

在一般情况下，振动控制在高精度应用的要求，可以分为两个层次，隔振[1]在组件级和系统级结构振动抑制。

振动隔离在组件级别将被称为作为本文振动主动控制。

在组件级别的隔离，隔振装置提供的衔接，同时降低之间的振动源及零部件，这需要无振动的振动传输。

其中，Stewart平台在多轴振动控制领域的应用证明它在高速和六自由度（DOF）运动控制方面很有前途，即使在一个比较大的负载[1，2，4，5]。

振动控制中的应用是相当不同的飞行模拟器使用或Stewart平台多自由度并联机械手。

冲击阻尼结构振动所需的驱动器是微米量级的顺序，频率响应性能应达到kHz的范围内。

力振动控制装置所需的能力不同，按要求在不同的应用。

另一方面，Stewart平台机械手有一个关键的缺点，对传统的振动控制装置，及其动力学的高非线性和不确定性。

因此，达斯古普塔等提到的有待解决的问题之一。

[3] 通过广泛的模拟和分析/数值的ODE系统工具操纵的动态行为的研究，是一个简单的控制策略的应用，为隔振中的应用，结合沿。

实验一：6SPT-1六自由度液压伺服平台综合实验一、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、预备知识：1、熟练掌握PLC的梯形图语言（LD）编程和结构化文本语言（ST）编程；2、熟练掌握VB6.0编程，能使用VB6.0实现以太网通信；3、有一定的矩阵计算能力。

三、试验原理：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。

S tewart 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120°均布，动、静平台的相邻两边到中心的夹角分别为30°和90°。

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。

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，丫，Z，a，B, 丫）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.m2，重量5kg。

图2球笼联轴器b）虎克铰链（如图3所示）采用虎克铰链与下平面连接。

万向节铰链传动效率高，允许两轴间的角位移大，适用于有大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35o~45o,噪音小，对润滑要求不高，传递转矩大，而且使用可靠，因此获得广泛的应用。

图3虎克铰链F固定板的连接（如图4所示）F 固定板与电动缸用法兰连接初选深沟球轴承型号61808 (GB/T276-1994),额定载荷 Cr=5.1kN ，外径D=52mm ，轴承孔选用 d=40mm ，宽 B=7mm ，重量 0.26kg 。

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PCI1716L板卡端⼝四、实验过程Labview实验程序：1、数字信号输出程序段通过调⽤PCI板卡的例⼦程序：DioWritePortWord.vi程序来发送数字信号，当控制⼦为1时，通过板卡数字信号输出⼝DO8⼝发送1，这样2号缸的电机发转，电动缸退回；当控制字为2时，通过数字信号输出⼝DO9发送1，这样2号缸的电机正转，电动缸前进。

六⾃由度数学建模
（请先阅读《全国⼤学⽣数学建模竞赛论⽂格式规范》）
题⽬机械平台的⾃动控制问题
六⾃由度机械平台（图1）是由六根带伺服电动缸（或液压装置）的⽀杆、上下两个平台以及上下各六只万向节（或球⾯副）组成。

下平台固定在基础设施上，通过六根⽀杆的伸缩运动，控制上平台在空间六个⾃由度运动。

六个⾃由度分别是三维空间的XYZ轴⽅向的运动以及分别绕XYZ轴旋转的运动，其结构如图2所⽰。

图1 六⾃由度机械平台
图2 机械平台结构图
附件中的视频简单展⽰了通过驱动⽀杆伸缩运动，六⾃由度机械平台可以实现的上平台姿态变化，相关机械学名词及原理可查阅⽂献资料获得。

该机械平台具有并联结构，即六个驱动器共同作⽤于⼀个平台。

这种设计优化了系统刚度，承载能⼒强，且位置误差不累计，但相较串联设计，其驱动⽅式也更为复杂。

请对该机械平台做出适当的简化和假设，建⽴数学模型，并回答以下问题。

1.请描述在⾼度不变的情况下，上平台从初始位置沿直线向任意⽅向平⾏移动到某⼀个位置时六根⽀杆的长度随位移变化的情况。

2.上平台在初始状态下与下平台平⾏（如图2），请描述在保持上平台初始中⼼位置不变的情况下，向任意⽅向倾斜某⼀⾓度，此时六根⽀杆的长度随倾⾓变化的情况。

3.请根据你所建⽴的模型，对某⼀数值实例进⾏计算，⽐如某⼀复合姿态（应包含坐标轴⽅向的运动以及绕坐标轴旋转的运动）及通过某⼀指定路径实现该姿态，并给出数值模拟结果。

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 kx2.2 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。

六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，近几年，引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。

六自由度运动平台是由6只液压缸，上、下各6只万向铰链和上、下2个平台组成。

下平台固定在基础上，借助6只液压缸的伸缩运动，完成上平台在空间6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中水平的标志性象征。

国外某大型液压公司的总部大厅里，向客人展示水平的第一个标志就是六自由度运动平台，笔者认为，六自由度运动平台是液压及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在液压和控制领域，基本上就没有了难题。

以下介绍它的开发过程。

2 传统的伺服液压控制六自由度运动平台到目前为止，世界上所有国家和研制单位，大型平台都无一例外地采用了液压伺服控制系统。

国内以几所名牌大学的研究水平较高，其控制原理基本相同，六自由度平台单缸控制框图如图1所示。

从图中可看出，主控计算机是完成空问状态的实时解算，然后将解算结果送到6个单缸控制器，经数／模转换后送给伺服放大器、伺服阀、伺服缸推动平台运动。

伺服缸的位移和压力通过2只传感器并经模／数转换后送给计算机，完成闭环控制。

该伺服系统最大的难点是传递环节多、控制过于复杂、调试困难、可靠性差、伺服阀抗干扰、抗污染能力弱、故障率高，因而国内尽管许多单位进行了研制，但大面积推广的却始终不多。

图1 平台单缸控制方框图3 六自由度平台控制的空间状态解算(1)顺解(顺向解)：即己知6只液压缸的长度，求解平台姿态，到目前为止，还没有直接中的正解方程式，只能采用叠代方法，利用计算机快速运算的特点和上铰链的结构条件约束来逼近求解平台姿态。