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六自由度运动平台方案设计分析报告doc

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六自由度运动平台方案设计报告doc

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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

题

词 YYPT 优 化

更

改

栏 更改单号 更改日期 更改人 更改办法

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。

第6页 共22页

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。 球笼联轴器 电动缸

虎克铰链 上动平台

下静平台

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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

下固定板的连接（如图4所示）

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图4 电动缸齿轮盖

下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。

初选深沟球轴承型号61802（GB/T276-1994），额定载荷Cr=2.1kN，外径D=24mm，轴承孔选用d=15mm，宽B=5mm，重量0.005kg。

上下结构（如图5所示）

上铰点分布圆的半径：Ra=432mm

下铰点分布圆的半径： Rb=625mm

上铰相邻铰之间的距离：da=105mm

下铰相邻铰之间的距离：db=120mm

零位时作动器的长度：L2=777mm

c）电动缸 图

第9页 共22页 基于器部件复用的考虑，YYPT采用某项目3号电动作为运动平台动作执行终端，并可利用库存的六台DC24V直流有刷减速电机为之配套。

电动缸主要技术指标：

1）最大推拉力不小于6000N；

2）行走速度：18mm/s；

3）最大行程：370mm；

4）电动缸不自锁；

直流有刷减速电机技术指标：

1）电压范围：允许在20VDC~28VDC范围内工作；

2）额定电压：24VDC；

3）最大电流：在额定电压24VDC，额定负载12Nm条件下，电流≤40A。

4）最低转速：在额定电压24VDC，额定负载12Nm条件下，减速器输出转速不小于410rpm；

5）额定负载：减速电机额定负载转矩为12Nm；

6）工作方式：连续工作时间3min，间隙时间5min；

7）电气接口：接口方式采用航空插座，航空插座型号：XCE22F4K1D1，电机出线与插座接线关系为“﹢”接1号针脚，“-”接2号针脚。

2.1.3控制方案

控制软件采用位置反解算法，即通过平台的姿态反算六支电动缸的长度，通过PCI-1716接收电阻尺反馈的位置指令，根据计算出来的长度和反馈指令通过PCI-1723向驱动器发送模拟量速度指令，控制电动缸运动到指定长度。

2.2 原理样机技术参数

序号 指标 实际情况 备注

1 载荷 1T 未进行试验测试

2 平移速度 10mm/s~15mm/s

3 旋转速度 1.5°/s

4 X，Y轴平移范围 ±300mm

5 Z轴平移范围 ±160mm

第10页 共22页 6 X，Y轴转动范围 ±20°

7 Z轴转动范围 ±30°

2.3 原理样机存在问题

1、超调问题：电动缸运行到位后超调现象比较严重，初步分析为电机特性较差引起的，但不排除算法及PID参数存在问题；

2、台体结构晃动：当电动缸处于停止运动后，上台面人为晃动存在时，存在较大晃动量，初步分析原因为上平台使用的球笼联轴器间隙过大造成的。

3 优化方案

针对原理样机中出现的问题，在尽量少修改原理样机结构的基础上对其进行优化，使其性能得到提高，并能完成六自由度的摇摆及联动等动作。

3.1 伺服系统优化

针对原电机超调现象严重的现状，选择带反馈的伺服电机，使其和配套伺服驱动器构成小闭环，以降低上位控制软件的控制算法的难度。按照现有结构允许的安装空间只能选择外径在70mm以内的伺服电机及减速器，初选松下MHMD042G1V功率为400W的交流伺服电机作为动力源。

按照电机输出扭矩需要，选择纽士达特型号为PF60-4的减速器，其外径为60mm*60mm，效率为90%。则电机加减速器的输出扭矩为4.68N.m，转速为750rpm，丝杠导程为6mm，传动箱减速比为2，则电动缸的速度为37.5mm/s，推力不小于600kg满足设计及使用要求。

3.2 控制系统优化

根据原理样机中模拟量信号受干扰严重的现象，结合本次设计所选择伺服系统，采用脉冲+方向指令作为控制指令，故需要选择运动控制卡，根据公司现在使用的运动卡，选择深圳众为兴公司型号为ADT-856的运动控制卡作为主控卡。

3.3结构部分优化

根据原理样机存在的问题，现将运动平台上平台与电缸连接部分也更改为虎克铰链，用以消除球笼联轴器带来的间隙。虎克铰链示意图如图3.1所示：

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图3.1 虎克铰链示意图

4 系统组成

六自由度运动平台系统由测试软件部分系统、电气控制系统、动力电源系统、运动平台机械台体组成。运动平台部分的组成结构示意图如图4.1所示。

用户界面伺服算法模块伺服驱动电动缸×6负载运动软件部分电控部分机械部分

图4.1 系统组成框图

软件部分主要包括用户界面程序、伺服算法程序、PID参数设置程序等。用户界面程序采用VB或VC编写，界面友好，使用方便，可以接收用户的鼠标和键盘输入，设置工作的模式，运动的曲线类型等（正弦、连续、圆弧等），可以接收外部的指令，使平台在跟随状态下运行。

电控部分的作用是接收控制系统输出的指令数据，并将其传输给伺服驱动器，驱动器将信号放大后控制电机运动，进而带动电动缸运动，并最终使台体实现各种姿态。包括工控机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机、电阻尺及相关电器元件等。

机械部分用于支撑负载，包括上平台、上连接铰、下连接铰、电动缸、支撑架、

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六自由度摇摆台设计过程

六自由度摇摆台设计过程

六自由度摇摆台设计过程

设计六自由度摇摆台是一个复杂而精密的过程，需要考虑多个因素，包括力学原理、控制系统、传感器和运动学等。下面将详细介绍六自由度摇摆台的设计过程。

第一步：确定需求和目标

在设计六自由度摇摆台之前，首先需要明确该摇摆台的使用目标和需求。例如，是用于研究人体运动，还是用于模拟船舶或飞机的运动情况。根据需求，可以确定所需的最大摆角、最大加速度等参数。

第二步：力学原理分析

第三步：设计运动平台

运动平台是摇摆台的关键组成部分，它承载着摇摆台的运动。在设计运动平台时，需要考虑其稳定性、刚度和质量等因素。为了实现六自由度的运动，可以采用多个电机和传动装置，通过控制电机的转速和转向来实现运动。

第四步：设计支架和传动装置

支架和传动装置是用于支撑和传递力的关键部件。支架的设计要考虑到摇摆台的整体稳定性和强度要求，需要选择合适的材料和结构，并进行力学计算和模拟分析。传动装置的设计要考虑到摇摆台的运动精度和可靠性要求。

第五步：选择传感器和控制系统

为了实现六自由度的运动控制，需要使用传感器来检测运动台的位置和姿态，并将数据反馈给控制系统。常用的传感器包括陀螺仪、加速度计和光电编码器。控制系统根据传感器信号进行数据处理和控制指令的发出，以实现摇摆台的精确控制。

第六步：进行仿真和验证

在设计完成后，需要进行仿真和验证来验证设计的可行性和性能是否满足要求。可以使用计算机辅助设计软件进行仿真，并根据仿真结果进行优化和改进。此外，还需要进行实验验证，通过实验数据和结果来评估摇摆台的性能和稳定性。

第七步：制造和装配

最后一步是将设计的摇摆台进行制造和装配。根据设计图纸，选择合适的材料和加工工艺，制作各个部件，并进行试装和调试。在装配过程中，要注意各个部件的配合和校准，确保摇摆台的运动平稳和精确。

综上所述，设计六自由度摇摆台是一个复杂而精密的过程。需要考虑力学原理、控制系统、传感器、运动学和结构设计等多个方面因素。通过系统地进行需求分析、力学分析、运动设计、仿真验证和装配调试等步骤，可以设计出满足要求的高精度六自由度摇摆台。

“六自由度”资料汇整

“六自由度”资料汇整

“六自由度”资料汇整

目录

一、六自由度机器人结构设计、运动学分析及仿真

二、基于Stewart结构的六自由度并联稳定平台技术研究

三、模拟器中车辆动力学与六自由度平台联合仿真技术研究

四、六自由度破碎机运动特性分析及控制研究

五、六自由度并联机器人工作空间分析

六、基于液压六自由度平台的空间对接半物理仿真系统研究

六自由度机器人结构设计、运动学分析及仿真

随着科技的不断发展，机器人已经广泛应用于工业、医疗、军事等领域。其中，六自由度机器人作为最具灵活性的机器人之一，备受研究者的。本文将围绕六自由度机器人结构设计、运动学分析及仿真展开讨论，旨在深入探讨六自由度机器人的性能和特点。

关键词：六自由度机器人、结构设计、运动学分析、仿真

六自由度机器人具有六个独立的运动自由度，可以在空间中实现精确的位置和姿态控制。因其具有高灵活性、高精度和高效率等优点，六自由度机器人在自动化生产线、航空航天、医疗等领域具有广泛的应用前景。目前，国内外研究者已对六自由度机器人的设计、制造、控制等方面进行了深入研究，并取得了一系列重要成果。

六自由度机器人的结构设计主要包括关节结构设计、连杆结构设计及控制模块设计。关节结构是机器人的重要组成部分，用于实现机器人的转动和移动。连杆结构通过关节连接，构成机器人的整体构型，实现机器人的各种动作。控制模块用于实现机器人的任意角度运动，包括运动学控制和动力学控制等。

在结构设计过程中，应考虑关节的负载能力、运动速度和精度等因素，同时需注重连杆结构的设计，以实现机器人的整体协调性和稳定性。控制模块的设计也是关键之一，需结合运动学和动力学理论，实现机器人的精确控制。

运动学是研究物体运动规律的一门学科，对于六自由度机器人的运动学分析主要包括正向运动学和逆向运动学。正向运动学是根据已知的关节角度求解机器人末端执行器的位置和姿态，而逆向运动学则是根据末端执行器的位置和姿态求解关节角度。

对六自由度机器人进行运动学仿真，有助于深入了解机器人的运动性能。通过计算机仿真技术，可以模拟机器人的实际运行情况，观察机器人的轨迹规划、速度控制和动力学特性等方面。运动学仿真还可以为机器人的优化设计和控制系统提供理论依据和实验数据支持。

六自由度

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，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器中，如飞行模拟器、汽车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域中。在加工业可制成六轴联动机床、机器人等。

六自由度平台

六自由度平台

山东建筑大学毕业设计外文文献及译文

- 1 - 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。本文组织如下：在第二节中，我们将提出我们为什么使用三次Stewart平台的配置，比传统配置的优势，隔振，说明应用。第三节进行的牛顿 - 欧拉的一般Stewart平台及其应用隔振问题的封闭形式的动态制定。系统通过一个简单的PD控制算法得到的结果显示，在第山东建筑大学毕业设计外文文献及译文