1、六自由度平台本报告主要内容1.六自由度运动平台的发展2. 运动平台的物理建模和数学建模3. 运动平台的控制系统并联机构并联机构（Parallel Mechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构与串联机构比较从机构运动学来看，并联机构（Parallel Mechanism）和串联（Serial Mechanism）机构存在对偶关系，串联机构正解简单，反解复杂；并联机构正解复杂，反解简单。串联机构原理基于模拟人上肢的功能，早期工业机器人大多数为串联形式，其结构简单、工作空间大，但刚度低、
2、承载能力低，并且由于串联的原因操作臂的输出误差是各关节的误差积累和放大。并联机构刚度重量比高、惯性小、承载力大、高速、无累积误差，但其工作空间相对同等尺寸规模的串联机构较小。六自由度平台六自由度运动平台是用于飞行器、运动器（如飞机、车辆）模拟训练的动感模拟装置，是一种并联运动机构，它通过改变六个可以伸缩的作动筒来实现平台的空间六自由度运动（垂直向、横向、纵向、俯仰、滚转、摇摆），即X、Y、Z方向的平移和绕X、Y、Z轴的旋转运动，以及这些自由度的复合运动。六自由度平台的特点(1) 六自由度平台由六个缸同时支撑，与串联机构的悬臂梁相比，刚度大，结构稳定，在相同的自重或体积下有比串联机构高的承载能力
3、；(2) 串联机构末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而其精度低，误差大，而采用并联机构的六自由度平台没有误差积累和放大，因此误差小、精度高；(3) 六自由度平台采用对称式结构，各向同性好；(4) 在位置求解方面，串联机构求正解容易，但求反解十分困难，而采用并联机构的六自由度平台求正解困难，求反解却非常容易。在线实时计算时是要求反解，相比之下，并联机构容易实现。六自由度平台发展1965年：英国工程师Stewart提出六轴并联式空间机构70年代初：美国出现6-DOF并联机构运动平台的飞行模拟器并制定系统标准此后六自由度运动平台己趋向标准化、系列化生产阶段1978年：澳大利亚机构学专家Hu
4、nt.KH提出平台机构用作并联机器人的主要机构。Mac.Callion 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进入 80 年代特别是 90 年代以来，六自由度运动平台越来越广泛的应用于机器人、并联机床、空间对接技术、航空航海设备、摇摆模拟以及娱乐设施上。六自由度平台结构六自由度平台是由六根带驱动器的可伸缩杆通过球铰和固定平台联接，通过胡克铰与运动平台相连形成的并联机构，动平台和固定平台上的铰链成六边形分布胡克铰位于上平台与六个支链连接处，对保证平台的正常运行和整个结构的刚度起着关键作用 六自由度运动平台的结构参数主要有5个，上铰点分
5、布圆半径 Rp、上铰点分布角 i、下铰点分布圆半径 Rb、下铰点分布角 i和平台处于零位时上下较点高度H;虎克铰结构参数主要是摆角 ， 。六自由度平台建模 静坐标系 oxyz 的原点位于下平台六个铰支点的外接圆圆心, 平面与下平台的六个铰支点所在的面重合, oy与oB1重合，方向如图所示。动坐标系ox1y1z1原点位于上平台基圆圆心，与上平台的六个铰支点所在的面重合，oy1与 oA1重合，方向如图 所示。六自由度平台反解运动学反解就是已知六自由度平台位姿求解各缸的伸长量。六自由度平台的姿态角一般是用欧拉角来表示的，其变换矩阵为：）（zyxzyxxyxyyxzyxzxzyxzyzxzyxzxzx
6、yzyzxyzccscsscscsccssscsssscccssscccTTTT已知六自由度平台上铰点的坐标以及 ，h为零位时平台的高度。所以上铰点在静坐标中的坐标：TiiiAozyxpi1Toohzyxp111ooAoAoppTpii已知六自由度平台下铰点的坐标那么可以求得缸长（上铰点与下铰点之间的距离）：iiBoAoiopplioTioilllTiBiBiBBozyxpi1六自由度平台正解六自由度平台的位置正解，是在已知六个液压缸的伸长量 的情况下，求解运动 平台的位置和姿态。设 为六自由度平台位姿变化矢量，正解的矢量方程式为：Tzyxzyxa 02ooiiTiilllaf非线性方程组线性
7、化将上述矢量函数 在 处泰勒展开，并取其线性部分则可表示为：令左边等于零可以得到迭代公式：afna )(/nnnniiaaaafafafnnnnnafaafaa11/代入 可得到迭代式： 上式矩阵为其雅可比矩阵。65432116666665555554444443333332222221111111/fffffffffzfyfxffffzfyfxffffzfyfxffffzfyfxffffzfyfxffffzfyfxfzyxzyxzyxzyxzyxzyxzyxzyxnzyxnzyxTzyxzyxa六自由度平台系统液压运动平台具有结构简单、可靠、技术成熟、成本低等优点，特别是在传输到模拟座舱内的
8、低噪声、良好的加速度性和运动的平滑性、长寿命等方面，在飞行模拟器上应用液压运动平台更具有优势电动运动平台是新技术的应用，平台有着清洁、整洁等优点，特别是运动精度方面，更是液压运动平台无法比拟的，因而它广泛应用在武器研发、数控机床、医疗手术、航天对接等方面六自由度平台控制上位机通过网卡给主控计算机发送指令，主控计算机接收到有关模拟平台运动参数的指令后，经过空间运动模型变换，运用平台反解解出六只电动缸的伸长量，PCL841启动现场CAN进行传输，由驱动器内部PC得到信息并驱动电动机转动。而安装在电动机上的编码器、检测出电动机的力矩，速度，位置信息并发送到驱动器，构成闭环控制系统，实时精确的控制各电
9、动缸的伸长量，并把信息传输给主控机，主控机确保六只电动缸的协调动作，从而使平台进行所要求的运动 PCL841是一款特殊用途的通信卡，它能够提供PC与控制区域网(CAN)的连接。利用其内置的CAN控制器，PCL841提供总线仲裁和错误检测检测功能，并且在检测到错误时，能自动重发数据。此功能显著降低了数据丢失的机会，确保系统的可靠性。PCL841可以以高达500Kbps的波特率工作，直接安装在内存的不同位置，通过它实现数据与上位机之间的通讯。伺服电动缸伺服电动缸是将电机的旋转运动通过丝杆副的机械运动转换为推杆的直线运动，利用伺服电机的闭环控制特性，实现对推力、速度和位置的精密精密控制有直线式、折返
10、式和垂直式三种结构单缸的控制原理一、PID控制二、前馈控制前馈控制是指在控制系统中,根据设定值或者外界干扰的变化,产生合适的控制作用去改变操纵变量,使受控变量维持在设定值上的一种控制方法Gc(s)、Gp(s)、H(s)和GF(s)分别为控制器传函、被控对象传函、反馈传函和前馈传函系统传递函数：取 误差传函：令 得说明当前馈通道的传递函数为 被控系统的逆模型时,系统的 误差始终为零( )( )( )( )( )( )1( )( )( )cFpcpG sGs GsC ssR sG s Gs H s( )1H s 1( )( )( )( )( )1( )( )FpecpGS GSE ssR sG S
11、 GS( )0es1( )( )FpGsGs前馈控制框图三、三环控制回路串级控制单缸控制框图位置环用来将给定位置和电机实际位置之间的差值减小到最低程度。当电机停止时，如果位置环的设置适当，位置偏差应接近于零位置环的输入是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了速度环的给定速度环用来调节电机速度，以提高系统动态响应快速性，方法是根据负载情况的变化调节电机电流速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，称为“速度设定”，“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出是 “电流环的给定”力矩环用来调节电机的传动力矩。力矩环会利用所保存的电机数据自动进行优化设置力矩环的输入是速度环PID调节后的输出，称为“力矩环给定”，“力矩环给定”和“力矩环的反馈”值进行比较后的差值在力矩环内做PID调节输出给电机“力矩环的输出”就是电机的每相的相电流
