六自由平臺課件

本報告主要內(nèi)容1.六自由度運(yùn)動平臺的發(fā)展2.運(yùn)動平臺的物理建模和數(shù)學(xué)建模3.運(yùn)動平臺的控制系統(tǒng)本報告主要內(nèi)容1.六自由度運(yùn)動平臺的發(fā)展2.運(yùn)動平臺的物理并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)（ParallelMechanism，簡稱PM），可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運(yùn)動鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)（ParallelMechanism，簡稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)比較從機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)（ParallelMechanism）和串聯(lián)（SerialMechanism）機(jī)構(gòu)存在對偶關(guān)系，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解簡單，反解復(fù)雜；并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解復(fù)雜，反解簡單。串聯(lián)機(jī)構(gòu)原理基于模擬人上肢的功能，早期工業(yè)機(jī)器人大多數(shù)為串聯(lián)形式，其結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大，但剛度低、承載能力低，并且由于串聯(lián)的原因操作臂的輸出誤差是各關(guān)節(jié)的誤差積累和放大。并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度重量比高、慣性小、承載力大、高速、無累積誤差，但其工作空間相對同等尺寸規(guī)模的串聯(lián)機(jī)構(gòu)較小。并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)比較從機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Paral六自由度平臺六自由度運(yùn)動平臺是用于飛行器、運(yùn)動器（如飛機(jī)、車輛）模擬訓(xùn)練的動感模擬裝置，是一種并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)，它通過改變六個可以伸縮的作動筒來實現(xiàn)平臺的空間六自由度運(yùn)動（垂直向、橫向、縱向、俯仰、滾轉(zhuǎn)、搖擺），即X、Y、Z方向的平移和繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及這些自由度的復(fù)合運(yùn)動。六自由度平臺六自由度運(yùn)動平臺是用于飛行器、運(yùn)動器（如飛機(jī)、車六自由度平臺的特點(1)六自由度平臺由六個缸同時支撐，與串聯(lián)機(jī)構(gòu)的懸臂梁相比，剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在相同的自重或體積下有比串聯(lián)機(jī)構(gòu)高的承載能力；(2)串聯(lián)機(jī)構(gòu)末端件上的誤差是各個關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因而其精度低，誤差大，而采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度平臺沒有誤差積累和放大，因此誤差小、精度高；(3)六自由度平臺采用對稱式結(jié)構(gòu)，各向同性好；(4)在位置求解方面，串聯(lián)機(jī)構(gòu)求正解容易，但求反解十分困難，而采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度平臺求正解困難，求反解卻非常容易。在線實時計算時是要求反解，相比之下，并聯(lián)機(jī)構(gòu)容易實現(xiàn)。六自由度平臺的特點(1)六自由度平臺由六個缸同時支撐，與串六自由度平臺發(fā)展1965年：英國工程師Stewart提出六軸并聯(lián)式空間機(jī)構(gòu)六自由度平臺發(fā)展1965年：英國工程師Stewart提出六軸70年代初：美國出現(xiàn)6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動平臺的飛行模擬器并制定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)此后六自由度運(yùn)動平臺己趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化生產(chǎn)階段70年代初：美國出現(xiàn)6-DOF并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動平臺的飛行模擬器并1978年：澳大利亞機(jī)構(gòu)學(xué)專家Hunt.KH提出平臺機(jī)構(gòu)用作并聯(lián)機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)。Mac.Callion和Pham在1979年首次利用這種機(jī)構(gòu)設(shè)計出了用于裝配的機(jī)器人，從此拉開了并聯(lián)機(jī)器人研究的序幕1978年：澳大利亞機(jī)構(gòu)學(xué)專家Hunt.KH提出平臺機(jī)構(gòu)用作進(jìn)入80年代特別是90年代以來，六自由度運(yùn)動平臺越來越廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)床、空間對接技術(shù)、航空航海設(shè)備、搖擺模擬以及娛樂設(shè)施上。進(jìn)入80年代特別是90年代以來，六自由度運(yùn)動平臺越來六自由度平臺結(jié)構(gòu)六自由度平臺是由六根帶驅(qū)動器的可伸縮桿通過球鉸和固定平臺聯(lián)接，通過胡克鉸與運(yùn)動平臺相連形成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，動平臺和固定平臺上的鉸鏈成六邊形分布六自由度平臺結(jié)構(gòu)六自由度平臺是由六根帶驅(qū)動器的可伸縮桿通過球胡克鉸位于上平臺與六個支鏈連接處，對保證平臺的正常運(yùn)行和整個結(jié)構(gòu)的剛度起著關(guān)鍵作用胡克鉸位于上平臺與六個支鏈連接處，對保證平臺的正常運(yùn)行和整個六自由度運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有5個，上鉸點分布圓半徑Rp、上鉸點分布角αi、下鉸點分布圓半徑Rb、下鉸點分布角βi和平臺處于零位時上下較點高度H;虎克鉸結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是擺角α，β。六自由度運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有5個，上鉸點分布圓半徑R六自由度平臺建模靜坐標(biāo)系oxyz的原點位于下平臺六個鉸支點的外接圓圓心,平面與下平臺的六個鉸支點所在的面重合,oy與oB1重合，方向如圖所示。動坐標(biāo)系ox1y1z1原點位于上平臺基圓圓心，與上平臺的六個鉸支點所在的面重合，oy1與oA1重合，方向如圖所示。六自由度平臺建模靜坐標(biāo)系oxyz的原點位于下平臺六自由度平臺反解運(yùn)動學(xué)反解就是已知六自由度平臺位姿求解各缸的伸長量。六自由度平臺的姿態(tài)角一般是用歐拉角來表示的，其變換矩陣為：六自由度平臺反解運(yùn)動學(xué)反解就是已知六自由度平臺位姿已知六自由度平臺上鉸點的坐標(biāo)以及，h為零位時平臺的高度。所以上鉸點在靜坐標(biāo)中的坐標(biāo)：已知六自由度平臺上鉸點的坐標(biāo)已知六自由度平臺下鉸點的坐標(biāo)那么可以求得缸長（上鉸點與下鉸點之間的距離）：已知六自由度平臺下鉸點的坐標(biāo)六自由度平臺正解六自由度平臺的位置正解，是在已知六個液壓缸的伸長量的情況下，求解運(yùn)動平臺的位置和姿態(tài)。設(shè)為六自由度平臺位姿變化矢量，正解的矢量方程式為：六自由度平臺正解六自由度平臺的位置正解，是在已知六個液壓缸的非線性方程組線性化將上述矢量函數(shù)在處泰勒展開，并取其線性部分則可表示為：令左邊等于零可以得到迭代公式：非線性方程組線性化將上述矢量函數(shù)在代入可得到迭代式：上式矩陣為其雅可比矩陣。代入六自由度平臺系統(tǒng)六自由度平臺系統(tǒng)液壓運(yùn)動平臺具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點，特別是在傳輸?shù)侥M座艙內(nèi)的低噪聲、良好的加速度性和運(yùn)動的平滑性、長壽命等方面，在飛行模擬器上應(yīng)用液壓運(yùn)動平臺更具有優(yōu)勢電動運(yùn)動平臺是新技術(shù)的應(yīng)用，平臺有著清潔、整潔等優(yōu)點，特別是運(yùn)動精度方面，更是液壓運(yùn)動平臺無法比擬的，因而它廣泛應(yīng)用在武器研發(fā)、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療手術(shù)、航天對接等方面液壓運(yùn)動平臺具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點，特別六自由平臺課件六自由度平臺控制上位機(jī)通過網(wǎng)卡給主控計算機(jī)發(fā)送指令，主控計算機(jī)接收到有關(guān)模擬平臺運(yùn)動參數(shù)的指令后，經(jīng)過空間運(yùn)動模型變換，運(yùn)用平臺反解解出六只電動缸的伸長量，PCL841啟動現(xiàn)場CAN進(jìn)行傳輸，由驅(qū)動器內(nèi)部PC得到信息并驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動。而安裝在電動機(jī)上的編碼器、檢測出電動機(jī)的力矩，速度，位置信息并發(fā)送到驅(qū)動器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時精確的控制各電動缸的伸長量，并把信息傳輸給主控機(jī)，主控機(jī)確保六只電動缸的協(xié)調(diào)動作，從而使平臺進(jìn)行所要求的運(yùn)動六自由度平臺控制上位機(jī)通過網(wǎng)卡給主控計算機(jī)發(fā)送指令，主控計算六自由平臺課件PCL841是一款特殊用途的通信卡，它能夠提供PC與控制區(qū)域網(wǎng)(CAN)的連接。利用其內(nèi)置的CAN控制器，PCL841提供總線仲裁和錯誤檢測檢測功能，并且在檢測到錯誤時，能自動重發(fā)數(shù)據(jù)。此功能顯著降低了數(shù)據(jù)丟失的機(jī)會，確保系統(tǒng)的可靠性。PCL841可以以高達(dá)500Kbps的波特率工作，直接安裝在內(nèi)存的不同位置，通過它實現(xiàn)數(shù)據(jù)與上位機(jī)之間的通訊。PCL841是一款特殊用途的通信卡，它能夠提供PC與控制區(qū)伺服電動缸伺服電動缸是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲桿副的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為推桿的直線運(yùn)動，利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制特性，實現(xiàn)對推力、速度和位置的精密控制有直線式、折返式和垂直式三種結(jié)構(gòu)

伺服電動缸伺服電動缸是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲桿副的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)單缸的控制原理一、PID控制單缸的控制原理一、PID控制二、前饋控制前饋控制是指在控制系統(tǒng)中,根據(jù)設(shè)定值或者外界干擾的變化,產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量,使受控變量維持在設(shè)定值上的一種控制方法二、前饋控制Gc(s)、Gp(s)、H(s)和GF(s)分別為控制器傳函、被控對象傳函、反饋傳函和前饋傳函系統(tǒng)傳遞函數(shù)：取誤差傳函：令得說明當(dāng)前饋通道的傳遞函數(shù)為

被控系統(tǒng)的逆模型時,系統(tǒng)的

誤差始終為零Gc(s)、Gp(s)、H(s)和GF(s)分別為控制器傳函三、三環(huán)控制回路串級控制三、三環(huán)控制回路串級控制位置環(huán)用來將給定位置和電機(jī)實際位置之間的差值減小到最低程度。當(dāng)電機(jī)停止時，如果位置環(huán)的設(shè)置適當(dāng)，位置偏差應(yīng)接近于零位置環(huán)的輸入是外部的脈沖，外部的脈沖經(jīng)過平滑濾波處理和電子齒輪計算后作為“位置環(huán)的設(shè)定”，設(shè)定和來自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過偏差計數(shù)器的計算后的數(shù)值在經(jīng)過位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)（比例增益調(diào)節(jié)，無積分微分環(huán)節(jié)）后輸出和位置給定的前饋信號的合值就構(gòu)成了速度環(huán)的給定位置環(huán)用來將給定位置和電機(jī)實際位置之間的差值減小到最低程度。速度環(huán)用來調(diào)節(jié)電機(jī)速度，以提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快速性，方法是根據(jù)負(fù)載情況的變化調(diào)節(jié)電機(jī)電流速度環(huán)的輸入就是位置環(huán)PID調(diào)節(jié)后的輸出以及位置設(shè)定的前饋值，稱為“速度設(shè)定”，“速度設(shè)定”和“速度環(huán)反饋”值進(jìn)行比較后的差值在速度環(huán)做PID調(diào)節(jié)（主要是比例增益和積分