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六自由度平台

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六自由度平台
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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、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; (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Hunt.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, 上铰点分布圆半径 Rp 、上铰点分布角 αi、下 铰点分布圆半径 Rb、 下铰点分布角 βi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α , β 。 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: 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: 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): 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: 非线性方程组线性化 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: 代入 可得到迭代式: 上式矩阵为其雅可比矩阵。 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 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、速度和位置的精密控制 有直线式、折返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 三、三环控制回路串级控制 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
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