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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。

上平台球铰分布园直径1400mm，相邻球心距离157mm；

下平台球铰分布园直径1600mm，相邻球心距离167mm；

伺服缸最小球铰球心距离800mm，最大长度1200mm；（采用Φ63/45~400缸体）。

平台初始高度约700mm。

3．2 泵站技术指标

额定流量：90L/min

最大系统压力：12Mpa；

泵站电机功率：22KW；

空间尺寸：1400×1200×1320

3.3 运动参数

伺服缸运动速度≥200mm/S；有效行程≥400mm。

主要运动参数如下表：

3．4 电动伺服平台

电动伺服平台省去了泵站系统及伺服阀、伺服油缸，而直接用电动缸、伺服电机和相应的伺服放大器代替。

电动缸：电动缸可根据用户要求选用进口（Exlar系列）或国产产品（由本公司自行研发生产，采用进口滚珠丝杠成套）。

伺服电机：伺服电机可选用三菱、安川、松下、台达等产品。

伺服放大器：采用与伺服电机品牌对应的伺服放大器。

4．平台控制系统

4．1 伺服运动控制器

平台控制系统由伺服运动控制器、控制计算机、其配电操作柜等组成。

伺服运动控制器安装在配电操作柜内部，操作柜另配置触屏便于一些基本参数的设置和显示。

伺服运动控制器是六自由度平台控制系统的核心，它是一种高性能闭环实时控制器，集成了高速模拟量采集、高速浮点处理器、高速DA端口，是针对Stewart平台应用的专用控制器。

伺服运动控制器包括相对独立的六组控制回路，对于每组回路由位置控制环组成，它和线性位移传感器、伺服比例阀和伺服缸构成快速高精度数字闭环控制系统，从而使单伺服缸控制稳态误差小于0.1毫米。

4．2 控制系统主要功能：

1) 操作监控计算机，可以进行运动函数编程，与运动控制器接口，完成各种命令和参数设定。

2) 所有输入输出均具有硬件保护电路，具有故障定位和冻结能力。

3)控制器在即使在复杂控制条件下，仍能保证闭环控制周期小于10ms。

4)控制器具有保护算法，当超出模拟台运动范围的指令给出时会发出报警信号并进行运动限制。

5)控制器能自动判断识别非法命令，避免设备误动作。

6)实现泵站的基本起停控制，状态监视。

4．3 数据接口：

伺服运动控制器可以通过Modbus TCP协议与用户控制操作计算机连接，控制器提供上位机应用函数接口，便于第三方应用软件连接。

伺服运动控制器可以通过RS232/485与具有串行通讯能力的设备进行通讯，通讯协议为Modbus RTU 或自行定义的自由协议。

5．主要应用示例

5．1 列车风档液压仿真试验台

列车运动仿真测试系统实现对列车各种工况下的运动轨迹进行计算仿真、模拟运动，同时对列车产品如折棚式风档等进行产品性能测试。

图0-2列车风档液压仿真试验台现场实景图

并联六自由度运动平台

系统能够根据给定的列车轨迹参数，计算出列车运动轨迹及其他相关参数。

列车轨迹计算主要参数如下：

a) S曲线半径R

b) S曲线直线段长度W

c) 平台正三角形边长A

d) 列车长度L

e) 列车轮距N

f) 连杆长度P

g) 连杆绞点至轮轴距M

h) 列车速度v

图0-3列车风档液压仿真试验台HMI界面

试验台能够仿真如下运动轨迹：

a)含直线段S曲线水平运动

b)园曲线水平运动

c)切园曲线水平运动

d)含直线段S曲线垂直运动

e)园曲线垂直运动

f)切园曲线垂直运动

g)翻转运动

h)混合运动

5．2 F1赛车运动仿真台

F1赛车运动仿真台用于上海F1国际赛车场，操作者可以坐到仿真平台上，平台前方放置一液晶显示屏，显示赛车动画场景，操作者可以通过操纵杆进行起动、加速、左右拐、侧滑、刹车、颠簸行使等动作，同时仿真台根据这些动作进行动态模拟，让操作者亲身体验赛车动感。

图0-4 F1赛车运动仿真台现场实景图

F1赛车运动仿真台为六自由度运动平台的开发应用，主要由计算机操作动画系统、六

缸液压伺服运动系统和实时控制系统组成。

计算机操作动画系统采用高性能服务器主机与34”液晶显示屏，动态模拟赛车场景。

六缸液压伺服运动系统采用进口比例伺服阀控制，频响时间小于20ms，液压缸内置高精度位移传感器。另单独配有提供动力的泵站单元。

实时控制系统根据计算机系统的动作指令信号动态运算并调节控制液压缸动作，实现与动画场景动作同步。

5．3 特种机车驾驶模拟器

特种机车驾驶模拟器主要由六自由度平台、实物驾驶室、模型小车、地貌沙盘、视景影像系统等组成。实现了特种机车驾驶视觉、听觉、操纵、环境、不同路况、不同气候等的综合模拟。

实物驾驶室内主要部件如档位、方向盘、仪表板、座椅等均采用实车部件。方向盘力矩按实车模拟，力求在操纵上有实车感觉。

图0-5特种机车驾驶模拟器现场实景图

模型小车按照实物驾驶室内发出的各种指令（加减速、左右转向、刹车、颠簸等），在地貌沙盘上行驶，同时将地貌状况传输给影像虚拟场景系统，模型小车实际空间坐标参数（中心点空间位置X，Y，Z及欧拉夹角α，β，γ）反馈给六自由度控制器，控制系统计算并仿真出模型小车实际动感状态。

5．4 海浪模拟器

六自由度平台可以模拟海浪动作，以验证舰艇、船舶等在实际航行时的各项参数指标。

图0-6海浪模拟器现场实景图

5．5 飞机和飞碟模拟器

飞机和飞碟模拟器主要应用于娱乐行业，如科技馆、游乐场等。可以模拟飞行器的空中各种飞行姿态，辅以空间魔幻场景，给人一种身临其境的美感。

图0-7飞机模拟现场实景图

图0-8飞碟模拟现场实景图

六自由度摇摆平台

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；

六自由度运动平台方案设计报告

编号密级内部阶段标记 C 会签校对审核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 YYPT 优化题词更改单号更改日期更改人更改办法更改栏

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。

并联六自由度运动平台

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。上平台球铰分布园直径1400mm，相邻球心距离157mm；下平台球铰分布园直径1600mm，相邻球心距离167mm；伺服缸最小球铰球心距离800mm，最大长度1200mm；（采用Φ63/45~400缸体）。平台初始高度约700mm。 3．2 泵站技术指标额定流量：90L/min 最大系统压力：12Mpa；泵站电机功率：22KW；空间尺寸：1400×1200×1320 3.3 运动参数伺服缸运动速度≥200mm/S；有效行程≥400mm。主要运动参数如下表：

六自由度并联机器人基于外文翻译、中英对照、英汉互译讲解

基于Grassmann-Cayley代数的六自由度三足并联机器人的奇异性条件 Patricia Ben-Horin，Moshe Shoham，IEEE准会员关键词：指数，Terms-Grassmann-Cayley代数，奇异性条件，六自由度三足机器人摘要本文研究了每一个腿上都有一个球形接头的大多数六自由度并联机器人的奇异性条件。首先,应该确定致动器螺丝位于腿链中心，然后在使用基于Grassmann-Cayley代数和相关的分解方法来确定这些螺丝包含的哪些条件是导数刚度等级不足的。这些工具是非常有用,因为他们可以方便的表示坐标-并用简单的表达式来表示几何实体,从而使用几何解释奇异性条件是更容易获得。利用这些工具, 这类奇异性条件的144种组合被划定在四个平面所相交的一个点上。这四个平面被定义为这个零距螺丝球形关节的位置和方向。一、介绍在过去的二十年里,许多研究人员一直在广泛地研究并联机器人的奇异性。不像串联机器人, 尽管并联机器人失去了在奇异配置中的自由度,而且执行器都是锁定的，但是他们的的自由度还是可以获得的。因此,对这些不稳定姿势的机器人的全面研究对于提高机器人的设计和确定机器人的路径规划是至关重要的。用于寻找并联机器人奇异性的主要的方法之一,是基于计算雅可比行列式进行计算。Gosselin和安杰利斯的分类奇异性的闭环机制是通过考虑两个雅克比定义输入速度和输出速度之间的关系。圣鲁克和Gosselin减少了定义的雅可比行列式算术操作要求,从而通过数值计算得到多项式。另一个重要的工具,是用螺旋理论分析奇异性,在1900的论文中中开发机器人的相关应用程序，有几项研究已经应用这个理论找到并联机器人的奇异性。在论文中，特别注意到情况是执行机构是线性和代表螺丝是零投的。在这些情况下,

基于六自由度并联平台的模拟目标追踪

基于六自由度并联平台的模拟目标追踪系统设计摘要六自由度并联（Stewart）平台具有承载能力强、结构刚度大、精度高、系统动态响应快、累计误差小、反解容易等优点，经年来已被广泛应用于运动模拟器、并联机床、精密定位平台及各种娱乐场合。在此发展趋势下，将六自由度并联平台应用于模拟目标追踪，设计出了一套新型、高效的系统。上位机应运Visual Basic编程语言，通过Modbus协议实现PC机与PAC控制器的通讯，运用基于神经网络整定的PID控制算法，从而控制液压系统实现对平台的控制，完成目标追踪任务。关键词：六自由度并联平台 Visual Basic编程 PAC控制器神经网络PID Abstract Six degrees of freedom parallel (Stewart) platform with strong bearing capacity, stiffness, high precision, fast dynamic responses of the system, the cumulative error is small, and easy in the solution, the years have been widely applied in motion simulator, a parallel machine tool, precision positioning platform and various kinds of entertainment places. Under this development tendency, six degree-of-freedom parallel platform is first used to simulate target tracking, designed a set of new and efficient system. PC use Visual Basic programming language, through the Modbus protocol implementation PC communications with PAC controller, using PID control algorithm based on neural network setting, so as to control hydraulic system to realize the control of the platform, target tracking task. Keywords: six degree-of-freedom parallel Visual Basic programming PAC controller Neural network PID 0引言目标追踪在现代化战争、民用、工业、科研等领域都具有重要的影响。由于其广泛的应用前景，目标追踪问题一直备受关注。目标追踪对机械执行系统的精度及响应速度要求甚高。而六自由度并联平台相对于六自由度并联平台相对串联平台具有以下特点：（1）刚度大、结构稳定。这是由于上运动平台经由6个液压缸的支撑。（2）承载能力强。由于刚度大,较串联式机构在相同的自重或体积的情况下，具有高得多的承载能力。（3）误差小、位姿精度高。这是因为没有串联机构的误差累积和放大。（4）动力性能好。串联式机构的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，并联式机构将动力源放在机座上，减小了运动负载。（5）反解容易。多自由度机构运动过程中，需要进行实时反解计算。串联机构的反解十分困难，而对并联机构反解非常容易。由上述特点可以看出六自由度并联平台更能满足其要求。 1.六自由度并联平台的总装设计 1.1六自由度并联平台的机械部分 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。

六自由度并联机构设计说明书

（需微要信 swan165 本科毕业设计说明书题目：六自由度伸缩式并联机床结构设计学生姓名：学院：机械学院系别：机械系专业：机械电子工程班级：机电10-4班指导教师：讲师

摘红字要并联系联机微床信，也可叫获取做整套并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，曾经被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是近年来国内外机床研究的方向，它具有多自由度、刚度高、精度高、传动链短、制造成本低等优点。但其也不足之处，其中位置正解复杂就是关键的一条。6-THRT伸缩式并联机床是Stewart 机床的一种变形结构形式，它主要构成是运动和静止的两个平台上的6个关节点分别分布在同一个平面上，且构成的形状相似。并联机床是一种气动机械，集气（液），在一个典型的机电一体化设备的控制技术，它是很容易实现“六轴联动”，在第二十一世纪将成为主要的高速数控加工设备。本次毕业设计题目结合本院实验室现有的六自由度并联机床机构进行设计，使其能根据工艺要求进行加工。提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。此次毕业设计的主要内容是对并联机床结构设计，其内容主要包括机器人结构设计总体方案的确定，机器人机构设计的相关计算，以及滚珠丝杠螺母副、步进电机、滚动轴承、联轴器等主要零部件的计算选用，并利用CAXA软件绘制各相关零部件的零件图和总装配图，以期达到能直观看出并联机床实体机构的效果。关键词：并联机床；步进电动机；空间变换矩阵；滚珠丝杠螺母副

六自由度运动平台设计方案

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。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。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

Stewart平台是六自由度并联机构

一、设计（论文）目的、意义设计目的及意义 Stewart平台是六自由度并联机构的基础平台。Stewart平台具有诸多优良特性，它在许多领域得到了广泛应用。六自由度运动平台由于应用场合不同，采用不同的驱动方式。目前，这种并联机构驱动方式主要包括电机驱动滚珠丝杠驱动方式、阀控液压缸驱动方式、气动人工肌肉驱动方式、电动液压混合执行器驱动方式、压电陶瓷驱动方式、电机驱动滑轮钢索驱动方式等。阀控液压缸驱动方式的优点是刚度大、抗干扰能力强、功率-重量比和力矩-惯量比大、响应速度快、系统频带宽。对该平台的驱动机构设计对于深刻理解并联机床和运动模拟器的机理具有重要的意义。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）设计内容：对Stewart平台的运动学参数进行了理论分析和计算。重点分析了动平台的位置、速度和加速度和支撑杆的相应参数之间的关系。对Stewart平台的驱动机构进行了设计和校核,并完成了平台的各个组件的设计。三、设计（论文）完成后应提交的成果（一）计算说明部分设计说明书字数在1.5万字以上（说明书一式1份）。（二）图纸部分 1、装配图A0一张。 2、零件图若干张 3、总折合图纸当量A0三张。

四、设计（论文）进度安排 2015年03月02日-2015年03月20日确定题目，下达任务书；学生调研、收集、查阅资料，完成开题报告。 2015年03月21日-2015年03月30日平台的方案、总体布局及工作原理分析。 2015年04月01日-2015年05月15日结构组件进行综合性设计，其中包括液压缸组件设计、相关阀设计等。 2015年05月16日-2015年06月06日整体装配图的绘制以及相关设计计算的整理 2015年06月06日-2015年06月14日准备答辩。五、主要参考资料 1刘文涛.并联机床性能分析与研究[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文，2010 2 李洪人.液压控制系统[M]. 国防工业出版社，2009 3张尚盈. 液压驱动并联机器人力控制研究[J]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2009. 4梁军,付铁. 基于Stewart平台的并联机床刚度分析[J]. 现代制造工程, 2008 5文福安,梁崇高,廖启征. 并联机器人机构位置正解[J]. 中国机械工程, 2009 6黄真,孔令富,方跃法. 并联机器人机构学理论及控制[M]. 北京:机械工业出版社,2007 7熊有伦, 丁汉, 李恩沧. 机器人学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. 8赵强. 六自由度舰艇运动模拟器的优化设计及性能分析[M]. 哈尔滨工业大学, 2010 9黄真,杜雄. 3 /62SPS型Stewart机器人的一般线性奇异分析[J]. 中国机械工程2010 10吴江宁，骆涵秀，李世伦.并联式六自由度电液平台的控制与应用[J]. 机床与液压，2006年第6期六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日

六自由度运动平台正解(几何法)

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 kx 2.2 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。 3.2 由i C 求出平台姿态根据实际情况，建立坐标系如下

六自由度电动运动平台

六自由度运动平台的仿真研究天津工程机械研究院杨永立摘要：本文分析了六自由度运动平台分别采用球铰链和万向节铰链进行连接时的自由度，运用欧拉角、旋转变换的方法推导出位置反解方程，介绍了数值迭代法进行位置正解的过程。关键词：并联，局部自由度，位置反解，位置正解。 1. 简介运动平台按结构形式可分为串联和并联两大类。与串联形式相比，并联形式具有刚度大、承载能力强、结构简单、运动负荷小、能实现包括横移、纵移、升沉等多个自由度运动等特点。同时，串联形式的优点也很明显，其具有运动空间大，测量精度高，运动、受力分析相对简单、控制、测量的实现相对容易，且每个自由度都能独立运动等特点。六自由度运动平台（如图1所示）是由六条油缸通过万向节铰链（或球铰链）将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条油缸的伸缩运动，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。 2. 自由度的确定若在三维空间有n个完全不受约束的物体，任选其中一个作为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1) 个运动自由度。若在所有物体之间用运动副联接起来组成机构，设第i个运动副的约束为u i（1到5之间的整数），如果运动副的总数为g，则机构的自由度M为：

∑=--=g i i u n M 1)1(6 利用上述公式计算一下如图1所示运动平台(采用球铰链)的自由度数。将油缸分解为缸筒和活塞杆，则总的构件数n=14，油缸与上下平台之间的连接为12个球铰链（约束为3），缸筒和活塞杆构成6个既可以相对移动，又可以相对转动的运动副（约束为4），则平台的自由度M 为： ∑=--=g i i u n M 1)1(6=6 (14－1)－(3×12＋4×6)=18 计算结果出人意料，平台似乎无法只通过六条油缸进行驱动。但是，如果保持上平台和缸筒固定不动，由球铰链的特性可知，活塞杆仍然可以相对其轴线转动；同理，缸筒也具有同样的效应。实践证明，这种转动并不影响上平台的空间运动姿态，因此属于局部自由度。在六自由度运动平台的实际设计中，由于球铰链的刚度差，结构不稳定，所以一般采用万向节铰链（如图2所示，约束为4）来代替图1中的球铰链，则自由度M 为： ∑=--=g i i u n M 1)1(6=6 (14－1)－(4×12＋4×6)=6 3. 六自由度运动平台空间姿态的解算要实现对平台空间姿态的控制和测量，必须掌握它两个方向上的解算方法，即位置反解和位置正解。 3.1 位置反解（逆向解）：已知输出件的位置和姿态，求解输入件的位置称为机构的位置反解。在运动平台的实际应用当中，用户所给定的一般都是平台的六个空间姿态参数X ，Y ，Z ，α，β，γ，然而要实现对平台的控制，需要的是六条油缸的长度L 1、L 2…L 6，这正好是已知输出求输入，属于位置反解。也就是说，要实现对平台空间姿态的控制，就必需推导出平台的位置反解方程。如图1所示，在上平台建立动坐标系o-xyz ，在下平台建立静坐标系O-XYZ ，图2 万向节铰链

六自由度运动平台方案设计分析报告doc

六自由度运动平台方案设计报告doc

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编号密级内部阶段标记 C 会签校对审核批准六自由度运动平台方案设计名称

Stewart型六自由度并联机构控制

Stewart型六自由度并联机构控制【摘要】本文对Stewart 型六自由度并联机构的控制步骤进行了描述，提出了一种六自由度并联机构的控制方法。其结构简洁，可靠性高，具有一定的工程实用价值，并且广泛适用于各领域Stewart 型六自由度并联机构的控制。【关键词】Stewart 型六自由度实时控制反解 1 引言六自由度并联机构是近些年研究的热点技术之一。目前该机构已广泛应用于坦克驾驶模拟、高速列车模拟、船舰驾驶模拟、汽车驾驶模拟、飞行器驾驶模拟、等多种驾驶员培训设备及公众娱乐设备之中[1]。六自由度并联机构具有如下特点：（1）并联机构运动平台由多杆支承，与串联结构相比刚度大、结构稳定；（2）与串联结构相比，在相同自重与体积下承载能力高；（3）并联机构末端件没有串联结构末端件的误差积累和放大作用，误差小、精度高；（4）基于并联机构的机械很容易将电机置于机座上，运动负荷比较小，而基于串联机构的机械其电机及传动系统都放在运动件上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能；（5）在运动学求解上，并联机构正解困难、逆解非常容易，而串联机构的正解容易、逆解十分困难，由于在实时控制这些机构时要计算逆解，故并联机构在这方面很有优势。本文对Stewart型六自由度并联机构的控制步骤进行了描述，提出了一种六自由度并联机构的控制方法。 2 并联机构反解 Stewart型六自由度并联机构的分析是其控制策略设计的基础，因此确定机构模型对之后的研究至关重要。分析其模型的一般方法为先对Stewart化简如图1所示。上下平台间通过六根电动缸和12个铰点连接，通过1～6六根电动缸的运动驱动上平台做指定的运动。如图1所示上平台建立惯性坐标系（也称为静坐标系）Ob-XbYbZb和连体坐标系（也称为动坐标系）Op-XpYpZp，静坐标系与动坐标系在初始位置时是完全重合的，坐标系的方向如图1所示。上平台中心在连体坐标系中的坐标向量为ai（i=1，2，……，6），下平台中心在静坐标系的坐标为Bi（i=1，2，……，6）。这样上下台面的12个点都对应一个初始坐标值[2]。当上平台位置改变时，可根据平面上点的关系求出新点P的坐标值。

六自由度平台功能简介

北京星光凯明动感仿真模拟器中心 2011年10月9日六自由度机电运动平台广泛的应用于飞机、舰船、车辆的运动仿真和人员训练。六自由度运动平台能在空间六个自由度上做任一自由度的单自由度运动，也能做任意几个自由度的复合运动。由于采用全数字控制的伺服系统作为平台运动的执行机构，因此，平台运动光滑连续，可产生高频响的快速运动，亦可实现低速下的平稳运动。这类平台特别适合对不同路况条件下以不同车速运行的车辆进行动态模拟，以及对不同海况下的海上航行进行运动模拟。我们是生产数控六自由度运动平台的专业化企业，具有多年从事仿真工作所积累的理论基础和实践经验。拥有一支高素质的技术队伍和完备的生产基地。曾经生产过的产品有：全数字六自由度飞行模拟器、特种车辆三自由度液压试验台、特种车辆四自由度液压摇摆台、特种车辆六自由度试验台、特种车辆倾斜试验台、全数字六自由度地震模拟平台、数控六自由度坦克工程模拟器运动平台和舰船用六自由度仿真设备等(详见用户名单)。在产品的性能、质量以及产品中高科技的含量等方面均得到仿真界的高度评价。六自由度的定义六自由度运动是指在X-Y-Z三维空间内分别沿X、Y、Z轴的平动运动和分别绕X、Y、Z轴的转动运动。将绕X轴的转动定义为滚转?，将绕Y轴的转动定义为俯仰θ，将绕Z轴的转动定义为偏航χ。如下图所示： x Y 具体指标如下：机电式六自由度平台技术性能（一）主要功能： 1.总载荷200kg 2. 1-6个自由度任意组合的多自由度复合正弦运动，幅值、频率均可以人为设定

3. 正弦复合运动 4. 随机运动 5. 对实测路面谱、海浪谱的运动复现 6. 运动平台满载条件下可以运动到任意位置，并锁定。 7. 具有机械、电器、软件多重安全保护措施 8. 测试系统（选件）实时采集六台缸的位置信号，通过反变换算法算得平台的位姿数据，并以曲线和数字两种方式在屏幕上实时显示，测试数据还可以实时输出。 9. 数据端口开放，可自由导出和输入。（二）可执行标准： 1.国军标GBJ15023-91《军用设备环境试验方法倾斜和摇摆试验》 2.GJB2021-94《飞行模拟器六自由度运动系统设计要求》 3.GJB1395-92《飞行模拟器通用规范》设计 4.电磁兼容性设计按《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》执行 5.机械结构设计按GBJ17-1988钢结构设计规范 6.GB3811-83起重机设计规范。（三）主要技术参数：平台姿态俯仰（绕Y轴）：±20° 侧倾（绕x轴）：±20° 精度：±0.5° 平台位移：升降行程：200mm 精度：±1mm

六自由度平台

（一）六自由运动平台介绍六自由度液压平台技术参数六自由度运动平台是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸缩运动，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液压和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、液压系统、控制系统。 1 六自由度平台空间机构技术参数六自由度平台结构效果图如图1所示。图1 六自由度平台六自由度运动平台由上下平台和六个液压油缸组成。六个液压缸上端点两两组成上平台三个支点，六个液压缸下端点两两组成下平台三个支点。上下三个支点分别在假设的圆周上，并且是120o等分，既分别是两个等边三角形的顶点。根据不同的运动范围，油缸的行程和上下平台半径不同。结构如图2所示。图2 六自由度平台结构图根据标书要求，六自由度平台结构参数如下：上平台半径： 0.8m；

下平台半径：0.85m ；油缸最低行程时上下平台垂直距离：约1.17m；油缸行程：±0.20m。 2 六自由度平台空间运动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。根据平台的空间机构参数，空间运动参数如下：（二）六自由度平台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平台。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。

六自由度运动平台方案设计报告

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经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，从而能够模拟出各种空间运动姿态。上动平台球笼联轴器电动缸虎克铰链下静平台图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= N/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。