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        六自由度平臺形成及分類介紹
        發(fā)布時間:2019-11-04 10:14:10

         

          六自由度平臺,是在1965年由英國工程師 Stewart 設(shè)計提出,因此也稱為Stewart 平臺,它最初主要是用作訓(xùn)練飛機駕駛員的飛行模擬器。并聯(lián)機構(gòu)相對串聯(lián)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大、承載能力強、位置精度高、動態(tài)響應(yīng)快等特點。1978 年 Hunt教授針對串聯(lián)機械手剛度差、承載能力弱、有累積誤差、反解求解困難等缺點,提出并聯(lián)構(gòu)型的概念,并將 Gough-Stewart 機構(gòu)應(yīng)用到工業(yè)機器人領(lǐng)域。從此并聯(lián)機構(gòu)開始越來越廣泛地應(yīng)用于誤差補償裝置、工業(yè)機械手、空間對接技術(shù)、飛行模擬駕駛艙、地震模擬體驗臺等重載荷和大加速度的應(yīng)用場合。
          仿真模擬平臺按驅(qū)動方式分為三種:氣動平臺、液壓平臺、電動平臺;按自由度可分為三自由度平臺和六自由度平臺。
         

          氣壓平臺

          關(guān)鍵部件為氣壓缸、氣動電磁閥和空壓機。其具有結(jié)構(gòu)簡單,耗電適中,價格低廉,無污染,動作響應(yīng)速度快,工作可靠,便于維護,壽命長,適應(yīng)溫度范圍廣。缺點是動力較小、噪聲大、平臺運行速度不均勻等。

          液壓平臺

          關(guān)鍵部件為液壓缸、液壓電磁閥(可分為開關(guān)閥和比例閥兩類)和液壓泵站。動力在三者中最大,適用于高載的情況。其價格中等、動作相對氣動平臺來說要緩和,噪音低;

          電動平臺

          關(guān)鍵部件為電動缸、減速機、伺服電機、伺服電機驅(qū)動器、運動控制卡等,一般有三自由度和六自由度兩種。動力大小僅次于液壓平臺。其具有響應(yīng)速度快,靈敏度高,控制精確,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,噪音小,清潔衛(wèi)生,便于維護。唯一缺點就是控制電路復(fù)雜,成本較高。

           六自由度仿真平臺


        2.4 平臺驅(qū)動方式比較表

          自由度種類 成本 噪音 動力大小 動作響應(yīng) 環(huán)境適應(yīng)性 耗電情況 其他
        氣壓平臺 三自由度、六自由度 便宜 噪音大 動力最小 動作響應(yīng)快 溫度范圍廣,普通220V即可 中等 清潔衛(wèi)生
        液壓平臺 三自由度、六自由度 中等 噪音適中 最大 動作平穩(wěn),動作響應(yīng)慢 不適合低溫環(huán)境,一般情況下需要380V供電 耗電 體積重量較大
        電動平臺 三自由度、六自由度 昂貴 較大僅次于液動 動作響應(yīng)快慢可調(diào)節(jié)、靈敏度高 溫度范圍廣,普通220V即可 省電 清潔衛(wèi)生、靈巧、所用部件較少

         

          在六自由度平臺的驅(qū)動系統(tǒng)中,電動驅(qū)動由于省去了能量的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),電動機直接產(chǎn)生力和力矩,運動過程確定性好,效率高,沒有復(fù)雜的管路系統(tǒng)具有高緊湊型,反應(yīng)靈敏使用方便且成本較低。電動驅(qū)動方式具有以上較多的優(yōu)點,所以該驅(qū)動方式在工業(yè)控制領(lǐng)域使用較為廣泛。

          電動驅(qū)動控制系統(tǒng)中電動機的類型較多,包括步進電動機、交流伺服電動機、無刷直流伺服電動機等。交流伺服同步電動機是由正弦波信號控制,轉(zhuǎn)矩脈動小;同時電機的體積較小,慣量小,轉(zhuǎn)動平滑,而且電機快速響應(yīng)性好、輸出轉(zhuǎn)矩大、反應(yīng)靈敏、易于實現(xiàn)精確控制,所以本方案采用電動驅(qū)動方式,動力裝置選用交流伺服同步電機。

         

         

          六自由度平臺詳細介紹

          Stewart六自由度并聯(lián)平臺最初是由德國學(xué)者Stewart提出的,相比串聯(lián)機構(gòu)其有以下優(yōu)點:具有高剛度且結(jié)構(gòu)比串聯(lián)式穩(wěn)定;并聯(lián)機構(gòu)定位準(zhǔn)確,承載能力強,動態(tài)特性好;在實時計算控制時,并列式結(jié)構(gòu)反解容易實現(xiàn)。Stewart六自由度并聯(lián)平臺從誕生以來其各種形式及結(jié)構(gòu)被廣泛用于減振及精確定位領(lǐng)域。由于Stewart平臺結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,國內(nèi)外學(xué)者對其運動學(xué)和動力學(xué)特性進行了廣泛研究。Afzali-Far等人研究了對稱式結(jié)構(gòu)的Stewart并聯(lián)平臺的阻尼減振控制,并設(shè)計和研究了Stewart的動力學(xué)特性。Zhao等人研究了并聯(lián)平臺的逆向運動學(xué)和剛體動力學(xué)特性,通過仿真平臺得到了平臺的速度、加速度、力矩等特性。

          六自由度運動平臺系統(tǒng)由測試軟件部分系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、動力電源系統(tǒng)、運動平臺機械本體組成。運動平臺部分的組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示。

         

          系統(tǒng)組成框圖

          軟件部分主要包括用戶界面程序、伺服算法程序、PID參數(shù)設(shè)置程序等。用戶界面程序采用VS C#編寫,界面友好,使用方便,可以接收用戶的鼠標(biāo)和鍵盤輸入,設(shè)置工作的模式,運動的曲線類型等(正弦、連續(xù)、圓弧等),可以接收外部的指令,使平臺在跟隨狀態(tài)下運行。

          電控部分的作用是接收控制系統(tǒng)輸出的指令數(shù)據(jù),并將其傳輸給伺服驅(qū)動器,驅(qū)動器將信號放大后控制電機運動,進而帶動電動缸運動,并最終使平臺實現(xiàn)各種姿態(tài)。包括工控機、伺服驅(qū)動器、伺服電機及相關(guān)電器元件等。

          機械部分用于支撐負載,包括上平臺、上連接鉸、下連接鉸、電動缸、支撐架、底座等。平臺由電動缸驅(qū)動,進行橫滾、偏航、俯仰三個姿態(tài)和X、Y、Z平移共六個自由度的運動。

         


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