机电控制系统原理与设计-基于六自由度的模拟目标追踪

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1、机电控制系统原理与设计题目:基于六自由度的模拟目标追踪学院：机电工程学院专业班级：机械电子工程（03）班学生姓名：刘金玲学号：2014021001第1章六自由度平台简介与应用1.1六自由度平台的简介六自由度平台又称为Stewart平台，其结构如图1-1所示，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

2、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。图1-1空间机构位置关系示意图1.2六自由度并联机器人的应用(l)轮胎测试机。在Stewart提出将六自由度并联机构用于飞行模拟器之前,Stewart平台就己经应用到轮胎测试机了。(2)运动模拟器。运动模拟器是地面模拟飞行器在空中飞行或车辆、轮船行驶时的运动状况的设备。作为运动模拟器载体的六自由度并联运动系统哈尔滨工程大学硕士学位论文是运动模拟器非常重要的组成部分,它能提供运动过程中的过载动感及振动冲击的信息,使运动仿真更加逼近真实运

3、动,提供俯仰、滚动、偏航、升降、纵移、侧移六个自由度的运动,实时模拟运动时的位置和姿态的变化情况。(3)并联机床。并联机床结构简单、传动链极短、刚度大、质量轻、切削效率高、成本低,能加工复杂的三维曲面,因此并联机床在20世纪90年代己成为国内外六自由度并联机构的发展新方向。(4)精密定位平台。精密定位平台是继并联机床之后又一个发展起来并基本实用化的应用产品,其应用领域非常广泛,主要可用在微加工领域、医疗外科手术、航空航天等领域。它具有移动部件惯量小、动态特性好、结构紧凑、刚度高和无累积误差等特点,具有很高的可靠和可重复性。由于精密定位平台的精度非常

4、高,它的应用前景越来越广泛。(5)娱乐场合。六自由度并联机构作为一种娱乐模拟器,是一种模拟运动载体特征,给人以视觉、触觉、听觉等全方位真实感受的现代化娱乐新潮设备。当前国内外一些游乐场所己有六自由度UFO体感模拟器、大航海体验馆、太空穿梭机、动感电影等娱乐模拟器。1.3本文要实现的目标本文要实现的目标是要对模拟目标进行轨迹跟踪。要实现目标要做以下工作：(1)对六自由度液压平台进行运动学分析；(2)选择正确的控制策略；（3）用所建的模型，对目标轨迹进行仿真测试；（4）做出总结，分析所建模型是否可以达到预期效果。第二章对六自由度液压平台进行运动学分析2

5、.1运动学问题关于并联机器人的运动学问题可分成两个子问题:正向运动学问题和逆向运动学问题。当给定并联机器人上平台的位姿参数时,求解各输入关节的位置参数是并联机器人运动学反解问题;当给定并联机器人各输入关节的位置参数时,求解上平台的位姿参数是并联机器人的运动学正解问题。本文是已知目标的轨迹及已知上位平台的位置参数，要求解各输入关节的位置参数，是运动学的反解问题。2.2运动学求逆解的方法Stewart平台机构的空间位置关系是指运动平台的六个自由度与六个驱动杆长度的关系，是研究该并联机构最基本的任务，也是机构速度、加速度、误差分析、工作空间分析、动力分析

6、等的基础。对于6-SPS平台机构，其特点是动静平台铰点共面，考虑到工作空间的对称性要求，将平台的6个铰点分成3组，三组铰点沿圆周120°均布，动、静平台的相邻两边到中心的夹角分别为30°和90°。为求解六自由度平台的空间位置关系，首先在静、动平台上分别建立静、动坐标系。如图2.1所示，静坐标系XYZ原点O位于静平台的中心，X-Y平面与下平台上各液压缸铰接点分布圆共面，动坐标系X′Y′Z′的原点O′位于平台上平台中心，当上平面位于中位时，动﹑静坐标系的Z′和Z轴重合，且静坐标系Z轴穿过O′。以第i只液压缸为例描述该机构的空间位置关系。设为从动坐标系原

7、点至平台铰接点Pi的矢量在静坐标系的表示，。为点至Pi的矢量在动坐标系的表示。为从O点到Bi点的矢量在静坐标系的表示，。为在静坐标系中从点O到点的矢量，。为在静坐标系中从O点到Pi点的矢量，，也是Pi点在静坐标系中的坐标。为静坐标系中从至的矢量，，各矢量间的关系如图3所示。以静坐标系为参考坐标系，得到六自由度平台中各位置相互关系的矢量关系式：（2.1）化简得到平台位姿与各驱动关节杆长矢量的关系式：（2.2）位置逆解是由动平台的位姿相对于其在中位时的中心位置及角姿态求解各液压缸的伸缩量，位置逆解的精确算法目前已经很成熟，能够用于实际系统的实时计算。位

8、置逆解的求解，关键是要求出动平台上各关节铰接点在静坐标系中的坐标。可利用动平台的位姿及各铰接点在动平台上的位置，进行坐标变