基于电动机驱动的六自由度平台设计

基于电动机驱动的六自由度平台设计摘要：六自由度并联运动平台具有刚度大，便于实时控制，精度高，误差小，承载能力大等优点,是近几十年发展起来的新型产品,广泛应用于航空航天领域，汽车制造领域，船舶，医疗诊断，生物工程及民用娱乐等领域逐渐成为机器人领域的研究热点。近些年来,对于六自由度并联运动平台实时控制方法的研究引起了世界上众多学者的广泛关注,大多采用液压驱动为主，但对于要求反应快，动作灵敏的控制平台，液压控制系统无法达到要求，使用电动机驱动平台，可以解决此问题。关键词：六自由度平台，实时控制，电动机1绪论1.1引言并联六自由度平台是具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖实验设备，是一种以计算机技术、控制理论、空间机构学、图像处理和人机工程学为基础的复杂系统。最早的空间六自由度并联机器人是1965年D.Stewart提出并研制的,也称为6-SPS机构，即著名的Stewart平台机构，与传统的串联式多自由度运动机构相比,它具有承载能力强,刚度好,无积累误差,精度高等优点。根据上、下各六个万向绞相对分布的不同,该机构可分为多种类型,其运动学已有许多学者进行了研究。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、空间对接计术、航空航海设备、摇摆模拟以及娱乐设施上。目前我国的六自由度平台设计水平和制造水平与西方发达国家相比差距还是相当大,对六自由度平台控制理论、控制系统与技术研究的这些领域内的关键课题所做的工作还很粗浅。因此对六自由度的关键组成部分进行深入的理论分析和实验研究,尽快研制出性能优良的六自由度平台,提高我国的仿真技术水平,具有重大的理论意义和实际应用价值。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。1.2六自由度平台的结构简介并联式六自由度电动平台,简称六自由度平台。如图1-1所示,它主要由下平台台基、上运动平台、12个铰(球铰或万向铰)及6个电动推杆组成,其中电动推杆通过万向绞铰以并联的方式将上运动平台和下平台台基连接起来,成为一体。这样的机构在并联式多自由度机械装置研究中,又常常被称为stewart平台。电图1-1Stewart机构简图动机驱动推杆的伸长长度和收缩长度,驱动六根推杆沿其方向伸缩作线性移动。通过六个电动推杆的协调动作,上运动平台能够灵活地实现六个自由度的运动,三个线性移动及三个转动,即一个刚体在空间的全自由动。因此,六自由度平台也可以看作是一种并联式的机器人。与应用广泛、十分常见的六自由度串联机构相比,六自由度平台不够灵活,表明其灵活度的上运动平台三维转动的活动范围一般小,而且角度最大也达不到90︒。运动空间也不够大,仅是其上方的一个厚度不算大的空间,但它同时具有以下十分突出的优点：刚度大,结构稳定。这是由于上运动平台经由6个电动推杆的支撑；误差小,位姿精度高。因为没有串联机构的误差累积和放大；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臂上,增加了系统的惯性,恶化了动力性能,六自由度平台将动力源放在机座上,减小了运动负载；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,而对于并联式机构,六自由度平台的反解非常容易。因此作为一种并联式的六自由度平台,与串联式机构形成鲜明的对比,它们在结构和性能特点上是对偶关系,在应用上不是替代作用,而是互补关系。六自由度平台的出现,扩大了很多机构的应用范围。1.3Stewart机构的发展及应用1.3.1Stewart机构的发展Stewart于1965年在他的论文APlatformWith6DegreesofFreedom中提出六自由度平台的概念，由于其自身的优点，一经提出便在业界引起了轰动。不久，Cappel便发明了第一架基于六自由度并联机构的飞行模拟器。1972年Minskey提出将六自由度平台用于操作装置的运动结构。图1-2所示为荷兰Delft大学研制的用于训练飞行员的飞行模拟器。1978年澳大利亚的教授Hunt提出可以将六自由度平台应用到并联机器人结构中，但是并没用得到足够重视；图1-2Delft大学飞行模拟器1986年Marconi设计了第一台商用六自由度并联操作装置GADEFLY；1987年Pierrot等人提出了一种空间六自由度并联机器人HEXA，作为三自由度并联机器人DELTA的扩展，并在日本制造出了实验室样机。20世纪80年代中期，六自由度平台在空间交会对接(RVD)仿真技术方面得到了应用，应用该机构进行RVD仿真的国家有美国、俄罗斯、日本等国家和机构，我国目前也正在进行该方面的研究工作。1994年在美国芝加哥国际机床展览会上，Giddings&Lewis公司展出了第一台利用Stewart平台机构的虚拟轴机床，引起广泛关注，被为“21世纪的机床”，它是一台以六自由度平台为基础的五坐标立式加工中心。1999年，德国波鸿鲁尔大学天文研究所欲卡尔蔡司光学公司合作建造成功了一台基于六自由度平台并联机构的大型天文望远镜，该望远镜在2000年的汉诺威世界博览会上展出时引起天文界的广泛关注。2001年日本大隈株式会社推出了基于六自由度平台并联机构的PM-600型立式加工中心。我国最早为了民航飞行员的培训，于1975年引进了波音707的飞行模拟器；1988年引进了MD-82飞行模拟器；1992年引进波音737和757飞行模拟器。此外，1984年北京航空模拟器技术联合开发公司开始研制六自由度平台系统，并于1987年研制成功；1994年燕山大学研制成功机器人位置补偿器用于补偿串联机器人手臂误差；1998年清华大学与天津大学合作研制出六自由度机床样机VAMITY，2000年华中科技大学为中船重工707研究所研制出六自由度潜艇模拟器。1.3.2Stewart机构的应用1979年MaeCallion根据Stewart机构设计出第一架作为机械手臂的并联机器人,将其用于自动化装配上,此后Stewart机构,又被称为并联机器人。Stewart机构在大功率装配机器人、步行机器人、机器人手腕等方面得到进一步的发展。Stewart机构进一步的应用范围逐渐扩展到机床方面,即所谓的并联机床,但不论是并联机器人还是并联机床,要实现运动精确伺服控制是非常困难的,主要难点在于Stewart机构在运动学、动力学极其控制方面蕴涵的复杂性和大量的计算。进入到上世纪80年代末以后,计算机工业的飞速发展为解决Stewart机构诸多难点提供了强有力的支持,对Stewart机构的研究和研究进入了一个新的时期。以下列举了一些Stewalt机构的应用案例。1.六自由度的飞行模拟器并联机构可以做空间的复杂运动，从而模拟各种运动姿势，可以模拟空间的任意运动。所以并联机构最早就被应用于各种运动模拟器，主要应用于训练、研究、开发和娱乐等方面。飞行模拟器的制造和应用一方面是技术水平的反映,另一方面也具有极高的军事和经济意义。在国防军事上,随着高新技术在军事领域的广泛应用,现代化武器装备技术先进、价格昂贵的特点越来越突出。一架先进战斗机造价昂贵,如果全部实装训练,不仅耗资巨大,同时也大大缩短了战机的寿命。为解决这一难题,许多发达国家采取花巨资研制模拟器的对策,并规定,凡装备新武器,必须装备相应的模拟器。美国于20世纪40年代就研制出了第一台飞行模拟器。在民用领域方面的情况也是如此。70年代初,美国NASA等研究中心公布了6一DOF并联式平台的研究成果,相继出现了6一DOF并联机构运动平台的飞行模拟器，如图1-3。例如波音707、737、757和777等飞行模拟器；以及各种汽车、轮船、潜艇驾驶训练模拟器；利用训练模拟器来训练驾驶员，可以大大节省了训练的成本，提高了训练的安全性，并且不会受到场地和气候等因素的限制；还可以应用于娱乐设施，例如动感电影的三维座位装置、航海体验馆、太空穿梭机、六自由度UFO体感模拟器等等。图1-3Steward飞行模拟器2.电磁跟踪定位系统六自由度电磁跟踪定位系统是一种新型的跟踪定位装（图1-4）,可实时地确定目标的6个参数,其中,3个为目标位置参数,3个为目标姿态参数。该系统目前已在机载火控系统、精密医疗器械中获得应用,。图1-4跟踪反馈装置3.飞船的空间交会对接仿真技术自80年代起,六自由度平台机构开始应用于空间交会对接(RVD)仿真技术。目前用该机构进行RVD仿真的有美国、前苏联、欧空局、日本等国家和机构。在我国,921工程也已将研制采用六自由度平台机构的RVD仿真设施列入议事日程。RVD也是六自由度平台应用的典型范例，如图1-5。两个航天器在宇宙空间进行交会对接时要进行最多达12个自由度的轨道和姿态控制,所涉及的理论和技术相当复杂。目前空间RVD的研究多采用模拟方法,即在地面上通过半物理模拟进行RVD的可行性研究,力求在尽量减少空间飞行实验的条件下确保RVD的技术性能达到一定要求。用于RVD仿真器的六自由度平台既有运动仿真器的功能,又有操作器的功能。作为运动仿真器,可以仿真两个航天器在交会对接过程中相接触时的对接动力学行为；作为操作器,在交会对接时需要六自由度平台的精确位姿控制。因此,这种六自由度平台的设计、研制的难度更大。图1-512自由度对接动力学仿真器4.医用机器人近年来，欧美对医用机器人给予了极大的重视，已经从制药工业发展到手术辅助治疗。由德国工业控制公司提供控制系统，URS公司负责计算机辅助外科手术的软件开发和集成系统。模拟患者手术台和微动定位机器人的外观。从图1-6中可以看出，Stewart平台并联机器人的上下平台固定在可摆动的支架上，在它的动平台上安装手术器械。该手术器械可在空间内六姿态运动，运动精度极高，患者卧于手术台上，头部可以采用位置调整的头部固定。该系统具有与CT或X光机的数据交换接口，医生在计算机屏幕图像的引导下，操控并联机器人动作。它主要是用于神经外科的头颅检查和活组织切片，定位精度高达0.01mm，完全避免了人工放置内窥镜时可能出现的颤抖，能够保证手术方能够精确的完成，使内窥镜周围解剖组织损伤到最小限度。此外，并联机器人动作灵敏，对任何传感器的信号可在0.25ms之内作出反应。图1-6医用并联机器人及模拟手术台1.4我国六自由度机构的研究情况我国六自由度并联研究起步相对较晚,1982年,国内燕山大学的黄真教授最早对并联机器人学理论展开了系统的研究，经过黄真教授十几年的努力研究,相继研制出国内首台六自由度并联机器人(图1.4)和柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器，并在1997年,黄真教授出版了我国首部并联机器人理论及技术相关的著作。随后有国内近10个高校和科研单位等也在积极从事并联机床领域的研究工作,研制出多台样机,加速了我国并联机器人领域的研究进程，如图1.6至图1.13所示,并联机器人的研究开发和应用正日益广泛。1.5六自由度并联平台的发展前景六自由度并联平台的研发与控制是多个学科的技术融合,如机器人技术，机械结构设计技术，多轴协调数控技术，光电感应技术和计算机编程技术等,现已成为当今机器人领域的研究热点。随着科学技术的发展以及科研投入的加大,六自由度并联平台的研究有了长足进步,各方面的研究工作已全面展开,并取得了大量成果,目前国内外都在继续深入六自由度平台相关工作的研究。在接下来的十余年里,六自由度并联平台机构学理论，控制和应用研究将更加完善和成熟。以下几个方面将是六自由度并联平台研究的热点:(l)六自由度并联平台的结构形式研究依然是重要的研究内容,更加合理的机构形式将会使六自由度并联平台的运动学分析和动力学模型建立更加简单,并且有助于克服目前六自由度并联平台工作空间狭小，构件易产生干涉等缺点。(2)六自由度并联平台的动力学理论和实验研究依然还是薄弱环节，而对于此方面难点的攻克对于设计，开发具有良好动力学性能的六自由度并联机器人具有非常重要