四自由度运动平台

毕业设计（论文）题目模拟飞机驾驶舱运动控制机构设计专业工业工程班级工程123班学号3120212001学生方圆指导教师高峰职称教授二○一六年摘要本课题的研究对象是飞行模拟器运动控制机构的设计，但是实现其功能的是一个并联三自由度运动平台，作为运动控制机构的重要组成部分，它是实现飞行模拟器功能的运动载体，在本课题中主要是实现飞行模拟器的三个自由度运动的功能，即模拟飞行模拟器驾驶舱的升降、俯仰、滚转、偏航等运动姿态。并联机构的机构研究学近几年发展迅速，愈来愈多的研究学者和该专业爱好者都投身于并联机构的研究中，尤其是少自由度并联机构的研究，随着其应用领域的扩展已逐渐成为该领域的热门课题之一。因此随着并联机构研究的发展狂潮，学者们也开发出很多新型机构，这些新型机构还需要长时间的理论研究和工程实践中的应用才能进一步证明其结构的合理性和优越性，因此新机构还需要进行大量的综合研究，包括分析、设计、计算。本课题主要研究对象是一种新型的四自由度并联机构，它与传统的六自由度并联机构相比，在很多方面都具有得天独厚的优势，尤其是在其结构设计、制造加工方面都相对简单且易控制；除此之外，该并联机构各分支完全相同、结构对称，在应用潜力方面是其他机构所不能相比的。对于目前国内外少自由度并联机构的研究状况，通过查阅文献我们发现国内对二、三自由度并联机构的研究较多且形成了一定的理论基础，基本走向成熟阶段，并在很多领域都有广泛的应用，而国内对四、五自由度并联机构的研究相对要欠缺很多，其主要原因是因为四、五自由度并联机构的研究相对较为复杂,而且起步较晚，研究成果也相对较少，故而在一定程度上限制了该类并联机构在实际工程中的发展和应用。本课题基于此对目前已有的一种三自由度并联机构3-RPS的机构情况、某些运动特性进行了理论分析。本课题对一种新开发的少自由度并联机构3-RPS进行了大量的理论分析，描述了机构的运动特性，根据螺旋约束理论求解了该并联机构的自由度，基于此理论可以进一步判别机构的输入选取能否确定实现工作平台的输出，进而判断输入选取是否合理；其次，分析了3-RPS并联机构的运动学，参考螺旋约束理论推导出了位置反解的算法，带入进行了数值验证。最后，用solidedge三维绘图软件对3-RPS并联机构绘图和装配。本论文的工作主要是为了进一步研究三自由度并联机构的运动特性，在其工程实践领域奠定了一定的基础，也为今后在该领域的发展提供了一些理论上的支持。关键词：并联机构；3-RPS机构；螺旋约束理论；运动学分析；AbstractAsmotion-baseofflightsimulator,parallelthree-DOFmotionsystemisoneofthechiefpartintheflightsimulator.Itsmotionnatureisonekindmechanism,whichcanprovideheave,pitch,roll,yaw.Thelower-mobilityparallelmechanismsarepresentlyhottopicsinthefieldofroboticsresearch.Alotofscholarshaveopenoutvarietiesofnovelmechanisms.Butbeforetheyenterintothefieldofactualengineeringapplicationscomprehensiveinvestigationsmustbedone.Spatialimperfect-DOFparallelrobotshavereceivedmuchattentionfortheadvantagesoftheirsimplemechanism,lowcostindesigning,manufacturing,andcontrolling,comparingwithtraditionalsix-DOFparallelmechanism.Especiallysymmetricimperfect-DOFparallelmechanismwithidenticalbranch,symmetricconstruction,isotropyhavegreatapplicablepotentiality.Theresearchoftwo,three-DOFparallelmechanismhavebasicallybeenfinished,howevertheresearchoffour,five-DOFparallelmechanismjustbegin,whichlimitthedevelopmentandapplicationofthiskindofparallelmechanismtosomeextent.Inthisdissertation,somekinematicscharacteristicsofonethree-DOFparallelmechanismthathaveexistedaretheoreticallystudied.Inthispaperfirstlyanewtypelower-mobilityparallelsymmetricalmechanisms-3-RPShasbeendiscussedchieflyincludingitsmechanisticcharacteristicanditsmotionbasedonscrewtheory.Theaccuracyofchoosinginputisconsidered.Secondly,thekinematicsofthefour-DOFparallelmechanismaredeveloped.Thesolutionoftheinversepositionkinematicsandcorrespondingnumericalexamplesaregiven.Finally,thekinematicsofthethree-DOFparallelmechanismissimulatedbyusingADAMS.Theresearchworkofthisthesisestablishestheoreticalbasisforthefurtherresearchofthethree-DOFparallelmechanismpracticallyandgiventhetheoreticalsupportforthefutureapplication.目录第1章绪论......................................................51.1研究的背景及意义.............................................51.2六自由度并联机构研究概况.....................................61.3少自由度并联机构研究概况.....................................81.4少自由度并联机构的发展前景...................................9第2章基础知识介绍...............................................112.1坐标变换的基础一姿势矩阵的欧拉角表示法......................112.2并联机构的运动学分析........................................132.3运动平台的自由度分析........................................15第3章并联机构4-RPUR的基础分析..................................163.1引言........................................................163.24-RPUR的结构与约束特征.....................................163.3运动学分析..................................错误!未定义书签。3.4并联机构的位置反解分析.......................错误!未定义书签。3.5机构的约束情况...............................错误!未定义书签。3.6数值分析.....................................错误!未定义书签。第4章总结与展望.................................................20参考文献...........................................................21致谢..............................................................22第1章绪论1.1研究的背景及意义飞行模拟器按顾名思义就是可以模拟飞行器飞行的设备，它与真实的飞行器相比，能很大程度上模拟出飞行器在空中的飞行状态，基于此种特性，飞行模拟器近几年已经被广泛的应用在各种飞行试验和娱乐设施中了，这样就大大的提高了飞行试验方面的安全性和经济性，因此对于飞行模拟器的研究据有很大的现实意义。飞行模拟器作为一种重要的航空航天仿真设备【1】，其最大的优势是可以实现在地面上很大程度地模拟出飞行器在空中的飞行状态，同早年用真实飞机进行实际的飞行试验相比，在安全、经济、可靠性方面都要远高于真实的飞行器，更重要的是，它的仿真几乎完全是可控的。现在的飞行试验基本都由飞行模拟器执行，特别是进行最危险的飞行科目训练，能够最大程度上的保护飞行员的人身安全，还可以避免了飞行设备的意外损坏，现在无疑是进行飞行试验的最佳途径。目前，飞行模拟器已经能基本实现飞行器研究和飞行试验的功能，广泛地应用在飞行器的研究、设计、试验等各个方面，同时也是飞行员和航空员接触飞行训练和教学的主要途径。因为不管气候条件有多么恶劣、训练场地多么狭小，都能在飞行模拟器上进行常规操作训练，还能处理一些事故以提升训练者的应变能力【2】，这样极大程度地提高了训练的效果和质量。作为现代航空科学的重要组成部分，目前仍以高速的状态发展，在众多学者的研究下，其在该领域的发展也愈加成熟。模拟飞机驾驶舱的运动控制机构是一个少自由度并联运动平台，而运动平台是在相应的运动模拟机构上，用来模拟仿真飞行器的运动特性的，运动平台的运动模拟功能可以大幅度降低航空、航天、航海等作业的训练成本，使航空航天事业多快好省的发展，近几年的研究发展也表明，运动平台在海陆空众多运载工具中扮演着极其重要的角色。纵观现在的飞行训练，几乎所有的飞行试验都是在飞行模拟器上完成的。在并联机构的几大应用领域中，运动平台是近几年新兴起来的。反观其发展历史，之所以能发展如此迅速，正是由于并联机构的结构特点在其实践工程领域的优越性，具体来说，主要是它的结构简单、控制复杂多变，因此对并联机构各方面性能的研究将显得极其重要。目前国内外学者对并联机构的研究领域极为广泛，其中对并联机构的运动学分析和机构学分析内容主要研究机奇异位形、工作空间等问题。运动平台分为串联机构运动平台和并联机构运动平台，它们的运动方式在本质上有着根本的不同。传统的串联机构相比，并联机构有很多优点，其主要在于结构更加稳定，运动精度不仅精确而且极其容易控制，这样一来，使并联机构在实践中有着更为广泛的应用；在机构学研究中，我们发现并联机构有着相对较大的刚度质量，故而运动惯性相对较小、承载能力相对较强。虽然并联机构有着其他机构不具有的优点，但也不可避免的存在一些缺点，具体来说是其运动空间相对较小、设计计算过程相对复杂、运动学正解比较困难等。1.2六自由度并联机构研究概况纵观近几年机构学的研究发展，并联机构的应用领域越来越广泛。并联机构在其结构上的