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哈尔滨工程大学 硕士学位论文 三自由度并联驱动转台工程设计及研究 姓名：苗成义 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：汪滨琦 20040201 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 三自由度并联驱动转台是在实验室环境下模拟舰船在水中的摇摆和运动 的一种实验设备，可以在实验室完成舰船上舰载飞机灯光导引系统的性能实 验。本课题中的三自由度并联驱动转台可以仿真舰船在水面的横摇、纵摇和 升沉三个自由度的运动，它对舰载飞机灯光助降系统的相关装置和灯光装置 导引仿真系统的开发具有重要的实用价值。 本论文所研究的三自由度并联驱动转台是机、电、液一体化综合的产物， 它还涉及到机构学、运动学、动力学、以及控制系统等方面的知识。本文主 要完成了机械本体的设计、液压伺服系统的设计算建立了伺服控制系统的数 学模型，对其仿真分析。 首先，根据系统的性能指标，对转台进行了机械本体的工程设计，并对 其空间运动姿态进行了位置正解和反解的分析，它是机构运动分析的基本任 务，也是机构速度、加速度、受力分析、误差分析、空间分析、动力分析和 机构综合等的基础。 其次，对三自由度并联驱动转台进行了轨迹规划和生成，计算出转台在 运动过程中的最大速度和最大加速度。根据转台的运动指标，选取了电液伺 服阀、恒压变量泵、伺服液压缸和位移传感器等的型号，完成了转台液压系 统的原理图和实际安装图。 最后，建立了单出杆油缸、电液伺服阀、位移传感器的数学模型，得出 系统的传递函数。并在无扰和有扰的情况下，对系统进行了仿真分析。由于 系统不能满足控制精度要求，对系统进行了P I D 校正，得出了比较满意的电 液位置伺服控制系统。 关键词：三自由度并联驱动转台；灯光引导系统；位置分析；轨迹规划；电 液位置伺服控制系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 A b s tr a c t L ，n d e rl a b o r a t o r i a 】e n v i r o n m e n t ，j D O Fp a r a l l e lM o t i o nP I a t f o f t ni s ae m p i r i c a e q u i p m e n tt h a tS i m u l a t e sV i b r a t i o nw a r s h i Pa n dm o v e m e n t o f L h ew a l l s h i Po nt h ew a t e rs u r f a c e ，i tc a na c c o m p l i s hc a r r i e rp i a n e i l l u m i n a t e d g u i d a n c ep e r f o r m a n c e t e s tO f 。t h e s y s t e m T h e 3 - D O F p a r a l l e l e d m o t i o n p l a t f o r m i nt h e t o p i c c a nS i m u l a t e h o r i z o n t a l r o l l i n g 、v e r t i c a lr o l l i n ga n da s c e n d i n ga n dd e s c e n d i n g0rt h ew a r s h i p o nt h ew a t e rs u r f a c e ，jLi Si m p o r t a n tu s ev a L i et ot h ed e v e l o p m e n to f c a r r i e Fp l a n ei l l u m in a t e dl a n d i n ge q u i p m e n ta n di1 l u m i n a t e dg u i d a n c e e m u l a t i 0 1 1e q u i p m e n to ft h es y s t e m 3D O Fp a r a l l e l l o t i o nP l a t f o r ms t u d i e djnt h et o p i Ci Sap r o d u c t t h a ti n t e g r a t e dm e c h a n i c a l 、e l e c t r o n i ca n dh y d r a u l i ct e c h n o l o g y I t i n v o l y e sm a n yk n o w l e d g e f i e l d s ，s u c ha sm e c h a n is m 、k i n e m a t i C S 、k in e t i C S a n dc o n t r o l s y s t e me t c T h ep a p e rm a i m Ya c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no f m e c h a n i c a l e n t i t y a n d h y d r a u li cs e r v o s y s t e m a n de s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs e r v oc o n t r o ls y s t e m ，e m u l a t e da n ds tu d i e dt h e s y s t e m F ir s t ，a c c o r d in gt ot h ep e r f o r m a n c ein d e xo t t h es y s t e m ，d e s i g n s t h em e c h a n i c a le n t i t ya n da n a l y s e st h ef o r w a r da n db a c k w a r ds o l u t i o n a b o u ti t sm o t i O Np o s ea n dp O S i t i o n I ti Sn o to n l Yt h eb a s i Ct a s ko f a n a l y s i So f “ m a t h in em o t i o n b u ta l S Ot h eb a s t So fs p e e d 、a c c e l e r a t i o n 、 t h ea n a l y s i So fm e c h a n i C S 、t h ea n a l y s i So f 。d e v i a t i o n 、t h ea n a l y s iS o fs p a c e 、t h ea n a l y s i so fk i n e t jC Sa n dm e c h a n i s mi n t e g r a t i o no ft h e m a c h i R e S e c o n d l y ，t h ep a p e ra c e o m p l i s h e s t h ec o n t r a i l 1 a y o u t a n d g e n e r a ti n g a b o u tt h em o t i o n p l a t f o r m ，c o m p u t e i t sm a x s p e e da n d a c c e l e r a t i o ni nt h ec o u r s eo fm o t i o n A c c o r d i n gt ot h em o ti o ni n d e x o ft h ep l a t f o r m ，t h em o d e l So fe l e c t r o h y d r a u l i Cs e r v ov a l v e ，c o n s t a n t f o r c ev a r i a b l ep u m p ，s e r v op n e u m a t i Cc y l i n d e r ，d i s p l a c e m e n ts e n s o re t c a r es e l e c t e d ，t h eS i m p l i f i e ds c h e m a t i Ca n di n s t a l l a t i o n d r a w i n go f h y d r a u li cs y s t e mo fm o t i o np l a t f o r m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 F ir a l l Y ，t h em a t h e m a t i c a m o d e l o f p n e u m a t i Cc y l i n d e r ， e l e e t r e h y d r a u 上i Cs e r v ev a l v e ，d is p l a c e m e n ts e n s o ra r ee s t a b l i s | l e ( 1 ， t h et F a n s f e rf u n cL j O n0 ft h es y s t e mi Sg a i n e d T h ea u t h o rd o e ss o m e S j m u l a t i o na n a l y s jSa b o u tt h e s y s t e mW i t hd i s t u r b a n c ea n dw i t h o u t d i S t u r b a n c e B e c a u s et h e s y s t e mn e e d n o tc o n t r o l a c c u r a c yo f 。t h e s y s t e m ，t h ea u t h o ra p p l i e sP I De m e n d a t i o n ，g a i I Sm o r e s a t i s f a c t o r y e l e c L r O h y d r a u li Cp o s i t i O F ts e r v ec o n t r o ls y s t e m K e yw o r d s ：3 - D O I ? p a r a ll e lM o t i o i P l a t f o r m ；i l l u m i n a t e dg u id a n c e s y s t e m ：a n a l y s i so fp o s i t i o n ；c o n t r a i l l a y o u t ；e l e c t r o h y d r a u i c p o s i t i o ns e r v ec o n t r o ls y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：签盛塞 日期：矽b 驻年2 月彤日 哈尔滨i ：程人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究三自由度并联驱动转台的意义 1 1 1 舰载飞机灯光引导系统的重要地位 舰载飞机具有灵活、快速、机动性强、能远离母舰巡航等特点，| = = 1 益受 到重视，现正成为舰船不可缺少的武器系统。但是摇晃的军舰限制了舰载飞 机的使用范围，也存在着起降安全问题。舰载飞机驾驶员的飞行事故是轰炸 机驾驶员的1 0 倍，是民航驾驶员的5 4 倍。飞行事故不仅危及舰载飞机的安 全，且由于舰船上载有大量的可燃物而危及舰船的存亡。因此，应用安全有 效的舰载机着舰引导系统是保证飞行员的生命安全和舰载飞机安全回收的重 要手段，对保障飞行安全具有重大意义“1 。 随着舰载机性能的不断改进，以及相关技术的发展，舰载机引导技术也 获得了重大的进展，先后经历了主要靠信号灯和人工示牌的“示牌进场”着 舰引导阶段、以雷达和菲涅尔灯阵为主的“等角下滑渐进”着舰引导阶段和 现代高科技( 如光电子技术和航天技术等) 为依托的现代着舰引导阶段。 就目前来讲，灯光引导着舰系统是各国舰船广泛应用的舰载飞机着舰引 导系统。灯光引导着舰系统是利用可见光( 包括激光) 束为舰载机驾驶员提 供正确下滑道提示和着舰指令的系统。其中又可分为常规光学近程着舰引导 系统和可视激光远程着舰引导系统。常规光学近程着舰引导系统因其具有直 观、稳定可靠、技术成熟、成本低、近距离性能好等优点而广泛应用于各种 载机舰船上。同时常规光学近程着舰引导系统也有作用距离较近的缺点，在 良好的天气条件下，只能达到4 海里，因此留给驾驶员的反应时间很短，一 定程度上影响舰载机的安全着舰。特别是在雨雾等不良天气条件下，作用距 离将大大降低。远程激光着舰引导系统是利用激光波束的直观性和精密性的 特点并采用不同颜色和闪光频率特征，为舰载机驾驶员提供直观而精确的进 近通道指示。该系统的有效作用距离为1 0 海罩，最远可达1 5 海晕，即使在 大雾的不良天气条件下，其作用距离仍可达3 海罩，而此时常规光学引导系 统已无法工作。飞行员利用激光引导着舰系统在8 9 海里处切入下滑道，在 6 海罩时即可较准确地捕捉到证确的下滑道，因而有充分的时问进行航迹调 哈尔滨】：程人学硕士学位论_ _ 立= 整，保证以正确的航线和姿态接近近程引导航路。由于进入近程光学引导系 统作用范围时有较好的起点，无需进行大的润整即可从容地安全着舰。 在现代战争中，一一个国家的空中力量强弱是决定能否取得战争制高点的 重要因素，是捍卫祖国领土完整、不受侵犯的重要力量，在复杂多变的世界 环境中，也是维护世界和平的力量后盾。各种战机和飞行员的安全则是自我 安全防范的重要对象，也是反映空中作战能力强弱的重要指标。舰载飞机灯 光引导系统是载机舰船和航空母舰上在战机降落过程中进行信息交换的重要 手段，是保护战机和飞行员安全的重要装置之。 舰载飞机灯光导引系统通过指示灯颜色把降落战机当前所处的区域状 态反映给飞行员，使飞行员能及时调整飞机下滑姿念，对战机的安全降落起 着至关重要的作用，是远洋作战舰船或航空母舰必需的特种装置”“1 1 。 1 1 2 研究三自由度并联驱动转台的意义 本课题所研究的三自由度并联驱动转台是在实验室环境下模拟舰册在水 中的摇摆和运动的一种实验设备，可以在实验室完成舰船上舰载飞机灯光引 导系统的性能实验。这比在实际舰船上实验要方便的多，并且安全、可靠， 还可节省大量人力、物力。由于转台系统再现了舰船在水中的摇摆和运动情 况，所以在仿真转台上实验所得到的数据是完全可信的。 舰载飞机灯光引导系统作为舰载飞机着舰引导特辅装置是载机舰船上不 可或缺的特种装置。其在开发过程中以及正式安装使用前，首先要通过在运 动环境状态下的性能测试，特别是灯光引导系统中为舰载飞机提供舰船运动 姿态的下滑指示器、横摇指示器以及陀螺地平仪的性能和状态检测，这就需 要在陆地上为它们提供一个可模拟舰船在水面运动的载体。模拟舰船在水中 运动姿态的仿真转台系统作为灯光引导系统的实验载体是完全可行的，并且 具有重要的实用价值。 舰载飞机灯光引导系统仿真转台目的就是为舰载飞机灯光引导系统提供 一个舰船在水面运动的模拟环境。本课题中的三自由度并联驱动转台可以实 现舰船在水面的横摇、纵摇和升沉三个自山度的运动，因而在本课题中三自 由度转台上对舰载飞机灯光助降系统的相关装置和灯光装置导引仿真系统的 开发具有重要的实用价值。 哈尔滨L 秽人学硕士学位论文 1 2 国内外在并联机构方面的研究现状及发展趋势 1 2 1 并联机构的提出、特点及应用 1 9 6 5 年，德国S t e w a r t 借鉴g o u g h 的法国汽车轮胎实验装置发明了六自 由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1 9 7 8 年，澳大利亚著名 机构学专家H u n tK H 教授提出将并联机构用于机器人手臂。并联机构和使用 成熟的串联机构相比有如下特点：与串联机构相比刚度大，结构稳定； 山于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有较大的承载能力： 串联式末端件卜- 的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低， 并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；串联式结构的驱动 电机及传动系统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，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；在位置 求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却 非常容易。由于机器人在线实时计算时要计算反解的，这对串联式十分不利， 而并联式却容易实现。 从以上分析看来，并联式与串联式确实形成厂鲜明的对比。在优缺点上 串联的优点恰是并联的缺点，而串联的优点又恰是串联的缺点：此外正反运 动许可求解的难易上也有明显的对比关系。有学者将这些情况抽象到更高的 程度，称为是串并联的“对偶”关系( S e r i a l P a r a l l e lD u a l i t y ) ，并以此 对偶观来进一步研究串、并联机构。 由于串、并联在结构上和性能特点上的对偶关系，串、并联之间在应用 上不是替代作用而是互享 关系，且并联机器人有它的特殊应用领域。因此可 以蜕并联机构的出现，扩大了机器人的应用领域。 并联机构适用于以下诸方面： 模拟运动飞行员三维空间训练模拟器，驾驶模拟器；工程模拟 器，如船用摇摆台等；检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性： 娱乐运动模拟台。 对接动作宇宙飞船的空阃对接：汽车装配线上的车轮安装； 医院中的假肢接骨。 承载运动大扭矩螺栓紧固；短距离重物搬运。 金属切削加工可应用于各类铣床、磨床、钻床以及切割机等。 可用于测量机用来作为其它机构的误差补偿器。 晗尔滨l ：秽火学硕十学位论文 用于微动机构或微型机构并联平台的应用领域F 在被科研工作不 断拓宽。1 。 1 2 2 国内外在并联机构的研究现状 1 9 6 5 年，S t e w a r d 将一种6 自山度的空间并联机构应用于飞行模拟器， 这就是著名的“S t e w a r d 平台”机构。1 9 7 8 年澳大利亚著名的机构学专家 t u n t K H 教授提出可将“S t e w a r d 平台”机构用作并联机器人的主要机构，至此并 联机器人的研究受到许多学者的关注。美国、H 本先后有R o n e y 、F i c h e r 、 D u f l l Y 、S u g i m o t o 等一批学者从事研究，英困、德圈、俄罗斯等一些欧洲国 家也在研究。进入到8 0 年代中期，国际上进行并联机器人研究的学者还寥寥 无儿，有关的文献及研究成果也非常有限。但到了8 0 年代术期，特另U 是进入 到9 0 年代以来，有关并联机器人机构学理论研究d 引起同行学者的广泛关 注，并成为新的研究热点。 1 9 9 4 年9 月，在芝加哥I M T 9 4 国际展览会上美阁( Hd d i n g L e w i s 公 司推出基于S t e w a r t 平台的V a r i a x 加工巾心，与传统的机床相比，它结构简 嗨，刚度、精度更高，i l l ：l ：速度大，加工效率高，受到世人的注目。 迄今为止，并联机构的样机各种各样，包括平面的，空脚不同自由度的， 不同布罱方式的，以及超多自由度并串联机构。大致来说，6 0 年代曾用来丌 发飞行模拟器，7 0 年代提出并联机械手的概念，8 0 年代术期丌始研制并联机 器人机床，9 0 年代利用并联机构丌发起重机，n 本的隔和雄、内山胜等利用 并联机构开发宇宙飞船空间的对接器。 我国对并联运动机构理论和应用的研究，r 始于8 0 年代术，其中燕山大学 黄真教授对并联机器人理论进行了系统的研究，并f - 1 9 9 0 年和1 9 9 4 年分别 研制出我国首台并联机器人样机和机器人误差补偿器，1 9 9 5 年又丌始刺并联 数控机床进行研究；1 9 9 6 年，清华大学精仪系在国家8 6 3 计划和学校2 l1 工 程的支持下，开展了并联机构数控机床的研制工作，并于1 9 9 7 年中国国际机 床展览会上展出第一台样机；1 9 9 5 年，哈尔滨工业大学机器人研究所研制成 功压电陶瓷驱动六自由度并联微动机器人：1 9 9 6 年，哈尔滨工业人学机械I ： 程系的王知行教授也开始六自由度并联机床的研究工作，并于1 9 9 8 年术研制 出样机，1 9 9 9 年8 月通过鉴定，并在9 9 北京因际机床博览会上展出。 1 2 3 并联机构建模 并联机构建模主要包括运动学建模、误差补偿模型及刚体动力学模型。 4 哈尔滨【：程大学硕十学托论文 ( 1 ) 运动学建模 运动学中的主要参数：位置、位移、速度、加速度和时间。并联机器人 运动学建模是实现控制的基础，要设计并联机器人运动控制系统，首先要研 究并联机器人运动学模型。运动学模型主要研究并联机构丁F 逆解问题。就并 联机构而占，当己知机构六杆的位移，求解平台的位置和姿态称为运动学正 解；若已知动平台的位置和姿态，求解六杆的位移称为运动学反解。并联结 构的运动学逆解较为容易而运动学正解却有相当难度，这点恰好与串联结 构相反，因而并联机构的运动学建模主要是集中在运动正解的建模上。能够 求出显式何罱正解或显示雅兜比矩阵逆解的并联机构是为数不多n 勺，只有在 特殊情况下才有可能。 北京邮乜人学梁崇高教授等人对于S t e w a r t 三角平台型6 叫S I S 并联机 械手的位移作了复杂的F 解；而对于一般形式的并联结构G e n gZ 和I l a y n e ss 采用神经网络方法进行求解；这些方法的最大缺点足较为费时或对计算机配 置较高以至难以实际应用。因此H a nK ，C h u n gW K ，等人提出了增设多个传 感器的方法以求降低求解的难度，但这样既增加了结构设计的难度也带来了 误差的问题。赵明扬博士则首次提出了在并联结构上下平台之削假设一串联 机器人，和J f l J 虚拟的广义坐标为中划变量，建立了运动学正解的N e w t o n 迭代 算法，该方法简洁，运算速度快，这是突出的优点。然而运动学正解存在多 解性，迭代初始点的选择对F 解的正确性十分重要。 ( 2 ) 误差补偿 在很多场合，尤其是作为并联机床和用于空间对接时，位置和姿态的精 确控制是并联平台机构得以实现其应用价值的必要前提。山于制造水i F 的限 制，并联机构的位置姿态存在一定程度的误差，现阶段，并联机构的精度远 远不能满足实际情况的需要。影响精度的因素，即导致误差的根源较多： 制造误差和装配误差、传动链间隙、尺度测量标定误差； 摇摆台在零位( 中位) 时，由于机构误差及6 根液压缸零位长度不绝对 一致，使得平台在零位时，其上下台面不是绝对平行，即使平行但各自中心 点即理论解算中的l 下平台中心坐标原点并不是垂直共线。这一误差可以通 过仔细调整得到有效控制。 液压缸位置精度严重影响摇摆台精度。其影响因素包括： 液压缸死区。通过采用低摩擦缸可以大大减小死区。 液压缸负载刚度。通过在液压缸位置控制闭环系统中引入速度反馈，显 著提高了系统刚度。 哈尔滨J ：程大学硕士学位论文 液压缸特性。通过预先分别对6 根液压缸进行静动态测试和参数调整， 尽可能使其特性最优并一致。 位移传感器精度、A D 和D A 转换精度、信号干扰、伺服阀分辨率等。 通过选用高精度位移传感器、高分辨率A D 和D A 、加入滤波环节、给 伺服阀加入颤振信号等手段取得了很好的控制效果。 简化算法带来的误差。位置解耦运算量大，无法满足实时控制要求。 因此，必须对解耦算法进行简化，这样必然产生算法误差。因此算法的简化 必须满足系统控制精度的要求。 实际工作时由于负载作用产生的摇摆台机械结构变形。在具体结构设 计时通过全面的强度和刚度校核可以减小这一误差。 球形铰链在理论分析时被视为一点，并且此点与液压缸中心轴线共线。 实际中，球形铰链的两十字轴线不是绝对正交的，而且存在着问隙，通过采 用小间隙、自润滑铰链，提高铰链的加工质量和刚度这些措施，可以大大降 低此种误差。 六自由度并联驱动平台的位置姿态误差包括两部分：以平台平移为运动 特点的三维位置直线误差和以平台旋转为特点的三维姿态角度误差。由于并 联平台的位置逆解具有解析解，故在补偿运动台位置姿态误差时，可直接采 用误差补偿法，即将实际测得的位置姿态误差结果取其负值作为补偿量，叠 加到平台位置姿态的逆解变换计算中。这种直接补偿法可对不同误差源导致 的平台定位误差进行综合补偿，但它一般难以完全补偿平台在工作位置时的 定位误差，由于该方法实现简单，因而它仍有实用性。 基于误差模型的方法已经广泛应用于串联机械手的标定之中。可用类似 的过程来解决并联结构参数估计问题。O R E NM A S O R Y 等对并联结构利用了基 于误差模型的方法进行了分析，并针对上下平台、铰链等的制造公差，装配 误差，对工作平台的位置和姿态的影响分别进行了仿真分析，并提出了运动 学标定、补偿方法。 ( 3 ) 动力学建模 动力学的研究对象是建立描述并联机构末端执行器动力学行为的数学模 型，研究的目的是：设计并联结构的控制系统；进行机构的优化设计； 进行并联机构的运动仿真研究。机构的动力学研究包括：惯性力计算，受 力分析，驱动力矩分析，辛副约束反力分析，动力学模型的建立，计算机动 态仿真，动态参数辨识等。动力学分析包括正逆两类问题。动力学的证问题 是指：已知操作机各主动关节提供的广义驱动力( 力矩) 随时问( 或随位形) 哈尔滨J ：程大学硕士学位论文 的变化规律，求解任务空间的运动轨迹以及轨迹上各点的速度和加速度。其 逆问题是指：已知通过轨迹规划给出的任务空间的运动路径以及各点的速度 和加速度，求解驱动器必须提供给主动关节随时问( 或随位形) 变化的广义 驱动力( 力矩) 。 由于并联机构的复杂性，其动力学模型通常是一个多自山度、多变量、 高度非线性、多参数耦合的复杂系统。L a g r a n g e 方法建立动力学方程是以系 统动能和势能建立的，它推导过程复杂，计算量大，但用矩阵形式表示的动 力学模型既能用于动力学控制，又能用于系统动力学模拟，而且能清楚地表 示出各构件之间的耦合特性，有利于对系统的耦合特性做深入地研究，因此 L a g r a n g e 方程得到了广泛的应用。K a n e 方法是由美国斯坦福大学T ，R K a n e 教授提出的，它为解决多刚体系统动力学问题并能方便的进行编程计算丌辟 了一条新的途径，使得求解动力学的计算效率有了较大的提高。 1 2 4 并联机构轨迹跟踪控制的研究现状 目前，六自由度平台主要用于模拟运动体感，即加速度仿真，因而对其 位置精度控制要求不高，并联机构的轨迹跟踪控制，基本上是基于运动学的 正、逆解，在各个分支上通过位置传感器构成闭环。但随着六自由度平台在 社会各行业的进一步推广，实际要求它的动作具有很高的位置姿态精度，这 就需要对六自由度平台进行精确的动态检测，并进一步进行控制。然而，采 用空问机构解法的控制系统，几乎无法在动态情况下精确的获得其位姿，这 主要是因为： 六自由度并联平台构成环节很多，加工误差、安装误差、机械结构变 形是不可避免的； 采用些近似算法，不能保证高精度： 六自由度平台是一个高度非线性装置，动力学( 惯性负载、关节间耦 合力与重力) 强耦合系统，在系统运动过程中，它们变化不大，具有不确定 性； 对于每一个单通道都是闭环控制，而对于整个系统则是丌环，因而对 六自由度平台的空间姿态无法进行精确控制。 由以上分析可知，要动态精确的对六自由度平台进行位姿控制，必须采 用新的检测方法，对上述基于单分支长度的控制算法进行补偿。左爱秋等采 用立体视觉闭环控制的方法，在动态情况下精确地检测六自由度平台的位姿， 并将之作为反馈量反馈给系统，从而实现对六自由度平台姿态进行视觉闭环 哈尔滨 程火学硕士学何论文 控制。 对于并联机构来说，解决精度的办法有： 建立误差模型，从控制软件上进行误差补偿； 消除传动链间隙，开发高性能、高精度球形铰链和虎克铰链； 用高精度的仪器及标定方法对各构件尺寸进行标定； 进行有限元分析和计算，求解各因素( 如受力变形、热变形等) 的影 响，从而为设计提供各构件的几何尺寸。 1 2 5 并联机构的研究展望 从大量的关于并联机器人的研究文献，我们可以看出，近十余年来，关 于并联机器人各方面的研究工作取得了很大的进展，目前国内外有许多学者 正在继续研究这方面的内容，取得了很大的成就；但是，还有大量的工作需 要进一步研究和开展。 研究更加合理的机构形式使并联机构的运动学和动力学模型变得简单， 同时考虑多种约束条件的并联机构优化设计方法方面应进行深入的研究。 机器人优化设计方法和机榭陛能评价，以求机器人达到最佳的作业性能 是并联机器人机构学继续研究的重要内容之一。 对并联机器人的正向运动学问题进一步研究，寻求更简便、容易、适用 于一般形式的计算方法。目前关于并联机构的位置正解问题仍十分困难，随 着现代计算技术的发展，可望能为并联机构的位置T F 解开辟新途径；多传感 器信息融合技术也将更多的在并联机器人中得到应用。 研究充分利用并联机器人内在的并联性的控制策略。充分利用并联机器 人的并联特性的并联算法，降低运算时间，便于实时、在线控制。 并联机器人的动力学及弹性动力学的理论和试验研究至今还有许多值得 研究的问题，而这些问题的解决将很好的应用于并联机器人，加强并联机器 人的动力学性能研究，推导其可控性和可观性的理论结果。 并联机器人工作空间和灵巧度分析及奇异位形的研究，仍是并联机器人 研究的薄弱环节。加强对工作空问和灵巧度分析及奇异位形的研究，对并联 机器人无奇异路径规划和实现运动的可控性等方面具有十分重要的作用，是 并联机器人投入实际应用的一个重要条件。 另外，还要加强对少自由度并联机器人的研究。 综上所述，可以看出并联机器人有着极其广泛的应用范围，它F 是现代 高度发达的科学技术与经济社会的产物。对并联机器人进行全面而系统的研 哈尔滨T 程人学硕士学位论文 究，把它推向实际应用，具有重要的理论意义和实用价值”。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括三自由度并联驱动转台机械本体的工程设计、 转台的轨迹规划及液压驱动系统的设计和控制系统的设计。首先根据转台 的技术参数对转台进行运动学和动力学分析，确定转台的机械结构以及液压 驱动系统的设计；最后对电液伺服阀、液压缸等液压元件的建模，确定控制 系统的传递函数，对控制系统进行仿真。 1 3 1 三自由度并联驱动转台的结构模型 用丁灯光引导系统仿真转台如图1 1 所示，其运动系统为三自由度并联 机构，它是实现模拟舰船在水中的运动状态和舰载飞机安全着舰的关键部分。 主要是由上下平台、上下铰链联接装置、驱动部分( 电液位置伺服系统) 、控 制部分和液压动力源组成。任务管理单元根据操纵人员指令生成转台的运动 姿态指令，然后传送到运动控制单元。由运动控制单元实现并联机器人的姿 态控制。该并联驱动转台通过改变现有的三支撑并联机器人结构三支撑点的 位置以及连接铰链的自出度数，解决了现有三支撑并联机器人结构运动过程 中产生两个平移的附加运动。通过三个支撑液压缸的运动实现仿真转台横摇、 纵摇和升沉运动。 球J f ；铰链 帅蛐熏蝗朴Ij 球钔f , iL l 卜州定；p 台 ，! 。一j ，、一：J 一运动I t 行 、， i 书j “，l I 1 i f 、rf | 卜蛳j “” j I j 了_ 一? 3 、， 图1 1三自由度并联驱动转台原理图 9 哈尔滨，I ：稃大学硕士学位论文 木文研制的i 自由度并联驱动转台的主要设计参数为： 最大横摇角度：2 0 。 最大纵摇角度：2 0 。 最大升沉位移：0 2 m 最小周期：6 s 额定负载：2 0 0 K g 1 3 2 轨迹规划及液压驱动系统 所谓转台的轨迹规划，就是根据转台运动姿态的要求，计算出转台预期 的运动轨迹，以及每个自由度在运动过程中每时每刻的位置、速度和加速度。 转台的轨迹规划对液压驱动系统和控制系统的设计起着重要的作用。在这部 分内容罩，还分析了目前常用的电气、气动和液压三种驱动方式的优缺点和 适用范网，并设计f _ _ | 适合本转台的液压系统以及系统中主要元件的设计与选 择。 1 3 3 控制系统的设计 在转台的驱动上，目前以电机和液压系统为主。如果在并联机构上用电 机驱动，机械传动结构会很复杂，所以在本课题中的并联驱动仿真转台上采 用液压驱动，也就是用液压缸的直线运动来实现转台的摇摆和升沉运动。在 液压系统中采用伺服阀来实现液压系统的闭环控制，其整个控制框架图如图 1 2 所示。在这一部分中主要建立了液压缸、电液伺服阀等元件的数学模型， 并确定了给定信号和干扰力为输入、液压缸的位移为输出的传递函数，并用 M a t l a b 对控制系统进行仿真分析。 P c _ 枫 k 俐一：! 。A 一簇钳_ 伺服阀i 一婆啦! o D A 一 位移 I 传感器i 图1 2 三自由度并联驱动转台控制系统方框图 哈尔滨1 ：程人学硕士学位论文 第2 章三自由度并联驱动转台的结构及位置分析 2 1 三自由度并联驱动转台的结构 2 1 1 并联转台的结构形式 目前，现有的机械结构就其连接方式可分为两大类，即串联和并联。串 联式是各杆件通过运动副依次相连的开链式，这种机构具有较大的作业空间 和很高的灵活性。但也存在误差积累导致术端精度低、刚度低、惯量大和动 力学性能差等缺点。并联是一种闭环机构，其动平台或称术端执行器通过至 少两个独立的运动链和机架相连接，完全并联机构应必备以下四个要素： 末端执行器必须具有运动自l 士| 度； 这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相连； 每个运动链至多含有两个杆件； 每个分支或运动链由唯一的移动副或转动副驱动； 并联机构可以严格定义为：上下平台用2 个或2 个以上分支相连，机构 具有2 个或2 个以上自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机构。但从 机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器分配在不同的环路上的并联 多环机构都可称之为并联机构。以下是几种转台的结构形式介绍。 空间并联机构是近年来发展起来的一个比较活跃的研究领域。具有代表 性的是1 9 6 5 年德国人S t e w a r t 借鉴G o u g h 的法国汽车轮胎实验装置发明的作 为飞行模拟器用于训练飞行员的6 - S P S 六自由度并联机构，该机构具有结构 简单、承载能力大、刚度好、精度高、无误差积累、系统的动态响应速度快 等特点，其结构示意图如图2 1 所示。 从图中我们可以看出，6 - S P S 并联驱动平台由一个固定平台、一个运动 平台( 两个平台可根据需要固定其中的任意一个) 以及六个可伸缩支撑杆组 成，该机构的运动平台和固定平台都是六边形，并以6 个移动副作为输入， 这种机构又称为S t e w a r t 平台，最先应用于6 自由度的飞行模拟器，近年作 为大刚度、高精度的并联机器人机构，吸引了许多学者的兴趣。若将上下平 台的球面副以复合球面副取代，则可以演变成运动平台和固定平台都是三角 形的6 一S P S 机构。 哈尔滨T 程人学硕士学位论文 另外，在并联机构中比较具有代表性的还有三支撑的并联驱动平台，如 三自由度的3 - R C S 并联机构，其结构示意图如图2 2 所示。该机构由3 支R C S 图2 16 - S P S 并联机构 链连接一运动平台和一固定平台组成，因为绕圆柱副轴线的转动是一局部自 由度，所以圆柱副也可以用移动副来代替，分支等效于R P S 支链，该机构的 各分支结构是对称的。该机构存在运动平台在运动过程中产生两个方向上平 移和一个方向上旋转的附加运动嘲。1 。 图2 23 - R P S 并联机构 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 2 1 2 本课题提出的并联转台结构 舰载机灯光引导系统仿真转台主要是用来模拟舰船在水中的运动姿态， 为舰载机灯光引导系统的开发和实验提供模拟舰船在水中运动的环境。由于 对舰载机着舰产生影响的参数主要是舰船的横摇、纵摇以及升沉运动，所以 在考虑仿真转台结构时以能实现舰船横摇、纵摇以及升沉运动为主。以下本 课题提出的三自由度并联驱动转台的结构形式。其结构示意图如图2 3 所示。 从图中可以看出，该并联驱动转台由一个上运动平台、三个三自由度球 形铰链、三个伸缩支撑杼、一个单自由度销轴副、一个两自由度的球销副和 一个下固定平台等组成。和其它的三自由度并联驱动平台支点位罱不同，本 图2 3 三自由度并联驱动转台结构示意图 课题中上平台和下平台的各三个支点d 。，d ，d ，和D 。，D ，D ，分别以d 。d ，、 D 1 D ：为斜边的等腰直角三角形位罨分布。三个伸缩支撑杆中d 。D 。垂直固定 在下平台上，d ，D ，受球销副的制约，可在垂直下平台且穿过D n D 。的平面内 绕D 支撑点转动，同时还可沿垂直于D 。D 的方向转动，d ：D ：由于受销轴副 的制约，只能在垂直下平台且穿过D 。D ，的平面内绕D ：支撑点转动。上平台 在三个伸缩支撑杆的运动过程中可作沿z 轴的平移运动以及绕X 轴、y 轴的 空间旋转运动，并且当三个伸缩支撑杆各自的长度一定时，可唯一确定上运 哈尔滨。I 程火学硕十学位论文 动上平台的空间位置姿态。这样，图2 3 中的三自由度并联驱动转台机构可 做z 轴平移和分别绕X 轴、Y 轴旋转三种自由度的运动。 作为从六自由度S t e w a r t 机构衍生而来的三自由度并联驱动转台，它在 继承S t e w a r t 机构优点的同时也克服了S t e w a r t 机构的部分缺点，并且本课 题中三自由度并联驱动转台的上运动平台和下固定平台的三个支撑点均采用 相同大小的等腰直角三角形分布，从后面的解算结果来看，这种直角三角形 的柿局可以克服其它三自由度并联驱动平台在运动中产生的沿z 轴，Y 轴的 平移附加运动的缺点，提高位置精度，同时具有解算简单、易控制的优点。 在航空航海运动模拟器、机器人、体感游戏机、新型机床等方面也具有较大 的应用价值”。 2 1 3 自由度的计算 机构自由度是描述或确定一个机械系统运动( 或位嚣) 所必须的独立参数 ( 或坐标数) ，实质上就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数数 目。在机构中引入独立运动参数的方式，通常是使其原动件按给定的某一运 动规律运动，所以，可以认为机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件 数目。 机构的自由度F 、机构原动件的数目与机构的运动有着密切的关系： 若机构自由度，0 ，则机构不能动： 若F 0 且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的， 因此，机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数等于机构的自由 度数； 若F 0 ，而原动件数 O ，而原动件数 F ，则构件间不能运动或产生破坏。 从上面叙述中我们可以看出，要保证一个机构有确定的运动规律必须使 机构的自由度数大于零且与原动件数相等。 由空问机构学理论可知，空间运动机构的自由度数目可由下式计算得出， g F = 6 ( N 1 ) 一u ( 2 1 ) 扣J 式中：，自由度数 机构的总的构件数 u i 第f 个运动副的约束 g 物体之间的运动副数目 哈尔滨I ：程人学硕士学位论文 f 运动副级数6 1 由图2 3 的三自由度并联驱动转台的结构示意图可知，构件数：N = 7 ， 球形铰链的约束为U ，= U ：= U ，= 3 ，移动副的约束为U 。= U ，= U 。= 5 ，销 轴副的约束为U ，= 5 ，球销副的约束为U 。= 4 。 所以，由式( 2 - 1 ) 可计算出此并联驱动转台的自由度， F = 3( 22 ) 2 2 转台的位置分析 机构的位嗣分析是求解机构的输入与输出构件之间的位置关系，这是机 构运动分析最基本的任务，也是机构速度、加速度、受力分析、工作空间分 析和机构综合等的基础。由于并联机构结构复杂，对并联机构进行位置分析 要比单环空间机构的位置分析复杂的多。 空问机构的位置解算分正解和反解两种。正解是指已知机构主动件的位 置，求解机构的输出件的位置和姿念称为位置分析的正解，反解是指当输出 件的位胃和姿态已知时，求解机构输入件的位置称为机构位景的反解。在串 联机构的位置分析中，正解比较容易，而反解比较困难，相反在并联机构的 位置分析中，反解比较简单而正解却十分复杂，这是并联机构分析的一个特 点。 2 2 1 位置反解 三自由度并联转台的位置反解是浚转台进行位姿运动控制的重要理论基 础，它对其实际应用具有直接的指导意义。在下面通过并联机构的反解来对 图2 3 中的三自由度并联驱动转台的空间姿态进行推导。 在图2 3 中，设三自由度并联驱动转台机构的上运动平台和下固定平台 的三个支撑点分别以各自的一个顶点d 。( 0 1 ) 和D 。( O o ) 为圆心各自组成 一个园，半径分别为胄。由于本文中平台的支撑点呈直角等腰三角形分布， 即 R = d o d I = d o d 2 ( 2 3 ) R = D o D l = D o D 2 ( 2 - 4 ) 假设上运动平台和下固定平台在初始位置时相互平行，距离为 。则上运动 平台的三个支撑点d 。，d ，d ，在其空间坐标系o x y z ( 运动坐标系) 的坐标 分别为：d 。( 0 ，0 ，0 ) ，d ( 0 ，R ，0 ) ，d ，( R ，0 ，0 ) ；在下固定平台的 哈尔滨：程人学硕士学位论文 空到坐标系彻( 绝对坐标系) 的坐标分别为：d 。( 0 ，0 ，h ) ，d 。( 0 ， R ，h ) ，d ，( R ，0 ，h ) ：F 固定平台的三个支撑点在其空间坐标系O X Y Z ( 绝对坐标系) 的坐标分别为：D 。( 0 ，0 ，0 ) ，D ，( 0 ，R ，0 ) ，D ，( R ， 0