新型三自由度动感模拟平台的研发

I 中 文 摘 要 并联机构一直是国内外研究的热点，动感模拟平台是并联机构的一种。主要应用于运动仿真领域。国内吉林大学赵丁选教授一直致力于三自由度和六自由度并联动感平台的开发，其液压系统是基于伺服阀，系统性能较高，主要应用于航空航天飞行模拟器的动态仿真，但是成本较高。华南理工大学黎启柏教授曾经开发了电液比例控制系统三自由度动感平台，但是对其动态性能没有做进一步分析和论证。 本文所研究的新型三自由度动感模拟平台是来源于北京博纳启源有限公司。其公司某型号三自由度动感座椅机构运动出现干涉、液压系统使用了开关阀从而降低了体验的真实度等问题。针对此型号动感座椅，本文借鉴国内相关研发的经验，综合考虑成本和动感模拟平台性能两方面因素开发了一种新型的三自由度电液比例并联平台，有效解决了机构干涉问题，同时在满足工况的前提下降低了研发成本。 针对开发的新型机构，以 +和 为开发工具，以 W 作系统为开发平台，开发了实时控制软件，基于 维动画技术开发的三自由度动感模拟平台的三维动画仿真与实时监控软件，可用于三自由度平台三维动画演示、仿真与实时监控，能够实时的观察机构的干涉点，从而为改善控制程序提供依据，有效解决机构干涉问题，也对平台的后续研究开发提供了基础。 要实现基于+和 首先必须对三维模型添加控制程序，而控制的前提是对机构进行运动学理论分析，所以本文对新型机构平台的运动学反解进行了理论分析并推导了位置反解算法、编写了基于 平台的 C 程序;在位置反解算法的基础上进行轨迹规划并开发了相应程序；其次，为三维动态仿真软件添加了必要的控制模块；设计了新的电液比例液压系统、计算机控制系统。针对电液比例控制系统设计了对加入控制器后系统的动态性能做了详细分析。 关键词 ： 三自由度动感模拟平台;电液比例液压系统；位置反解;维动态仿真 of at is a of in of to of of of is on is it is in is of a of in is of is in is o., is a a of of of of is is in In to a of by of in of of at a is + as as d of is d be IV of of It in to of In to d c + + be d of is to so in it is of At is a C on v c + is is on of is is d a is of is in of 3 d V 目录 第一章引言 . 1感模拟平台概述 . 1联机构的研究发展历程 . 1自由度并联机构的提出和研究历程 . 3联机构的应用 . 5内外相关研究现状 . 5题的来源背景及研究意义 . 8文主要研究内容 . 8第二章新型三自由度动感模拟平台的理论分析 . 11型动感模拟平台机构组成及技术指标 . 11型平台的机构组成 . 11型平台的技术指标 . 11型动感模拟平台姿态转换理论 . 12型动感模拟平台自由度分析 . 13标系建立 . 13姿描述与齐次变换矩阵理论 . 13置逆解推导 . 14自由度动感模拟平台的轨迹规划与生成 . 15动规划 . 15迹规划 . 16章小结 . 17第三章新型三自由度动感模拟平台的研发 . 19感模拟平台电液比例系统 . 19动方式的选择 . 19压系统设计及控制系统元件选型 . 19液比例控制系统控制器设计与分析 . 24规 制器的设计和分析 . 26液比例系统动态特性研究 . 31感平台工作空间分析 . 35章小结 . 37 四章动感模拟平台控制系统软件开发及三维动态仿真 . 39感模拟平台控制系统软件开发 . 39统软件平台选择 . 39件设计思想与实现 . 40感模拟平台三维动态模拟仿真的实现 . 44绍及仿真原理 . 44 +中的实现 . 46拟平台三维模型的建立 . 54感模拟平台基本动作演示 . 56章小结 . 57第五章结论与展望 . 59要研究成果 . 59望 . 59参考文献 . 61致谢 . 65攻读硕士学位期间发表的学术论文目录 . 67 1 第一章引言 感模拟平台概述 本文所研究的动感平台来源于最初的 台，台是一个空间六自由度的并联机构，1965年英国高级工程师个具有六自由度的平台文章中首先提出了并联机构，并把这种机构用于飞行模拟器的运动产生装置上，也就是现在所谓的后引起了各国研究人员的关注，并进行了广泛研究。 并联运动机构最初是用于飞行模拟器和汽车驾驶模拟器。训练人员在驾驶模拟器上可以通过虚拟现实来完成各种危险、复杂的环境状态下的驾驶训练 ， 但驾驶员在训练的过程中并不能通过模拟器获得实际的驾驶感觉，从而影响了训练的效果。其后，经过人们不断的创新，并联机构的应用范围也得到了较大的拓宽，那么动感模拟平台就在这样一种情况下应运而生了。 动感模拟平台类型多种多样，单从机构类型上来说是从是随着并联机构研究的不断深入发展而出现的一类新生事物。并联机构理论的研究进展同时也影响着动感模拟平台的研究发展。动感模拟平台的理论研究得益于并联机构的理论研究工作，然而根据具体的不同类型的动感平台，理论研究工作或多或少的又有些差异。二者联系紧密，它们的研究也有着相互促进的作用，本章节就二者的渊源以及研究发展历程做了详细介绍。 联机构的研究发展历程 动感平台是并联机构应用领域的其中一种，然而人们把并联机构应用在动感电影领域的过程也是跌宕起伏，其中遇到了有很多技术难题，随着社会的其他科学技术的发展，这些技术难题也逐步的迎刃而解。本小节介绍并联机构的研究历史，以及并联机构是如何冲破技术难关并应用于动感平台的。 图1乐运动平台 2 并联机构的研究最早起源于上世纪二十年代，至今已有九十多年的研究历史。并且并联机构最初是应用于运动模拟领域1，如图 1示。而本文做研究的动感模拟平台也是应用于运动模拟。很可惜最初的运动模拟方案由于技术原因没能够真正的制造。 之后科学界开始研究并联机构用于机器人即所谓的并联机器人，其中最著名的研究成果当属美国工程师， 如图1当时，现在应用较为广泛的串联机器人还未出现。由此可见并联机构比串联机构更早被科学界所研究。 1978 年澳大利亚机构学教授 出可以 将并联机构作为机器人机构3。随后， 次将该机构按操作器设计，成功的将 构用于装配生产线，标志着真正意义上的并联机器人的诞生， 图1漆并联机器人 联机器人的出现引起了科学家的广泛关注，直到7年后过对比，并联机器人的优点明显高于串联机器人。而此更是激发了度并联机构的理论研究和实际应用的研究。在此背景下又出现了一批更有实际用途的研究成果。 图1自由度振动台图1计的轮胎测试机构 6 图 1示的并联振动台，还有如图 1示的 计的轮胎测试机构4。它们分别产生于20世纪40年代和50年代。 3 20 世纪 60 年代之前关于并联机构的研究已经很多，即便如此学术界还是一直未对并联机构进行学术命名。直到1965年，志上发表了一篇关于并联机构的著名文章5，正式提出了并联机构这个学术名。如图 1示，为了几年这一历史事件学术界一致把此类平台命名为“台” 。 图1台结构示意图 of 1978年，澳大利亚机构学家出可以将首先提出的是用于机器人手臂，并在其可行性页进行了研究，由于当时控制技术水平的落后，对并联机构的优势的了解并不充分，所以并没有得到业界的足够重视。直到 1986 年发表了有关并联机器人理论和实际结构的研究结果后，才引起机构学和机器人学研究者的普遍兴趣。 6自由度并联结构不仅在各种运动模拟器上得到应用而且逐步发展到并联运动机床、医用机器人等各方面，如图1自由度并联机构的提出和研究历程 并联机构最初的设计是六自由度的，然而并不是所有应用并联机构的场合都需要六个自由度。而后学术界开发了自由度少于六的各式各样的并联机构，主要应用于运动学仿真，比如 4D 电影的动感座椅。其中自由度数少于 6 的并联机构中研究的相对较多的是三自由度的。80 年代以来 出了一种三自由度并联机构6，出了一系列四自由度并联机构7。三自由度并联机构分为平面三自由度 并联机构、空间三自由度并联机构等等，比如 联机构、3联机构等等。本文所研究的动感模拟平台是三自由度并联机构的一种,属于3图1三自由度并联机构的构型有很多种，针对不同的工况可以设计出不同的构型，一直以来并联机构的理论研究正在逐步走向成熟，代表性的研究方法有 出的螺旋理 4 论8，黄真教授提出的约束综合法9等。针对不同构型有些理论 有通用性，有些需要做适当的变通和演变。 图1用并联机器人手术台 of 1动感座椅 少自由度并联机构中，三自由度并联机构是研究、应用较广的一类并联机构。在很多领域的应用中，三个方向的移动或转动就已经能够满足要求，因此直接用三自由度并联机构不仅减少了结构的复杂性和控制的难度，同时也降低了成本，积极响应我国建设资源节约型社会的号召。三自由度并联机构与并联机构技术是同步发展起来的，但是研究和开发的还不够充分。这类机构的运动类型既不像六自由度机构那样运动是可以任意给定的，也不像单自由度机构运动是确定的。这种三自由度并联机构是一个重要的研 5 究领域， 包括平面三自由度并联机构、 球面三自由度并联机构和空间三自由度并联机构。 并联平台式三自由度机构也是广泛引起兴趣的并联机构中的一种。它能实现两个自由度的转动和一个自由度的移动。这样的自由度性质的机构可以应用到许多地方：比如利用它的微动作用提高机器人的精度。 联机构的应用 并联机构适用于以下诸方面: 模拟运动 驶模拟器; 船用摇摆台等; 动下的运行可靠性; 对接动作 承载运动 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。 用于微动机构或微型机构，并联平台的应用领域正在被科研工作不断拓宽。 内外相关研究现状 少自由度并联机器人是如今并联机器人发展中研究的重点，它具有的机构驱动元件少、载重能力强、工作空间大、控制精度高、易于解耦、动力性能好、价格便宜等一系列优点。国内的学者对其进行了深入的研究和探索，但是很大程度上是实验室产品，真正投入到生产实践中的并联机器人很少。如何使并联机器人充分发挥其优势性，适应于市场的需要，快速响应市场变化，迅速走向市场，是今后研究的主要方面。 并联机构与串联机构相比1014，具有结构稳定紧凑、刚度好、承载能力强、工作空间小、位置精度高、无累积误差、运动惯性小、响应快等一系列优点。在国外，并联机构出现以来主要的应用场合有并联机器人、运动模拟平台，后来随着航空航天事业的发展，并联机构以它独特的优越性开始被应用在飞行器的运动仿真。迄今为止，美国的穆 6 格公司、德国的力士乐都有专门的研究部门，其中有六自由度、三自由度动感模拟平台或者动感座椅。六自由度的控制软件较 为复杂，因为它涉及到每个自由度的解耦运算。80年代以来并联机构又有了新的应用领域，那就是汽车模拟器，如图1是随着人们的生活水平的提高，对汽车的舒适度要求越来越高的结果。汽车厂家致力于提高试车的舒适度，而汽车不同路况的模拟仿真就成为了必要的工作，汽车模拟器就在这样的实际需要情况下被开发出来。它不仅可以模拟不同地型还可以模拟加速、减速，其中最具有代表性当属德国图1车模拟器 ar 内研究从事此方面研究的高校主要有燕山大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京航空航天大学、华中科技大学等等。国内高校的研究主要集中在运动学仿真领域。 吉林大学赵丁选教授主要开发产品有三自由度、 六自由度动感座椅， 如图，同步录制同步显示系统，汽车模拟器。燕山大学黄真教授对并联机构的理论研究做出了很大贡献。其他高校主要研究并联机构在航空飞行器、轮船模拟转台的应用。 在技术方面，国内的研究主要 采用液压驱动、电液伺服控制、离线编程在线控制，在很多民营企业还存在使用开关阀的情况。2000年以后，人们逐步探索使用电动缸取代液压缸、步进电机取代伺服阀的方法，这样的方式安全可靠，控制精度进一步提高。还有一种方法是利用电液比例阀取代伺服阀、用伺服缸取代一般液压缸的方法，这种方式成本较低，可以应用在对控制精度要求不是很高的场合，比如4总的来说电动平台必然成为未来仿真平台的一种发展趋势，如图1 7 根据上述分析，国外在理论水平和技术水平上都要比国内高一些，目前国内外对于运动平台的研究开发主要采用液压伺服驱动方式，以电液伺服阀控缸作为驱动机构；以电机驱动的三自由度微小型平台的研究是国内该领域一个较前沿的研究方向。 本文所研究的模拟平台就是应用在动感电影的动感座椅。动感电影是虚拟技术的一种，它大概在70年代走入人们的视野，而当时并联机构的研究也有了一定的基础， 图1动动感平台 0年代后虚拟技术得到了全面发展和推广， 而这在一定程度上也是得益于基于并联机构论发展的动感模拟平台的发展。至此，动感模拟平台引起了广泛关注，因为动感平台性能的优劣直接关系着体验的真实度。 90年代在美国和西方国家中掀起了应用虚拟现实技术的热潮，很多公司也投入到了以虚拟环境为基础的动感模拟系统的研究之中。 这些公司所开发的动感模拟平台从机构的造型到控制系统的设计、再到动力系统的设计有着千差万别，有六自由度的、二自由度的有使用液压缸驱动的也有使用电动缸驱动的，比如加拿大渥太华国加州的本三菱重工公司也研发了油压驱动的六轴运动平台，可承载56个人，并配合大荧屏投影显示，即所谓的动感电影院；而如今这些技术也已经成熟。 而我国开始把虚拟技术确定为重点发展对象是在国家的“九五计划” ，较国外晚了二十年，至今国内某些高校的研究也是相当的出色，其中用于动感电影动感模拟的当属吉林大学所研发的六自由度、三自由度动感座椅。清华大学、上海交通大学、浙江大学等国内重点院校也积极投入这一领域的研究，并取得了丰硕成果15。 8 题的来源背景及研究意义 近年来，随着全球经济的发展，尤其是科技的高速发展，生产力的不断提高，促使旅游需求和旅游供给出现重大变化，而作为旅游要素之一的旅游娱乐业，最近也是创新出了很多的新花样。比如看电影这一娱乐项目也是有了新的方式。过去人们只是一味的观看，只有视觉的感观刺激。现在有了3同就在电影里一般，而4不紧能使观众产生身临其境的感觉还能够亲身体验电影场景里的触觉和嗅觉的感官效应。比如捅背、扫腿、滚珠、低频振动、雨水、吹风等特效功能，同步模拟背后被捅的感觉、模拟老鼠、蛇、昆虫等动物钻到腿下的感觉，模拟动物从臀部钻过的感觉、座位颠簸震动的感觉和风雨交加的现场感觉。 动感电影系统是虚拟现实技术、自动控制技术和机械液压伺服技术的综合应用,是一项非常刺激、吸引人的娱乐项目。上位机发送给动感座椅的运动信号首先是经过同步录制储存在计算机中，然后开发相应的动感座椅的姿态转换算法实现对动感座椅的控制。动座椅根据计算机发出的各种指令，沿轴做旋转，使观众感受到一定的运动过载，让观众能够立即产生极为强烈的身临其境的真实感受。再加上封闭的观赏空间，观众在其中只需尽情享受灯光音乐画面带来的优美的感觉刺激，动感座椅伴随带着电影画面实现相应的运动模拟，就如同人真实的在电影画面之中，享受惊险刺激的无穷乐趣。 本课题所研究的新型三自由度动感模拟平台来源于北京博纳启源有限公司，该动感平台主要应用于4来模拟4目前市场中某些三自由度的动感座椅相比,其具有经济性、可靠性等优点。 针对该公司三自由度动感座椅存在机构运动出现干涉、液压系统使用了开关阀从而降低了体验的真实度等问题，综合考虑成本和动感模拟平台性能两方面因素而开发一种新型的三自由度电液比例并联平台，主要完成俯仰、摇摆、升降三个基本动作以及他们的组合动作。 文主要研究内容 作者与北京博纳启源有限公司合作，对三自由度动感平台系统的电液比例伺服系统进行控制研究与试验工作。本文三自由度动感模拟平台主要实现俯仰、摇摆、升降三个动作，其中在实现运动模拟仿真阶段要体现出加速、减速、匀速的明显变化。如此才能使观众获得逼真的感受。而加速减速和匀速的实现关键是在控制系统的设计，包括控制器的设计，系统的动态性能、稳态性能的分析。 9 针对该公司某型号三自由度动感座椅液压缸分布不合适导致某些动作出现干涉的情况，本文优化了机构构型的设计。为了保证动感平台能够实现完美的体验感受特开发了三维动态模拟仿真系统，在仿真阶段找出干涉点从而改进控制程序有效解决干涉问题。本人主要负责新型结构的设计、控制系统设计及分析、以及平台实时运动的三维动态仿真、实际控制方案的确定与实施的工作。以下是具体的研究内容： 1、 新型三自由度并联平台结构设计 a、 液压缸位置分布，避免出现机构运动干涉 b、总体方案的设计 2、运动学理论分析 a、自由度计算， b、位置变换算法，轨迹规划算法 3、控制系统的设计和分析 a、常规 制器的设计与分析 b、电液比例控制系统动态特性分析 4、控制系统的软硬件设计及三维动态仿真 a、软、硬件设计 b、三维动态仿真 10 11 第二章新型三自由度动感模拟平台的理论分析 并联机构的理论研究主要包括自由度的分析，运动学分析、动力学分析、控制策略研究等等。由于这些理论研究已经做得很成熟，有较强的通用性，对新型的并联机构开发提供了研究基础。但是具体 针对某一特定开发的并联机 构这些理论并不能完全凑效，需要针对某一特种并联机构进行具体的特定的理论研究，同时这也是十分必要的。鉴于要对平台进行控制，运动学分析是实现控制的前提，所以本文首先列出了模拟平台的技术指标同时对该新型模拟平台进行了的运动学理分析。 本章将以三自由度动感模拟平台为研究对象，建立系统的数学模型，推导运动平台的位置逆解运动学算法，研究三自由度动感模拟平台的轨迹规划。 型动感模拟平台机构组成及技术指标 型平台的机构组成 本文研究的新型结构的三自由度动感模拟平台，有效的解决了目前国内市场上的三缸互成 120分布部分动作的实现容易造成干涉的问题。如图 2示，新型的结构形式左边两杠平行分布，右边缸 与左边两缸垂直分布。新型 平台有上平台（运动平台） 、下平台（固定平台） 、三只可以实现伸缩和绕轴线旋 转的伺服缸、伺服缸与上下平台为十字铰链链接以及一条防扭臂 组合而成。为防止平台倒塌 ，特设计一防扭臂，防扭臂、十字铰链在简图中未画出。 图2自由度平台结构简图 新型平台的技术指标 本文研究与实现的液压驱动的三自由度动感模拟平台， 定位于4着电影画面场景的展现，本平台将尽量逼真的模拟相关动作，从而使电影观众如同真实地处在电影画面同样环境下，在姿态变化的感觉方面与在电影画面里感觉相似。为达 12 到尽量逼真现实的目的，新型平台的技术指标也较目前国内市场流通销售的有了较大提高。本节详细介绍了本文开发的新型平台的技术指标。 （1）有效载荷重量 按两名观众体重计算，有效载荷为200加上平台及铰链重量，确定总载荷为 300（2）平台的尺寸 上平台：1000台高度:（3）稳态及动态指标: 台位移量 由度 位移量 沿垂直方向平移 仰角度 20 摇摆角度 20 感平台速度 由度 相对中立点速度 沿垂直方向平移 s 感平台稳态误差 of 由度 位移量 沿垂直方向平移 3个旋转方向 型动感模拟平台姿态转换理论 三自由度并联机构是一种多变量和非线性的复杂系统，其运动学问题是系统设计和控制策略研究的基础，有必要进行深入的研究。 三自由度动感模拟平台的运动学理论15主要包括机构自由度分析、位置正解和逆解。位置正解是己知三个驱动缸的位移变化量来求动平台姿态，位置逆解则是由动平台的位姿来发反求各驱动缸的伸长量。本节主要对机构的运动学逆解进行了研究，运用矩阵分析方法建立了三自由度动感模 拟平台的运动学模型。推导 出运动平台位姿变换的算法， 13 由平台绕 Z 轴平移、绕 X、Y 轴旋转的角度计算出每个伺服缸活塞杆的伸出或者收缩的位移，进而上位机把计算出的活塞杆位移发送到数据采集卡从而控制油缸的运动，模拟平台完成指令姿态的转换。 型动感模拟平台自由度分析 新型三自由度动感模拟平台主要由动平台、静平台和三个伺服驱动缸共同组成。液压缸顶端通过十字万向节与上平台链接，液压缸底端通过三个转动副与下平台链接。求并联机构自由度的公式16如下式： =+=n(6式中:第对本机构具体来说，本机构中n=8,g=9, =+3+9=15,所以本文研究的动感模拟平台的自由度为3。 标系建立 三自由度运动平台主要由动平台、静平台和三个伺服驱动缸共同组成。为了清楚表达动、静平台之间的运动关系,分别建立如图 示参考坐标系 取下平台质心作为参考坐标系原点 0轴垂直于静平台台面,0轴按右手法则分布于下平台台面。动坐标系放置于上平台，坐标原点 O 和上平台质心重合，、样符合右手法则。平衡位置时，动坐标系和参考系各轴分别平行,且图2、下平台坐标系 位姿描述与齐次变换矩阵理论 描述刚体的位置和姿态（简称位姿）的方法简单的说就是：首先规定一个坐标系，相对于该坐标系，点的位置可以用 3 维列向量表示，刚体的方 向可用 33 旋转矩阵 14 来表示。而 44 齐次变换矩阵则可将刚体位置和姿态（位姿）的描述统一起来。 根据章节 建立的坐标系，液压缸与上平台的三个连接点的位置用列向量来表示的话如下式所示： ,=、2、3。 同理液压缸底端与下固定平台连接点的位置用列向量可以表示成： ,=、2、3。 由于本文开发的动感模拟平台只有三个基本的自由度的运动，即绕 X、Y 轴的旋转和沿旋转矩阵理论可得出上运动平台分别作上述三个基本动作的旋转矩阵。设其分别绕X、其旋转矩阵可以表示为： =(=(其移动矩阵可以表示为： =10000),(置逆解推导 位置逆解是根据运动平台的位姿反求各驱动缸 的伸长量,要实现这一求解过程,首先需要对三自由度动感模拟平台分别建立参考坐标系与动坐标系,坐标系已 经建立如图2 本文所开发平台是一种新型的动感平台，下平台和上平台中各铰点的位置有了重新的布置，它们分别在参考坐标系和动坐标系中的坐标如下。 15 下平台铰接点在参考坐标系中的坐标： a(300,0,0); b(0,300,0); c(0,) 上平台铰接点在参考坐标系中的坐标： 00,0,300); ,200,300); ,00) 当给定上平台在空间的位置及姿态时求各 个杆长,即各移动副的位移,这是三自由度并联机构的位置反解。液压缸活塞杆的伸缩量(即位移)可由液压缸的上下铰支点之间的距离减去铰支点间初始距离来确定。铰支点间