6D動感平臺

在航空航天、工業(yè)自動化等領(lǐng)域有很多承受復(fù)雜交變載荷的重要結(jié)構(gòu)件，為保證設(shè)備的長時間穩(wěn)定運行，需要在結(jié)構(gòu)件裝配工作之前進行多自由度加載疲勞測試。六自由度加載平臺的任務(wù)便是來模擬試件運行過程中的受力環(huán)境，對保證試件運行的安全、穩(wěn)定性有非常重要的作用。本設(shè)計對基于六自由度并聯(lián)機構(gòu)的加載平臺進行了研究。

本文首先介紹了六自由度加載平臺基本原理與結(jié)構(gòu)組成，對六自由度并聯(lián)機構(gòu)進行數(shù)學(xué)建模和位姿正解/逆解的推導(dǎo)。然后使用 Matlab 和 Autodesk Inventor 建立了六自由度加載平臺的機械結(jié)構(gòu)模型，并對其進行運動，實現(xiàn)了單自由度、多自由度運動情況下位姿逆解、位置式 PID 控制、位姿迭代求正解和工作空間求解等。

之后，根據(jù)設(shè)計需求對機電系統(tǒng)（電機、伸縮桿、力傳感器等部件）、控制系統(tǒng)（上位機控制系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)）進行了機電元器件選型，完成了基于STM32的六自由度加載平臺控制系統(tǒng)的硬件、軟件和界面（GUI）設(shè)計，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)與Matlab平臺控制與通信、力傳感器信號調(diào)理與采集、伺服電機數(shù)據(jù)采集與閉環(huán)控制、系統(tǒng)運行狀態(tài)檢測與預(yù)警等功能。

本設(shè)計綜合了機械建模、數(shù)學(xué)建模、運動、Simulink 、電路設(shè)計、嵌入式軟件設(shè)計對六自由度加載平臺進行了研究，完成了六自由度加載平臺電氣系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試準(zhǔn)備，為今后的六自由度加載平臺實物調(diào)試奠定了一定基礎(chǔ)。

動感平臺簡介

各主要部分簡述如下：

本設(shè)備主要由以下部分組成：運動上平臺、下平臺(基座)、電動缸及伺服電機、驅(qū)動器系統(tǒng)、綜合控制及監(jiān)測系統(tǒng)。

各自功能如下：

上平臺：是有效載荷的安裝基面，提供六自由度的搖擺運動。

下平臺：是六自由度搖擺臺的安裝基面，需要承受足夠大的沖擊力。

電動缸及伺服電機：通過控制電動缸活塞桿的行程，實現(xiàn)運動平臺臺體的六自由度運動，共6套。

驅(qū)動器系統(tǒng)：接收用戶控制指令，通過控制伺服電機的輸入，對伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進行控制，達到控制電動缸活塞桿出速度和行程的目的，共6套。

綜合控制監(jiān)測系統(tǒng)：硬件為用戶計算機，軟件為研制方配合開發(fā);同時，它還對平臺的運動過程進行監(jiān)測，預(yù)防和處理系統(tǒng)的異常情況。

6D動感平臺的算法

六軸定位系統(tǒng)強調(diào)的是六軸以及定位。六軸指能完成六個自由度運動的電動設(shè)備。具體包括XY水平運動，z上下運動，旋轉(zhuǎn)，以及兩個方向上的搖擺。

定位是指對運動精度有要求的設(shè)備。并聯(lián)是指系統(tǒng)中所有運動機構(gòu)同時運動實現(xiàn)一個目標(biāo)位置。串聯(lián)是指系統(tǒng)中運動機構(gòu)獨立運動，到一個目標(biāo)位置。

并聯(lián)的結(jié)構(gòu)常見的是六個腿，六個支點同時推動一個運動面，變腿長式或者單腿加關(guān)節(jié)；也有tripod結(jié)構(gòu)，三條腿，一個支點，每個單腿另加XY平移機構(gòu)。

串聯(lián)則較為簡單，六個獨立工作的平臺疊加到一起運動。關(guān)于優(yōu)缺點：六軸并聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)點在于體積緊湊，沒有那么多線。串聯(lián)結(jié)構(gòu)一層一層臺子，疊六層，每加一層，對底層臺子的負載能力要求就增加一些，體積也會變大。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的臺子負載能力不及并聯(lián)的。

并且六個臺子有十幾根線做通訊和供電用的，非?；靵y。六軸并聯(lián)機構(gòu)是通過一個矩陣換算方式分解一個目標(biāo)位置的。所以可以很好的避免疊加誤差，提高重復(fù)精度。

串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就比較簡單啦。并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)是無法360度無限制旋轉(zhuǎn)的，并聯(lián)結(jié)構(gòu)各個自由度的行程是非常受限的，串聯(lián)就不會。并且如果不是非要六軸，只要4軸或者5軸，串聯(lián)就可以比較隨意的增減搭配。