6D動(dòng)感平臺(tái)

在航空航天、工業(yè)自動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，需要在結(jié)構(gòu)件裝配工作之前進(jìn)行多自由度加載疲勞測(cè)試。六自由度加載平臺(tái)的任務(wù)便是來(lái)模擬試件運(yùn)行過程中的受力環(huán)境，對(duì)保證試件運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性有非常重要的作用。本設(shè)計(jì)對(duì)基于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的加載平臺(tái)進(jìn)行了研究。

本文首先介紹了六自由度加載平臺(tái)基本原理與結(jié)構(gòu)組成，對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)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(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了單自由度、多自由度運(yùn)動(dòng)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(jì)需求對(duì)機(jī)電系統(tǒng)（電機(jī)、伸縮桿、力傳感器等部件）、控制系統(tǒng)（上位機(jī)控制系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)）進(jìn)行了機(jī)電元器件選型，完成了基于STM32的六自由度加載平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件、軟件和界面（GUI）設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與Matlab平臺(tái)控制與通信、力傳感器信號(hào)調(diào)理與采集、伺服電機(jī)數(shù)據(jù)采集與閉環(huán)控制、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)與預(yù)警等功能。

本設(shè)計(jì)綜合了機(jī)械建模、數(shù)學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)、Simulink 、電路設(shè)計(jì)、嵌入式軟件設(shè)計(jì)對(duì)六自由度加載平臺(tái)進(jìn)行了研究，完成了六自由度加載平臺(tái)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試準(zhǔn)備，為今后的六自由度加載平臺(tái)實(shí)物調(diào)試奠定了一定基礎(chǔ)。

動(dòng)感平臺(tái)簡(jiǎn)介

各主要部分簡(jiǎn)述如下：

本設(shè)備主要由以下部分組成：運(yùn)動(dòng)上平臺(tái)、下平臺(tái)(基座)、電動(dòng)缸及伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)、綜合控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

各自功能如下：

上平臺(tái)：是有效載荷的安裝基面，提供六自由度的搖擺運(yùn)動(dòng)。

下平臺(tái)：是六自由度搖擺臺(tái)的安裝基面，需要承受足夠大的沖擊力。

電動(dòng)缸及伺服電機(jī)：通過控制電動(dòng)缸活塞桿的行程，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)臺(tái)體的六自由度運(yùn)動(dòng)，共6套。

驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)：接收用戶控制指令，通過控制伺服電機(jī)的輸入，對(duì)伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，達(dá)到控制電動(dòng)缸活塞桿出速度和行程的目的，共6套。

綜合控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：硬件為用戶計(jì)算機(jī)，軟件為研制方配合開發(fā);同時(shí)，它還對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，預(yù)防和處理系統(tǒng)的異常情況。

6D動(dòng)感平臺(tái)的算法

六軸定位系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是六軸以及定位。六軸指能完成六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)設(shè)備。具體包括XY水平運(yùn)動(dòng)，z上下運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，以及兩個(gè)方向上的搖擺。

定位是指對(duì)運(yùn)動(dòng)精度有要求的設(shè)備。并聯(lián)是指系統(tǒng)中所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)位置。串聯(lián)是指系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，到一個(gè)目標(biāo)位置。

并聯(lián)的結(jié)構(gòu)常見的是六個(gè)腿，六個(gè)支點(diǎn)同時(shí)推動(dòng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)面，變腿長(zhǎng)式或者單腿加關(guān)節(jié)；也有tripod結(jié)構(gòu)，三條腿，一個(gè)支點(diǎn)，每個(gè)單腿另加XY平移機(jī)構(gòu)。

串聯(lián)則較為簡(jiǎn)單，六個(gè)獨(dú)立工作的平臺(tái)疊加到一起運(yùn)動(dòng)。關(guān)于優(yōu)缺點(diǎn)：六軸并聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于體積緊湊，沒有那么多線。串聯(lián)結(jié)構(gòu)一層一層臺(tái)子，疊六層，每加一層，對(duì)底層臺(tái)子的負(fù)載能力要求就增加一些，體積也會(huì)變大。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的臺(tái)子負(fù)載能力不及并聯(lián)的。

并且六個(gè)臺(tái)子有十幾根線做通訊和供電用的，非?；靵y。六軸并聯(lián)機(jī)構(gòu)是通過一個(gè)矩陣換算方式分解一個(gè)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(diǎn)就比較簡(jiǎn)單啦。并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)是無(wú)法360度無(wú)限制旋轉(zhuǎn)的，并聯(lián)結(jié)構(gòu)各個(gè)自由度的行程是非常受限的，串聯(lián)就不會(huì)。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。