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)。

6D動感平臺分析　　

首先我們來講講六自由度是什么，6個自由度分別為：沿x軸平移，沿y軸平移，沿z軸平移，繞x軸轉(zhuǎn)動，繞y軸轉(zhuǎn)動，繞z軸轉(zhuǎn)動。

六自由度搖擺平臺的下平臺安裝在地面上，上平臺為運動平臺，它由六只電動缸支承，運動平臺與電動缸采用六個虎克鉸連接，電動缸與固定基座采用六個虎克鉸連接，六只電動缸采用伺服電機驅(qū)動的電動缸。

計算機控制系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制電動缸的行程，實現(xiàn)運動平臺的六個自由度的運動，即笛卡爾坐標系內(nèi)的三個平移運動和繞三個坐標軸的轉(zhuǎn)動。

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。

6D動感平臺的基本功能

六自由度搖擺平臺的基本功能有哪些？包括運動姿態(tài)模擬、運動參數(shù)設(shè)定和運動信息顯示功能這三個功能，下面來看看具體的分析介紹。

1、運動姿態(tài)模擬

電動六自由度搖擺平臺具有六個自由度的運動，可以完成其可達運動空間內(nèi)的任意運動姿態(tài)模擬。六個自由度的運動既可以單獨動作，也可任意多個自由度組合運動。

2、運動參數(shù)設(shè)定

搖擺平臺運動前，可先根據(jù)要求設(shè)定搖擺平臺的運動參數(shù)，設(shè)置參數(shù)包括：運動自由度選擇、所選自由度的運動規(guī)律、所選自由度的運動幅值、所選自由度的運動頻率、搖擺平臺上運動平臺的回轉(zhuǎn)中心。

3、運動信息顯示功能

搖擺平臺上位機軟件還可實時顯示搖擺平臺當(dāng)前的運動狀態(tài)，搖擺平臺運動姿態(tài)的三維動畫顯示；搖擺平臺六根電動缸的實時運動速度、位移曲線顯示；搖擺平臺六根電動缸的運動位置實時數(shù)據(jù)顯示。