六自由度运动平台

一、概述：
 六自由度运动平台是由六支可伸缩电缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。六自由度运动平台是传动及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在传动和控制领域基本上就没有了难题。
 
1）六自由度
2)平台类型为运动平台
依据特定的轨迹完成平台在空间六个自由度（X、Y、Z、α、β、γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。
3)传动丝杠为超精密磨制滚珠丝杠，精度级别C9

伺服电动缸是将伺服电机与传动丝杠一体化设计的模块化产品，将伺服电机的旋转运动通过丝杠-螺母传动副转换成直线运动。同时将伺服电机的特点：精确的转速控制、精确的转数控制和精确的扭矩控制转变成：精确的速度控制、精确的位置控制和精确的推力控制，实现了高精度直线运动控制的全新革命性产品。

特点：

（1）、摩擦损失小、传动效率高：由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滑动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。

（2）、精度高：滚珠丝杠副一般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

（3）、高速进给和微进给可能：滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

（4）、轴向刚度高：滚珠丝杠副可以加与预压,由于预压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。

（5）、不能自锁、具有传动的可逆性
伺服电动缸特点：
1、结构紧凑，外形尺寸小，安装使用方便，维护简单，噪音低，寿命长。
2、高速度，根据导程的大小最高线速度达20000mm/sec，最大加速度可达12m/s2。
3、精确的位置控制，重复定位精度可达0.01mm。
4、增加外部位移传感器（如光栅尺）控制精度可达0.005mm。
5、可以任意设定速度波形，实现高速平稳无冲击运行，控制精度可达0.5%。
6、精确的扭推力控制，增加扭推拉力传感器后控制精度可达0.05%。
7、采用梯形丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠的传动方式，高效率不自锁。
二、平台机械参数：
机械的参数的标定和动力学的准确建模可最直接的反映出行为人真实体感和姿态研究算法的合理性。
1）垂直方向位移±0.15m
2)纵向方向位移±0.2m
3）侧向方向位移±0.2m
4）俯仰角度位移±15度
5）滚转角度位移±15度
6）偏航角度位移±15度
7）垂直方向速度±0.15m/s
8）纵向方向速度±0.15m/s
9）侧向方向速度±0.15m/s
10）俯仰角度速度±15度/s
11）滚转角度速度±15度/s
12）偏航角度速度±25度/s
13）垂直方向加速度±0.15G
14）纵向方向加速度±0.15G
15）侧向方向加速度±0.15G
16）俯仰角度加速度50°/s²
17) 滚转角度加速度50°/s²
18）偏航角度加速度50°/s²
19）垂直方向重复定位精度0.05mm
20) 纵向方向重复定位精度0.1mm
21）侧向方向重复定位精度0.1mm
22）俯仰角度重复定位精度0.1°
23) 滚转角度重复定位精度0.1°
24）偏航角度重复定位精度0.1°
三、安全功能
1、机械安全系数：最大有效负载：3000KG，额定负载1000KG。
2、使用安全功能：驱动平台的六个电动缸均配有上下极限位置限位开关，碰到限位开关时系统会断电抱闸，使平台处于停止锁定状态。
四、控制系统要求：


控制器：
控制部分是由控制器、运动控制卡、伺服电机和驱动器、触摸屏、示例算法以及该设备运行系统源代码组成。该控制卡负责采集力矩采集模块发出的力矩信号（模拟量），以及拉绳编码器的正 交脉冲信号，并能控制伺服电机跟随预定的轨迹运动。在控制柜中运动控制卡的 接线端子板与驱动器以及力矩采集模块、拉线编码器相连实现控制信号传输以及 数据采集任务。
运动控制卡具体参数如下：
1、DSP+FPGA 架构，每轴输出差分脉冲+ 方向信号，最高频率：2MHZ； 2、每轴输出模拟电压范围：-10V-+10V 精度：16 位；
3、每轴 Home、Index 及探针硬件捕获功 能，每轴正负限位及伺服报警输入，每
轴手脉跟随功能；
4、对称及非对称 T 型曲线、S 型曲线速 度规划；
5、JOG 模式、PT(位置与时间)/PVT(位 置、速度及时间)运动规划、电子齿轮模式、Follow 模式、直线插补运动模式、
位置比较输出及运动合成功能；
6、支持闭环与开环控制；
7、具有数字滤波器:PID+速度前馈+加速 度前馈；
8、可在运动控制器上实现运动逻辑管理；
9、限位、伺服报警输入与通用数字输入 可相互匹配；
10、配有 8 路模拟量输入。
五、数据采集部分
拉线编码器运动学采集系统

3、该力矩采集模块使用 32 位高速 DSP 处理器，配合霍尔电流传感器以及编码 器接口实时采集电机信息并计算电机输出力矩。


六、触摸屏：22寸工业级金属外壳触摸屏液晶
· 屏幕类型: LCD，面板类型: TN，屏幕尺寸: 22英寸，分辨率: 1680x1050，屏幕比例: 16:10，水平可视角度: 160°，垂直可视角度: 170°，平均亮度: 500cd/m^2，点距: 0.296mm，黑白响应时间: 5毫秒，灰阶响应时间: 5毫秒，接口类型: VGA，附加功能: 可壁挂，毛重: 10.08kg。
 
七、伺服驱动器高效集成
1、伺服电机+驱动6套 伺服电机；功率 3Kw；类型：交流伺服； 编码器：2500P/R；电机额定转速3000r，最大5000r，额定扭矩19.10NM最大57.29NM，110mm法兰安装，输出轴径22mm，电机编码器为17位增量式旋转编码器，分辨率为131072。驱动器工作电压为220V。
2、高效集成原理：伺服电机力矩输出力矩采集卡 能实时采集电机输出力矩大小、方向以及电机位置。拉线编码器系统能同步采集被测对象动平台运动轨迹（位置+姿态在时间上的序列）。提供根据拉线编码器位置求解动平台的运动学算法。以及至少一种并联机构的运动学模型，并通过测试平台进行测试。全部软件源代码开放，并附加背景算法原理以及数学基础。可记录动平台运动轨迹，并生成该六自由度机器人运动控制程序数据。硬件系统（控制柜、控制器、数据采集系统、拉绳编码器、总线驱动器、三轴力传感器等。） 软件系统（具有MATLAB、VC++等通用软件实验平台，能记录、显示和分析已获 取的测量数据）
主要模块：
1）在线测量；
2）离线观察；
3）分析模块。 主要功能：
1）机构动平台参考点的轨迹、位置和姿态、速度和加速度、工作空间、灵巧度 奇异性等运动学性能测试及分析； 2）驱动功率、输出功率、力、力矩、承 载能力等动力学性能测试及分析
八、配套软件：


图1 控制软件
源代码资源包：


Matlab Simulink 控制算法示例：
 
 
 
九、主要应用示例：
 
9．1 列车风档液压仿真试验台
 
图1：六自由度机器坐标系定义图
列车运动仿真测试系统实现对列车各种工况下的运动轨迹进行计算仿真、模拟运动，同时对列车产品如折棚式风档等进行产品性能测试。

图2：列车风档液压仿真试验台现场实景图
系统能够根据给定的列车轨迹参数，计算出列车运动轨迹及其他相关参数。
列车轨迹计算主要参数如下：
a) S曲线半径  R
b) S曲线直线段长度 W
c) 平台正三角形边长 A
d) 列车长度  L
e) 列车轮距  N
f) 连杆长度  P
g) 连杆绞点至轮轴距  M
h) 列车速度 v 
 
图3：列车风档液压仿真试验台HMI界面
试验台能够仿真如下运动轨迹：
a) 含直线段S曲线水平运动
b) 园曲线水平运动
c) 切园曲线水平运动
d) 含直线段S曲线垂直运动
e) 园曲线垂直运动
f) 切园曲线垂直运动
g) 翻转运动
h) 混合运动
9．2  F1赛车运动仿真台
F1赛车运动仿真台用于上海F1国际赛车场，操作者可以坐到仿真平台上，平台前方放置一液晶显示屏，显示赛车动画场景，操作者可以通过操纵杆进行起动、加速、左右拐、侧滑、刹车、颠簸行使等动作，同时仿真台根据这些动作进行动态模拟，让操作者亲身体验赛车动感。
 
图4：F1赛车运动仿真台现场实景图
F1赛车运动仿真台为六自由度运动平台的开发应用，主要由计算机操作动画系统、六缸液压伺服运动系统和实时控制系统组成。
计算机操作动画系统采用高性能服务器主机与34”液晶显示屏，动态模拟赛车场景。
六缸液压伺服运动系统采用进口比例伺服阀控制，频响时间小于20ms，液压缸内置高精度位移传感器。另单独配有提供动力的泵站单元。
实时控制系统根据计算机系统的动作指令信号动态运算并调节控制液压缸动作，实现与动画场景动作同步。
9.3  特种机车驾驶模拟器
特种机车驾驶模拟器主要由六自由度平台、实物驾驶室、模型小车、地貌沙盘、视景影像系统等组成。实现了特种机车驾驶视觉、听觉、操纵、环境、不同路况、不同气候等的综合模拟。
实物驾驶室内主要部件如档位、方向盘、仪表板、座椅等均采用实车部件。方向盘力矩按实车模拟，力求在操纵上有实车感觉。

图5：特种机车驾驶模拟器现场实景图
模型小车按照实物驾驶室内发出的各种指令（加减速、左右转向、刹车、颠簸等），在地貌沙盘上行驶，同时将地貌状况传输给影像虚拟场景系统，模型小车实际空间坐标参数（中心点空间位置X，Y，Z及欧拉夹角α，β，γ） 反馈给六自由度控制器，控制系统计算并仿真出模型小车实际动感状态。
9.4 海浪模拟器
 
六自由度平台可以模拟海浪动作，以验证舰艇、船舶等在实际航行时的各项参数指标。

图6：海浪模拟器现场实景图
9.5  飞机和飞碟模拟器

图7：飞机模拟现场实景图
飞机和飞碟模拟器主要应用于娱乐行业，如科技馆、游乐场等。可以模拟飞行器的空中各种飞行姿态，辅以空间魔幻场景，给人一种身临其境的美感。

图8：飞碟模拟现场实景图