六自由度系统集成设计(一)

六自由度运动系统集成设计姜洪洲（[e-mail]）机电学院流体控制及自动化系课程主要内容并联机构的概念、特点、发展史、应用并联机构的基础知识耦合分析与各向同性设计单叶双曲面上的并联机构1Stewart运动平台的概念Anysystemconnectedtotheenvironmentthroughsixparalleljointswithfive(passive)rotationalandone(active)translationd.o.fisconsideredaStewartplatformgiifgnF1)1(66182)11814(6FGeneralizedStewartPlatform（广义）KutzbachGrubler公式，是一般形式的空间机构自由度计算公式1Stewart运动平台的概念上铰点与下铰点分别组成了两个等边三角形两三角形布置相差180度六个执行机构参数完全一样SpecificStewartPlatform（标准或狭义）1Stewart运动平台的概念执行器正交布置的振动台yX2X1Y2Z2Z1Z3Z4xY128001600GeneralizedStewartPlatform确定输入超确定输入（具有冗余支腿）1Stewart运动平台的概念Stewart平台的变体——三自由度摇摆台机构布置：液压伺服作动器和拉杆的布置如图所示，其中1、2为垂直作动器，3为水平作动器4、5、6为拉杆。本质上，它是6-TPS型六自由度并联机构的变体，即把其中三个支腿的滑动副约束掉，成为三自由度并联机构。自由度：图中所示机构具有三个自由度。可以从运动平台的平移和转动六个运动参数中任选三个，作为此机构的广义坐标。此机构的作用主要是实现摆动，所以选取欧拉角作为广义坐标。由作动器1、2、3产生的转动的同时，不可避免地产生平动牵连运动。GeneralizedStewartPlatform1Stewart运动平台的概念下铰并非在同一个平面内这是系统集成优化设计的结果GeneralizedStewartPlatform2Stewart运动平台的主要特点并联机构的运动平台同时经由6根杆支撑，与串联的悬臂梁相比，刚度大，而且结构稳定；由于刚度大，并联机构较串联机构在相同的自重或体积下，有高得多的承载能力；串联机构的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大、精度低，并联机构的误差趋于平均化，因此误差小、精度高；串联机构的驱动系统及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯量，恶化了动力性能，而并联机构则很容易将电机置于机座上，减小了运动负荷，动力性能好；位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难，反解却非常容易。串联并联的“对偶”关系比较项目串联机构并联机构工作空间刚度奇异性负载能力惯量结构精度速度加速度正解反解动力学控制设计的复杂性成本大低有一些低大简单误差积累较低较低容易困难复杂较简单低较高小高多高小复杂误差平均化较高较高困难通常容易非常复杂复杂高较低2Stewart运动平台的主要特点3国内外主要研究团体J.P.Merlet（法国国家科学院）黄真（燕山大学）黄真，孔令富，方跃法著.并联机器人机构学理论及控制.北京：机械工业出版社，1997，12参考教材黄真，并联机器人机构学理论及控制,机械工业出版社.1997个人简况：1959年毕业于哈尔滨工业大学机械工艺专业，现任燕山大学机械工程学院教授，博士生导师。我国最早的一位从事并联机器人研究的学者。参考教材液压6-DOF并联机器人操作手运动和力控制的研究.河北大学出版社.2001河北大学校长王洪瑞教授J-P.Merlet参考教材法国国家信息与自动化研究所（INRIA）参考教材G.Gogu.StructuralSynthesisofParallelRobots,Springer,2006罗马尼亚人现为法国某大学教授博士学位：机床动力学；博士学位：机器人；参考教材McGillUniversity加拿大魁北克省蒙特利尔IFToMM,theInternationalFederationforthePromotionofMechanismandMachineScience;黄真知名学者方跃法：北交大研究生院副院长高峰：河北工大校长、上海交大孔令富：燕山大学副校长李秦川：浙江理工教授王洪瑞：河北大学校长学生：赵永生：燕山大学机械工程学院院长赵铁石：燕山大学科学技术研究院副院长J.P.Merlet知名学者知名学者McGillUniversity加拿大魁北克省蒙特利尔印度BhaskarDasgupta知名学者T.S.Mruthyunjaya著名的综述性文章：TheStewartplatformmanipulator:areview2000印度理工、坎普尔印度理工、班加罗尔Stewart平台StewartD.Aplatformwith6degreesoffreedom.Proc.oftheInstitutionofmechanicalengineers,180(Part1,15):371–386,1965.引用次数：1200次4并联机构提出与历史Stewart平台4并联机构提出与历史GoughGoughtire-testingmachine1947年，英国EricGough博士4并联机构提出与历史Cappel,K.L.1960sbyCappelforhelicoptersimulator4并联机构提出与历史专利US3295224年4并联机构提出与历史4并联机构提出与历史Cappel,K.L.1960sbyCappelforhelicoptersimulator4并联机构提出与历史振动台4并联机构提出与历史K.H.Hunt(1920-2002)澳大利亚莫那什大学机构学教授提出将并联机构用于机器人领域1990,OxfordUniversityPress(Oxford,NewYork)4并联机构提出与历史K.H.Hunt发表串并对偶性文章Series-parallelDualitiesinActivelyCoordinatedMechanismsKennethJ.WaldronKennethH.HuntOhioStateUniversityMonashUniversityColumbus,Ohio,U.S.A.Clayton,Victoria,AustraliaItwillbedemonstratedthatthereisadeepsymmetrybetweenserialchainmanipulatorsandfullyparallelsystemssuchastheStewartplatform.4并联机构提出与历史5并联机构方面的顶级国际期刊IEEETransactionsonRobotics(TRO):foundedin1985,publishedbytheIEEE.InternationalJournalofRoboticsResearch(IJRR):foundedin1982,publishedbySAGEPublications.JournalofMechanicalDesign(JMD):foundedin1978,publishedbytheASME.MechanismandMachineTheory(MMT):foundedin1966,officialjournalofIFToMM,publishedbyElsevier.RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing(RCIM):foundedin1988,publishedbyElsevier.AdvancedRobotics(AR):foundedin1986,officialjournaloftheRoboticsSocietyofJapan,publishedbyBrill.JournalofIntelligentandRoboticsSystems(JIRS):foundedin1988,publishedbySpringer.Robotica(Ro):foundedin1983,officialjournaloftheInternationalFederationofRoboticsandCLAWAR,publishedbyCambridgeUniversityPress.ArticlesonparallelrobotsintheeightjournalsstudiedTROIJRRJMDMMTRCIMARJIRSRoJ.-P.Merlet26350111C.M.Gosselin131127190001V.Parenti-Castelli121510001M.Shoham54342001J.Angeles41621101Articlesonparallelrobotsin20082(1%)4(5%)20(13%)28(26%)3(4%)5(6%)3(5%)11(16%)6Stewart运动平台的主要应用1)运动模拟（飞行模拟、驾驶模拟、道路模拟、海浪模拟、空间对接地面试验）2)并联机床3)并联机器人精密定位装置（微动机构、大规模集成电路加工、并联挖掘机械、空间装配机械手、大型望远镜、照相机聚焦等）4)六维力/力矩传感器5)隔振平台（利用它的快速响应能力）6.1运动模拟——空间对接日本航天局空间对接机构地面半物理仿真设备6.1运动模拟——空间对接俄罗斯空间对接机构地面半物理仿真综合试验台6.1运动模拟——空间对接大回路系统攻关试验项目为超前开展的综合试验台关键技术攻关项目之一。该项目验证了大回路工作原理的正确性、验证了控制系统一体化开发方案的可行性、并积累了丰富的调试经验。解决了动力学基频与运动模拟器频宽关系问题、大回路力控制阶段系统稳定性问题，为下一步进行对接机构综合试验台的设计提供了理论与实验上的依据。下一步继续进行平台标定、碰撞检测等项研究对接机构综合试验台大回路攻关试验哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究研制6.1运动模拟——飞行模拟加拿大CAE公司建造的飞行模拟器6.1运动模拟——飞行模拟荷兰DELFT大学InternationalResearchInstituteofSimulation,MotionandNavigation(SIMONA)国际研究院研制的世界上最先进的飞行模拟器（2002）6.1运动模拟——道路模拟TheUSArmy'sTank-automotiveandArmamentsCommand(TACOM)建造的用于坦克武器装备试验的运动模拟设备6.1运动模拟——汽车驾驶模拟建在美国依阿华大学的目前世界上最先进的汽车驾驶模拟器（MTS制造）1994年，美国Giddings&Lewis公司展出第一台并联运动机床：Variax加工中心，该机床现在英国Nottingham大学工学院1996年，美国Ingersoll公司推出VOH1000型立式加工中心和HOH600型卧式加工中心，现分别在美国国家标准与技术研究所和德国阿亨工业大学机床实验室6.2并联机床Variax加工中心6.2并联机床6.2并联机床并联机床，又称虚拟轴机床或并联运动机构(PKM)。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物。图中为Ingersoll公司生产的VOH-1000五轴成型中心，其机构形式采用标准Gough