六自由度系统集成设计(一)

1 Stewart运动平台的概念
Generalized Stewart Platform
下铰并非在同一 个平面内
这是系统集成优 化设计的结果
2 Stewart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
2 Stewart运动平台的主要特
比较项目
点 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
黄真，并联机器人机构学理论及控制, 机械工业出版社. 1997
参考教材
河北大学校长 王洪瑞教授 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
J-P. Merlet
参考教材
http://www-sop.inria.fr/members/JeanPierre.Merlet/merlet_eng.html
1 Stewart运动平台的概念
Generalized Stewart Platform
执行器正交布置的振
动台
2800
Y1
Y2
确定输入
1600
X2
Z2
Z4
X1
x
Z1
Z3
y
超确定输入 （具有冗余支腿）
1 Stewart运动平台的概念
Generalized Stewart Platform
Stewart 平台的变体——三自由度 摇摆台
4并联机构提出与历史
Stewart平台
Stewart D. A platform with 6 degrees of freedom.
Proc. of the Institution of mechanical engineers,
六自由度运动系统集成设计
姜洪洲（jianghz@hit.edu.cn） 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
1 Stewart运动平台的概念
Generalized Stewart Platform（广义）
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6TPS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。
法国国家信息与自动化研究所（INRIA）
参考教材
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；
G. Gogu. Structural Synthesis of Parallel Robots,
参考教材
McGill University 加拿大魁北克省蒙特利尔
IFToMM, the International FedeHale Waihona Puke Baiduation for the Promotion of Mechanism and Machine
知名学者
Jorge Angeles
McGill University 加拿大魁北克省蒙特利尔
知名学者
印度Bhaskar Dasgupta
T.S. Mruthyunjaya
印度理工、坎普尔
印度理工、班加罗尔
著名的综述性文章： The Stewart platform manipulator: a review 2000
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
http://www-sop.inria.fr/coprin/equipe/merlet/merlet_eng.html
参考教材
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。
知名学者
黄真
方跃法：北交大研究生院副院长 孔令富：燕山大学副校长
学生：
赵永生：
高 峰：河北工大校长、上海交大燕山大学 机械工程学院院长 赵铁石：
王洪瑞：河北大学校长
燕山大学科学技术研究院副院长
李秦川：浙江理工教授
知名学者
J.P. Merlet
http://www-sop.inria.fr/members/JeanPierre.Merlet/merlet_eng.html
platform
i 1
F 6 (14 18 1) 218 6
Kutzbach Grubler公式，是一般形式的空间机构自由度计算公式
1 Stewart运动平台的概念
Specific Stewart Platform（标准或狭义）
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
Any system connected
to the environment
through six parallel
joints with five (passive)
rotational and one
(active) translation d.o.f
g
is considered a Stewart F 6(n g 1) fi