六自由度运动平台液压伺服系统的建模与仿真
六自由度平台动力学仿真研究
六自由度运动平台动力学仿真研究陈勇军（华中光电技术研究所—武汉光电国家实验室，武汉430223）摘要：针对六自由度运动平台设计过程中遇到的问题，文中运用ADAMS软件对六自由度运动平台运动过程进行仿真研究，并进行可平台的逆运动学和正运动学仿真。
仿真结果表明：通过仿真可以检测该机构运动过程中的干涉情况，也可直观再现平台的运动过程。
还可求出平台的位置反解和位置正解，大大减少了工作量，缩短了产品的研制周期。
关键字：六自由度运动平台；动力学分析；仿真；正解；反解Research on Simulation of Dynamic Analysis on Six-DOFMotion PlatformCHEN Yongjun（Huazhong Institute of Electro-optics—Wuhan National Laboratory for Optoelectronics，Wuhan430223，China）Abstract:Due toKeywords: Six-DOF motion platform ; dynamic analysis ; simulation; positive solutions; anti-positive solutions1 引言六自由度运动平台通过模拟物体在三个方向的平动和转动，即前后平移、左右平移、上下垂直运动、俯仰、滚转和偏航及复合运动，进而可模拟出各种空间运动姿态。
六自由度平台作为一种重要的仿真实验设备，已广泛应用于导弹、飞机、舰船和车辆等领域的模拟训练，还可用来模拟地震的情景，在动感电影、娱乐设备等领域也有应用。
六自由度运动平台主要由上下两个平台和六个并联的、可独立自由伸缩的缸组成，其中伸缩缸与平台通过球铰联接，通过改变伸缩缸的长度就可实现上平台的各种空间运动[1]。
要准确的控制上平台的运动姿态就需要精确的控制六个缸的运动，这样就要求我们了解六自由平台的位置反解和位置正解的算法。
关于六自由度液压伺服运动系统研究论文
关于六自由度液压伺服运动系统研究论文关于六自由度液压伺服运动系统研究论文飞行模拟机是一个复杂的实时仿真系统，它能够模拟飞机的各种飞行状态，给飞行员提供逼真的视觉、听觉、动感和力感。
飞行模拟器液压伺服运动系统是一个六自由度运动平台，它能够作绕空间坐标3 个轴的俯仰、横滚、偏航角运动和沿3 轴的升降、横移、纵移直线运动。
平台有6 套独立的液压伺服系统，计算机通过控制6个作动筒的伸缩，来实现运动平台在6 个自由度上的运动。
1 六自由度运动系统结构六自由度运动系统主要包括以下部分: 万向铰链下支座、液压作动筒、储能器、万向铰链上支座、油源、控制电缆以及运动控制计算机。
1. 1 万向铰链支座组件每一个万向铰链上、下支座组件包括两个接头，它与运动平台的底部或地面相连，平台可以在最大偏移包线内自由运动，而没有任何机械阻碍。
万向铰链上支座接头的主轴和辅助轴上装有楔形的滚珠轴承，万向铰链下支座接头的主轴和辅助轴上装有滚柱轴承，所有的轴承都被调整到在指定负载情况下可无间隙地转动。
1. 2 伺服作动筒组件运动伺服作动筒是一个活塞杆以及活塞上带有静压轴承的不对称液缸，6 个作动筒控制整个运动平台6 个自由度的运行。
其中液压作动筒的设计比较特别，它包括液压缸、液压管、电液伺服阀、溢流阀、单向阀、节流阀以及位移传感器。
1. 3 油源油源被设计为一个完整独立的.分系统，包括运动及油冷却所需的泵、驱动电机、控制装置、油箱、相关设备以及阀门。
运动泵由一台110 kW 的电机驱动，泵容量可变并进行压力补偿。
在系统压力为19MPa 时，系统最大流量可调节到将近422 L /min，连续流量为292 L /min。
泵的最小额定工作压力为25MPa。
运动泵从油箱中吸油。
油箱的入口和出口被隔开，以更好地散热。
高压储能器直接安装在油源上。
正常工作时，泵、控制阀或者其他的液压系统组成部分不会发生气穴现象，阀门也不会震颤。
在具体工程中，油源的流量和压力根据需要发生改变。
六自由度液压伺服平台实验报告
六自由度液压伺服平台实验报告一、实验目的。
1、掌握电液位置伺服控制系统的基本原理；2、掌握六自由度平台的结构解算的概念及其软件实现；3、掌握VB6.0软件与下位机PAC通过以太网通信的方法；4、掌握6SPT-1六自由度液压伺服平台复现指令信号的实施方法。
二、实验方式：演示实验。
三、实验内容。
1、根据六自由度平台系统原理图和相关电气元器件接线说明设计电控系统，演示模拟地震实验；2、了解影片动作文件的编辑，熟练操作六自由度影片播放软件；3、熟练操作六自由度平台调试软件；四、实验原理。
1、电液位置伺服控制系统的基本原理电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。
只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。
控制系统结构图如图3.1所示：图3.1电液位置伺服控制系统结构图2.六自由度平台逆解算法图3.2 空间机构位置关系示意图六自由度平台又称为Stewart平台，其结构如图3.2所示，Stewart 平台由上、下两个平台、六个驱动关节和连接球铰组成，上平台为运动平台，下平台为基座，上、下平台的六个铰点分别组成一个六边形，连接6个液压缸作为驱动关节，每个液压缸两端各连接一个球铰。
六个驱动关节的伸缩运动是独立的，由液压比例压力阀控制各液压缸作伸缩运动，从而改变各个驱动缸的长度，使动平台在空间的位置和姿态发生变化。
因此该平台是通过六个驱动杆的协调动作来实现三个线性移动及三个转动共六个自由度的运动。
Stewart平台机构的空间位置关系是指运动平台的六个自由度与六个驱动杆长度的关系，是研究该并联机构最基本的任务，也是机构速度、加速度、误差分析、工作空间分析、动力分析等的基础。
对于6-SPS平台机构，其特点是动静平台铰点共面，考虑到工作空间的对称性要求，将平台的6个铰点分成3组，三组铰点沿圆周120°均布，动、静平台的相邻两边到中心的夹角分别为30°和90°。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：近年来，随着工业自动化的快速发展，机械臂在生产制造领域的应用越来越广泛。
作为工业机器人的重要组成部分，机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点。
本文围绕六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真展开研究，通过对机械臂的结构、动力学模型和运动学原理的分析，设计了一套完整的机械臂控制系统，并进行了运动学仿真验证实验。
研究结果表明，该控制系统能够实现六自由度机械臂的准确控制和精确运动。
关键词：六自由度机械臂，控制系统，运动学仿真，结构分析，动力学分析1. 引言机械臂是一种能够替代人工完成各种物体抓取、搬运和加工任务的重要设备。
随着工业自动化程度的提高和生产效率的要求，机械臂在生产制造行业中的应用越来越广泛。
机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点，尤其是六自由度机械臂。
六自由度机械臂具有较大的运动自由度，在复杂任务中具有更强的工作能力和适应性。
因此，研究六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真对于改善机械臂的性能和应用具有重要意义。
2. 机械臂结构分析六自由度机械臂的结构由底座、第一至第六关节组成。
底座作为机械臂的固定支撑，通过第一关节与机械臂连接。
第一至第四关节形成了前臂部分，决定了机械臂的悬臂长度。
第五关节和第六关节分别为腕部和手部，负责完成机械臂的末端操作。
结构分析可以为后续的动力学和运动学建模提供基础。
3. 动力学模型机械臂的动力学模型是基于牛顿第二定律和欧拉定理建立的。
通过考虑机械臂各关节的质量、惯性和振动特性，可以对机械臂的力学性能进行描述。
动力学模型的建立是机械臂控制系统设计的重要基础。
4. 运动学原理机械臂的运动学原理研究机械臂的位置、速度和加速度之间的关系。
通过运动学原理可以确定机械臂的姿态和末端位置，实现机械臂的准确定位和精确控制。
运动学原理是机械臂控制系统设计和运动学仿真的重要内容。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：机械臂在现代工业自动化领域中扮演着重要的角色。
为了更好地应对复杂的工业任务，提高生产效率和精度，本文设计了一套六自由度机械臂控制系统，并利用运动学仿真进行了验证。
文章首先介绍了机械臂的概念及其应用领域，然后详细介绍了六自由度机械臂的结构、运动学原理以及控制系统设计方案。
最后，通过运动学仿真实验验证了设计方案的可行性和稳定性，为进一步进行实际应用提供了有力支持。
一、引言机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机械装置，广泛应用于工业制造、物流配送、医疗辅助等领域。
随着自动化技术的发展，机械臂正在不断发展和完善。
其中，六自由度机械臂由于其结构灵活、多功能和高精度的特点，成为研究和应用较多的一种类型。
二、六自由度机械臂结构与运动学原理六自由度机械臂由机械臂底座、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和末端执行器组成。
每个关节都有一个自由度，使得机械臂可以在六个方向上进行运动。
机械臂的运动是通过电机控制与驱动的。
机械臂的运动学原理是通过求解机械臂的位置、速度和加速度，来实现机械臂的运动控制。
机械臂的位置可以通过关节角度得到，而关节角度可以通过编码器和传感器实时获取。
机械臂的速度和加速度可以通过微分、反向运动学求解得到。
利用运动学原理，可以在给定任务下控制机械臂的精准运动。
三、六自由度机械臂控制系统设计方案本文设计的机械臂控制系统采用了嵌入式控制器进行控制。
主要原因是嵌入式控制器具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，能够满足机械臂控制系统的需求。
控制系统主要包括关节驱动模块、通信模块、控制算法和人机交互界面。
其中，关节驱动模块用于控制机械臂的运动，通信模块用于与上位机进行数据传输，控制算法用于实现机械臂的运动控制，人机交互界面用于操作和监控机械臂的运动状态。
四、运动学仿真实验与结果分析为了验证设计方案的可行性和稳定性，本文进行了运动学仿真实验。
6自由度液压振动台流量仿真
6自由度液压振动台流量仿真牛宝良【摘要】为解决6自由度液压振动台流量设计问题,建立基于Simulink的6自由度液压振动台流量仿真模型,输入波形是加速度,再通过模型转换得到速度波形,速度波形乘以缸数、缸有效面积得到流量,合成得到3轴向总的流量需求,同时得到蓄能器应提供的补充流量、蓄能器应释放的总油液容积.仿真表明,不论是地震波还是正弦拍波,都能通过仿真快速得到流量波形、油液容积等重要的参数.本方法可以快速准确获得给定缸面积、缸峰值速度、给定运动加速度波形下的总流量需求、蓄能器应提供的流量及蓄能器应提供的油液容积,为3轴6自由度液压振动台的流量设计提供参考.%To get total flow requirement of a tri-axial 6-DOF hydraulic shaker, its Simulink model is established to simulate the flow process of the shaker table. The input wave is the acceleration wave. It is translated into a velocity wave by this model. Then, the velocity is multiplied by the available sectional area of each cylinder and the number of the cylinders to get the flow rate in each axial direction. Finally, the three axial flows are combined to get the total flow requirement. Meanwhile, the complementary flow supplied by the accumulator and the total oil volume released by the accumulator are obtained. The results of simulation show that the flow wave and the oil volume can be obtained quickly through the simulation for either seismic wave or sinusoidal beat wave input. Using this method can quickly and precisely obtain the total flow requirement, the flow and oil volume provided by the accumulator when the area of the cylinder, peak velocity of the cylinder and the acceleration wave are given.The results provide an effective reference for design of the hydraulic system of the tri-axial 6-DOF hydraulic shaker.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2018(038)0z1【总页数】5页(P121-125)【关键词】振动与波;流量;三轴6自由度振动台;液压;Simulink【作者】牛宝良【作者单位】中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621999【正文语种】中文【中图分类】TB534+.2振动问题当今工程界的重要问题之一，振动台提供可控、可重复的振动环境或者振动激励，为振动问题的研究带来方便。
六自由度液压平台系统的设计与有限元分析
摘要六自由度运动平台是一种空间运动的模拟器，在其允许的工作范围内可完成任意空间运动的模拟，目前已广泛运用于军事、航天航空、游戏娱乐、汽车制造等领域。
其工作原理：下平台固定，借助六支油缸的伸缩运动，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。
六自由度运动平台系统是由液压站、工作平台、伺服系统和电气控制系统组成。
液压站包括泵组、蓄能器组、阀组、滤油器组、油箱、冷却器组及附件等。
工作平台是由上平台、下平台、6个虎克铰链、6个球铰链及其他附件等组成。
伺服系统包括伺服放大器、比例伺服阀、伺服油缸、位置传感器、伺服电机等。
电气控制系统包括继电器、按钮、限位开关、熔断器等电气元件。
在本次设计中，首先确定六自由度运动平台系统的工作方式：由液压站提供动力，使液压缸运动，6个液压缸并联运动带动工作平台在空间6自由度的运动；位移传感器将位移信号传送给伺服控制系统，并转换信号控制伺服阀的阀芯运动从而控制液压油的流量，进而控制液压缸的进给量与进给速度；设计电气原理图，控制整个系统的开关、报警、紧急制动等。
本次设计完成内容有：1、工作平台的总设计：确定工作平台的结构并计算自由度确定结构的合理性，再根据参数设计上平台与下平台的大小与结构。
2、根据计算，选定液压缸的型号为：CK F/20-80/56*0400-C406-A-B1E3X1Z3。
3、确定液压原理图，设计液压站，计算相关参数并对相关零件进行选型，以及油箱、油箱盖、阀块的设计。
4、确定伺服系统，根据计算，对相关零件进行选型。
5、设计电气原理图，控制整个系统的开关、报警、紧急制动等。
6、对油箱体理想化后进行有限元分析并得出结论。
关键词：六自由度，液压，六自由度液压平台，有限元分析，液压站目录1 绪论 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2六自由度平台国内外研究状况 (2)1.3 课题研究方案 (3)2 总方案设计 (5)2.1设计思路 (5)2.2液压站组成设计 (5)2.3工作台组成设计 (8)2.4液压油走向设计 (8)2.5 控制系统设计 (10)3 六自由度工作台结构设计 (11)3.1工作台的总体设计 (11)3.2六自由度平台的合理性分析 (13)3.3上平台与下平台的设计 (13)4 液压缸的选型 (17)4.1确定油缸的最大推力 (18)4.2确定油缸的基本尺寸 (19)4.3确定油缸的工作压力 (20)4.4确定所用位移传感器的类型 (20)4.5确定安装方式 (20)4.6行程的确定 (21)4.7缓冲器的选择 (21)4.8支撑环的选择 (22)4.9密封形式的选择 (22)4.10油口和缓冲调节器的组合位置 (23)4.11阀安装底板 (24)4.12确定液压缸型号 (24)5 液压站的设计 (26)5.1确定液压系统原理图 (26)5.2液压泵的选型 (27)5.3电机的选型 (29)5.4蓄能器的选型 (30)5.5过滤器的选型 (30)5.6冷却器的选型 (31)5.7温度表选型 (31)5.8压力表的选型 (32)5.9液位计的选型 (32)5.10阀块的设计 (32)5.11 油箱的设计 (33)5.12 油箱盖的设计 (35)6 伺服系统的设计 (36)6.1 比例伺服阀的选型 (36)6.2 先导式溢流阀的选型 (37)6.3 伺服放大器的选型 (39)6.4 位移传感器的选型 (39)7 电气原理图的设计 (40)7.1 主电路的设计 (40)7.2 控制电路的设计 (41)8 有限元分析 (43)致谢 (47)参考文献 (48)1 绪论1.1 课题背景及意义六自由度运动平台是一种空间运动的模拟器，在其允许的工作范围内可完成任意空间运动的模拟，目前已广泛运用于军事、航天航空、游戏娱乐、汽车制造等领域。
六自由度汽车驾驶运动模拟器设计
摘要汽车驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人—车—环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。
近年来，由于具有安全性高、再现性好、可开发性强、成本低等显著特点，研究开发驾驶模拟器已经成为国内外一个重要发展方向。
本文在查阅国内外大量资料的基础上，结合老师的研究课题主要对六自由度汽车驾驶模拟器液压系统部分进行设计。
六自由度汽车运动模拟器采用液压伺服阀控制液压缸来驱动模拟平台的运动，以实现汽车驾驶模拟器运动姿态模拟。
本文主要进行机械机构的设计、液压伺服系统设计、液压泵站设计和液压缸的设计等。
通过模拟器的机构设计和驱动液压伺服系统设计，结合电气系统能够实现汽车在不同运行状态的模拟，当驾驶员坐在驾驶舱系统的座椅上进行模拟驾驶时，完全能够感受到实际汽车驾驶的各种体感，为实车训练驾驶提供了可替代的模拟平台；本设计也为今后的进一步研究及其在娱乐模拟器、动感电影等产业的实际推广和应用方面奠定了基础。
关键词：汽车驾驶模拟器六自由度运动平台液压伺服系统运动姿态控制AbstractThe Automobile-driving i an important tool which used for the development of auto mobile product and the study of the transportation characteristics of “man-car-environment”or the driver training .In recent years, the study of the automobile-driving simulator used for development has become an important development direction in the world because of the notable characteristics of high safety, well reappearance of scene, easy to develop and low cost.This article is based on searching the large quantity of information about at home and abroad, and combines with the tea cher’s research task which mainly designs the part of 6-dof driving Simulator of hydraulic system .The 6-dof motion simulator adopts valves of hydraulic servo to control actuator to drive the movement of driving simulation platform, and to achieve the movement posture simulation of the automobile driving simulator. This article is mainly about the designing of machine, the system of hydraulic servo, hydraulic pump station, and actuator and so on.According to the designing of agencies of simulator and hydraulic servo system, it can combines the electrical system which can bring out the imitation of cars in different movement conditions, when the driver simulating drive on the seat of cockpit system, you can feel the feeling of driving a true car, and it also offer the simulator platform which can be replaced for true driving training. At the same time, this designing is also establishes for the further researches and the practice extension and use.Keywords:Driving-automobile simulator, 6-dof of motion platform, the system of hydraulic servo, the control of campaign attitude目录1绪论 (1)引言 (1)国内外发展现状 (2)1.2.1国内外研究和发展概述 (2)1.2.2驾驶模拟器的应用和发展 (3)课题任务 (5)论文的主要研究内容 (5)2 运动学及力学分析 (6)六自由度运动模拟器机构位置反解 (6)2.1.1坐标系的建立 (6)2.1.2广义坐标定义 (6)2.1.3坐标变换矩阵 (7)2.1.4液压缸铰支点坐标的确定 (8)2.1.5位置反解 (10)六自由度运动模拟器机构位置正解 (11)静力学分析 (11)3 机械及液压部分设计 (12)运动模拟平台的设计 (12)3.1.1液压缸内壁D活塞杆直径d的计算 (12)3.1.2液压缸壁厚和外径的计算 (14)3.1.3缸盖壁厚的确定 (14)3.1.3液压缸工作行程的确定 (15)3.1.4缸体长度的确定 (15)3.1.5液压系统的计算 (15)液压泵站 (17)铰链的设计 (18)执行机构单元组成 (21)电液伺服控制单元与液压系统 (22)反馈单元 (23)4 电气部分设计 (24)电气原理及接口设计 (24)4.1.1MCS-51系列单片机的引脚及其功能 (24)4.1.2单个电液伺服液压缸位置控制电路设计 (26)4.1.3扩展电路 (26)电气原理图 (27)5 结论 (28)本文结论 (28)本文研究工作的不足 (28)参考文献 (29)致谢 (30)1绪论引言驾驶模拟器是一种用于汽车产品开发、“人－车－环境”交通特性研究或驾驶培训的重要工具。
基于SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真
铰接元件 , 采用万向节铰接设计 。这样 , 在支路 上 , 上 、下万向节各有 2个转动的自由度 , 液压缸伸 缩有 1 个移动自由度 , 缺少的 1 个转动自由度 由液压缸和液压活塞杆 的相对转动实现 。
的可行性及其工作性能的分析 , 更好地理解系统的运
动特性 、动力特性 , 比较设计方案 , 优化设计 , 提高 产品质量和机械设计效率等 。仿真模型的建立和模拟
现实条件是虚拟样机的重要基础 。笔者设计的六自由
度液压平台因其自由度较多 , 正过程的运动仿真比较 困难 , 进行运动逆过程的仿真 , 即给定末部执行器的
体 、力传感器间的连接为转动副 ( Revolute) , 活塞
杆与缸体 、位移传感器测杆与主体间为圆柱副 ( Cy2 lindrical) 等定义整个平台 。
了位移运动和旋转运动两种运动方
式 , 每种方式提供无驱动 、位移 (角度 ) 驱动 、速
度 (角速度 ) 驱动 、加速度 (角加速度 ) 驱动等运
所示 。 下平台为固定平
图 1 六自由度液压 平台装配模型
台 , 上平台是可动平
台 , 采用 6根变长杆机构驱动 。6 根变长支杆采用铰 接在上 、下平台之间的液压缸进行运动驱动 。从模仿 人肌肉的角度出发 , 为体现机构 、检测一体化的思 想 , 将力传感器分别集成在液压平台的 2个平台间的 6个液压缸的缸杆上 , 用 6 个一维拉 、压传感器检测 1个六维力 。
计 、机械创新等的教学与研究工作 。电话 : 0431 - 85711302, E - mail: ZZX - CC@1631com。
六自由度运动模拟器
基于模型的阻抗控制六自由度电液斯图尔平台摘要—本文详细描述了一个以模型为基础的阻抗控制六自由度电液斯图尔平台，刚体和电液伺服阀模型，包括所用伺服阀模型和一套完整的系统方程，也包括摩擦和泄漏液压原件。
所设计的控制器是采用系统动力学和液压模型产生伺服阀电流。
控制规则包括反馈和前馈两个单独的部分。
根据指定的特性阻抗过滤器会修改所需的轨迹，修改后的轨迹被送入系统模型，以减少非线性液压动力的影响。
提出了模拟的典型期望轨迹，并得到了拥有良好性能的控制器。
1．导言最早的6自由度（DOF）斯图尔特高夫平台是在1954年发明的。
在1965年，样机的平行机构被用做一个具有六自由度运动平台的飞行模拟器。
此后，许多关于这种机构以及相关研究被发表，该机构可以是电动也可以是液动。
许多研究人员已经研究了斯图尔特平台的动力学和运动学。
然而驱动力却没有被考虑完全。
虽然电动斯图尔平台已被广泛运用，但是很少有研究是关于包括驱动和控制的完整动力学。
阻抗控制被认为是一种积极的兼容的运动控制，主要需要行业应用并于周围环境相互作用，例如数控机床，铣床等。
这种控制器同时具有安全性和灵活性，相对而言是首选。
液压科学与控制相结合，得到了新的液压系统的应用。
这也是为什么液压系统会被作为一些工业和移动式应用机电驱动的首选。
包括它们大批量快速生产的能力，它们的耐久性和刚度，还有他们的响应速度，液压体系不同于机电体系，在液压体系中力或例句输出与执行器的电流是不成真比的，因此，液压执行器不能作为力矩的来源模仿，但是可以作为受控阻抗，所以，要设计出了控制机器人的控制器。
驱动力/力矩的虚拟设置在这里始终不可行。
控制技术被用来补偿电动液压伺服系统的非线性。
研究人员已经提出了关于液压伺服系统的非线性自适应控制技术的假设、反推以及方式。
一个强力的控制器是在非线性定量反馈理论的基础上设计的，已被工业液力执行机构所实现，同时考虑了系统和环境的不确定性。
一个电动机械手控制的统一方式适用于任何提案。
六自由度运动平台的仿真研究说课讲解
六自由度运动平台的仿真研究六自由度运动平台的仿真研究天津工程机械研究院杨永立摘要：本文分析了六自由度运动平台分别采用球铰链和万向节铰链进行连接时的自由度，运用欧拉角、旋转变换的方法推导出位置反解方程，介绍了数值迭代法进行位置正解的过程。
关键词：并联，局部自由度，位置反解，位置正解。
1. 简介运动平台按结构形式可分为串联和并联两大类。
与串联形式相比，并联形式具有刚度大、承载能力强、结构简单、运动负荷小、能实现包括横移、纵移、升沉等多个自由度运动等特点。
同时，串联形式的优点也很明显，其具有运动空间大，测量精度高，运动、受力分析相对简单、控制、测量的实现相对容易，且每个自由度都能独立运动等特点。
六自由度运动平台（如图1所示）是由六条油缸通过万向节铰链（或球铰链）将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条油缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X ，Y ，Z ，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。
2. 自由度的确定若在三维空间有n 个完全不受约束的物体，任选其中一个作为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n 个物体相对参照物共有6(n-1)个运动自由度。
若在所有物体之间用运动副联接起来组成机构，设第i 个运动副的约束为u i （1到5之间的整数），如果运动副的总数为g ，则机构的自由度M 为：∑=--=gi i u n M 1)1(6利用上述公式计算一下如图1所示运动平台(采用球铰链)的自由度数。
将油缸分解为缸筒和活塞杆，则总的构件数n=14，油缸与上下平台之间的连接为12个球铰链（约束为3），缸筒和活塞杆构成6个既可以相对移动，又可以相对转动的运动副（约束为4），则平台的自由度M 为：∑=--=g i iu n M 1)1(6=6 (14－1)－(3×12＋4×6)=18计算结果出人意料，平台似乎无法只通过六条油缸进行驱动。
但是，如果保持上平台和缸筒固定不动，由球铰链的特性可知，活塞杆仍然可以相对其轴线转动；同理，缸筒也具有同样的效应。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真一、本文概述随着机器人技术的快速发展，六自由度机械臂作为一种重要的机器人执行机构，在工业自动化、航空航天、医疗手术等领域得到了广泛应用。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真研究对于提高机械臂的运动性能、优化控制策略以及实现高精度操作具有重要意义。
本文旨在深入探讨六自由度机械臂控制系统的设计原理与实现方法，并通过运动学仿真验证控制系统的有效性和可靠性。
本文将首先介绍六自由度机械臂的基本结构和运动学原理，包括机械臂的正运动学和逆运动学分析。
在此基础上，详细阐述六自由度机械臂控制系统的总体设计方案，包括硬件平台的选择、控制算法的设计以及传感器的配置等。
接着，本文将重点介绍控制系统的核心算法，如路径规划、轨迹跟踪、力控制等，并分析这些算法在六自由度机械臂运动控制中的应用。
为了验证控制系统的性能，本文将进行运动学仿真实验。
通过构建六自由度机械臂的运动学模型，模拟机械臂在不同工作环境下的运动过程，并分析控制系统的实时响应、运动精度以及稳定性等指标。
本文将总结六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真的研究成果，并展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，旨在为六自由度机械臂控制系统的设计与优化提供理论支持和实践指导，推动机器人技术在各领域的广泛应用和发展。
二、六自由度机械臂基本理论六自由度机械臂，又称6DOF机械臂，是现代机器人技术中的重要组成部分。
其理论基础涉及机构学、运动学、动力学以及控制理论等多个领域。
六自由度机械臂之所以得名，是因为其末端执行器（如手爪、工具等）可以在三维空间中实现六个方向上的独立运动，包括三个平移运动（沿、Y、Z轴的移动）和三个旋转运动（绕、Y、Z轴的转动）。
机构学基础：六自由度机械臂的机构设计是其功能实现的前提。
通常，它由多个连杆和关节组成，每个关节都有一个或多个自由度。
通过合理设计连杆的长度和关节的配置，可以实现末端执行器在所需空间内的灵活运动。
六自由度机器人本体设计及轨迹规划与虚拟仿真
机器人运动学等的研究主要为机器人轨迹规划打下基础，机器人轨迹规划对其在运动过程中的能耗、可靠性以及平稳性具有重要意义，所以研究轨迹规划的学者较多，产生了一些比较普遍适用的轨迹规划方法。随着高新科技微机技术的飞速发展，国内外学者发明了许多新的轨迹规划算法。工业机器人的轨迹规划是指根据在实际工作过程中根据工作目标需求，计算出机器人的一些运动参数并根据规划方法来得到机器人在目标点之间的运动轨迹。在关节空间中的轨迹规划是要求解出机器人的运动变量相对于时间的变化量，对于不同的关节，变化量也不相同，移动关节主要是位移的变化量，旋转关节主要是转角的变化量。在笛卡尔坐标空间中进行轨迹规划就是根据任务所给的几个路径点进而求出机器人末端位置点的运动参数诸如速度、加速度等，而各关节的变量由逆解求出[10]。两种坐标系对机器人进行规划的结果必须满足机器人运动的轨迹曲线是连续及光滑的，即保证机器人运行的平稳性。
基于SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真
运动轨迹或运动参数 , 来研究各驱动液压缸的运动参 数和特性 , 包括平台的建模 、仿真运动过程 、极限位 置 、最大运动量 、干涉等 。
1 液压平台的基本结构设计
液压六自由度运
动平台本体结构包括
上 、下 平 台 , 变 长 杆 系 统 , 链 接 上 、下 平 台和变长杆的铰接元
件, 力传感元件, 位 移传感元件等 , 如图 1
的螺纹 , 根据装配关系会转化成转动副 , 实际机构中
是不运动 的 , 即 转化
的运 动 副 多 数 不 符 合
要求 , 因而 仿真 前不 必改变装 配关 系 , 直
接在 分 析 模 块 中 将 转 化的运动 副去 掉 , 再 根据需要重新定义 。
图 6 液压缸运动副和 运动驱动的定义
( 1) 运动副的定义
计 、机械创新等的教学与研究工作 。电话 : 0431 - 85711302, E - mail: ZZX - CC@1631com。
·128·
机床与液压
第 36卷
缸行程为 60mm, 上 、下平台的初始位置高度为 h =
115 ra , 上 、下铰接点之间的距离和上平台端铰接 元件的分布圆之间的关系满足 : l2 = 415 r2a。另外 , 为 了保证铰接元件运动副运动空间的充分利用 , 采用支 座设计使铰接元件在液压缸的中间工作位置时处在原 始状态 (即铰接元件的轴线重合状态 ) 。 2 虚拟样机的建立与仿真
SW 是美国 SolidWorks公司生产的完全基于 NT / W indows平台的集三维机械设计 ( CAD ) 、机构运动 仿真分析和结构有限元分析 ( CAE) 、计算机辅助制 造 ( CAM ) 、大型企业管理 ( PDM ) 等各种功能为一 体的软件 。利用 SW 对六自由度液压平台进行建模和 运动分析 , 必须以三维实体为基础 , 合理选择运动副 和定义连杆的运动驱动 , 从而实现六自由度液压平台 的正确运动仿真 。同其它方法相比 , 该方法可以很容 易解决看起来很复杂的机构系统仿真问题 。依托 SW 强大的运动分析功能 , 能精确地对研究对象进行空间 运动位置及运动参数的计算 , 并可以得出漂亮的虚拟 现实的动画演示 , 能够很好地解决复杂机构的运动规 律问题 。通过建立虚拟仿真环境进行仿真试验研究 , 可以降低实验成本 , 提高实验效率 。并且能够对运动 状态进行仿真 , 检查机构设计的合理性等 , 对实际样 机的设计具有重要的参考和指导价值 。
六自由度搬运机械手实验平台设计与仿真分析
六自由度搬运机械手实验平台设计与仿真分析
陈修龙;张昊;田润洲;邓昱
【期刊名称】《实验室科学》
【年(卷),期】2024(27)1
【摘要】为了培养学生应用工程软件进行机械装置设计分析的能力,在“机械设计基础”课程设计中对一款冲压上下料六自由度机械手实验平台进行了结构设计与仿真分析。
对机械手平台进行整体结构设计,初步规划机械手的尺寸和各个关节的运行范围,利用SolidWorks软件对机械手的各个零部件进行三维建模并装配成机械手整机,利用ADAMS软件对机械手的虚拟样机进行运动学和动力学仿真,验证其运动平稳性,以仿真结果为依据完成电机和减速器的选型,利用ANSYS软件完成机械手的有限元分析,验证其强度和刚度,并分析其固有频率。
为冲压上下料六自由度搬运机械手平台的搭建提供了理论基础。
【总页数】6页(P6-11)
【作者】陈修龙;张昊;田润洲;邓昱
【作者单位】山东科技大学机械电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH113
【相关文献】
1.六自由度搬运机械手液压系统的设计
2.基于六自由度机械手臂实验装置的设计分析
3.六自由度机械手仿真与实训平台开发
4.六自由度压力气瓶搬运机械手臂的设计与分析
5.基于数字孪生的搬运机械手仿真实验平台设计
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
六自由度液压伺服平台实验报告
六自由度液压伺服平台实验报告一、实验目的。
1、掌握电液位置伺服控制系统的基本原理；2、掌握六自由度平台的结构解算的概念及其软件实现；3、掌握VB6.0软件与下位机PAC通过以太网通信的方法；4、掌握6SPT-1六自由度液压伺服平台复现指令信号的实施方法。
二、实验方式：演示实验。
三、实验内容。
1、根据六自由度平台系统原理图和相关电气元器件接线说明设计电控系统，演示模拟地震实验；2、了解影片动作文件的编辑,熟练操作六自由度影片播放软件;3、熟练操作六自由度平台调试软件；四、实验原理。
1、电液位置伺服控制系统的基本原理电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。
只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。
控制系统结构图如图3.1所示：图3.1电液位置伺服控制系统结构图2.六自由度平台逆解算法图3. 2空间机构位置关系示意图六自由度平台又称为Stewart平台，其结构如图3.2所示，Stewart 平台由上、下两个平台、六个驱动关节和连接球较组成，上平台为运动平台，下平台为基座，上、下平台的六个校点分别组成一个六边形，连接6个液压缸作为驱动关节，每个液压缸两端各连接一个球较。
六个驱动关节的伸缩运动是独立的，由液压比例压力阀控制各液压缸作伸缩运动，从而改变各个驱动缸的长度，使动平台在空间的位置和姿态发生变化。
因此该平台是通过六个驱动杆的协调动作来实现三个线性移动及三个转动共六个自由度的运动。
Stewart平台机构的空间位置关系是指运动平台的六个自由度与六个驱动杆长度的关系，是研究该并联机构最基本的任务，也是机构速度、加速度、误差分析、工作空间分析、动力分析等的基础。
对于6-SPS平台机构，其特点是动静平台较点共面，考虑到工作空间的对称性要求，将平台的6个校点分成3组，三组较点沿圆周120°均布，动、静平台的相邻两边到中心的夹角分别为30。
六自由度运动平台PID控制系统仿真研究
六自由度运动平台PID控制系统仿真研究摘要Stewart 平台的出现始于 1965 年德国学者 Stewart 发明的具有六自由度运动能力的并联机构飞行模拟器。
目前经典的 Stewart 平台机构由上、下两个平台和六个可伸缩的支腿以及它们之间的连接铰链构成，其下平台通常为基台（Base-platform）,上平台通常为负载平台（Payload-platform）（即 Stewart 平台的工作平台）。
Stewart平台通过六个支腿的伸缩运动可以实现负载平台在工作空间范围内的六自由度运动，并具有刚度高、精度高、承载能力强、动态特性好等优点，因此近年来被广泛应用于并联机床、精密定位平台和振动隔离平台等方面。
Stewart 平台在并联机床和精密定位平台方面的应用相对成熟，已有实用化的商品供应市场。
Stewart 平台应用于六自由度振动隔离平台的研究与开发相对发展较晚，不仅开发的系统远未达到实用化水平，其理论领域的研究也多属空白，其根本原因是应用于振动隔离的 Stewart 平台的基台是运动的，随之而带来许多新的问题。
到目前为止，在 Stewart 平台的理论研究方面已取得一些研究成果，比如Mille（r1992）使用 Lagrange 动力学方程建立了 Stewart 平台的动力学模型；Dasgupta和 Mruthyunjaya（1998）使用 Newton-Euler 动力学方程推导出闭合形式的 Stewart平台的动力学模型；Codourey 和 Burdet（1997）、Wang 和 Gosselin（1998）、Tsai（2000）等人分别利用虚功原理建立了 Stewart 平台的逆动力学模型。
但是，上述关于 Stewart 平台的动力学模型都是在假设Stewart 平台的基台固定不动的情况下建立的。
本文的主要研究工作和意义如下：1、基于 Dasgupta 提出的在基台固定情况下的 Stewart 平台的动力学模型，在Matlab/Simulink 环境下建立了 Stewart 平台闭环动力学仿真系统。
六自由度工业机器人的建模与仿真研究共3篇
六自由度工业机器人的建模与仿真研究共3篇六自由度工业机器人的建模与仿真研究1六自由度工业机器人的建模与仿真研究随着工业自动化的不断发展，工业机器人已经成为工厂中不可或缺的重要设备之一。
其中，六自由度工业机器人因其具有灵活性强、运动范围广等优点而得到广泛应用。
因此，对于六自由度工业机器人的建模和仿真研究具有非常重要的意义。
一、六自由度工业机器人的概述六自由度工业机器人是指具有6个自由度的工业机器人，通常由机身、驱动器和控制器组成。
其中，机身由臂、手和手腕组成，可根据任务需求进行操作或载物。
驱动器是机身各部分的驱动器件，常用的驱动器有电机、气缸等。
控制器是控制机器人的核心部分，可完成运动的规划、控制和反馈等。
二、六自由度工业机器人的建模六自由度工业机器人的建模是建立机器人的数学模型，目的是为了分析机器人的运动规律和控制过程，同时也是设计自动控制器的重要基础。
1. 正向运动学模型正向运动学模型是指将机器人的变量作为输入，根据手臂各段的长度和角度、各关节的偏转角度等信息，计算机器人的末端位置、姿态等信息的模型。
这个模型对机器人的分析非常重要，因为它可以方便地解决机器人的直观显示、位置控制等问题。
在建模时，需要对机器人进行分段处理，每一段均要计算其末端的位置和姿态信息，并将其传递到下一段中。
2. 逆向运动学模型逆向运动学模型是指将机器人所需的输出信息作为输入，根据末端位置、姿态等信息，反推出机器人各关节需要转动的角度等信息的模型。
这个模型对机器人的姿态调节、轨迹规划等问题非常重要。
3. 动力学模型动力学模型是指对机器人的力学特性进行建模，为机器人的运动规划和控制提供必要的参考和依据。
在建模时，需要考虑力、转矩、惯性等因素，并通过控制器控制机器人的动作。
三、六自由度工业机器人的仿真研究仿真是对机器人进行数字化模拟的过程。
通过仿真，可以在事先构建好的环境中，对机器人进行各种测试和优化，进而提高其运动精度、速度和稳定性等。