并联机构及其应用

并联机构
4D动感影院
动感4D影院与普通4D电影院区别在于它是用三自由度座椅或六自由度平台作为观众载 体，观影者不仅可以顺着影视内容的变化，实时感受到风暴、雷电 、下雨、撞击、喷洒水 雾、拍腿等身边所发生与立体影象对应的事件，而且座位会随着影片情节发生升降、俯仰、 摆动等运动。也就是说是动感4D影院的关键。
（1）运动学分析
摇摆台奇异性分析 当机构处于特殊位形时，其运动自由度发生改变，瞬间失 去或获得一个或多个自由度，这种现象称为奇异性。 一般的方法都是利用雅可比矩阵的行列式为零来分析和寻 找机构的奇异位形。但是三自由度摇摆台属于少自由度并联机 构，少自由度并联机构可能会出现机构在奇异位形处，雅可比 矩阵却满秩，为了解决上述缺点，我们提出采用基于螺旋理论 的雅可比矩阵模型分析摇摆台的奇异性。
设备平面布局图
配电柜 变频柜 油箱 -3000
泵
泵
泵
1200
电机 电机 电机
油源间
控制柜
0
摇摆台
中央控制台
控制间
试验厂房
控制系统框图
油源工况监测计算 机 反 馈 信 号 运动测试计算机 平 台 运 动 状 况 力和速度 运动平台

实时计算机 控制 信号 电控柜 驱动 信号 液压伺服系统 压力 油 回 油 冷却水
（1）运动学分析
摇摆台工作空间分析 工作空间是上运动平台的工作区域，它是衡量摇摆台性能和工 作能力的重要指标，工作空间分析是摇摆台设计的重要基础，工作 空间的大小决定了摇摆台的活动空间。影响工作空间的大小和形状 主要有以下三个因素：杆长的限制、转动副转角的限制、杆件的尺 寸干涉。分析工作空间时，主要存在如下问题： ① 自由度大于3的并联机构的工作空间很难在三维直角坐标中描 述，为了实现动平台位姿能力的可视化，需要将位置空间或姿态空 间进行降维描述。 ② 位置和姿态的强耦合，增加了定义和描述位置和姿态空间的难度。 ③ 所分析的机构可能出现奇异位形。 ④ 工作空间的边界曲面很难用解析式描述。 ⑤ 可能存在的几何约束(铰链限制或杆间的干涉)使分析变得更复杂。 现在，用CAD进行计算机模拟的方法已应用于空间并联机构综 合和运动分析，模拟结果和计算结果非常一致。
油 报 源 警 油 工 信 源 况 号 冷 却 工 况 PLC与油源控制柜
逻 辑 控 制 信 号
控制信号 油泵电机组、 液控、油箱 反馈信号
油泵冷却系统 热水
摇摆台的实时控制计算机为德国西门子SIMATIC847高性能、高可靠性工业控制机， 安装实时操作系统，它与模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出等工 控模板一起构成了整台设备的实时控制核心，驱动摇摆台实现两个自由度的动感仿 真，实现对于实测到的舰船运动曲线的复现。
六自由度液压式飞行模拟器
并联机构
平台有效载荷： 6.5 吨
平台运动特性 (DYNAMIC PLATFORM SPECIFICATIONS) 位移 俯仰 滚转 偏航 垂直升降 纵向位移 侧向位移 +/+/-30deg +/+/-26deg +/+/-34deg +/+/-0.75m +/+/-0.75m +/+/-0.70m 速度 +/+/-32deg/s +/+/-32deg/s +/+/-32deg/s +/+/-0.8m/s +/+/-0.8m/s +/+/-0.8m/s 加速度 +/+/-120deg/s2 +/+/-120deg/s2 +/+/-120deg/s2 +/+/-1.0g +/+/-1.0g +/+/-1.0g
三自由度重型摇摆实验台
偏航
并联机构
汽车模拟驾驶
汽车模拟驾驶是指利用现代高科技手段如：三维图像即时生成技术、汽车动力学仿真物 理系统、大视场显示技术（如多通道立体投影系统）、六自由度运动平台（或三自由度 运动平台）、用户输入硬件系统、立体声音响、中控系统等，让体验者在一个虚拟的驾 驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的汽车驾驶体验。
初步结构设计方案
优点： ⑴ 灵活性大，运动的复杂性只影响到系统 的控制软件，硬件无需增添。 ⑵ 运动幅度大，各缸之间的运动耦合小、 体积小、重量轻。 ⑶ 承载能力大，刚度好。
铰链选择（关节）
平台铰链
摇摆台结构示意图
限位连杆机构示意图
液压系统油路原理示意图
摇摆台控制系统
海浪及船舶运动仿真
其他运动模拟
并联机构
六自由度
Stewart平台结构简图
少自由度（2-5自由度）
载液重型摇摆台设计
主要技术指标与要求 1)平台有效载荷：45T；运动自由度：纵摇、 横摇二自由度，可分别进行单自由度或双自由度 组合摇摆。 2)摇摆角的范围和周期 横摇：±20°，6s～14s 纵摇：±20°，6s～14s 3)摇摆波形： 模拟船舶摇摆运动，可按正弦 谱型、三次谐波、随机实录谱进行摇摆。 4)具有在工作范围内的任意位置和任意姿态 保持静止的功能。 5) 精度 ◆波形失真度小于15％ ◆摇摆角度误差小于5％ ◆摇摆周期误差小于5％ 7)台面尺寸：4000 mm×5000 mm。
（4）控制策略
基于运动学模型的控制策略 该策略假设末端执行器位移的微小变化与驱动器位移 的微小变化呈线性关系。根据运动学方程计算出与机构输 出位移微小增量相对应的驱动器位移连续的微小增量。但 该类控制策略未考虑并联机构强耦合、非线性的动力学特 性，只适合于速度和精度要求不高的应用场合。 基于动力学模型的控制策略 并联机构高速运动控制时，不能忽略动力学特性的影 响。该类控制策略根据机构运动输出的要求，依靠动力学 逆模型求解出驱动器的力控制向量。该类控制实现的关键 在于动力学模型准确的表达以及简化、系统稳定性、可控 和可观性的保证以及在线计算效率的满足。
（1）运动学分析
摇摆台位置分析 摇摆台位置分析中有两个基本问题，即摇摆台位置的正解、 反解问题。位置正解是指已知摇摆台各输入关节的位置参数 求解动平台的位置参数；位置反解是指已知动平台的位置参 数求解各输入关节的位置参数。 反解问题比较简单，通过建立合适的坐标系，利用坐标系 变换关系即可推得位置反解的解析解。而位置正解问题是摇 摆台运动学的难点之一，解决该问题的核心是求解一组非线 性约束方程。 我们拟采用迭代神经网络求解摇摆台位置的正解问题。
（3）机构优化设计
摇摆台机构优化（目标函数法） 以灵巧度和动力学耦合作用为目标函数，以灵活工作空 间、每根液压缸的极限长度之比和虎克铰、球铰的极限摆角、 机电综合伺服带宽为约束条件，建立综合运动学、动力学性 能和动力学耦合程度的构型设计多目标优化模型。采用一种 具有更强全局搜索能力的自适应遗传算法，对优化问题进行 求解，并对优化结果进行分析验证。
大惯量六自由度仿真平台
并联机构
平台有效载荷： 45 吨
平台运动特性 (DYNAMIC PLATFORM SPECIFICATIONS) 位移 俯仰 滚转 +/+/-10deg +/+/-10deg +/+/-8deg 速度 +/+/-22deg/s +/+/-22deg/s +/+/-22deg/s 加速度 +/+/-157.9deg/s2 +/+/-123.3deg/s2 +/+/-126deg/s2
并联机构
并联机构
并联机构
主要研究内容
（1）运动学分析 摇摆台运动学分析主要包括摇摆台的位置分析、奇异性分析和工作空 间分析。 （2）动力学建模 运动平台动力学方程是进行平台结构设计控制器设计的基础。在研究 摇摆平台的动力学模型时，主要考虑两种情况：一是摇摆台载体是刚体； 二是摇摆台载体是装有石油的矩形箱。 （3）机构优化设计 机构参数优化设计又称最优尺度综合，即按照一定的设计目标，在一 定的尺寸约束下确定最优的结构参数。摇摆台的机构设计是基于性能指标 进行的，这些性能指标包括摇摆台的工作空间、奇异特征、灵巧性、各向 同性、输出速度、承载能力、刚度等运动学与动力学性能指标。 （4）控制策略研究 三自由度摇摆台的另一个重要研究内容是平台的控制策略研究，控制 策略将直接决定系统最终达到的性能指标。 （5）机械加工与控制系统设计 平台铰链、液压系统、电控系统、软件设计。
（4）控制策略
基于性能的控制策略 该策略不需要依赖于精确的被控对象模型及负载参数。自适应 控制可以很好地解决模型参数不确定性问题。自适应独立关节控制 把每个独立关节当作子系统来考虑，分析某关节时， 该关节哥氏力、 离心力、摩擦力和重力以及与其他关节之间的惯性耦合等都被看作 是影响该关节子系统的扰动力矩项。该控制策略结构具备分散性， 便于并行处理。 冗余驱动控制 冗余驱动可以改善甚至消除工作空间中的奇异位形，解决奇异 点导致的运动精度降低、刚度减小和驱动关节无法实施控制等问 题，同时还可以实现力传递的均匀化和对称化，并具备优化驱动力 /力矩，提高驱动系统可靠性等优点。但由于冗余驱动力/力矩的存 在，使得逆动力学方程不存在惟一解，这增大了并联机构控制的难 度，但也提供了输入控制优化的可能。
并联机器人系统
并联机构
平台有效载荷： 2吨
平台运动特性 (DYNAMIC PLATFORM SPECIFICATIONS) 位移 俯仰 滚转 偏航 垂直升降 纵向位移 侧向位移 +/+/-20deg +/+/-20deg +/+/-25deg +/+/-0.3m +/+/-0.4m +/+/-0.4m 速度 +/+/-25deg/s +/+/-25deg/s +/+/-25deg/s +/+/-0.6m/s +/+/-0.6m/s +/+/-0.65m/s 加速度 +/+/-100deg/s2 +/+/-100deg/s2 +/+/-100deg/s2 +/+/-0.8g +/+/-0.8g +/+/-0.8g
机电式六自由度飞行模拟
并联机构
平台有效载荷： 2.8 吨
平台运动特性 (DYNAMIC PLATFORM SPECIFICATIONS) 位移 俯仰 滚转 偏航 垂直升降 纵向位移 侧向位移 +/+/-22deg +/+/-21deg +/+/-25deg +/+/-0.32m +/+/-0.40m +/+/-0.45m 速度 +/+/-30deg/s +/+/-30deg/s +/+/-30deg/s +/+/-0.7m/s +/+/-0.7m/s +/+/-0.7m/s 加速度 +/+/-80deg/s2 +/+/-80deg/s2 +/+/-80deg/s2 +/+/-1.0g +/+/-1.0g +/+/-1.0g
（3）机构优化设计
摇摆台机构优化（图谱法） 针对摇摆台给定的几个设计性能指标取值范围，制定如 下尺寸优化原则：首先，利用给定的性能指标取值范围，结 合摇摆台运动分析得到的设计空间上的各类性能图谱（即全 域性能指标图谱），存在每一个性能指标在其对应的性能图 谱上都能找到其指标值取值范围对应的区域，这样，每一个 性能指标取值范围都对应了性能图谱上的相关区域；其次， 由于同一类摇摆台机构的各类性能图谱均出自于同一种机构 设计空间，具有可比性。所以能够将各类指标性能图谱进行 比较，取每个性能指标所对应性能图谱区域的交集，这个交 集即被称为设计空间的优化区域；最后，在优化区域内选取 系列典型机构尺寸，进行局域性能分析，即分析各类性能指 标在其工作空间内的分布规律，以满足实际工作任务需要为 目的，最终得到优化的机构尺寸。
（2）动力学建模
摇摆台动力学建模 在研究摇摆台的动力学模型时，主要考虑两种情况：一 是，摇摆台载体是刚体；二是摇摆台载体是装有石油的矩形箱。 为了建立精确的摇摆台动力学模型，采用牛顿-欧拉法研究摇摆 台的动力学模型。 当考虑载体为装有石油的矩形箱时，动力学建模过程如下： ⑴ 根据欧拉方程，以支链（缸体+活塞）作为研究对象，建立 支链动力学方程。 ⑵ 利用H-O原理，以运动体（动平台+装有石油的矩形箱为研 究对象），建立运动体动力学方程。 ⑶ 根据摇摆台的设计要求和控制要求，建立约束方程。 ⑷ 根据上述所建立的方程联立求解出各缸的驱动力以及各铰链 的约束反力。
特种车辆人机环试验平台
并联机构
六自由度运动平台
并联机构
平台有效载荷： 18 吨
平台运动特性 (DYNAMIC PLATFORM SPECIFICATIONS) 位移 俯仰 滚转 偏航 垂直升 降 纵向位 移 侧向位 移 +/+/-20deg +/+/-20deg +/+/-24deg +0.625m+0.625m0.55m +0.35m+0.35m-0.775 +/+/-0.64m 速度 +/+/30deg/s +/+/30deg/s +/+/30deg/s +/+/-0.7m/s +/+/-0.7m/s +/+/-0.7m/s 加速度 +/+/200deg/s2 +/+/200deg/s2 +/+/200deg/s2 +/+/-1.1g +/+/-1.0g +/+/-1.0g