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六自由度运动方程计算

自由度计算

第二专题：求自由度（10分）先注意题目要求：先明确指出下图机构运动简图中的复合铰链、局部自由度、和虚约束，然后计算机构的自由度，并说明该机构具有确定运动的条件。（要求列出计算公式、代入数字、得出结果。每个构件只能有一个构件序号）。详细的解题步骤请见《学习指导》P18例2—2。真题一：解：

3236281L H F n P P =--=?-?-= 真题二：在图示机构中，若以构件1为主动件，试： (1)计算自由度，说明是否有确定运动。 (2)如要使构件6有确定运动，则可如何修改？说明修改的要点，并用简图表示。解： (1)滚子5有局部自由度，滚子两侧高副中有一个是虚约束，去掉后n p p =5, H L ,,==61故F n p p =-=?-?-=3-2H L 352612 今只有构件1一个主动件，运动不确定。 (2)修改：把ABCDE 五杆机构改为四杆机构。真题三：真题四：

323527L H F n P P =--=?-?= {此为《机械原理》P26原题} 解题注意事项：（1）此类题目多数较为简单，首先必须记住机构自由度公式，其中n 为去除自由度后机构的活动构件数（即不含机架构件），这要与第三专题中求瞬心数目的方法区分开，这里机构总的瞬心数目2(1)2 n n n N C -==这里的的n 为构件数（此时包括机架构件）。（2）在解题过程中一定注意要按题目要求标注好复合铰链、局部自由度和虚约束，减少不必要的失分。（3）在说明该机构具有确定运动的条件是可以写：由于此机构的自由度为1，要使得该机构具有确定的运动，需要原动件数也为1。

六自由度摇摆平台

大黄蜂机器人六自由度摇摆台大黄蜂机器人有限公司的六自由度平台系统由采用Stewart机构的六自由度运动平台、计算机控制系统、驱动系统等组成。六自由度运动平台（如下图）的下平台安装在地面上，上平台为运动平台，它由六只电动缸支承，运动平台与电动缸采用六个虎克铰连接，电动缸与固定基座采用六个虎克铰连接，六只电动缸采用伺服电机驱动的电动缸。计算机控制系统通过协调控制电动缸的行程，实现运动平台的六个自由度的运动，即笛卡尔坐标系内的三个平移运动和绕三个坐标轴的转动。

各主要部分简述如下：本设备主要由以下部分组成：运动上平台、下平台（基座）、电动缸及伺服电机、驱动器系统、综合控制及监测系统。各自功能如下：上平台：是有效载荷的安装基面，提供六自由度的摇摆运动。下平台：是六自由度摇摆台的安装基面，需要承受足够大的冲击力。电动缸及伺服电机：通过控制电动缸活塞杆的行程，实现运动平台台体的六自由度运动，共6套。驱动器系统：接收用户控制指令，通过控制伺服电机的输入，对伺服电机的输出转速和转角进行控制，达到控制电动缸活塞杆出速度和行程的目的，共6套。综合控制监测系统：硬件为用户计算机，软件为研制方配合开发；同时，它还对平台的运动过程进行监测，预防和处理系统的异常情况。

平台总体运动能力指标如上表，具体表述如下： a.平台定位精度及重复定位精度为0.5mm及0.1mm； b.平台转动精度及重复转动精度为0.1°及0.05°； c.行程回差小于0.2mm； d.平台X方向运动速度可从0mm/s到250mm/s连续变化；YZ方向运动速度可从0mm/s到250mm/s连续变化； e.单支杆可承受轴向力不小于700N； f.单支杆的运动速度可从0m/s到250mm/s连续变化； g.平台中位位置固有频率：不小于40Hz； h.机械组件需具有开放性，可拆卸组装； i.机械设计安全系数不小于 2.0，驱动裕度不小于 3.0； j.额定载荷下，全行程往复工作寿命不小于1×104次，存储寿命不小于48月；

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。运动学约束议案，以及机机械臂及其环境之间的动态交互研究已经通过审查。制定所需的机械臂阻抗技术和对一个给定应用程序选择适当的阻抗的技术的最优化理论已经被提出。这里有两种控制机电驱动高夫斯图尔特并行平台机械阻抗的空间几何方法，第一种基于球形位置函数，第二种则是利用指数映射关联有限位移与扭转位移平衡的平台。一个基于模型的高性能的压接头液压伺服系统前馈反馈阻抗控制器已经被提出，在这里，一个阻抗根据在自由空间或空间接触的行为来调整过滤器所需的轨迹，类似已提交的工作，其中基于位置阻抗控制器工业液压机械手已开发。此外，阻抗控制器研究已在遥控轮式液压伺服系统和重型工程中实施。在这篇论文中，提及了一种基于模型的六自由度电液伺服斯图尔特关节对称平台阻抗控制器，用于描述刚体斯图尔特平台和液压驱动系统，对比其它方法，这里有伺服模型和摩擦模型。先进的控制方案在分析方案时，应用了刚体、驱动力学和伺服阀的输入电流矢量。控制规律包括两个信号，反馈信号和前馈信号。根据指定的行为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。现金控制器的性能说明使用了典型的轨迹。拟议的方法可以扩展到串行或闭链机器人和模拟器。 2系统建模在本节中，研究了六自由度电液伺服斯图尔特平台的动态模型，这是一个由支架和六个线性驱动器组成的闭环运动体系，该体系的原理如图1所示：

六自由度运动平台方案设计报告

编号密级内部阶段标记 C 会签校对审核批准六自由度运动平台方案设计名称

内容摘要：针对YYPT项目在原理样机出现的问题，对YYPT原理样机从结构设计、伺服系统等方面进行优化设计，以满足设计及使用要求。主 YYPT 优化题词更改单号更改日期更改人更改办法更改栏

1概述 YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。 2 原理样机技术状态 2.1 原理样机方案 2.1.1 组成原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。具体产品组成表见表2.1。序号产品名称型号厂家数量备注 1 电动缸KH08XX（3）西安方元明 6 安装345厂电机 2 电阻尺LTS-V1-375 上海徳测 6 3 驱动器50A8 AMC 6 3 A/D卡PCI1716 研华 1 4 D/A卡PCI1723 研华 1 5 工控机610H 研华 1 6 直流电源 1 2.1.2 结构方案六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，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。

并联六自由度运动平台

并联六自由度运动平台 1．概述并联六自由度运动平台通过六个驱动缸（伺服缸或电动缸）的协调伸缩来实现平台在空间六个自由度的运动，即平台沿x、y、z向的平移和绕x、y、z轴的旋转运动（包括垂直、水平、横向、俯仰、侧倾和旋转六个自由度的运动），以及这些自由度的复合运动。并联六自由度运动平台可用于机器人、飞行模拟器、车辆驾驶模拟器、新型加工机床、及卫星、导弹等飞行器、娱乐业的运动模拟（动感电影摇摆台）、多自由度振动摇摆台的精确运动仿真等。图0-1：六自由度及其坐标系定义图我公司通过自行设计、安装调试，并开发控制软件，同时采用进口关键件对并联六自由度运动平台进行研究开发，目前已完成多套六自由度运动平台应用，典型应用有列车风档液压仿真试验台、F1国际赛车运动仿真台、汽车驾驶模拟器、飞机和飞碟运动模拟器、振动谱试验、海浪模拟试验等。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、动态仿真等一系列高科技领域，是液压及控制技术领域的顶级产品。 2．系统组成 2.1液压伺服类典型的液压式并联六自由度运动平台主要由机械系统、液压系统、控制系统硬件和控制系统软件四部分组成。

机械系统主要包括：承载平台、上下连接铰链、固定座。液压系统主要包括：泵站系统、伺服阀、驱动器、伺服油缸和阀块管路。控制系统硬件主要包括：实时处理器、伺服控制单元、信号调理单元、监控单元和泵站控制单元。控制系统软件包括：实时信号处理单元、实时运算单元、伺服控制和特殊要求处理单元。 2.2 电动伺服类电动式并联六自由度运动平台则将伺服油缸用电动缸代替，而伺服阀、泵站系统及阀块管路等则相应取消，增加运动控制单元。具有系统简洁、响应速度快等优点，是多自由度平台今后重点发展的方向。 3．主要技术参数以下参数为液压类平台典型值，具体可按用户要求设计制造。 3.1平台主要参数平台最大负载：静态≥2000KG，动态≥3000KG。上平台球铰分布园直径1400mm，相邻球心距离157mm；下平台球铰分布园直径1600mm，相邻球心距离167mm；伺服缸最小球铰球心距离800mm，最大长度1200mm；（采用Φ63/45~400缸体）。平台初始高度约700mm。 3．2 泵站技术指标额定流量：90L/min 最大系统压力：12Mpa；泵站电机功率：22KW；空间尺寸：1400×1200×1320 3.3 运动参数伺服缸运动速度≥200mm/S；有效行程≥400mm。主要运动参数如下表：

六自由度运动平台设计方案

六自由度运动平台设计方案 1概述 YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。 2 原理样机技术状态 2.1 原理样机方案 2.1.1 组成原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。具体产品组成表见表2.1。序号产品名称型号厂家数量备注 1 电动缸KH08XX（3）西安方元明 6 安装345厂电机 2 电阻尺LTS-V1-375 上海徳测 6 3 驱动器50A8 AMC 6 3 A/D卡PCI1716 研华 1 4 D/A卡PCI1723 研华 1 5 工控机610H 研华 1

6 直流电源 1 2.1.2 结构方案六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，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。图1 六自由度平台外形图 a ）球笼联轴器（如图2所示）采用球笼铰链与上平面连接。球笼铰链结构简单、体积小、运转灵活、易于维护。初选球笼铰链型号BJB （JB/T6139-1992），公称转矩Tn=2000N/m ，工作角度40度，外径D=68mm ，轴孔选用圆柱孔d=24mm ，总长度L1=148mm ，转动惯量为0.00008kg.m 2，重量5kg 。球笼联轴器电动缸虎克铰链上动平台下静平台

六自由度

物体在空间具有六个自由度，即沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。因此，要完全确定物体的位置，就必须清楚这六个自由度。六自由度运动平台是由六支作动筒，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。空间运动的目标是实现平台在空间运动的三个姿态角度和三个平动位移，即俯仰、滚转、偏航、上下垂直运动、前后平移和左右平移，及六个姿态的复合运动姿态。而空间目标是通过六个液压缸的行程实现的，这就需要一个空间的运动模型完成空间运动的转换，假设空间运动的目标俯仰、滚转、偏航、上下垂直位移、前后平移和左右平移用α，β，γ，X，Y，Z表示，六个油缸的行程用 L(i), (i＝1、2、3、4、5、6)表示。整个运动模型如下： L（i）＝TT（α，β，γ，X，Y，Z）其中，TT是一个空间转换矩阵模型。由此实时算出每一运动时刻液压油缸的行程。液压油缸的理论行程再通过D/A接口的转换，给出实际行程值。多自由度运动控制多自由度控制系统中，自由度最多为六自由度，并且六自由度运动控制难度最大，设备及系统最复杂，下面主要介绍我公司设计、生产的六自由度运动台。六自由度运动平台是由六支直线伺服电动缸，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，借助六只伺服电动缸）执行器）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

六自由度运动平台正解(几何法)

六自由度运动平台正解(几何法) 1. 对上平台（运动平台）进行扩展，示意如下： Pic 1 上平台示意图由于确定一个平面状态只需要三个点，因此获得C1,C2,C3坐标，即可确定平面状态。如图，h1,h2均为已知量，设L h k /1=，212*h h L +=，),,(i i i i z y x C =。设下平台各点坐标为),,(i i i i s n m B =，设各轴长为i i i l B A =。于是问题简化为：已知：L k l B i i ,,,，求解i C 。 2. 建立方程组 2.1 i l 相关对于1l ，分析如下：

Pic 2 单轴示意图由图可知：向量3111111111*C C k C B A C C B A B +=+=，即，1111111131313),,(),,(l s z n y m x z z y y x x k =---+--- 所以： )1......(0])1([])1([])1([21211321132113=---++--++--+l s z k kz n y k ky m x k kx 同理有： ) 6......(0])1([])1([])1([)5......(0])1([])1([])1([)4......(0])1([])1([])1([) 3......(0])1([])1([])1([) 2......(0])1([])1([])1([2626312631263125253225322532242423242324232323212321232122221222122212=---++--++--+=---++--++--+=---++--++--+=---++--++--+=---++--++--+l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx l s z k kz n y k ky m x k kx 2.2 L 相关 ) 9......(0)()()()8......(0)()()()7......(0)()()(222322322322312312312221221221=--+-+-=--+-+-=--+-+-L z z y y x x L z z y y x x L z z y y x x 3. 求解 3.1 联立方程组（1）-（9），牛顿迭代法解方程组，即可求的i C ，取0>i z ，可得唯一解。 3.2 由i C 求出平台姿态根据实际情况，建立坐标系如下

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：

∑=--=g i 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 i u 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。实践证明，这种转动并不影响上平台的空间运动姿态，因此属于局部自由度。在六自由度运动平台的实际设计中，由于球铰链的刚度差，结构不稳定，所以一般采用万向节铰链（如图2所示，约束为4）来代替图1中的球铰链，则自由度M 为： ∑=--=g i i u n M 1)1(6=6 (14－1)－(4×12＋4×6)=6 3. 六自由度运动平台空间姿态的解算要实现对平台空间姿态的控制和测量，必须掌握它两个方向上的解算方法，即位置反解和位置正解。 3.1 位置反解（逆向解）：已知输出件的位置和姿态，求解输入件的位置称为机构的位置反解。在运动平台的实际应用当中，用户所给定的一般都是平台的六个空间姿态参数X ，Y ，Z ，α，β，γ，然而要实现对平台的控制，需要的是六条油缸的长度L 1、L 2…L 6，这正好是已知输出求输入，属于位置反解。也就是说，要实现对平台空间姿态的控制，就必需推导出平台的位置反解方程。如图1所示，在上平台建立动坐标系o-xyz ，在下平台建立静坐标系O-XYZ ，图2 万向节铰链

六自由度机器人运动分析及优化

本科毕业论文（设计）题目（中文）六自由度机器人运动分析及优化（英文） Motionanalysis and optimization of 6-DOF robot 学院信息与机电工程学院院年级专业 2013级汽车服务工程（中德））学生姓名吴子璇正学号 130154494 7 指导教师安康安完成日期 2017 年 3 月

摘要当今世界，工业化日趋成熟，机器人被广泛的应用于各行各业，最常用到的有四自由度，六自由度机器人。其中，自动化水平较高的汽车制造业和电子装配业经常常常要使用到六自由度机器人。因此对其实施运动学分析，是进行科学设计的基础，也是降低机器人生产成本，优化机器人运动轨迹的前提。此外，运动分析过程有效的模拟了机器人运动的真实情况，有助于提供有效可行的优化方案。本文主要探讨六自由度机器人的运动分析，基于经典运动学以及动力学的研究方法概念，首先通过solidworks做出机械臂各部分零件的三维图，然后通过SolidWorks装配出六自由度机器人机械臂的三维模型。通过该模型，选取其中一个关节和底座，并用SolidWorks进行运动学分析，对六自由度机器人的运动学和动力学计算方法进行了仿真验证。最后得到六自由度机器人的其中一个自由度的运动仿真实例。通过对该运动仿真实例的分析，得出最佳优化方案，优化机器人的运动轨迹提高机器人的工作效率，降低机器人生产成本。关键词：六自由度机器人；运动分析；运动学；动力学；

目录摘要................................................. I Abstract ............................... 错误!未定义书签。 1 绪论 (1) 1.1 课题背景及研究的目的和意义 (1) 1.2机器人国内外发展现状及前景展望--------------------------1 2 六自由度机器人运动学分析 (4) 2.1六自由度机器人的结构-------------------------------------1 2.2运动学分析----------------------------------------------1 3 六自由度机器人动力学分析 (6) 3.1综述----------------------------------------------------3 3.2机器人动力学研究方法------------------------------------3 3.2.1几项假设-------------------------------------------3 3.2.2目标-----------------------------------------------4 3.2.3数学工具-------------------------------------------5 3.3动力学原理----------------------------------------------3

六自由度运动平台方案设计分析报告doc

六自由度运动平台方案设计报告doc

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编号密级内部阶段标记 C 会签校对审核批准六自由度运动平台方案设计名称

Stewart平台是六自由度并联机构

一、设计（论文）目的、意义设计目的及意义 Stewart平台是六自由度并联机构的基础平台。Stewart平台具有诸多优良特性，它在许多领域得到了广泛应用。六自由度运动平台由于应用场合不同，采用不同的驱动方式。目前，这种并联机构驱动方式主要包括电机驱动滚珠丝杠驱动方式、阀控液压缸驱动方式、气动人工肌肉驱动方式、电动液压混合执行器驱动方式、压电陶瓷驱动方式、电机驱动滑轮钢索驱动方式等。阀控液压缸驱动方式的优点是刚度大、抗干扰能力强、功率-重量比和力矩-惯量比大、响应速度快、系统频带宽。对该平台的驱动机构设计对于深刻理解并联机床和运动模拟器的机理具有重要的意义。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）设计内容：对Stewart平台的运动学参数进行了理论分析和计算。重点分析了动平台的位置、速度和加速度和支撑杆的相应参数之间的关系。对Stewart平台的驱动机构进行了设计和校核,并完成了平台的各个组件的设计。三、设计（论文）完成后应提交的成果（一）计算说明部分设计说明书字数在1.5万字以上（说明书一式1份）。（二）图纸部分 1、装配图A0一张。 2、零件图若干张 3、总折合图纸当量A0三张。

四、设计（论文）进度安排 2015年03月02日-2015年03月20日确定题目，下达任务书；学生调研、收集、查阅资料，完成开题报告。 2015年03月21日-2015年03月30日平台的方案、总体布局及工作原理分析。 2015年04月01日-2015年05月15日结构组件进行综合性设计，其中包括液压缸组件设计、相关阀设计等。 2015年05月16日-2015年06月06日整体装配图的绘制以及相关设计计算的整理 2015年06月06日-2015年06月14日准备答辩。五、主要参考资料 1刘文涛.并联机床性能分析与研究[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文，2010 2 李洪人.液压控制系统[M]. 国防工业出版社，2009 3张尚盈. 液压驱动并联机器人力控制研究[J]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2009. 4梁军,付铁. 基于Stewart平台的并联机床刚度分析[J]. 现代制造工程, 2008 5文福安,梁崇高,廖启征. 并联机器人机构位置正解[J]. 中国机械工程, 2009 6黄真,孔令富,方跃法. 并联机器人机构学理论及控制[M]. 北京:机械工业出版社,2007 7熊有伦, 丁汉, 李恩沧. 机器人学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. 8赵强. 六自由度舰艇运动模拟器的优化设计及性能分析[M]. 哈尔滨工业大学, 2010 9黄真,杜雄. 3 /62SPS型Stewart机器人的一般线性奇异分析[J]. 中国机械工程2010 10吴江宁，骆涵秀，李世伦.并联式六自由度电液平台的控制与应用[J]. 机床与液压，2006年第6期六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日

六自由度平台功能简介

北京星光凯明动感仿真模拟器中心 2011年10月9日六自由度机电运动平台广泛的应用于飞机、舰船、车辆的运动仿真和人员训练。六自由度运动平台能在空间六个自由度上做任一自由度的单自由度运动，也能做任意几个自由度的复合运动。由于采用全数字控制的伺服系统作为平台运动的执行机构，因此，平台运动光滑连续，可产生高频响的快速运动，亦可实现低速下的平稳运动。这类平台特别适合对不同路况条件下以不同车速运行的车辆进行动态模拟，以及对不同海况下的海上航行进行运动模拟。我们是生产数控六自由度运动平台的专业化企业，具有多年从事仿真工作所积累的理论基础和实践经验。拥有一支高素质的技术队伍和完备的生产基地。曾经生产过的产品有：全数字六自由度飞行模拟器、特种车辆三自由度液压试验台、特种车辆四自由度液压摇摆台、特种车辆六自由度试验台、特种车辆倾斜试验台、全数字六自由度地震模拟平台、数控六自由度坦克工程模拟器运动平台和舰船用六自由度仿真设备等(详见用户名单)。在产品的性能、质量以及产品中高科技的含量等方面均得到仿真界的高度评价。六自由度的定义六自由度运动是指在X-Y-Z三维空间内分别沿X、Y、Z轴的平动运动和分别绕X、Y、Z轴的转动运动。将绕X轴的转动定义为滚转?，将绕Y轴的转动定义为俯仰θ，将绕Z轴的转动定义为偏航χ。如下图所示： x Y 具体指标如下：机电式六自由度平台技术性能（一）主要功能： 1.总载荷200kg 2. 1-6个自由度任意组合的多自由度复合正弦运动，幅值、频率均可以人为设定

3. 正弦复合运动 4. 随机运动 5. 对实测路面谱、海浪谱的运动复现 6. 运动平台满载条件下可以运动到任意位置，并锁定。 7. 具有机械、电器、软件多重安全保护措施 8. 测试系统（选件）实时采集六台缸的位置信号，通过反变换算法算得平台的位姿数据，并以曲线和数字两种方式在屏幕上实时显示，测试数据还可以实时输出。 9. 数据端口开放，可自由导出和输入。（二）可执行标准： 1.国军标GBJ15023-91《军用设备环境试验方法倾斜和摇摆试验》 2.GJB2021-94《飞行模拟器六自由度运动系统设计要求》 3.GJB1395-92《飞行模拟器通用规范》设计 4.电磁兼容性设计按《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》执行 5.机械结构设计按GBJ17-1988钢结构设计规范 6.GB3811-83起重机设计规范。（三）主要技术参数：平台姿态俯仰（绕Y轴）：±20° 侧倾（绕x轴）：±20° 精度：±0.5° 平台位移：升降行程：200mm 精度：±1mm

基于MATLAB的六自由度工业机器人运动分析和仿真

基于MATLAB 的六自由度工业机器人运动分析及仿真摘要：以FANUC ARC mate100工业机器人为研究对象，对其机构和连杆参数进行分析，采用D-H 法对机器人进行正运动学和逆运动学分析，建立运动学方程。在MATLAB 环境下，运用机器人工具箱进行建模仿真，仿真结果证明了所建立的运动学正、逆解模型的合理性和正确性。关键词:FANUC ARC mate100工业机器人; 运动学; MATLAB 建模仿真 1引言工业机器人技术是在控制工程、人工智能、计算机科学和机构学等多种学科的基础上发展起来的一种综合性技术。经过多年的发展，该项技术已经取得了实质性的进步[1]。工业机器人的发展水平随着科技的进步和工业自动化的需求有了很大的提高，同时工业机器人技术也得到了进一步的完善。工业机器人的运动学分析主要是通过工业机器人各个连杆和机构参数，以确定末端执行器的位姿。工业机器人的运动学分析包括正运动学分析和逆运动学分析。随着对焊接件要求的提高，弧焊等机器人的需求越来越多。本文就以FANUC ARC mate100机器人为研究对象，通过分析机构和连杆参数，运用D-H 参数法建立坐标系，求出连杆之间的位姿矩阵，建立工业机器人运动学方程。并在MATLAB 环境下，利用RoboticsToolbox 进行建模仿真。 2 FANUC ARC mate100 D-H 坐标系的建立mate100是FANUC 公司生产的6自由度工业机器人，包括底座、机身、臂、手腕和末端执行器，每个自由度对应一个旋转关节，如图1所示。图1FANUC ARC mate 100机器人三维模型 DENAVIT 和HARTENBERG 于1955年提出了一种为关节链中的每一个杆件建立坐标系的矩阵方法，即D-H 参数法，在机器人运动学分析得到了广泛运用。采用这种方法建立坐标系: (1) Z i 轴沿关节i +1的轴线方向。 (2) X i 轴沿Z i-1和Z i 轴的公法线方向，且指向背离Z i-1轴的方向。 (3) Y i 轴的方向必须满足Y i = Z i *X i ，使坐标系为右手坐标系。按照上述方法，建立坐标系如图 2 所示。 J 4 J 3 J 5 J 2 J 1 J 6

平面机构自由度的计算

平面机构自由度的计算 1、单个自由构件的自由度为 3 如所示，作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x ，y, θ）才能唯一确定。 2、构成运动副构件的自由度图2—19运动副自由度运动副自由度数约束数回转副 1（θ） + 2（x ，y ） =3 移动副 1（x ） + 2（y ，θ） =3 高副 2（x,θ） + 1（y ） =3 构件自由度＝3－约束数 3、平面机构的自由度 1）机构的自由度：机构中活动构件相对于机架所具有的独立运动的数目。 2）.机构自由度计算公式 H P -=L 2P -3n F 式中： n-------活动构件数目（不包含机架） L P -----低副数目（回转副、移动副） H P ------高副数目（点或线接触的）例题1：计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3 低副数 PL=4 高副数 PH=0 H P -=L 2P -3n F 图曲柄滑块机构 =3×3 － 2×4 =1 例题2：计算五杆铰链机构的自由度。解：活动构件数n=4 低副数 PL=5 高副数 PH=0 H P -=L 2P -3n F 图五杆铰链机构 =3×4 － 2×4 =2 例题3：计算凸轮机构的自由度解：活动构件数n=2 低副数 PL=2 高副数 PH=1 =3×2 －2×2－1 =1 图运动副低副(面接触) 移动副高副(点或线接触) 约束数为2 约束数为1

凸轮机构 4．机构具有确定运动的条件原动件的数目＝机构的自由度数F（F＞0或F≥1）。若原动件数＜自由度数，机构无确定运动；原动件数＞自由度数，机构在薄弱处损坏。 (a)两个自由度(b)一个自由度 (c)0个自由度图3-11 不同自由度机构的运动 5．计算机构自由度时应注意的事项 1）复合铰链：两个以上个构件在同一条轴线上形成的转动副。由m个构件组成的复合铰链，共有(m-1)个转动副。 2）局部自由度：在某些机构中，不影响其他构件运动的自由度称为局部自由度局部自由度处理：将滚子看成与从动杆焊死为一体。注意：在去除滚子的同时，回转副也应同时去除，这就相当于使机构的自由度数减少了一个，即消除了局部自由度。 3）虚约束：重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。几种常见虚约束可以归纳为三类：第一类虚约束：两构件之间形成多个运动副，它们可以是移动副（图2-17）或转动副（图2-18），这类虚约束的几何条件比较明显，计算自由度的处理也较简单，两个构件之间只按形成一个运动副计算即可。图3-14 导路重合的虚约束图3-15 轴线重合的虚约束第二类虚约束：机构中两构件上某两点的距离始终保持不变。如用一个附加杆件把这两点铰接，即形成虚约束。这两个点可以是某动点对某固定点的关系（如2-15中的E、F），也可以是两个动点之间的关系。这类虚约束常见于平行四边形机构，计算自由度时应撤去附加杆及其回转副。第三类虚约束：机构中对运动不起作用的对称部分可产生虚约束（图2-19）。这类虚约束常见于多个行星齿轮的周转轮系，计算自由度时应只保留一个行星轮而撤去所有多余的行星轮及其有关运动副。最后必须说明，虚约束是人们在工程实际中为改善机构或构件受力状况，在一定条件下所采取的

六自由度平台

（一）六自由运动平台介绍六自由度液压平台技术参数六自由度运动平台是由六支油缸，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，借助六只油缸的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（α，β，γ， X，Y，Z）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。六自由度运动平台涉及到机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理等一系列高科技领域，因此六自由度运动平台是液压和控制领域水平的标志性象征。主要包括平台的空间运动机构、空间运动模型、液压系统、控制系统。 1 六自由度平台空间机构技术参数六自由度平台结构效果图如图1所示。图1 六自由度平台六自由度运动平台由上下平台和六个液压油缸组成。六个液压缸上端点两两组成上平台三个支点，六个液压缸下端点两两组成下平台三个支点。上下三个支点分别在假设的圆周上，并且是120o等分，既分别是两个等边三角形的顶点。根据不同的运动范围，油缸的行程和上下平台半径不同。结构如图2所示。图2 六自由度平台结构图根据标书要求，六自由度平台结构参数如下：上平台半径： 0.8m；

下平台半径：0.85m ；油缸最低行程时上下平台垂直距离：约1.17m；油缸行程：±0.20m。 2 六自由度平台空间运动空间运动的目标是实现平台在空间运动的三个姿态角度和三个平动位移，即俯仰、滚转、偏航、上下垂直运动、前后平移和左右平移，及六个姿态的复合运动姿态。而空间目标是通过六个液压缸的行程实现的，这就需要一个空间的运动模型完成空间运动的转换，假设空间运动的目标俯仰、滚转、偏航、上下垂直位移、前后平移和左右平移用α，β，γ，X，Y，Z表示，六个油缸的行程用L（i）（i＝1、2、3、4、5、6）表示。整个运动模型如下： L（i）＝TT（α，β，γ，X，Y，Z）其中，TT是一个空间转换矩阵模型。由此实时算出每一运动时刻液压油缸的行程。液压油缸的理论行程再通过D/A接口的转换，给出实际行程值。根据平台的空间机构参数，空间运动参数如下：（二）六自由度平台多自由度运动控制多自由度控制系统中，自由度最多为六自由度，并且六自由度运动控制难度最大，设备及系统最复杂，下面主要介绍我公司设计、生产的六自由度运动平台。六自由度运动平台是由六支直线伺服电动缸，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，借助六只伺服电动缸（执行器）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中，如飞行模拟器、汽车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域中。在加工业可制成六轴联动机床、机器人等。

六自由度运动平台方案设计报告

4 D/A卡PCI1723 研华 1 5 工控机610H 研华 1 6 直流电源 1 2.1.2 结构方案六自由度运动平台是由六条电动缸经过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而能够模拟出各种空间运动姿态。上动平台球笼联轴器电动缸虎克铰链下静平台图1 六自由度平台外形图 a）球笼联轴器（如图2所示）采用球笼铰链与上平面连接。球笼铰链结构简单、体积小、运

转灵活、易于维护。初选球笼铰链型号BJB（JB/T6139-1992），公称转矩Tn= N/m，工作角度40度，外径D=68mm，轴孔选用圆柱孔d=24mm，总长度L1=148mm，转动惯量为0.00008kg.m2，重量5kg。图2 球笼联轴器 b）虎克铰链（如图3所示）采用虎克铰链与下平面连接。万向节铰链传动效率高，允许两轴间的角位移大，适用于有大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35o~45o，噪音小，对润滑要求不高，传递转矩大，而且使用可靠，因此获得广泛的应用。