精選教育文檔大連海事大學二○一○年六月可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)設計與實驗研究姓名：黃鑫指導教師：關廣豐交通與物流工程學院可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔本論文主要研究六自由度平臺的位置反解，通過仿真實驗和在xPC環(huán)境下的實時控制實驗來驗證算法的可行性。六自由度轉臺機構的位置反解。其次，通過MATLAB/Simulink將方程搭建出來進行系統(tǒng)仿真。運用Simulink中的模塊將位置反解方程搭建出來，通過計算機模擬仿真，由用戶給定的位姿求解出缸長變換。并且通過仿真初步驗證反解方程的正確性。同時考慮到一定得實際此實驗的基礎上記錄分析實驗數(shù)據(jù)，通過對比實時控制實驗數(shù)據(jù)與仿真實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)重合度高，從而驗證算法的可行性。論文研究了控制并聯(lián)機器人的核心算法。通過對比實時控制實驗數(shù)據(jù)與仿真實驗數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)重合度高可得到該算法以及此算法上搭建的控制系統(tǒng)能夠用于實際的并聯(lián)機器人的可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔Abstract可編輯可修改，歡迎下載 2六自由度轉臺運動學分析 2.5系統(tǒng)質(zhì)心運動規(guī)律與控制點運動規(guī)律 3基于MATLAB/SIMULINK運動學仿真 4實驗研究 -24-可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔 -24- 4.4控制系統(tǒng)模型完善和實時仿真 4.5實時控制實驗及數(shù)據(jù)分析 可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)設計與實驗并聯(lián)六自由度轉臺是具有重大經(jīng)濟價值和國防戰(zhàn)略意義的高精尖實驗設備。與傳統(tǒng)的串聯(lián)式多自由度運動機構相比，它具有承載能力強，剛度好，無積累誤差，精度高等優(yōu)點。70年代初，美國的飛行模擬器。進入80年代特別是90年代以來，六自由度運動平臺越來越廣泛的應用于機器人、并聯(lián)機床、空間對接計術、航空航海設備、搖擺模擬以及娛樂設施上。直到現(xiàn)在，并聯(lián)式六自由度目前我國的六自由度轉臺設計水平和制造水平與西方發(fā)達國家相比差距還是相當大，對六自由度轉臺控制理論、控制系統(tǒng)與技術研究的這些領域內(nèi)的關鍵課題所做的工作還很粗淺。因此對六自由度的仿真技術水平，具有重大的理論意義和實際應用價值?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代飛機工業(yè)、艦船、宇航和車載工業(yè)發(fā)展的重要工具，同時也是相應飛行員、船員及車輛駕駛員進行飛行模擬訓練、艦船航行模擬訓練和車輛駕駛模擬訓練的有力手段。的解析分析也取得了進展。由于在理論上基本解決了六自由度系統(tǒng)的運動學和動力學問題，加之它航空及車輛的模擬器中基本采用這種六自由度運動系統(tǒng)。在結構和外型都得到了充分的發(fā)展，其可分為以下幾類：（1）按自由度的數(shù)目分類，并聯(lián)機器人可做F自由度（DOF）操作，則稱其為F自由度并聯(lián)（2）按并聯(lián)機構的輸入形式分類，可將并聯(lián)機器人分為：線性驅(qū)動輸入并聯(lián)機器人和旋轉驅(qū)可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔動輸入并聯(lián)機器人。研究較多的是線性驅(qū)動輸入的并聯(lián)機器人，這種類型的機器人位置逆解非常簡慣量更小、承載能力相對更強等優(yōu)點；但它的旋轉輸入形式?jīng)Q定了位置逆解的多解性和復雜性。（3）按支柱的長度是否變化分類，可將并聯(lián)機器人分為：一種為采用可變化的支柱進行支撐上下平臺的并聯(lián)機器人。例如：這種六桿的并聯(lián)機器人稱為Hexapod，運動平臺和基座由六個長度可變化的支柱連接的，每個支柱的兩端分別由鉸鏈連接在運動平臺和基座上，通過調(diào)節(jié)支柱的長度來改變運動平臺的位姿。另一種為采用固定長度的支柱進行支撐上下平臺的并聯(lián)機器人。例如：這種六桿的并聯(lián)機器人稱為Hexaglide，運動平臺和基座是由六個長度固定的支柱連接的，每個支柱一端由鉸鏈連接在運動平臺上，另一端通過鉸鏈連接在基座上，該端鉸鏈可沿著基座上固定的滑道上下進行移動，由此來改變運動平臺的位姿。相對于串聯(lián)機器人來說，并聯(lián)機器人具有以下優(yōu)點：④在位置求解上，串聯(lián)機構正解容易，反解困難，而并聯(lián)機器人正解困難，反解容易。由于并聯(lián)機器人的在線實時計算是要求計算反解的，這對串聯(lián)機構十分不利，而并聯(lián)機構卻容易實現(xiàn)，由于這一系列優(yōu)點，因而擴大了整個機器人的應用領域。[8]目前，國內(nèi)外對六自由度平臺的研究主要集中在動力學、運動學、機構學、控制技術以及平臺運動的誤差分析等幾個方面。動力學分析及控制技術的研究主要是進行動力學分析和建模，并且研究控制算法，對六自由度平臺實施控制。機構學與運動學分析主要研究并聯(lián)機構的運動學問題、奇異位形、工作空間、干涉分析和靈巧度分析等方面。機構學與運動學研究是六自由度平臺實現(xiàn)控制和應用以及機構優(yōu)化設計的基礎。二十世紀80年代后期到90年代中期，國內(nèi)外對六自由度平臺方面的研究主要是在平臺的位置個，該方法具有計算速度快求解精度高，尤其是初值容易選取等優(yōu)點。1994年饒青等研究了一般6-6型六自由機構的正解問題，根據(jù)機構的幾何等同性原理，采用拆桿的方法，使用矢量工具結合于同倫函數(shù)的新迭代法，其正位置分析模型的建立采用了旋轉變換矩陣和矢量工具，不需取初值并可求出全部解，比傳統(tǒng)的同倫連續(xù)法簡單，簡化了求解過程，提高了計算效率和可靠性，推導出了問題轉化為假設已知其空間六自由度參數(shù)，使得其給定桿長與上述假定六自由度參數(shù)求得的桿長之差的最小值優(yōu)化問題，較好地克服了其它數(shù)值解法的位置正解精度與初值的選取有直接的關系的弊六自由度平臺工作空間的解析求解是個極其復雜和繁瑣的問題，至今仍沒有完善的方法。1992該機構的特點和應用需要而把上平臺中心可達范圍分別定義為定姿態(tài)可達空間和工作空間兩類。對于給定結構參數(shù)的6-SPS機構，在確定工作空間的最高點和最低點后，即可快速計算出其工作空間可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔應用單參數(shù)曲面族包絡理論，將受桿長和連架球鉸約束的工作空間邊界問題歸結為對若干變心球面年范守文等人提出了一種并聯(lián)機器人工作空間分析的解析方法，該方法以曲面分析為基礎，結合六自由度平臺的運動特性得到了其工作空間邊界曲面的方程，該方程是雙參數(shù)隱函數(shù)方程。在六自由度平臺的動力學分析方面，黃真和王洪波利用影響系數(shù)法對并聯(lián)機器人進行了受力分析，并建立了自從Stewart提出六自由度平臺概念以來，國外一直都在開展關于六自由度平臺理論方面的研首次提出了六自由度平臺的立方體結構(Cubic程把六自由度并聯(lián)機構的奇異位形分為邊界奇異、局部奇異和結構奇異。Hunt和Fichter首先研究由度平臺的奇異位形，這種方法直觀、有效，可以找出機構很多的奇異位形。S.Bhattacharya、在六自由度平臺工作空間的研究中，F(xiàn)ichter采用固定三個姿態(tài)參數(shù)和一個位置參數(shù)而讓其它兩個變化的方法，研究了六自由度并聯(lián)機器人的工作空間，利用圓弧相交的方法來確定六自由度并聯(lián)機構在固定姿態(tài)時的工作空間，該方法不僅可以直接計算工作空間的大小，而且效率也比較高。Masofy等同時考慮到各關節(jié)轉角的約束，各連桿長度的約束和機構各構件的干涉來確定并聯(lián)機器人于給定動平臺姿態(tài)和受桿長極限約束時假想單開鏈末桿參考點運動軌跡為一球面的幾何性質(zhì)，將工參考點，求解相應極限姿態(tài)空間的解析方法。Fichter和Merlet較早的開展了六自由度平臺動力學方面的研究。他們在忽略平臺腿部慣量影響的情況下建立了六自由度平臺的動力學方程。Sugimoto以六自由度平臺為例分析了并聯(lián)機器人的動于桿的軸線上，并且桿的力矩慣量是可以忽略的情況下，利用牛頓-歐拉法研究了六自由度平臺的逆俄羅斯、荷蘭等國，并且大多用于飛機(包括戰(zhàn)斗機、運輸機和民航客機)模擬飛行訓練，在艦船、五十年代開始研制的搖擺模擬臺，就用于裝備海軍。近幾年來，六自由度轉臺系統(tǒng)也開始被應用到可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔工業(yè)甚至娛樂場所，如美國Ford汽車公司研制的汽車行駛仿真器、Inger床等等，用于娛樂場所的六自由度游樂模擬臺則是一種模擬運動載體特征，給人視覺、聽覺、觸覺以全方位真實感受的現(xiàn)代化新潮游樂設備，美國、日本等國家的一些著名游樂場所已有六自由度六自由度轉臺的另一個重要的發(fā)展方向，是作為微動機構或微型機構，在三維空間微小移動(2pm-20pm)之間，仍具有小的工作空間，這種微動機構正好發(fā)揮了六自由度轉臺的特點，工作空間不大但精度和分辨率都非常高。一個例子是用在眼科手術中，治療視網(wǎng)膜靜脈閉塞，另有一種微動雙指并聯(lián)機構，用于生物工程上的微細外科手術中的細胞操作。我國早期研制的六自由度轉臺也主要用于軍事目的，模擬飛機、艦船、宇航和裝甲車輛等的運動，工業(yè)上的應用，則主要是在并聯(lián)機床的研制上。在微動機構方面，我國也取得了進展，如燕山大學（1）六自由度平臺位置反解已知輸出構件平臺的位置和姿態(tài)，來求解輸入構件六個液壓缸的位置和姿態(tài)的過程就是位置反解。通過機構學的基本知識推導出六自由度平臺位置反解（2）運用MATLAB/Simulink進行系統(tǒng)模擬仿真修改。（3）通過MATLAB/xPC進行實時控制可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔六自由度轉臺的運動學分析主要包括位置、速度和加速度分析。本論文主要對六自由度平臺進行位置反解分析，即當已知轉臺輸出的位置和姿態(tài)，求解輸入的位置和姿態(tài)的過程。本章采用矩陣在此基礎上建立了轉臺輸入與輸出構件間的位置關系。本章最后推導出了一種求解位置正解的數(shù)值為了清楚地描述臺體的運動，選取兩個坐標系，即體坐標系OXYZ和靜坐標系O'X'Y'Z'，如圖選取體坐標系(又稱動坐標系)的坐標原點為載體和平臺的綜合質(zhì)心，坐固定在臺體上，坐標軸的方向與臺體的慣性主軸方向平行，載體的安放也使其慣性主軸與體坐標系的坐標軸相平行。將靜坐標系(又稱參考坐標)固定在大地上。在初始位置時，靜坐標系O'X'Y'Z'，與體坐標系完全重合。靜坐標系實際上是體坐標系的參考對象，當平臺運動時，以大地為參照物，靜坐標系是不動的。對可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔1Zq2q3X3Y'XX'中偏航角q3縱搖角q2橫搖角q1Y圖體坐標系與靜坐標系之間，存在一個變換矩陣。由靜坐標系到體坐標系坐標變換的次序為：第一次沿O'X'向，平移q，變換矩陣為：4|||010010||可編輯可修改，歡迎下載|3T|3T34精選教育文檔|||0TT3q36三次平移之后，坐標系O'X'Y'Z'平移到OX'Y'Z',接著進行三次旋轉變換，第一次繞OZ'軸旋轉偏航角q，變換矩陣為：3由于繞OZ'軸旋,Z軸坐標值不變，只需推導出PP10]第二次繞OY軸旋轉偏航角q，變換矩陣為：可編輯可修改，歡迎下載0-sinq|T0-sinq|T5T6精選教育文檔|0|0|綜合以上各個變換，即可以得到由靜坐標系到體坐標系坐標變換矩陣T為：工作零位時液壓缸長度L2：q4q5q61]|」體坐標系與靜坐標系坐標原點都在平臺上表面中心用矩陣A來表示液壓缸缸筒上端鉸支點在動坐標系中的坐標向量。矩陣A第一列的第一行至第三行元素分別表示上鉸支點在動坐標系中X軸可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔AbθmaBd d aaa在三角形AAO中，由三角形關系得：1ddaaa1aAA1a1aA--dAa0L可編輯可修改，歡迎下載dd精選教育文檔]「ddaa0aaa0-R-Raaa-Ra-Raaa0a用矩陣B來表示液壓缸缸筒上端鉸支點在動坐標系中的坐標向量。矩陣B第一列的第一行至第三行元素分別表示上鉸支點在動坐標系中X軸ddbbb在三角形BBO中，由三角形關系得：b)bb)b因此B點坐標為：可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔bBbB|||||||||bb-hb將B矩將B矩[[A1BB,Bmπ;3可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔aabbab)]bab2.5系統(tǒng)質(zhì)心運動規(guī)律與控制點運動規(guī)律以上分析中，所推導的公式中系統(tǒng)的坐標系的原點均為系統(tǒng)上臺面的中心。但是在實際的工作就是要求K點實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，以便分析計算。若控制點K在體坐標系中的坐標為[00H1]T，相對于它自身初始運動規(guī)律為0Y0Z00K在兩個坐標系中坐標關系為：可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔由此可得系統(tǒng)質(zhì)心運動規(guī)律由控制點運動規(guī)律表示的關系式為：液壓缸活塞桿的伸縮量（即位移）可由液壓缸的上下鉸點之間的距離減去鉸支點初始長度l來確定。鉸支點距離的計算公式為：ikiki式中g為A矩陣變換到靜坐標系后所得各點對應的坐標，其計算公式液壓缸活塞桿的伸縮量為：iiii本章采用矩陣分析方法，通過建立兩個直角坐標系和靜坐標系，推出了體坐標系與靜坐標系之位置關系，從而解決了六自由度轉臺機構的位置反解?？删庉嬁尚薷模瑲g迎下載精選教育文檔運用MATLAB中simulink模塊將上面推導出的位置反解的方程搭建出來，進行六自由度平臺的系統(tǒng)仿真、測試，并進行修改、調(diào)整。輸入?yún)?shù)求位置變換矩陣T通過變換矩陣將A點坐標由動坐標系變到靜坐標系C標做差平方和輸出結果可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔T為坐標變換矩陣；L為液壓缸位于中位時長度；A,B分別為上下鉸支點坐標矩陣；D為對G矩陣平方和后開方的過程即求解d的過程；i由此工作范圍，通過系統(tǒng)仿真，觀察display的輸出數(shù)據(jù)可以粗略的估算出系統(tǒng)6個自由度繞X軸轉動繞Y軸轉動繞Z軸轉動沿X軸平動沿Y軸平動沿Z軸平動工作范圍可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔沿X軸方向沿Y軸方向幅值相位頻率幅值相位頻率可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔通過對模型仿真，可以初步確定算法的可行性。驗證了本論文所研究的算法在仿真中可實現(xiàn)對（1）系統(tǒng)工作開始之前處于工作零位，即液壓缸的活塞桿處于中位。假設輸入信號要求工作臺移動到最高位，平臺上臺面將會以無窮大的加速度移動到最高位，不符合實際工作要求，因此對輸入信號加入漸縮漸放模塊，以實現(xiàn)平緩的輸入信號。圖3-5為漸縮漸放模塊。漸縮漸放模塊的主要作用是限制輸入信號變換的速率。實現(xiàn)平緩輸入信號方法為：用漸縮漸放模塊限制常值模塊從0變到1的速率然后與輸入信號相乘，以實現(xiàn)平緩輸入信號的目的，如圖3-6可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔為了讓輸入信號在8秒的時間內(nèi)達到額定的輸入幅值，需做如下調(diào)整：額定的輸入幅值和輸入信號在8秒的時間內(nèi)由額定的輸入幅值降到0沿X軸方向幅值相位頻率圖3-7未加入漸縮漸放模塊輸入信號可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔六自由度平臺停止時6個液壓缸處于最低位，即液壓缸活塞桿全部縮回液壓缸。啟動系統(tǒng)時如果輸入信號直接給入系統(tǒng)，平臺將以無窮大的加速度有最低位移動到工作零位，顯然不符合實際情況的需要。因此，在輸入信號之前需要控制系統(tǒng)平臺又最低位平緩的過渡到工作零位。對輸入信號加入一個使平臺由最低位上升到中位的漸縮漸放模塊，如圖3-5：低位到達中位和平臺在15秒的時間內(nèi)由中位降到最低位。可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔本章依據(jù)位置反解方程搭建出控制系統(tǒng)的模型問題，進行仿真實驗，初步驗證方法的可行性，為進一步實時控制實驗做好鋪墊。同時考慮到一定得實際情況，為使信號平穩(wěn)的輸入，使平臺平穩(wěn)的升到中位，加入漸縮漸放模塊，以達到預期的效果?？删庉嬁尚薷?，歡迎下載精選教育文檔主機—目標機的技術途徑，即“雙機”模式，主機和目標機可以是不同類型的計算機。其中，主機機和目標機之間的通信。作為主機，用Simulink模塊來創(chuàng)建模型并進行非實時的仿真。然后用RTW、Stateflow代碼生成器和C編譯器來生成可執(zhí)行代碼并將其在目標機上實時的運行。圖4-1顯示了快速原型化環(huán)境中xPC目標的使用情況。等在內(nèi)的PC兼容機。并在此目標機上實時運行Simulink和RTW生成的應用（2）具有豐富的I/O設備驅(qū)動模塊庫，支持包括CAN總線在內(nèi)的40余種標準板。（4）MATLAB應用程序界面(API)采用服務器/客戶機模式，提供了幾十個函數(shù)用于主機對目標機的控制。（5）可在程序運行時從主機或目標機上動態(tài)調(diào)整參數(shù)。（6）在主機和目標機上都可進行行交互式的數(shù)據(jù)可視化和信號跟蹤。（8）利用xPC目標的嵌入式模塊，可以使目標機系統(tǒng)工作于單xPC目標的軟件環(huán)境具有很多特點，有助于用戶對實時系統(tǒng)快速原型化、測試和配置功能的實現(xiàn)可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔實際被控對象/控制器I/O硬件計算器MATLAB實時內(nèi)核RTW生成的應用程序宿主目標通信參數(shù)調(diào)節(jié)，監(jiān)視等可編輯可修改，歡迎下載精選教育文檔xPC目標不需要在目標機上安裝DOS、Wind殊的啟動盤啟動目標機。該啟動盤內(nèi)包含了高度優(yōu)化的xPC目標實時內(nèi)核。（1）目標啟動盤xPC目標采用了目標啟動盤的方式，這樣省去了安裝軟件、更新現(xiàn)有的軟件設置或訪問的目標PC機上硬盤驅(qū)動器的需要。這樣用戶可以將目標機作為測試實時應用程序的實時仿真機使用，而當完成測試后，又可以把目標機當成一臺臺式計算機使用。采用較新的BIOS可以對xPC目標機進行配置，因此，可以更好的控制系統(tǒng)的實時性。如，關閉外部緩存和CPU的緩存，禁止對鍵盤進行檢索，關閉任何節(jié)省電能的特性。（3）實時內(nèi)核實時內(nèi)核在開始運行之后，將顯示出有關主機和目標機通信連接的友好信息。內(nèi)核將激活應用部分復制到指定的內(nèi)存區(qū)域，然后設置目標應用程序處于準備執(zhí)行狀態(tài)。這時用戶可以使用xPC目標提供的函數(shù)或其他程序與目標程序進行通信。目標應用程序的初始化代碼將剩余的未使用的RAM作為堆棧。堆棧中可用的內(nèi)存將顯示在目標機屏幕的左側。默認情況下xPC所占用的內(nèi)存大小為4MB。通常，由于在整個運行過程中需要采集和存儲數(shù)據(jù)，因而堆棧中大部分內(nèi)存用于信號記錄。xPC目標的信號采集過程是通過實時內(nèi)核來完成的。實時應用程序的信號數(shù)據(jù)存儲在目標機的RAM中，可用來進行分析。xPC目標程序支持已下類型的信號采集方式：（1）信號監(jiān)視模式。（2）信號記錄模式。（3）信號跟蹤模式。模塊的可變參數(shù)包括振幅和頻率。對于xPC目標，可以采用如下兩種方式對模塊參數(shù)進行調(diào)節(jié)：（1）交互方式。xPC目標支持在目標應用程序?qū)崟r運行過程中對參數(shù)進行交互式的調(diào)整，對參數(shù)的改變將立即反映到信號輸出中。（2）腳本和批處理過程。xPC目標還提供了可在目標程序運行時或運行間改變參數(shù)的命令。用戶可通過編寫腳本程序來改變參數(shù)并對信號輸出進行監(jiān)視來獲得參數(shù)的最佳值?？删庉嬁尚薷?，歡迎下載精選教育文檔硬件環(huán)境由主機、目標計算機、目標計算機上的I/O板系列、主機和目標計算機的串行連接或主機PC——臺式電腦、筆記本電腦定時器和信號處理須包含有3.5英寸軟盤驅(qū)動器,一個獨立的串行口或一個以太網(wǎng)適配器卡。主機電腦可以是下列之一：臺式電腦筆記本電腦同樣,它必須包含一個3.5英寸軟盤驅(qū)動器,一個獨立的串行口或一個以太網(wǎng)適配器卡。使用xPC目標嵌入式選項,你可以將3.5英寸磁盤轉換目標計算機可以是下列之一：臺式電腦——這臺電腦將從一個用xPC目標創(chuàng)建的特殊的目標啟動盤啟動。網(wǎng)絡連接）上的資源，但是并不改變已經(jīng)在存儲在硬盤驅(qū)動上的文件。對您的臺式計算機的正常