基于Solidworks的六自由度平臺仿真在動感影院中的應用

陳明

（溫州南方游樂設備工程有限公司，浙江溫州，325000）

引言

六自由度平臺在游樂設備領域主要用于動感影院，動感影院正處在一個從起步到發展的過渡階段。比較常見的項目如黑暗乘騎、飛行影院、影視懸掛過山車等。

由于六自由度平臺運動的復雜性，且其動作要與影片相結合才能讓游客有身臨其境的感受，因此，傳統的二維設計方法已經不能滿足新產品開發的需要。在游樂設備的開發階段，根據影片的指定動作，通過運動仿真，可以得到設備的運動軌跡，檢查其干涉情況，對游客進行視線分析和設備結構優化具有指導作用。在后期設備的調試階段，如果直接將平臺連續變化的姿態數據作為控制目標，那么控制系統將變得異常復雜。因此，有必要通過Solidworks Motion將連續變化的姿態數據轉變為電動缸的位移數據。

1 六自由度平臺的概述

1.1 六自由度平臺的起源

六自由度運動平臺，又稱斯圖爾特平臺，是通過六個對稱的直線驅動缸的協調伸縮來實現上平臺沿x，y，z向的平移和繞x，y，z軸的旋轉運動（共6個自由度），以及這些自由度的復合運動。運動平臺在仿真運動模擬器中的主要作用是，給仿真對象中的人（游客）提供一個仿真的空間實時加速度輸入信號，以再現模擬仿真對象的運動感覺。在很多的運動對象的高端仿真模擬系統中，六自由度運動系統已經成為了不可缺少的重要的分系統，例如汽車駕駛模擬、飛行仿真、坦克模擬器、火車模擬器和軌道車輛的模擬器中。

1.2 六自由度平臺組成

六自由度平臺的結構組成為：（1）上平臺，用于承載負載；（2）驅動桿，共6根，可以由電動缸或者液壓缸驅動；（3）下平臺，為機構的底座；（4）鉸鏈，可以是球鉸或虎克鉸，位于驅動桿兩端，用于固定連接上下平臺。六自由度平臺通過6根驅動桿的伸縮來實現橫移、縱移、升降、橫滾、俯仰、偏航6個自由度的運動以及它們的組合運動。六自由度平臺的模型如圖1所示。

圖1 六自由度平臺模型

1.3 六自由度平臺在游樂設備中的發展

隨著我國經濟的高速發展，人們的文化精神需求的提高，游樂設備正由戶外單體設備向室內數字娛樂結合的大型游樂設備發展。人們已經不再滿足于傳統的休閑方式，而更加熱衷于主動參與、親身體驗的現代娛樂方式。于是，六自由度平臺開始廣泛應用于游樂設備領域，并處于黃金的發展期。

在此之前，六自由度運動平臺多應用于兵器、船舶、航天、航空、電子等國防工業部門和民航、石油、鐵道、地震、交通等民用工業部門，在游樂設備行業應用不多。

六自由度平臺在游樂設備領域主要用于動感影院，動感影院正處在一個從起步到發展的過渡階段。近年來，越來越多的觀眾認識并且接受了這一高新科技娛樂項目，未來動感影院將會蓬勃發展。

六自由度平臺的上側（或下側）會連接座艙設備，乘客在座艙中跟隨著影片的情節可產生俯仰、翻滾、偏航、升降、涌進、平移等動作，從而使游客在安全舒適的體驗過程中，更加真實地感受影片內容。比較常見的有上置座艙和懸掛座艙兩種，如圖2所示。

圖2 游樂設備中六自由度平臺常見的兩種應用方式

1.4 六自由度平臺類型的選擇

六自由度平臺分液壓缸驅動和電動缸驅動兩種。在游樂設備中，絕大部分設計都是采用電動缸驅動的六自由度平臺。相比于液壓運動系統，電動運動系統具有無可比擬的優越性，體現在：

（1）對廠房等技術設施的要求降低。電動平臺不需要像液壓系統一樣復雜的基礎建設，例如專門的泵房來安放液壓泵站，不需要蓄水池（冷卻水池）、冷卻塔、蓄壓器、閥和各種液壓管路，而游樂設備對占地要求，地面整潔度等要求更高。

（2）安裝和維護成本降低。電動運動系統由于結構簡單，安裝可以在2-3天內完成。電動運動平臺的電機通常是在密封狀態下的，在模擬器的整個使用壽命中都不需要多余的維護。相比而言，液壓運動平臺完全需要大量的人工支持和維護開支。

（3）安全性提高。游樂設備中，乘客的安全必須放在首位。有毒液壓油的泄露，潛在的液壓管路的破裂都意味著液壓運動平臺安裝和操作過程中都比電動平臺有更大的安全隱患； 可靠性提高。

（4）故障了降低。液壓系統有伺服閥、油濾等易損壞部件，客戶經常要被迫停止；電動運動系統的平均故障時間大大延長，更受客戶的歡迎。

（5）設備性能提高。電動運動系統具有更快的反應時間，更大的加速度變化率，更短的系統延時。電動運動系統具有更好的頻率響應特性，能夠模擬更好的動態效果； 結合影片播放，可以讓乘客有身臨其境的體驗。

（6）功率消耗少。設備運行時消耗的電能一般是同樣載荷液壓系統的25%-30%。

2 六自由度平臺三維模型建立

本文以黑暗乘騎動感車（每車乘坐 8人）中所使用的六自由度平臺為例進行分析。此六自由度平臺最大有效靜載荷為 2000kg，電動缸的行程為320mm。下平臺與車輛底盤連接，其電動缸鉸鏈座分布圓直徑為φ2080mm，長邊為1680mm，短邊為220mm。上平臺與車輛座艙連接，其電動缸鉸鏈座分布圓直徑為φ1700mm，長邊為1350mm，短邊為220mm。當六自由度平臺處于低位時，上下鉸鏈座中心距為 890mm。基于以上結構尺寸，利用SolidWorks對六自由度平臺進行三維實體建模。

2.1 零部件建模

根據平臺各零部件的外形尺寸，采用自下而上的設計方法，利用拉伸、旋轉、掃描等特征功能，建立各零部件的模型。在建模過程中，通過合理地設定各零部件之間的父子關系，以盡量減少零部件上的定位尺寸，提高設計效率。為了能夠進行運動仿真，電動缸體和電動缸桿應分成兩個零件。對于具體建模步驟本文不作詳細介紹。

2.2 零部件裝配

零部件建模完成后，根據平臺的尺寸范圍和各零部件之間的約束關系進行平臺的裝配。在整個六自由度平臺的裝配中，下平臺設為固定，有相對運動的部件應求解為柔性。具體操作中，應該按照平臺的運動特點選擇合適的約束類型和連接形式進行零部件裝配，這對能否成功地實現運動仿真至關重要。

2.3 模型干涉檢查

零部件裝配完成后，通過配合中只用于定位功能，將上平臺調整到初始低位狀態。對模型進行干涉檢查，確定各零部件間沒有干涉后平臺模型即建成。

3 六自由度平臺運動仿真分析

當六自由度平臺的Solidworks三維模型建立完成后，直接進入運動算例，利用SolidWorks Motion進行仿真，這能更好的保證仿真中數據的兼容性和完整性。SolidWorks Motion依托其強大的運動分析功能，能精確地對六自由度平臺進行運動位置及運動參數的計算、動力學分析，并以動畫和圖表的形式演示出來。

此六自由度平臺的仿真采用逆向的仿真分析，即在上平臺施加運動驅動，然后反解出各個電動缸的運動情況。

3.1 繪制驅動樣條曲線

在六自由度平臺模型初始低位狀態下，對此六自由度平臺做螺旋運動為例進行分析。設定其上平臺的驅動樣條曲線為半徑R=150mm，螺距P=100mm，圈數n=3，繪制出上平臺驅動樣條螺旋線。繪制出螺旋線后，將其轉變為3D草圖，將此3D草圖與上平臺上對應的點采用路徑配合，此路徑配合將在運動仿真中作為驅動路徑。如圖3所示。

圖3 驅動樣條曲線

圖4 添加馬達

3.2 創建平臺運動算例

六自由度平臺的虛擬樣機模型建立完成后，即可創建運動算例，利用SolidWorks Motion進行仿真。創建運動算例，選擇Motion分析，為上述驅動路徑添加路徑配合馬達，運動類型中選擇等速，v=200mm/s，如圖4所示。拖動時間鍵碼到12s位置，選擇計算后模型開始運行仿真。

3.3 分析平臺運動仿真結果

仿真結束后單擊“結果和圖解”，查看每只電動缸缸桿的伸縮量和各自由度變化量，結果如圖6、圖7所示。

圖6 電動缸桿伸縮量

圖5 各自由度變化量

此外，在六自由度平臺上添加一個力來模擬座艙及游客的重量，加上實際的驅動樣條曲線，通過仿真分析，可以得到每只電動缸實時變化的馬達力、能量消耗等參數。運動仿真還可以準確地進行游客視線分析，這對整體項目的布局，球幕的尺寸選擇等具有重要的指導意義。

4 六自由度平臺的數據輸入及控制方法

在游樂設備中，六自由度平臺結合影片進行多自由度動作，再配合聲音、吹風、氣味等特效，可以給游客帶來一種身臨其境的全新體驗，也是未來游樂設備的發展趨勢。現以上述的黑暗乘騎項目六自由度平臺數據的輸入及控制方法進行實例介紹。

4.1 通過Maya軟件生成六自由度平臺的姿態數據

黑暗乘騎的影片由Maya完成，座椅要配合影片進行動作，也就是說六自由度平臺的動作文件是由影片決定的。在Maya中，影片技術人員生成相機視角曲線，導出連續變化的姿態數據。

4.2 將連續變化的姿態數據轉變為各電動缸連續變化的位移數據

上述導出的姿態數據是連續變化的空間六自由度數據：X 坐標，Y 坐標，Z 坐標，X 軸旋轉，Y 軸旋轉，Z 軸旋轉。但是六自由度平臺如果以連續變化的姿態數據作為控制目標，那么控制系統將變得異常復雜，控制不但要解決控制本身的問題，還要花費大量精力處理3D空間里的姿勢數據。因此，有必要將連續變化的姿態數據轉變為六自由度電動缸連續變化的位移數據。連續變化的姿態數據也就是上平臺的驅動樣條曲線，導入到SolidWorks Motion中，通過運動仿真，可以分別得到六只電動缸的電動缸桿伸縮位移與時間曲線（具體做法第3節已進行了詳細的介紹）。通過轉換，六自由度平臺的控制變成了僅與不同時間的位移值有關，進而使得控制方法更加簡單。

4.3 對所述位移與時間關系的曲線進行預處理

檢查所有數據是否在六自由度平臺的技術參數范圍內，如果超出應進行調整。①、調整各姿態的速度值，使處理后的位移與時間關系的曲線的速度低于最大速度值，保證動作速度不會過快；②、調整各姿態的加速度值，使處理后的位移與時間關系的曲線的加速度低于最大加速度值，保證動作受力不會過大；③、調整各姿態的加速度變化率，使處理后的位移與時間關系的曲線的加速度連續，且加速度變化率低于最大加速度變化率，保證動作的平滑性且受力是連續的。

4.4 將預處理后的位移與時間關系的曲線輸入到六自由度平臺控制器

將預處理后的位移與時間關系的曲線輸入到六自由度平臺控制器中，使上述控制量轉換為電壓控制信號，使各電動缸進行動作，以達到六自由度平臺配合影片動作的效果。

5 結束語

本文詳細闡述了六自由度平臺在游樂設備黑暗乘騎項目中的應用，并利用SolidWorks對平臺進行了建模和運動學仿真。仿真結果直觀地表現出平臺的運動狀態，通過與驅動方程對比，驗證了仿真的正確性及合理性。文中所涉及的一些研究方法和思路，特別是六自由度平臺的數據輸入及控制方法，可為今后六自由度平臺應用于類似的項目提供了可以借鑒的理論和實踐經驗。

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