六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

王輝欽

（漳州世輝電子科技有限公司，福建漳州 363000）

0 引言

六自由度運動平臺為可在六個自由空間運動，并能仿真模擬各種姿態(tài)的運動裝備[1]，集精密伺服控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)等多種技術(shù)于一體，具有高穩(wěn)定性、高精度控制、高承載、快速響應(yīng)的特點[2]，可為模擬駕駛訓(xùn)練提供安全、逼真、高效的輔助平臺，同時節(jié)省大量財力、人力及物力[3]。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及核心技術(shù)領(lǐng)域競爭的加劇，六自由度運動平臺成為各國競爭的焦點[4]，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，如航空航天、航海、醫(yī)療設(shè)備、娛樂設(shè)施、微動機構(gòu)、軍事裝備、并聯(lián)機床、車輛駕駛等[5]，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的重要工具，是一個國家在機械控制領(lǐng)域發(fā)展水平的象征。運動平臺的多自由度運動通過電動缸實現(xiàn)，與傳統(tǒng)液壓缸、氣缸相比，電動缸可控性強、精度更高、運動速度更快，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[6]。目前，六自由度平臺常采用Stewart結(jié)構(gòu)，其存在控制系統(tǒng)復(fù)雜、體型大、空間小等問題[7]，因此，本文采用折返式電動缸、滾珠絲桿等成熟的構(gòu)件，自主設(shè)計了一種六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺及其控制系統(tǒng)，達(dá)到了控制簡單、體型小、響應(yīng)快、運行穩(wěn)定等目標(biāo)，可應(yīng)用于4D影院、車輛駕駛模擬、游戲娛樂等平臺。

1 六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

如圖1所示，六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺采用Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)平臺，具有控制簡單、體型小、載荷分布均勻、響應(yīng)快、運行穩(wěn)定等特點。結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要由上動平臺、虎克鉸鏈、電動推桿（折返式電動缸）、下靜平臺等四部分構(gòu)成，上動平臺與下靜平臺間通過虎克鉸鏈和6條折返式電動缸連接，折返式電動缸通過伸縮完成六自由度空間運動，從而模擬出逼真的空間運動姿態(tài)和體感。

圖1 六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺結(jié)構(gòu)圖

1）上動平臺為提高剛度及載荷能力，能夠承受2 t重物且穩(wěn)定、不變形。

2）虎克鉸連為6條折返式電動缸與上動平臺、下靜平臺的鏈接樞紐，采用虎克鉸鏈具有角位移大（可達(dá)45°）、傳遞轉(zhuǎn)矩大、傳動效率高、噪聲小等優(yōu)勢。

3）下靜平臺為提高剛度及負(fù)荷，使用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接，并采用Q235矩形管制作而成，與虎克鉸鏈連接處采用45#鋼提高受力強度，下靜平臺前后各留置一個機箱，分別放置伺服控制系統(tǒng)和電腦主機，機箱圍板選用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板。

4）折返式電動缸的主要技術(shù)參數(shù)：有效行程為200 mm；絲桿直徑×導(dǎo)程為16 mm×5 mm；伺服電機額定轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為8.36 N·m；伺服電機額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min；電動缸額定速度為250 mm/s，最高速度為500 mm/s；電動缸潤滑方式為潤滑脂。

1.2 平臺尺寸、載荷指標(biāo)

六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺設(shè)計的外廊尺寸、控制柜尺寸、運動載荷、有效載荷等指標(biāo)如表1所示。從表1可看出，該六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺具有載荷大、體型小等特點，可適用于空間相對較小的工作場合。

表1 六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺尺寸、載荷指標(biāo)

1.3 平臺結(jié)構(gòu)仿真分析

從表2可看出，六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺的橫向、縱向、垂直等位移以及偏航角、俯仰角、翻滾角等角度均符合設(shè)計要求，仿真圖如圖2～圖6所示。

表2 六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺運動參數(shù)

圖2 平臺橫蕩、縱蕩仿真圖

圖4 平臺偏航角度仿真圖

圖5 平臺俯仰角度仿真圖

圖6 平臺翻滾角度仿真圖

2 六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 仿真平臺控制系統(tǒng)框架設(shè)計

六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺控制系統(tǒng)分為上位機控制軟件、下位機控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸接口、運動平臺和傳感器模塊等五個部分，如圖7所示。

圖7 六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺控制系統(tǒng)設(shè)計整體框架圖

1）上位機控制軟件含平臺控制軟件和模擬器軟件，其中平臺控制軟件設(shè)置自動控制、手動控制和振動測試3個功能，可獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)并經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸出在UI界面顯示。模擬器軟件主要功能為模擬駕駛運行，可獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為控制信號傳輸?shù)狡脚_控制系統(tǒng)。

2）下位機控制系統(tǒng)主要對上位機控制數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，并將姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為伺服控制系統(tǒng)的控制信號，下達(dá)控制信號指令折返式電動缸完成相應(yīng)姿態(tài)動作。

3）網(wǎng)絡(luò)通信傳輸接口用于對折返式電動缸狀態(tài)信號及控制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4）運動平臺為折返式電動缸根據(jù)指令完成相應(yīng)姿態(tài)動作的負(fù)載平臺。

5）傳感器模塊用于采集電動缸姿態(tài)仿真平臺的姿態(tài)、振動頻率等狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)，同時將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_控制系統(tǒng)。

2.2 平臺運動模式

運動平臺可以完成包括單自由度運動、任意自由度組合復(fù)合運動、單缸測試、振動測試等多種運行模式。

1）單自由度運動：可以完成任意一個自由度的獨立運動，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度，平臺就會運行到指定角度。

2）復(fù)合運動：可以完成任意六個自由度的組合，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度與平移量，平臺就會運行到指定位置（圖8）。

圖8 多自由度運動測試

3）單缸測試：可以任意控制平臺的電缸進(jìn)行伸縮運動，用戶可以通過控制軟件輸入指定的伸縮量，指定的電缸就會運行到指定的位置。

4）振動測試：可以讓平臺以指定的頻率進(jìn)行振動，用戶可以通過控制軟件輸入指定的振動頻率與自由度、運動范圍，平臺會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行振動測試（圖9）。

2.3 運動控制軟件設(shè)計

1）運動控制軟件須實現(xiàn)以下基本功能：（1）系統(tǒng)啟動/停止；（2）運動控制；（3）系統(tǒng)的運動狀態(tài)檢測；（4）故障處理及安全保護；（5）手動和自動切換。

2）提供3D可視化平臺測試、調(diào)試工具及監(jiān)控軟件，實現(xiàn)以下功能：（1）監(jiān)控平臺的工作狀態(tài)；（2）接收操作人員控制指令；（3）控制系統(tǒng)完成測試任務(wù)；（4）為系統(tǒng)提供工作狀態(tài)顯示；（5）設(shè)備運行狀態(tài)顯示；（6）實時位置曲線顯示；（7）故障狀態(tài)顯示；（8）具備試驗數(shù)據(jù)的存儲、記錄、統(tǒng)計、處理、輸入、輸出功能。

3）平臺使用Stewart結(jié)構(gòu)，運用Newton_Raphson算法進(jìn)行平臺的正解與反解（圖10）：（1）通過對平臺基本參數(shù)的輸入，可以基于正解算法對平臺的姿態(tài)進(jìn)行解算（圖11）；（2）通過對平臺基本參數(shù)的輸入，可以基于反解算法對平臺進(jìn)行指定姿態(tài)的控制（圖12）；（3）通過對平臺基本參數(shù)的輸入，可以獲取平臺的基本參數(shù)信息（圖13）。

圖13 平臺基本參數(shù)信息

4）通過安裝在平臺的姿態(tài)傳感器和位移傳感器進(jìn)行平臺姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，可以檢測系統(tǒng)的運動狀態(tài)，通過實時位置曲線顯示直接觀察平臺的實時狀態(tài)，并存儲和記錄試驗數(shù)據(jù)。具體包括：（1）平臺整體運動狀態(tài)監(jiān)控，具備試驗數(shù)據(jù)的存儲、記錄、輸入、輸出功能（圖14）；（2）平臺單自由度運動狀態(tài)監(jiān)控，具備試驗數(shù)據(jù)的存儲、記錄、輸入、輸出功能（圖15）。

圖14 整體運動狀態(tài)監(jiān)控功能

圖15 單自由度運動狀態(tài)監(jiān)控

5）使用計算機通過網(wǎng)絡(luò)UDP通信或串口通信可以進(jìn)行多自由度測試、參數(shù)設(shè)置、振動測試、3D可視化平臺的設(shè)置，如圖16所示。

圖16 多自由度測試、參數(shù)設(shè)置、振動測試設(shè)置圖

（1）通過“多自由度測試”窗口可以完成：①手動控制平臺完成單個自由度或多個自由度的聯(lián)合運動；②自動控制平臺完成單個自由度或多個自由度的聯(lián)合運動；③獨立控制任意一根電缸的伸縮運動。

（2）通過“參數(shù)設(shè)置”窗口可以完成：①平臺電機的轉(zhuǎn)速控制；②平臺的順滑程度控制；③平臺的響應(yīng)速率控制；④平臺聯(lián)合運動時各自由度所占比重的控制。

（3）通過“振動測試”窗口可以完成六個自由度指定“運動范圍”和“振動頻率”的獨立或聯(lián)合運動的振動測試。

（4）通過“3D可視化平臺”窗口的3D平臺模型可以直觀地觀察平臺狀態(tài)，也可通過控制3D模型直接控制平臺運動。

6）通過安裝在平臺的振動傳感器進(jìn)行平臺振動數(shù)據(jù)采集，可以將平臺的振動信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的振動頻譜曲線，便于實時觀察平臺的狀態(tài)，也可進(jìn)行振動數(shù)據(jù)的存儲與處理。

7）故障報警系統(tǒng)用于實時對平臺的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測，如平臺出現(xiàn)報警，則顯示平臺的故障代碼、處理方式，可以通過該窗口對平臺進(jìn)行啟動、復(fù)位、清除錯誤等操作。

2.4 平臺的安全性設(shè)計

平臺的安全性設(shè)計包括以下7個功能：

1）設(shè)計立足于提高平臺自身的穩(wěn)定性，下平臺尺寸與模擬座艙一致，同時使用加厚鋼管以及將控制機柜放置于下平臺的方式增加下平臺的重量，增加下平臺與模擬座艙的比重，這樣設(shè)備只須使用橡膠腳墊即可，避免了在現(xiàn)場安裝時打地基、加固地面等操作。

2）平臺伺服運動系統(tǒng)具有動態(tài)鎖定功能和安全鎖定功能。

3）平臺具備保護電氣系統(tǒng)在異常條件下安全的功能，包括過程保護、過載保護和防撞擊損壞保護。

4）平臺具備斷電原位自動鎖定功能。

5）平臺電動缸具備極限保護、極限防撞擊措施，各電動缸伺服電機驅(qū)動器具有電流扭矩過載、位置偏差大、數(shù)據(jù)總線故障、電源欠壓、編碼器故障等保護功能；配電柜配置漏電保護斷路器，保護人身安全。

6）平臺配備4個急停開關(guān)，位于模擬座艙、運動平臺及綜合控制臺，針對緊急情況可快速響應(yīng)，保護人身安全。

7）平臺現(xiàn)場安裝時，底板上有吊環(huán)，便于運輸起吊。

3 結(jié)束語

隨著工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的不斷發(fā)展以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，六自由度運動平臺的市場應(yīng)用前景愈加廣闊。

本文自主設(shè)計的六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺，以Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)平臺，以上動平臺、虎克鉸鏈、電動推桿（折返式電動缸）、下靜平臺等為結(jié)構(gòu)組成，經(jīng)平臺結(jié)構(gòu)仿真測試分析符合設(shè)計要求，具有控制簡單、體型小、載荷分布均勻、響應(yīng)快、運行穩(wěn)定等特點，可適用于4D影院、車輛駕駛模擬、游戲娛樂等空間相對較小的工作場合，為使用者模擬出逼真的空間運動姿態(tài)和體感。同時，設(shè)計開發(fā)了六自由度電動缸姿態(tài)仿真平臺控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)單自由度運動、任意自由度組合復(fù)合運動、單缸測試、振動測試等多種運行模式。