基于Solidworks的六自由度平臺仿真在動(dòng)感影院中的應(yīng)用

陳明

（溫州南方游樂設(shè)備工程有限公司，浙江溫州，325000）

引言

六自由度平臺在游樂設(shè)備領(lǐng)域主要用于動(dòng)感影院，動(dòng)感影院正處在一個(gè)從起步到發(fā)展的過渡階段。比較常見的項(xiàng)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(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，且其動(dòng)作要與影片相結(jié)合才能讓游客有身臨其境的感受，因此，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足新產(chǎn)品開發(fā)的需要。在游樂設(shè)備的開發(fā)階段，根據(jù)影片的指定動(dòng)作，通過運(yùn)動(dòng)仿真，可以得到設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡，檢查其干涉情況，對游客進(jìn)行視線分析和設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)作用。在后期設(shè)備的調(diào)試階段，如果直接將平臺連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)作為控制目標(biāo)，那么控制系統(tǒng)將變得異常復(fù)雜。因此，有必要通過Solidworks Motion將連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)缸的位移數(shù)據(jù)。

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(yùn)動(dòng)平臺，又稱斯圖爾特平臺，是通過六個(gè)對稱的直線驅(qū)動(dòng)缸的協(xié)調(diào)伸縮來實(shí)現(xiàn)上平臺沿x，y，z向的平移和繞x，y，z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（共6個(gè)自由度），以及這些自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)平臺在仿真運(yùn)動(dòng)模擬器中的主要作用是，給仿真對象中的人（游客）提供一個(gè)仿真的空間實(shí)時(shí)加速度輸入信號，以再現(xiàn)模擬仿真對象的運(yùn)動(dòng)感覺。在很多的運(yùn)動(dòng)對象的高端仿真模擬系統(tǒng)中，六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)成為了不可缺少的重要的分系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)組成為：（1）上平臺，用于承載負(fù)載；（2）驅(qū)動(dòng)桿，共6根，可以由電動(dòng)缸或者液壓缸驅(qū)動(dòng)；（3）下平臺，為機(jī)構(gòu)的底座；（4）鉸鏈，可以是球鉸或虎克鉸，位于驅(qū)動(dòng)桿兩端，用于固定連接上下平臺。六自由度平臺通過6根驅(qū)動(dòng)桿的伸縮來實(shí)現(xiàn)橫移、縱移、升降、橫滾、俯仰、偏航6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)以及它們的組合運(yùn)動(dòng)。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(shè)備中的發(fā)展

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的文化精神需求的提高，游樂設(shè)備正由戶外單體設(shè)備向室內(nèi)數(shù)字娛樂結(jié)合的大型游樂設(shè)備發(fā)展。人們已經(jīng)不再滿足于傳統(tǒng)的休閑方式，而更加熱衷于主動(dòng)參與、親身體驗(yàn)的現(xiàn)代娛樂方式。于是，六自由度平臺開始廣泛應(yīng)用于游樂設(shè)備領(lǐng)域，并處于黃金的發(fā)展期。

在此之前，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺多應(yīng)用于兵器、船舶、航天、航空、電子等國防工業(yè)部門和民航、石油、鐵道、地震、交通等民用工業(yè)部門，在游樂設(shè)備行業(yè)應(yīng)用不多。

六自由度平臺在游樂設(shè)備領(lǐng)域主要用于動(dòng)感影院，動(dòng)感影院正處在一個(gè)從起步到發(fā)展的過渡階段。近年來，越來越多的觀眾認(rèn)識并且接受了這一高新科技娛樂項(xiàng)目，未來動(dòng)感影院將會(huì)蓬勃發(fā)展。

六自由度平臺的上側(cè)（或下側(cè)）會(huì)連接座艙設(shè)備，乘客在座艙中跟隨著影片的情節(jié)可產(chǎn)生俯仰、翻滾、偏航、升降、涌進(jìn)、平移等動(dòng)作，從而使游客在安全舒適的體驗(yàn)過程中，更加真實(shí)地感受影片內(nèi)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(shè)備中六自由度平臺常見的兩種應(yīng)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(qū)動(dòng)和電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)兩種。在游樂設(shè)備中，絕大部分設(shè)計(jì)都是采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)的六自由度平臺。相比于液壓運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)越性，體現(xiàn)在：

（1）對廠房等技術(shù)設(shè)施的要求降低。電動(dòng)平臺不需要像液壓系統(tǒng)一樣復(fù)雜的基礎(chǔ)建設(shè)，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(shè)備對占地要求，地面整潔度等要求更高。

（2）安裝和維護(hù)成本降低。電動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單，安裝可以在2-3天內(nèi)完成。電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺的電機(jī)通常是在密封狀態(tài)下的，在模擬器的整個(gè)使用壽命中都不需要多余的維護(hù)。相比而言，液壓運(yùn)動(dòng)平臺完全需要大量的人工支持和維護(hù)開支。

（3）安全性提高。游樂設(shè)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(yùn)動(dòng)平臺安裝和操作過程中都比電動(dòng)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(tǒng)有伺服閥、油濾等易損壞部件，客戶經(jīng)常要被迫停止；電動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的平均故障時(shí)間大大延長，更受客戶的歡迎。

（5）設(shè)備性能提高。電動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有更快的反應(yīng)時(shí)間，更大的加速度變化率，更短的系統(tǒng)延時(shí)。電動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有更好的頻率響應(yīng)特性，能夠模擬更好的動(dòng)態(tài)效果； 結(jié)合影片播放，可以讓乘客有身臨其境的體驗(yàn)。

（6）功率消耗少。設(shè)備運(yùn)行時(shí)消耗的電能一般是同樣載荷液壓系統(tǒng)的25%-30%。

2 六自由度平臺三維模型建立

本文以黑暗乘騎動(dòng)感車（每車乘坐 8人）中所使用的六自由度平臺為例進(jìn)行分析。此六自由度平臺最大有效靜載荷為 2000kg，電動(dòng)缸的行程為320mm。下平臺與車輛底盤連接，其電動(dòng)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(dòng)缸鉸鏈座分布圓直徑為φ1700mm，長邊為1350mm，短邊為220mm。當(dāng)六自由度平臺處于低位時(shí)，上下鉸鏈座中心距為 890mm?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)尺寸，利用SolidWorks對六自由度平臺進(jìn)行三維實(shí)體建模。

2.1 零部件建模

根據(jù)平臺各零部件的外形尺寸，采用自下而上的設(shè)計(jì)方法，利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、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(shè)定各零部件之間的父子關(guān)系，以盡量減少零部件上的定位尺寸，提高設(shè)計(jì)效率。為了能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，電動(dòng)缸體和電動(dòng)缸桿應(yīng)分成兩個(gè)零件。對于具體建模步驟本文不作詳細(xì)介紹。

2.2 零部件裝配

零部件建模完成后，根據(jù)平臺的尺寸范圍和各零部件之間的約束關(guān)系進(jìn)行平臺的裝配。在整個(gè)六自由度平臺的裝配中，下平臺設(shè)為固定，有相對運(yùn)動(dòng)的部件應(yīng)求解為柔性。具體操作中，應(yīng)該按照平臺的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)選擇合適的約束類型和連接形式進(jìn)行零部件裝配，這對能否成功地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真至關(guān)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(diào)整到初始低位狀態(tài)。對模型進(jìn)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(yùn)動(dòng)仿真分析

當(dāng)六自由度平臺的Solidworks三維模型建立完成后，直接進(jìn)入運(yùn)動(dòng)算例，利用SolidWorks Motion進(jìn)行仿真，這能更好的保證仿真中數(shù)據(jù)的兼容性和完整性。SolidWorks Motion依托其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)分析功能，能精確地對六自由度平臺進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算、動(dòng)力學(xué)分析，并以動(dòng)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(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，然后反解出各個(gè)電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)情況。

3.1 繪制驅(qū)動(dòng)樣條曲線

在六自由度平臺模型初始低位狀態(tài)下，對此六自由度平臺做螺旋運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行分析。設(shè)定其上平臺的驅(qū)動(dòng)樣條曲線為半徑R=150mm，螺距P=100mm，圈數(shù)n=3，繪制出上平臺驅(qū)動(dòng)樣條螺旋線。繪制出螺旋線后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?D草圖，將此3D草圖與上平臺上對應(yīng)的點(diǎn)采用路徑配合，此路徑配合將在運(yùn)動(dòng)仿真中作為驅(qū)動(dòng)路徑。如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)樣條曲線

圖4 添加馬達(dá)

3.2 創(chuàng)建平臺運(yùn)動(dòng)算例

六自由度平臺的虛擬樣機(jī)模型建立完成后，即可創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)算例，利用SolidWorks Motion進(jìn)行仿真。創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)算例，選擇Motion分析，為上述驅(qū)動(dòng)路徑添加路徑配合馬達(dá)，運(yùn)動(dòng)類型中選擇等速，v=200mm/s，如圖4所示。拖動(dòng)時(shí)間鍵碼到12s位置，選擇計(jì)算后模型開始運(yùn)行仿真。

3.3 分析平臺運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

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

圖6 電動(dòng)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(gè)力來模擬座艙及游客的重量，加上實(shí)際的驅(qū)動(dòng)樣條曲線，通過仿真分析，可以得到每只電動(dòng)缸實(shí)時(shí)變化的馬達(dá)力、能量消耗等參數(shù)。運(yùn)動(dòng)仿真還可以準(zhǔn)確地進(jìn)行游客視線分析，這對整體項(xiàng)目的布局，球幕的尺寸選擇等具有重要的指導(dǎo)意義。

4 六自由度平臺的數(shù)據(jù)輸入及控制方法

在游樂設(shè)備中，六自由度平臺結(jié)合影片進(jìn)行多自由度動(dòng)作，再配合聲音、吹風(fēng)、氣味等特效，可以給游客帶來一種身臨其境的全新體驗(yàn)，也是未來游樂設(shè)備的發(fā)展趨勢。現(xiàn)以上述的黑暗乘騎項(xiàng)目六自由度平臺數(shù)據(jù)的輸入及控制方法進(jìn)行實(shí)例介紹。

4.1 通過Maya軟件生成六自由度平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)

黑暗乘騎的影片由Maya完成，座椅要配合影片進(jìn)行動(dòng)作，也就是說六自由度平臺的動(dòng)作文件是由影片決定的。在Maya中，影片技術(shù)人員生成相機(jī)視角曲線，導(dǎo)出連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

4.2 將連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦麟妱?dòng)缸連續(xù)變化的位移數(shù)據(jù)

上述導(dǎo)出的姿態(tài)數(shù)據(jù)是連續(xù)變化的空間六自由度數(shù)據(jù)：X 坐標(biāo)，Y 坐標(biāo)，Z 坐標(biāo)，X 軸旋轉(zhuǎn)，Y 軸旋轉(zhuǎn)，Z 軸旋轉(zhuǎn)。但是六自由度平臺如果以連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)作為控制目標(biāo)，那么控制系統(tǒng)將變得異常復(fù)雜，控制不但要解決控制本身的問題，還要花費(fèi)大量精力處理3D空間里的姿勢數(shù)據(jù)。因此，有必要將連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榱杂啥入妱?dòng)缸連續(xù)變化的位移數(shù)據(jù)。連續(xù)變化的姿態(tài)數(shù)據(jù)也就是上平臺的驅(qū)動(dòng)樣條曲線，導(dǎo)入到SolidWorks Motion中，通過運(yùn)動(dòng)仿真，可以分別得到六只電動(dòng)缸的電動(dòng)缸桿伸縮位移與時(shí)間曲線（具體做法第3節(jié)已進(jìn)行了詳細(xì)的介紹）。通過轉(zhuǎn)換，六自由度平臺的控制變成了僅與不同時(shí)間的位移值有關(guān)，進(jìn)而使得控制方法更加簡單。

4.3 對所述位移與時(shí)間關(guān)系的曲線進(jìn)行預(yù)處理

檢查所有數(shù)據(jù)是否在六自由度平臺的技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)，如果超出應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。①、調(diào)整各姿態(tài)的速度值，使處理后的位移與時(shí)間關(guān)系的曲線的速度低于最大速度值，保證動(dòng)作速度不會(huì)過快；②、調(diào)整各姿態(tài)的加速度值，使處理后的位移與時(shí)間關(guān)系的曲線的加速度低于最大加速度值，保證動(dòng)作受力不會(huì)過大；③、調(diào)整各姿態(tài)的加速度變化率，使處理后的位移與時(shí)間關(guān)系的曲線的加速度連續(xù)，且加速度變化率低于最大加速度變化率，保證動(dòng)作的平滑性且受力是連續(xù)的。

4.4 將預(yù)處理后的位移與時(shí)間關(guān)系的曲線輸入到六自由度平臺控制器

將預(yù)處理后的位移與時(shí)間關(guān)系的曲線輸入到六自由度平臺控制器中，使上述控制量轉(zhuǎn)換為電壓控制信號，使各電動(dòng)缸進(jìn)行動(dòng)作，以達(dá)到六自由度平臺配合影片動(dòng)作的效果。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了六自由度平臺在游樂設(shè)備黑暗乘騎項(xiàng)目中的應(yīng)用，并利用SolidWorks對平臺進(jìn)行了建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真結(jié)果直觀地表現(xiàn)出平臺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過與驅(qū)動(dòng)方程對比，驗(yàn)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(shù)據(jù)輸入及控制方法，可為今后六自由度平臺應(yīng)用于類似的項(xiàng)目提供了可以借鑒的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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