并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許 猛，韓成浩

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長春 130118

0 引言

本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)模擬器,具有剛性強(qiáng)、承載能力大、運(yùn)動(dòng)靈活、精度大、易操控等特點(diǎn)[1].近年來，由于實(shí)際駕駛過程中會(huì)受到路況、天氣等因素的影響，因此并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬器在航空航天、航海和陸地等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.為排除因素干擾,本文將復(fù)雜的室外駕駛過程用室內(nèi)的平臺(tái)式模擬器取代,使得模擬運(yùn)動(dòng)過程更加簡化,干擾因素大大減少,同時(shí)也保障了實(shí)驗(yàn)者生命安全[2].

本文整套控制系統(tǒng)是從上位機(jī)出發(fā),上位機(jī)以UDP協(xié)議包的形式將指令傳遞給MBOX控制器,然后控制器將指令傳遞給HS伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),最后電機(jī)操控電缸進(jìn)行伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng),來實(shí)現(xiàn)模擬駕駛過程.本文設(shè)計(jì)出側(cè)向、縱向、升降、俯仰4個(gè)模擬動(dòng)作.

1 下位機(jī)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

位機(jī)的設(shè)計(jì),整體上具有2個(gè)平臺(tái),6個(gè)獨(dú)立并聯(lián)式電缸和6個(gè)伺服電機(jī).伺服電機(jī)的功率為400 W,電壓為220 V,伺服電機(jī)的作用是使控制對(duì)象受信號(hào)電壓的控制,當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向也發(fā)生改變,伺服電機(jī)的這一特點(diǎn)決定了平臺(tái)數(shù)據(jù)的可靠性,能夠真實(shí)地模擬運(yùn)動(dòng)過程.并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)共分為2個(gè)平臺(tái),靜平臺(tái)在下,具有支持的作用,動(dòng)平臺(tái)在上,是模擬動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,上平臺(tái)具有6個(gè)自由度,包括3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,能夠完成側(cè)向、縱向、升降、俯仰4個(gè)模擬動(dòng)作.

根據(jù)設(shè)計(jì)功能需求對(duì)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),基本參數(shù)的數(shù)值見表1.設(shè)計(jì)尺寸滿足模擬駕駛的最低和最高要求,可以真實(shí)地模擬不同路況時(shí)的駕駛環(huán)境,有效地保證了模擬人員的真實(shí)性、可靠性,設(shè)備機(jī)構(gòu)模型圖如圖1所示.

表1 六自由度平臺(tái)的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of 6-DOF platform

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Equipment structure model

1.2 并聯(lián)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

對(duì)于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過程為:已知平臺(tái)的位置和固定姿態(tài),求各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的長度.運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過程需要建坐標(biāo)系如圖2所示.可以設(shè)上平臺(tái)的一組兩邊長為e1,e2,下平臺(tái)的一組兩邊長為a1,a2,上平臺(tái)的6個(gè)萬向節(jié)中心分別為A,B,C,D,E,F,下平臺(tái)為A1,B1,C1,D1,E1,F1.為了滿足建系求解的過程,還需要建立O-XYZ為靜坐標(biāo)系,建立O1-X1Y1Z1為動(dòng)坐標(biāo)系.O為靜坐標(biāo)系的原點(diǎn),也是下平臺(tái)的幾何中心,X軸和Y軸也在下平臺(tái)內(nèi),X軸平行于BC邊,Y軸垂直于BC邊,對(duì)于Z軸來說,可以用右手螺旋法則來確定.

圖2 并聯(lián)六自由度平臺(tái)坐標(biāo)系Fig.2 Parallel 6-DOF platform coordinate system

從動(dòng)坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1到靜坐標(biāo)系O-XYZ的旋轉(zhuǎn)矩陣R為:

R=Rot(z,α)Rot(z,β)Rot(x,y)

(1)

式中,α,β,γ為旋轉(zhuǎn)歐拉角,坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閆-Y-X.取上平臺(tái)上任意一點(diǎn)為A1,則A1點(diǎn)的坐標(biāo)在動(dòng)、靜坐標(biāo)之間的坐標(biāo)變換可表達(dá)為:

A1=RA′+O1

(2)

式中,A1=[XA1YA1ZA1]T為M在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo);A1′=[X1A1Y1A1Z1A1]T為A1在動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo);O1=[XO1YO1ZO1]T為動(dòng)坐標(biāo)O1-X1Y1Z1的中心點(diǎn)O1在靜坐標(biāo)系O-XYZ中的坐標(biāo).

點(diǎn)A1在動(dòng)坐標(biāo)系中坐標(biāo)A1′已知,式(2)中O1的坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)矩陣R未知,若測(cè)得O1在靜坐標(biāo)系O-XYZ中的坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)歐拉角,則上平臺(tái)的A1點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可由式(2)求得.驅(qū)動(dòng)桿l1的長度:

(3)

同理可得,驅(qū)動(dòng)桿的長度l2,l3,l4,l5,l6.

2 控制器和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制器設(shè)計(jì)

控制器的主系統(tǒng)是動(dòng)感平臺(tái)系統(tǒng),是通過6個(gè)伺服電機(jī)控制6個(gè)電缸所組成的控制系統(tǒng).控制器內(nèi)部組成為MBOX運(yùn)動(dòng)控制器+HS伺服驅(qū)動(dòng)器,本設(shè)計(jì)為三軸的動(dòng)感平臺(tái)集成控制器,一共2臺(tái),每臺(tái)控制3個(gè)伺服電機(jī)共分為2組,三軸的動(dòng)感平臺(tái)集成控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示.主控制系統(tǒng)流程框圖如圖4所示.

圖3 三軸的MDBOX動(dòng)感平臺(tái)集成控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Three axis MDBOX dynamic platform integrated control system schematic

圖4 主控制系統(tǒng)流程Fig.4 Master control system flow chart

動(dòng)感平臺(tái)集成控制系統(tǒng)中,伺服電機(jī)通過動(dòng)力電纜與控制器連接,動(dòng)力電纜包括快速插頭和編碼器線纜,分別具有通電功能和傳遞指令等功能.上位機(jī)通過以太網(wǎng)與控制器進(jìn)行通訊,上位機(jī)與控制器通過雙絞線連接.動(dòng)感平臺(tái)集成控制系統(tǒng)中還包括:220 V交流電源,可以對(duì)控制器進(jìn)行供電;泄放電阻,可以防止RL電路由于外界干擾而引起的電源斷開而造成的設(shè)備損壞;伺服I/O口和控制器I/O口,可以進(jìn)行伺服信號(hào)和控制信號(hào)的輸入和輸出;CAN總線、RS 485總線和RS 232總線,這3種接口的設(shè)定增加了控制器與上位機(jī)通訊的方式.

對(duì)于主控制系統(tǒng)包括3部分,分別是上位機(jī)、動(dòng)感平臺(tái)集成控制器和機(jī)器人.上位機(jī)通過雙絞線與控制器連接,上位機(jī)在Visual Studio 2015軟件中編輯模擬動(dòng)作程序,并且向控制器發(fā)送指令,當(dāng)控制器接收到指令后,將由HS伺服模塊,對(duì)信號(hào)做出放大和處理,之后將信號(hào)通過動(dòng)力線纜里的編碼線傳遞給伺服電機(jī).

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于上位機(jī)程序設(shè)計(jì)本文選用的軟件為Visual Studio 2015,編輯語言為Csharp語言,本語言結(jié)合C語言和C++語言的優(yōu)點(diǎn),具有快速開發(fā)能力,可以通過簡潔的語言控制復(fù)雜的模擬動(dòng)作.

由于本設(shè)計(jì)的動(dòng)作需求,本文共完成了側(cè)向、縱向、升降、俯仰4個(gè)模擬動(dòng)作設(shè)計(jì),并且命名為測(cè)試程序,在Visual Studio 2015開發(fā)軟件中選用的模板為常見的WPF應(yīng)用程序控制模板,項(xiàng)目引用8個(gè)類庫,包括Microsoft.CSharp，mscorlib System，System.Core，System.Data，System.Drawing，System.Data.DataSetExtensions，System.Deployment，System.Windows.Forms.

對(duì)于控制程序的設(shè)定應(yīng)該遵循UDP協(xié)議,首先進(jìn)行UDP的通訊設(shè)定,UDP通訊需要打開端口,本地端口為8401,目標(biāo)端口為7408,從本地端口8410發(fā)給目標(biāo)端口7408,然后對(duì)UDP數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行分析,如表2所示.通過對(duì)UDP數(shù)據(jù)區(qū)的各種指令分析,可以合理地設(shè)計(jì)4種模擬動(dòng)作程序.

表2 UDP數(shù)據(jù)區(qū)分析Table 2 UDP data area analysis

在滿足UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上,利用CSharp語言進(jìn)行控制程序編寫,包括UDP指令的功能碼、UDP指令的通道號(hào)等.通過對(duì)主程序的設(shè)計(jì)還有部分控制程序的設(shè)計(jì),完成了對(duì)4個(gè)模擬動(dòng)作側(cè)向、縱向、升降、俯仰的設(shè)計(jì).為更好地控制4個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行,本文設(shè)計(jì)了人機(jī)交換界面,通過控制電動(dòng)缸的行程、導(dǎo)程、一圈脈沖數(shù)、 減速比等數(shù)值來實(shí)現(xiàn)4個(gè)模擬動(dòng)作.通過人機(jī)界面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的簡易化,使操控人員對(duì)平臺(tái)的控制更加直接,大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量.人機(jī)交換界面控制圖如圖5所示.

圖5 人機(jī)交換界面控制圖Fig.5 Man-machine exchange interface control diagram

上位機(jī)軟件采用Visual Studio 2015開發(fā)軟件,人機(jī)交互界面主要顯示電動(dòng)缸的行程、導(dǎo)程、一圈脈沖數(shù)、 減速比等數(shù)值,除了實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)控制器之間的通信,還可以設(shè)定各裝置的最大速度和極限位置,系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)控制流程Fig.6 System control flow chart

2.3 正弦波測(cè)試

本文通過Visual Studio 2015開發(fā)軟件完成了對(duì)4個(gè)基本動(dòng)作的設(shè)計(jì),包括側(cè)向、縱向、升降、俯仰4個(gè)模擬動(dòng)作,在這4個(gè)動(dòng)作測(cè)試圖,為了測(cè)試控制器和下位機(jī)設(shè)計(jì)的正確性,利用MboxPlayDebug測(cè)試軟件進(jìn)行了正弦波測(cè)試.

對(duì)于并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的正弦測(cè)試,選取時(shí)間為1.00 s,峰值為50.00 mm,頻率為1.00 Hz,采樣周期為0.010 s.圖7為1號(hào)電缸的正弦波測(cè)試圖,其余5個(gè)電缸也滿足正弦測(cè)試,通過正弦測(cè)試可得出結(jié)論,下位機(jī)并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)和動(dòng)感平臺(tái)集成控制器的設(shè)計(jì)合理.

圖7 1號(hào)電缸正弦波測(cè)試圖Fig.7 Sine test diagram of No.1 electric cylinder

3 結(jié)論

本文通過對(duì)下位機(jī)以及控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì),解決了并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在模擬駕駛中出現(xiàn)的精度差和控制繁瑣等問題.

對(duì)于動(dòng)感平臺(tái)集成控制器的合理設(shè)計(jì),使其控制更簡單、布線更清晰、精確度更高,將HS伺服驅(qū)動(dòng)模塊和MBOX運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模塊相結(jié)合,構(gòu)成一套獨(dú)特的控制系統(tǒng),滿足UDP控制協(xié)議,使其發(fā)出的指令更容易被下位電機(jī)接收.對(duì)于上位機(jī)的設(shè)計(jì),采用的是CSharp編程語言,通過對(duì)其功能的設(shè)計(jì),滿足下位機(jī)的動(dòng)作需求,是一套完整的控制系統(tǒng).