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

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(yùn)動(dòng)平臺(tái)為可在六個(gè)自由空間運(yùn)動(dòng)，并能仿真模擬各種姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)裝備[1]，集精密伺服控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、傳感檢測(cè)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(diǎn)[2]，可為模擬駕駛訓(xùn)練提供安全、逼真、高效的輔助平臺(tái)，同時(shí)節(jié)省大量財(cái)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(jìng)爭(zhēng)的加劇，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)[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(lè)設(shè)施、微動(dòng)機(jī)構(gòu)、軍事裝備、并聯(lián)機(jī)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(gè)國(guó)家在機(jī)械控制領(lǐng)域發(fā)展水平的象征。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的多自由度運(yùn)動(dòng)通過(guò)電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)液壓缸、氣缸相比，電動(dòng)缸可控性強(qiáng)、精度更高、運(yùn)動(dòng)速度更快，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[6]。目前，六自由度平臺(tái)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(wèn)題[7]，因此，本文采用折返式電動(dòng)缸、滾珠絲桿等成熟的構(gòu)件，自主設(shè)計(jì)了一種六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)及其控制系統(tǒng)，達(dá)到了控制簡(jiǎn)單、體型小、響應(yīng)快、運(yùn)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(lè)等平臺(tái)。

1 六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)采用Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)平臺(tái)，具有控制簡(jiǎn)單、體型小、載荷分布均勻、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要由上動(dòng)平臺(tái)、虎克鉸鏈、電動(dòng)推桿（折返式電動(dòng)缸）、下靜平臺(tái)等四部分構(gòu)成，上動(dòng)平臺(tái)與下靜平臺(tái)間通過(guò)虎克鉸鏈和6條折返式電動(dòng)缸連接，折返式電動(dòng)缸通過(guò)伸縮完成六自由度空間運(yùn)動(dòng)，從而模擬出逼真的空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和體感。

圖1 六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1）上動(dòng)平臺(tái)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(dòng)缸與上動(dòng)平臺(tái)、下靜平臺(tái)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(dòng)效率高、噪聲小等優(yōu)勢(shì)。

3）下靜平臺(tái)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(qiáng)度，下靜平臺(tái)前后各留置一個(gè)機(jī)箱，分別放置伺服控制系統(tǒng)和電腦主機(jī)，機(jī)箱圍板選用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板。

4）折返式電動(dòng)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(jī)額定轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為8.36 N·m；伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min；電動(dòng)缸額定速度為250 mm/s，最高速度為500 mm/s；電動(dòng)缸潤(rùn)滑方式為潤(rùn)滑脂。

1.2 平臺(tái)尺寸、載荷指標(biāo)

六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的外廊尺寸、控制柜尺寸、運(yùn)動(dòng)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(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)具有載荷大、體型小等特點(diǎn)，可適用于空間相對(duì)較小的工作場(chǎng)合。

表1 六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)尺寸、載荷指標(biāo)

1.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)仿真分析

從表2可看出，六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)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(jì)要求，仿真圖如圖2～圖6所示。

表2 六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

圖2 平臺(tái)橫蕩、縱蕩仿真圖

圖4 平臺(tái)偏航角度仿真圖

圖5 平臺(tái)俯仰角度仿真圖

圖6 平臺(tái)翻滾角度仿真圖

2 六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)分為上位機(jī)控制軟件、下位機(jī)控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸接口、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和傳感器模塊等五個(gè)部分，如圖7所示。

圖7 六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框架圖

1）上位機(jī)控制軟件含平臺(tái)控制軟件和模擬器軟件，其中平臺(tái)控制軟件設(shè)置自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和振動(dòng)測(cè)試3個(gè)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(yùn)行，可獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)傳輸?shù)狡脚_(tái)控制系統(tǒng)。

2）下位機(jī)控制系統(tǒng)主要對(duì)上位機(jī)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(hào)，下達(dá)控制信號(hào)指令折返式電動(dòng)缸完成相應(yīng)姿態(tài)動(dòng)作。

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

4）運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為折返式電動(dòng)缸根據(jù)指令完成相應(yīng)姿態(tài)動(dòng)作的負(fù)載平臺(tái)。

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

2.2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模式

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以完成包括單自由度運(yùn)動(dòng)、任意自由度組合復(fù)合運(yùn)動(dòng)、單缸測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試等多種運(yùn)行模式。

1）單自由度運(yùn)動(dòng)：可以完成任意一個(gè)自由度的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，用戶可以通過(guò)控制軟件輸入指定角度，平臺(tái)就會(huì)運(yùn)行到指定角度。

2）復(fù)合運(yùn)動(dòng)：可以完成任意六個(gè)自由度的組合，用戶可以通過(guò)控制軟件輸入指定角度與平移量，平臺(tái)就會(huì)運(yùn)行到指定位置（圖8）。

圖8 多自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)試

3）單缸測(cè)試：可以任意控制平臺(tái)的電缸進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，用戶可以通過(guò)控制軟件輸入指定的伸縮量，指定的電缸就會(huì)運(yùn)行到指定的位置。

4）振動(dòng)測(cè)試：可以讓平臺(tái)以指定的頻率進(jìn)行振動(dòng)，用戶可以通過(guò)控制軟件輸入指定的振動(dòng)頻率與自由度、運(yùn)動(dòng)范圍，平臺(tái)會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試（圖9）。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

1）運(yùn)動(dòng)控制軟件須實(shí)現(xiàn)以下基本功能：（1）系統(tǒng)啟動(dòng)/停止；（2）運(yùn)動(dòng)控制；（3）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)；（4）故障處理及安全保護(hù)；（5）手動(dòng)和自動(dòng)切換。

2）提供3D可視化平臺(tái)測(cè)試、調(diào)試工具及監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）監(jiān)控平臺(tái)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(cè)試任務(wù)；（4）為系統(tǒng)提供工作狀態(tài)顯示；（5）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示；（6）實(shí)時(shí)位置曲線顯示；（7）故障狀態(tài)顯示；（8）具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、記錄、統(tǒng)計(jì)、處理、輸入、輸出功能。

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

圖13 平臺(tái)基本參數(shù)信息

4）通過(guò)安裝在平臺(tái)的姿態(tài)傳感器和位移傳感器進(jìn)行平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，可以檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)實(shí)時(shí)位置曲線顯示直接觀察平臺(tái)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并存儲(chǔ)和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體包括：（1）平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控，具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、記錄、輸入、輸出功能（圖14）；（2）平臺(tái)單自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控，具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、記錄、輸入、輸出功能（圖15）。

圖14 整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控功能

圖15 單自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控

5）使用計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)UDP通信或串口通信可以進(jìn)行多自由度測(cè)試、參數(shù)設(shè)置、振動(dòng)測(cè)試、3D可視化平臺(tái)的設(shè)置，如圖16所示。

圖16 多自由度測(cè)試、參數(shù)設(shè)置、振動(dòng)測(cè)試設(shè)置圖

（1）通過(guò)“多自由度測(cè)試”窗口可以完成：①手動(dòng)控制平臺(tái)完成單個(gè)自由度或多個(gè)自由度的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)；②自動(dòng)控制平臺(tái)完成單個(gè)自由度或多個(gè)自由度的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)；③獨(dú)立控制任意一根電缸的伸縮運(yùn)動(dòng)。

（2）通過(guò)“參數(shù)設(shè)置”窗口可以完成：①平臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制；②平臺(tái)的順滑程度控制；③平臺(tái)的響應(yīng)速率控制；④平臺(tái)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)時(shí)各自由度所占比重的控制。

（3）通過(guò)“振動(dòng)測(cè)試”窗口可以完成六個(gè)自由度指定“運(yùn)動(dòng)范圍”和“振動(dòng)頻率”的獨(dú)立或聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)測(cè)試。

（4）通過(guò)“3D可視化平臺(tái)”窗口的3D平臺(tái)模型可以直觀地觀察平臺(tái)狀態(tài)，也可通過(guò)控制3D模型直接控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

6）通過(guò)安裝在平臺(tái)的振動(dòng)傳感器進(jìn)行平臺(tái)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，可以將平臺(tái)的振動(dòng)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的振動(dòng)頻譜曲線，便于實(shí)時(shí)觀察平臺(tái)的狀態(tài)，也可進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理。

7）故障報(bào)警系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)對(duì)平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如平臺(tái)出現(xiàn)報(bào)警，則顯示平臺(tái)的故障代碼、處理方式，可以通過(guò)該窗口對(duì)平臺(tái)進(jìn)行啟動(dòng)、復(fù)位、清除錯(cuò)誤等操作。

2.4 平臺(tái)的安全性設(shè)計(jì)

平臺(tái)的安全性設(shè)計(jì)包括以下7個(gè)功能：

1）設(shè)計(jì)立足于提高平臺(tái)自身的穩(wěn)定性，下平臺(tái)尺寸與模擬座艙一致，同時(shí)使用加厚鋼管以及將控制機(jī)柜放置于下平臺(tái)的方式增加下平臺(tái)的重量，增加下平臺(tái)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(chǎng)安裝時(shí)打地基、加固地面等操作。

2）平臺(tái)伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)鎖定功能和安全鎖定功能。

3）平臺(tái)具備保護(hù)電氣系統(tǒng)在異常條件下安全的功能，包括過(guò)程保護(hù)、過(guò)載保護(hù)和防撞擊損壞保護(hù)。

4）平臺(tái)具備斷電原位自動(dòng)鎖定功能。

5）平臺(tái)電動(dòng)缸具備極限保護(hù)、極限防撞擊措施，各電動(dòng)缸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有電流扭矩過(guò)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(hù)功能；配電柜配置漏電保護(hù)斷路器，保護(hù)人身安全。

6）平臺(tái)配備4個(gè)急停開(kāi)關(guān)，位于模擬座艙、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及綜合控制臺(tái)，針對(duì)緊急情況可快速響應(yīng)，保護(hù)人身安全。

7）平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，底板上有吊環(huán)，便于運(yùn)輸起吊。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的不斷發(fā)展以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的市場(chǎng)應(yīng)用前景愈加廣闊。

本文自主設(shè)計(jì)的六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)，以Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)平臺(tái)，以上動(dòng)平臺(tái)、虎克鉸鏈、電動(dòng)推桿（折返式電動(dòng)缸）、下靜平臺(tái)等為結(jié)構(gòu)組成，經(jīng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)仿真測(cè)試分析符合設(shè)計(jì)要求，具有控制簡(jiǎn)單、體型小、載荷分布均勻、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，可適用于4D影院、車輛駕駛模擬、游戲娛樂(lè)等空間相對(duì)較小的工作場(chǎng)合，為使用者模擬出逼真的空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和體感。同時(shí)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了六自由度電動(dòng)缸姿態(tài)仿真平臺(tái)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)單自由度運(yùn)動(dòng)、任意自由度組合復(fù)合運(yùn)動(dòng)、單缸測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試等多種運(yùn)行模式。