六自由度位姿调节平台控制系统设计.docx

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六自由度位姿调节平台控制系统设计

六自由度位姿调节平台控制系统设计

专业：

机械设计制造及其自动化

学生：

徐瑞

指导老师：

朱兴龙

完成时期：

2015年6月1日

扬州大学机械工程学院

摘要

六自由度平台在生活和实验设备得到了广泛的应用，例如各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中，在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。

为其他试验设备提供了一个可以进行各种姿态调节的支撑平台，方便其他各种实验的展开。

由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。

同时平台的姿态能够实时调节、精确度自动化程度高等优点。

近些年来，对于六自由度平台的控制得到了关注和研究。

本文将针对实验室现有的调节平台，设计其控制系统，使位置、姿态调节更加方便快捷。

首先需要进行控制系统总体方案论证，确定可行的总体方案。

同时在详细了解实验室现有的调节平台的结构的基础上，根据相应的性能要求确定电机、驱动器、控制器型式，建立了六自由度位姿调节平台的运动学模型，进而建立了六自由度位姿调节平台的运动学方程，设计控制系统线路图，重点考虑电机运动到极限位置时“卡死”问题，设置加以控制，最后采用VC++6.0开发工具，在Windows环境中对控制软件进行功能开发，实现电动、自动功能，解决电机运动到极限位置时“卡死”问题。

关键字:

六自由度位姿调节平台；极限位置；运动学模型；行程开关

ABSTRACT

Sixdegreesoffreedomplatformandexperimentequipmenthasbeenwidelyusedinlife,suchasallkindsoftrainingsimulatorsuchasflightsimulator,shipsimulator,thenavyhelicopterlandingsimulationplatform,thetanksimulator,vehicledrivingsimulator,thetraindrivingsimulator,theearthquakesimulatorandactionmovies,entertainmentandotherfields,evenavailablespacespacecraftdocking,refuelingtankerdocking.Inprocessingcanbemadeintosixaxislinkagemachinetool,dexterousrobot,etc.Forothertestequipmentprovidesacanundertakeallkindsofpostureadjustmentsupportplatform,convenientandothervariouskindsofexperiments.Duetothedevelopmentofthesixdegreesoffreedommotionplatform,mechanical,hydraulic,electrical,control,computer,sensors,spacemotionmathematicalmodel,thereal-timesignalprocessing,graphicaldisplay,dynamicsimulationandsoonaseriesofhigh-techfields,thereforethedevelopmentofthesixdegreesoffreedommotionplatformintoinstitutionsofhigherlearning,researchinstitute'siconicsymbolofhydraulicandcontrollevel.Atthesametimeplatformattitudetoreal-timeadjustment,highautomationdegreeofprecision.Inrecentyears,thesixdegreeoffreedomplatformcontroltogettheattentionandresearch.Thisarticlewillfocusontheadjustmentoftheexistinglaboratoryplatform,designofitscontrolsystem,makeposition,postureadjustmentmoreconvenientandquick.Firstneedtocontrolthesystemoverallschemedemonstration,decidingtheoverallconceptoffeasible.Indetailsaboutthelabatthesametime,onthebasisofexistingtoadjustthestructureoftheplatform,accordingtotherequirementoftheperformanceofthecorrespondingtypeofmotors,drives,controller,setupthekinematicsmodelofsixdegreesoffreedomposturecontrolplatform,andthenestablishedthekinematicsequationofsixdegreesoffreedompostureadjustingplatform,designofcontrolsystemcircuitdiagram,emphasizingontheelectricmotortothelimitposition"stuck"problem,setcontrol,finallyinthesoftwaredevelopmentenvironmentusingclanguagetocontrolthefunctionofsoftwaredevelopmentandimplementationofelectricandautomaticfunctions,solvetheelectricmotortothelimitposition"stuck"problem.

Keywords:

sixdegreesoffreedompostureadjustingplatform;Limitposition;Thekinematicsmodel;Travelswitch

摘要··············································································································

ABSTRACT···································································································

第一章引言···································································································

1.1课题来源······························································································

1.2国内外现状···························································································

1.3本文的主要内容·····················································································

第二章六自由度位姿调节平台控制系统的总体设计方案···········································

2.1原控制系统方案及存在的问题····································································

2.2现控制系统方案及解决的问题···································································

第三章控制系统设计························································································

3.1六自由度调节平台的运动学模型································································

3.1.1D-H方法简介·················································································

3.1.2运动学模型····················································································

3.2硬件设计·····························································································

3.2.1电机选型·······················································································

3.2.2驱动器选型·····················································································

3.2.3控制器选型·····················································································

3.2.4传感器选型·····················································································

3.2.5控制系统原理图··············································································

3.3软件设计·····························································································

3.3.1开发环境介绍·················································································

3.3.2软件界面·······················································································

3.3.3程序片段·······················································································

第四章结论····································································································

参考文献········································································································

致谢··············································································································

第一章引言

1.1课题研究意义

本课题是结合视觉测量中标靶、摄像机需要进行位姿和姿态的调整，针对实验室现有的调节平台，设计一种具有六自由度调节平台的控制系统，使位置、姿态调节更加方便快捷，同时针对电机运动到极限位置时“卡死”问题解析解决。

控制系统是六自由度平台的核心部分，其优劣性可以直接的影响到平台的稳定性和精度。

伴随着科学技术的不断快速发展与进步，这使得步进电动机、驱动器、霍尔元件及PCL等的技术或性能得到了明显的提升，使得控制系统的性能如可靠性、稳定性及控制精度等达到了全新的水平，在多个领域，例如标靶、摄像机等得到了广泛的应用。

由于有极为广阔的应用前景，近几年，引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣，所以，开展六自由度位姿调节平台控制系统设计的研究具有非常重要的意义。

1.2国内外研究现状

金伟等【1】提出了多轴运动控制器MAC作为控制主体，基于“工控机+运动控制卡”的模式，构建了一个开放式的六自由度电动平台控制系统，实现了六自由度电动平台的基本控制功能，建立了六自由度电动平台的故障保护系统及故障监控系统，并详细介绍了系统组成部分及实现过程，如图1.1所示。

图1.1控制系统框架

刘胜等【2】提出一种并联六自由度平台的机构特点，同时在对平台总体控制系统简要设计的基础上完成了单杆液压控制系统的建模工作。

考虑了无干扰和有干扰的情况下，对系统进行了仿真分析，提出了基于神经网络算法的先进PID控制方案，仿真结果表明该方法具有良好的控制效果，证明了电液位置伺服控制系统设计的正确性，为平台进一步控制奠定了基础。

李磊等【3】对六自由度并联转台的结构进行了分析，给出了转台的运动指标参数，并采用分散控制方式对整个系统的控制系统进行了设计。

六自由度并联转台的控制系统主要包括下位机硬件系统和上位机软件系统，实现了对转台电液伺服系统的控制，使转台可以实现各种运动，且精度高，实时性好。

周游等【4】提出姿态控制系统是功能多、构成复杂、可靠性要求高的关键分系统之一，传统的三自由度模型有较大局限性，不能全面反映飞行的实际情况，该文首先建立了姿态控制系统六自由度全量数学模型，包括控制方程和箭体运动两大部分。

在此基础上，利用Matlab/Simulink仿真环境对姿态控制系统六自由度仿真进行了研究，并通过对姿态运动简化分析和系统稳定性研究，设计了相应的数字校正网络和变增益系数，从而建立了姿态控制系统的全数值仿真模型。

仿真实验表明，系统稳定，并且仿真结果具有较好的精度。

晁智强等【5】根据六自由度运动平台性能特点，对平台进行了基于位置反解的轨迹规划，并对平台控制系统硬件和软件模块进行了分析，以“PC+PMAC”为结构设计了六自由度平台运动控制系统。

采用如图1.2所示的控制系统，对平台进行了单缸位置跟踪和轨迹跟踪性能测试试验，试验结果证明了模型的正确性及基于RBF模糊神经网络整定的PID控制的工程可行性和有效性，为今后对液压六自由度运动平台的进一步深入研究提供一个便捷高效的平台。

图1.2控制系统框架

申兴琭等【6】六自由并联机械平台由于其高精度高承载能力的特性被广泛应用于精密姿态控制、飞行器模拟、精密数控机床等场合，通过如图1.3所示仿真模型对斜45°并联机械平台，利用位置逆解的原理提出了直接法和间接法两种位置逆解实现方式，分析了平台沿x,y,z轴的平移和绕x,y,z轴的旋转时各电动缸的长度变化，指导了实际应用时逆解方法的选择。

图1.3仿真模型

倪涛等【7】认为对于六自由度并联机器人来说，液压伺服系统是非线性时变的系统，通常具有大范围的参数变化和大时变负载干扰，通常的PID控制器较难取得令人满意的动态响应，主要表现在随着机器人的运动其单个液压缸的负载在较大范围内变化，同时机器人系统的各种参数误差、各种降阶处理以及建模时忽略的动态特性等，又进一步加大了控制的难度，所以在对液压系统的3阶数学模型控制构建了2阶模型参考自适应的控制器，达到满意的控制效果。

朱兴龙等【8】在确定了基于激光环主动标记的单目视觉试验平台总体方案的基础上，根据试验平台需要，进行了串联型六自由度位姿调节平台的设计（如图1.4）；建立了六自由度位姿调节平台的运动学模型,进而建立了六自由度位姿调节平台的运动学方程。

最终，求解出六自由度位姿调节平台的运动学逆解，为平台所载物体位姿调节提供依据,进而为整个控制系统的闭环控制打下基础。

利用三坐标测量机、六自由度位姿调节平台、标靶、激光源及摄像机搭建了基于激光环主动标记的单目视觉试验平台，系统地介绍标定平台的各个硬件和软件组成部分及其功能。

图1.4六自由度位姿调节平台

陈海龙等【9】采用螺旋轮式结构设计了内径为60mm的小型管道机器人，通过运用螺旋轮式移动的主体结构，确保管道机器人具有较大的牵引力和移动速度，利用无线蓝牙数传模块，将数据传输到上位机，使用VisualBasic程序软件实现计算机对管道机器人的控制，螺旋轮式小型管道机器人控制系统能够自由控制前进、后退、调速、自锁等，其动作状态数据也可利用上位机软件显示或打印。

张旭等【10】认为对于六自由度并联机器人来说，液压伺服系统是非线性时变的系统，通常具有大范围的参数变化和大时变负载干扰，通常的PID控制器较难取得令人满意的动态响应，主要表现在随着机器人的运动其单个液压缸的负载在较大范围内变化，同时机器人系统的各种参数误差、各种降阶处理以及建模时忽略的动态特性等，又进一步加大了控制的难度，所以在对液压系统的3阶数学模型控制构建了2阶模型参考自适应的控制器，达到满意的控制效果。

周骥平等【11】分析了运动解耦机理，提出只有结构解耦才能方便地做到运动解耦，为了更广泛、更有效地研究机构的解耦特性。

朱齐丹等【12】提出动坐标解耦和条件解耦等新概念，为机构的解耦性分析开拓了新的研究方向。

陈桂等【14】在研究分析六自由度关节机器人结构的基础上，以KUKAKR6-2机器人为研究对象，采用Denavit-Hartenberg法建立各杆件坐标系，通过齐次变换矩阵建立机器人运动学方程，在MATLAB环境下，借助RoboticsToolbox工具箱，构建机器人运动学模型，研究并实现该机器人的正运动学、逆运动学和轨迹规划的仿真，同时在KUKA机器人上进行实验验证。

张永贵等【15】针对工业机器人在缺乏运动学参数的情况下，进行机器人运动学逆向建模的研究，给出了机器人机座坐标系位置及杆件参数的识别方法，建立了机器人的运动学方程，并分析了计算的末端位姿与示教器显示末端位姿存在的偏差，指出从机器人示教器上读出的关节转角数据存在舍入误差，采用遗传算法分别以位置误差和位姿误差为目标函数进行了辨识。

蔡锦达等【16】根据遗传算法提出了一种机器人位姿控翩的新算法，并结台机器人位姿控制问题探讨了改善遗传算法参数寻优速度的方法，最后通过实验验证了该方法的可行性。

周孝成等【17】逆解分析是机器人运动学分析的一个重要组成部分，是进行机器人控制和轨迹规划的前提和基础，针对KR系列KUKA运动学进行了分析与研究，其中运动学模型的建立主要采用Denavit．Hartenberg（D-H）参数法，D-H参数法相对成熟，在机器人运动学分析中得到广泛应用。

1.3本文的主要内容

论文具体内容和结构安排如下：

第一章概述了课题研究的来源及六自由度平台的研究现状，结束了六自由度平台要解决的关键问题，确定了本论文的主要研究问题。

第二章确定了六自由度位姿调节平台控制系统的总体设计方案。

首先，详细了解了实验室现有的六自由度位姿调节平台设备的原控制系统方案及存在的问题，并且结合相关的知识，提出了更加完善的控制系统方案，并解决了原系统的不足之处。

第三章根据试验平台，充分了解六自由度位姿调节平台的结构设计，建立了六自由度位姿调节平台的运动学模型；根据D-H方法，建立了各关节坐标系，得到了D-H参数和关节变量，从而建立了六自由度位姿调节平台的运动学方程。

运用左乘变换矩阵的逆，建立变量与已知量的等量关系，建立了六自由度位姿调节平台的运动学模型。

在硬件设计上，根据总体设计方案，适当计算，合理选择步进电动机型号的、驱动器型号、控制器型号、传感器型号，确定控制系统原理图。

在硬件确定的基础上，介绍开发环境、软件界面、控制系统流程图，其中详细介绍点动功能、自动功能，最后解释部分程序片段。

第四章总结全文的主要研究成果。

第二章六自由度位姿调节平台控制系统的总体设计方案

2.1原控制系统方案及存在的问题

1）采用六只步进电机分别带动相应的滚珠丝杆转动，驱动相应的执行机构运动，但由于原平台没有考虑运动极限位置的电机自动停止，出现了运动执行机构在起始和综了位置的“卡死”问题，原控制系统方案如图2.1所示。

图2.1

2）原平台三旋转机构没有解耦，平台上目标物（标靶）的位置和姿态调整困难，现平台通过改进设计，解决了三旋转机构的耦合问题，因此针对现平台的位置和姿态的调整问题，需要建立其的运动学模型。

2.2现控制系统方案及解决的问题

针对起始和综了位置时出现的“卡死”现象，在原控制系统方案的基础上，在执行机构的起始和综了位置，安装非接触行程开关，如图2.2所示。

图2.2

根据图2.2的方案，其改进的控制系统线路如图2.3、图2.4所示。

在图2.3中：

SQ1、SQ2为正、负方向紧急停止限位开关信号输入，控制电动机M1，使平台在X轴方向上的行程限位；

SQ3、SQ4为正、负方向紧急停止限位开关信号输入，控制电动机M2，使平台在Y轴上的行程限位；

SQ5、SQ6为正、负方向紧急停止限位开关信号输入，控制电动机M3，使平台在Z轴上的行程限位；

在图2.4中：

SQ7、SQ8为正、负方向紧急停止限位开关信号输入，控制电动机M3，使平台在绕X轴方向上的行程限位；

SQ9、SQ10为正、负方向紧急停止限位开关信号输入，控制电动机M4，使平台在绕Y轴上的行程限位；

SQ11、SQ12为正、负方向紧急停止限位开关信号输入，控制电动机M6，使平台在绕Z轴上的行程限位；

图