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机电控制系统原理与设计

题目:

基于六自由度平台的控制方法研究

学院：

机电工程学院

专业班级：

机械工程（04）班

学生姓名：

柴彩彩

学号：

2014022023

基于六自由度平台的控制方法研究

一、研究背景：

六自由度平台也成为Gough-Stewart平台、Stewart平台，如图所示，是一种典型的并联机器人，自从1965年Stewart提出飞行模拟器的设计思路以来，六自由度平台引起了众多学者的关注。

六自由度串联机械手是由六个关节组成，机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于普通的移动机器人和传统的机械手；另一方面，工作平台和机械手不但具有不同的动力学特性，同时考虑轨迹规划的不同特点，六自由度串联机械手在对固定机械手具有优势的同时，在运用上存在诸多难点，如逆解优化、控制方法、路径规划、解决方案的选用等。

因此，六自由度串联机械手复杂运动控制的研究有十分重要的理论意义。

本课题的六自由度串联机器人具有重量轻、运动速度快、空间通过能力强、完成空间范围大等特点，通过在通用控制窗口上不同轴的控制上各个关节角度来实现不同的功能以完成各种示教及工作任务，由于其采用的控制方式为软件编程实现，对于国内工业发展各种机械手运用于现代工业焊接和汽车企业等的喷漆等方面有重要意义，因此对提高国家工业水平、实现其重要价值也具有十分重要的意义。

基于六自由度串联机械手的复杂运动控制的研究，期望通过一种使用的轨迹设计方法，即利用六自由度串联机械手实现平面复杂运动轨迹的设计，使其能在不同的工业生产下完成预定的轨迹实现的准确性和实用性，则该机械手将在实在加工工业中发挥更重要的作用，并可完成许多人工条件无法完成的任务，从而提高机械手的利用性。

新式的工业机器人都是以关节坐标直接编制程序的。

机器人的工作是由控制器指挥的，而关节在每个位置的参数是预先记录好的。

当机器人执行工作任务时，控制器给记录好的位置数据，使机器人按照预定的位置序列运动。

开发比较高级的机器人程序设计语言，要求具有按照笛卡儿坐标规定工作任务的能力。

物体在工作空间内的位置以及机器人手臂的位置，都是以某个确定的坐标系来描述的；而工作任务则是以某个中间坐标系（如附于手臂端部的坐标系）来规定的。

二、国内外研究现状：

位置逆解问题是机械手机构学乃至机械手学中的最基础也是最重要的研究问题之一，它直接关系到机械手运动分析、离线编程、轨迹规划和实时控制等工作。

因为速度和加速度分析都要在进行位置分析的基础之上才能进行，所以位置逆解问题是机械手运动规划和轨迹规划的基础，只有通过运动学逆解把空间位姿转换为关节变量，才能实现对机械手末端执行器的控制。

而从工程应用的角度出发，位置逆解问题的研究成果可以很容易地应用到机械手上面去，往往更引起我们的兴趣，因此就更加促进了对位置逆解问题的研究。

对于运动学正解来说，它的解是唯一确定的，即各个关节变量给定之后，机械手的末端抓手和工具的位姿是唯一确定的;而运动学反解往往具有多重解，也可能不存在解。

位置逆解的复杂程度往往与机械手的结构有很大关系。

由于一般情况下，六个自由度便可满足机械手在工作空间内可达任一位姿，因此六自由度机械手最具有研究价值和实用价值。

如果机械手的结构尺寸有些特殊，如轴线平行或相交或轴线长度为零等情况下，逆解运算相对比较简单；而如果结构尺寸一般，且6个关节又都是转动副，则逆解运算较为困难，该问题被喻为是空间机构运动分析中的珠穆朗玛峰。

无论是结构特殊还是一般，仅仅用某种方法求得6自由度机械手的位置逆解不是不够的，还要在计算方法，计算精度等各个方面作进一步的研究。

并联机器人具有刚度大、自重负荷比小、精度高等诸多优点，特别是其在许多领域中的重要应用，弥补了串联机器人的不足，扩大了整个机器人的应用范围。

但从目前的情况来看，在并联机器人的研究领域中关于控制策略的研究还相对较少，许多方向还有待进一步研究与开发，这些都限制了并联机器人的推广应用。

目前机器人的智能化和自动化程度已经成为控制理论研究的自动化技术应用水平的一个重要标志，因此将控制领域出现的新方法、新技术引入到并联机器人研究领域，提高系统的鲁棒性、自适应性及智能化，是一件非常有意义的事情。

通过对并联机器人控制策略的深入研究，无疑可以提高并联机器人系统的性能和品质，并为其应用研究奠定一定的理论基础，具有重要的理论意义和实用价值。

目前我国的6-DOF并联机器人设计水平和制造水平与西方发达国家相比还有较大差距，在6-DOF并联机器人技术研究领域内的关键课题还有待进行深入研究。

因此对6-DOF并联机器人的关键组成部分进行深入的理论分析和实验研究，尽快研制出性能优良的6-DOF并联机器人，提高我国的工业现代水平。

三、设计原理：

1、电液位置伺服控制系统的基本原理

电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。

只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。

控制系统结构图如图3.1所示：

图3.1电液位置伺服控制系统结构图

最早的空间6-DOF并联机器人是1965年D.Stewart提出并研制的6-SPS机构，即著名的Stewart并联机器人机构。

根据上、下六个球铰相对分布的不同，该机构可分为多种类型，其运动学已有许多学者进行了研究。

进入80年代以来，6-DOF并联机器人越来越广泛的应用与机器人、并联机床、空间对接技术、航空航海设备、摇摆模拟以及娱乐设施上。

6-DOF并联机器人系统是对飞机、舰船、宇航和车载设备进行动态可靠性研究的重要模拟实验设备，现已成为现代飞机工业、舰船工业、宇航和车载工业发展的重要工具，同时也是相应飞行员、船员及车辆驾驶员进行飞行模拟训练、舰船航行模拟训练和车辆驾驶模拟训练的有力手段。

由上图可以看出，6-SPS并联机器人由下平台、六个液压缸、上平台及12个球铰（或万向铰）组成，每个液压缸的运动各由一电液伺服阀控制。

由于该种结构的平台机构有六个自由度，因此每个液压缸都能自由伸缩而不像通常的振动台那样受其它液压缸的制约。

也正是由于这种结构，要使平台产生有规律的运动，必须使六个液压缸协调的工作。

2、六自由度平台逆解算法

图3.2空间机构位置关系示意图

六自由度平台又称为Stewart平台，其结构如图3.2所示，Stewart平台由上、下两个平台、六个驱动关节和连接球铰组成，上平台为运动平台，下平台为基座，上、下平台的六个铰点分别组成一个六边形，连接6个液压缸作为驱动关节，每个液压缸两端各连接一个球铰。

六个驱动关节的伸缩运动是独立的，由液压比例压力阀控制各液压缸作伸缩运动，从而改变各个驱动缸的长度，使动平台在空间的位置和姿态发生变化。

因此该平台是通过六个驱动杆的协调动作来实现三个线性移动及三个转动共六个自由度的运动。

Stewart平台机构的空间位置关系是指运动平台的六个自由度与六个驱动杆长度的关系，是研究该并联机构最基本的任务，也是机构速度、加速度、误差分析、工作空间分析、动力分析等的基础。

对于6-SPS平台机构，其特点是动静平台铰点共面，考虑到工作空间的对称性要求，将平台的6个铰点分成3组，三组铰点沿圆周120°均布，动、静平台的相邻两边到中心的夹角分别为30°和90°。

为求解六自由度平台的空间位置关系，首先在静、动平台上分别建立静、动坐标系。

如图3.3所示，静坐标系XYZ原点O位于静平台的中心，X-Y平面与下平台上各液压缸铰接点分布圆共面，动坐标系X′Y′Z′的原点O′位于平台上平台中心，当上平面位于中位时，动﹑静坐标系的Z′和Z轴重合，且静坐标系Z轴穿过O′。

图3.3空间矢量关系示意图

以第i只液压缸为例描述该机构的空间位置关系。

设

为从动坐标系原点

至平台铰接点Pi的矢量在静坐标系的表示，

。

为

点至Pi的矢量在动坐标系的表示。

为从O点到Bi点的矢量在静坐标系的表示，

。

为在静坐标系中从点O到点

的矢量，

。

为在静坐标系中从O点到Pi点的矢量，

，也是Pi点在静坐标系中的坐标。

为静坐标系中从

至

的矢量，

，各矢量间的关系如图3所示。

以静坐标系为参考坐标系，得到六自由度平台中各位置相互关系的矢量关系式：

（1.1）

化简得到平台位姿与各驱动关节杆长矢量的关系式：

（1.2）

位置逆解是由动平台的位姿

相对于其在中位时的中心位置

及角姿态

求解各液压缸的伸缩量，位置逆解的精确算法目前已经很成熟，能够用于实际系统的实时计算。

位置逆解的求解，关键是要求出动平台上各关节铰接点在静坐标系中的坐标。

可利用动平台的位姿

及各铰接点在动平台上的位置，进行坐标变换，求得各铰接点在静坐标系中的坐标。

在动坐标系中的任一向量

可以通过坐标变换方法变换为固定坐标系中的

：

（1.3）

其中：

变换矩阵

：

，

，

式中：

。

当给定平台的结构尺寸后，利用几何关系，可以很容易写出动、静平台各铰接点（

，

，i=1,2,…,6）在各自坐标系中的坐标值，再由式（1.3）求出动平台各铰点在静坐标系中的坐标值。

这时6个驱动器杆长矢量

（i＝1,2,…,6）可在固定坐标系中表示为：

i＝1,2,…,6（1.4）

从而得到并联机构的位置反解计算公式：

（1.5）

液压缸i的伸缩量Si为：

（1.6）

其中|

|neut为驱动杆i的中位长度，i=1,…,6。

上式是6个独立的显式方程，当已知该并联机构的基本尺寸和动平台的位置和姿势后，就可以求出6个驱动杆的杆长。

这就是六自由度平台的逆解。

四、研究内容

1、本设计的可行性，主要体现在:

1） 完成本项目的基础知识已经学习，如对keil软件的运用，对单片机控制和电路

的了解。

在机械系统上要用到的关于机械设计的知识都有所掌握，如机械制图，装配零件图的掌握。

2） 对于六自由度机器人有一定的了解，在工业上，这种机器人起到节省人力财力

的作用，有利于自动化的发展。

3） 对于整个系统有了一定的研究与初步设计思路 

① 在选用单片机上，选择AT89C52单片机，其标准功能（如256 字节内部RAM, 3 个16位定时/计数器, 一个6向量两级中断结构,片内振荡器及时钟电路。

）以满足对于这个系统的要求。

并且拥有芯片体积小、兼容性强、高速度、低价格、低工作电压、低功耗等特点

 ② 选用工业CAN 总线，可以实现多节点统一控制与实时监测，充分发挥网络通信与机械手臂系统的运行功能。

③ 驱动控制系统上，步进电机有其本身的优势，可精确实现所设定的角度和转数, 具有良好的步进特性, 最适合于数字控制,同时所产生误差不累积。

综上所述，我们有信心有能力完成该项目的研究和制作。

2、根据六自由度平台系统原理图和相关电气元器件接线说明设计电控系统。

我想用单片机控制六自由度平台，但是51单片机不能完全实现控制。

所以采用52单片机来控制，打算采用六个定时器，一个定时器控制一个自由度的电机，这样就能做到运动之间互不干涉。

本实验采用AT89S52单片机直接控制，但单片机的输出电流太小，不能直接与步进电机相连，需要增加驱动电路，通过驱动电路形成控制系统，通过控制电机的转动角度，以实现机械手的不同功能。

该机器手采用串联式开链结构，机器手各连杆由旋转关节关节串联连接，各关节轴线相互平行或垂直。

关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。

机器手各关节采用步进电机驱动，并通过软件编程和单片机实现对机器人的控制，使机器手能够在工作空间内任意位置精确定位。

实验机械手由6个步进电机组成，实现机械手六自由度运动