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六自由度的结构特性以及控制原理

time:2021-09-15    Author: Smart Star

六自由度运动平台的结构特性:六自由度运动平台,由上、下平台和六个可伸缩的电动缸组成。上、下平台与伺服电动缸之间,分别通过虎克铰或球铰相连,因此上、下平台分别有6个连接点。上平台为动平台,在六个伺服电动缸的驱动下进行空间中的六自由度运动,下平台为静平台,静止不动,上、下平台为相似的六边形,如下图所示。六自由度并联机构具有速度快、负载大、精度高等特点,该结构作为运动平台有着广泛的应用空间。

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六自由度运动平台控制原理:六自由度运动平台是由六个伺服电机带动电动缸做伸缩变化运动,六个伺服电动缸并联设置共同驱动运动平台。运动平台的每个电动缸都能够实现空间中单独的伸缩运动,因此控制系统通过对六个伺服电动缸的伸缩量的控制,可以驱动上平台完成空间中的六自由度运动,从而实现上平台位姿的改变。六自由度分别指的是平台沿着x、y、z 三个坐标轴的平移运动,以及绕三个坐标轴的φx、φy、φz旋转运动。

根据六自由度平台的运动状态,计算出各伺服电动缸的相应位置和速度指令信号,从而控制运动平台的动作,保证按照预定的轨迹运动;当运动平台到达要求的位置时,各电动缸的速度指令信号给定为零,运动平台就立刻停下来,达到了点位控制的目的。

随着技术日益发展,目前对六自由度运动平台的控制精度、定位精度及动态响应性能的要求越来越高,考虑到六自由度运动平台对各个伺服电动缸运动的准确和快速等要求,需要对各电动缸的速度和位移进行控制。在运动过程中,需要及时检测各电动伺服缸的速度和位移信号,速度信号用于闭环控制时跟踪速度的输入,位移信号用于位置反馈和监控,从而达到满足运动平台的位姿控制。

六自由度运动平台控制策略:六自由度运动平台不仅需要点位控制,同时也要考虑点到点之间的过程,这有别于串联机构的控制策略,串联机构的控制只考虑到达目标点的准确性和快速性,而不考虑中间过程。该控制方法需实时获取机构末端的位置姿态值,由于传感器等直接测量方式成本较高,因此多利用运动学正解计算获得末端位置姿态。此外,平台工作过程中不合理的运动轨迹会引起冲击振动等问题,会影响平台运动精度等性能指标,且可能会损坏平台的机械结构,减少平台使用寿命。因此,对包括六自由度并联机构实时运动学正解及最优轨迹规划在内的伺服控制技术的研究显得尤为重要。

六自由度运动平台运动控制分为两种控制策略:一种是关节空间内的闭环控制。平台运动时,各电动缸伸缩长度伸缩速度不同,各电动缸输出力矩及所受负载等亦不相同,因此对各电动缸进行单独的闭环控制,也就是关节空间内的闭环控制。这种控制策略为准闭环控制,在使用时难以实现各电动缸的精确协同,因此对平台轨迹的控制精度有一定影响。另外一种是工作空间与关节空间内的闭环控制。这种控制策略是直接对平台的位置姿态进行闭环控制,形成工作空间内的闭环。然后根据计算得到的各电动缸的运动参数,在关节空间内针对各电动缸再进行闭环控制。这种控制策略能够进一步提高平台末端的控制精度,而缺点在于计算量比较大,需要进行两次闭环计算及运动学反解计算,此外还需实时获得平台工作空间内的位置姿态值。

位姿闭环控制器根据输入的目标位姿与当前平台的实际位姿计算得到位姿控制量,然后通过运动学反解计算得到各个电动缸对应的控制量,各电动缸根据对应的控制量参数完成闭环控制,整体控制框架为双闭环结构。本文中,位姿闭环控制器使用PID控制器完成。PID控制器具有结构简单、稳定性高、可靠性好等优点。

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