毕业论文课题相关文献综述

文 献 综 述

高精度三轴运动平台设计及控制

引言

St ew ar t 运动平台已广泛运用于运动仿真领域^[1-2]。在保证平台仿真效果的同时， 为了进一步降低硬件成本， 国内外已经研发了多款三自由度运动平台。但是这几款运动平台尚有一些不足，例如：平台机构空间尺寸较大， 而所对应的工作空间较小， 平台机构设计和运动副选用不够合理， 短时间运行后出现磨损，影响了平台工作精度。本文以一款应用较多的三自由度运动平台^[3]为例，基于平台可控性能和平台机构尺寸加权最优的思想，采用加速遗传算法^{[ 4 - 6]}， 对平台进行了机构参数优化设计， 并将其应用到某型汽车驾驶模拟器的设计中， 取得了良好的效果。

1 三自由度平台运动机构简介

图 1 是一款应用较多的三自由度运动平台整体设计模型图， 图 2 是其结构简图。该平台已在飞行模拟器和汽车模拟器上使用。平台主要由下平台( 固定平台) 、 上平台 ( 运动平台) 、 3个电动缸、 连接电动缸与上下平台的十字铰链, 以及 3 只防扭臂组成。通过协调控制 3个电动缸的伸缩运动，从而实现上平台绕 X 轴和 Y 轴的转动，以及沿 Z 轴的平动。

根据运动平台的对称性运动要求：电动缸上下十字铰链分别呈等腰三角形分布于上平台和下平台； X 方向上的一对防扭臂位于等腰三角形高的中垂线上，等距分布在高的两侧；Y 方向上的一只防扭臂位于等腰三角形的高上；电动缸与下平台呈一定的倾角布置。3 只防扭臂的设计是为了实现自由度的约束， X 方向上的一对防扭臂用于约束平台 Y 方向平动， Y 方向上的一只防扭臂用于约束平台 X 方向平动，3 只防扭臂共同约束平台转动。 需要指出的是，X 方向上的一对防扭臂的结构与作用完全相同， 理论上一只就能够约束平台 Y 方向上的运动，本文选用一对的目的是为了改善防扭臂的受力状况， 提高机构的结构刚度。 根据空间运动机构的理论，可以得出空间运动机构自由度的计算公式：

式中， F 为自由度数； N 为机构的构件总数；Ui 为第 i 个运动副的约束；g 为物体之间的运动副数目。进一步可得出该平台的自由度为 3。

2 伺服平台的建立

以观测点为坐标原点， 正东方向为 X 轴， 正北方向为 Y 轴， 垂直向上为 Z 轴， 建立一个绝对坐标系( 坐标原点位置已知) ， 为了保证观测点的一致性， 需要建立一个伺服平台运动的坐标系， 称为相对坐标系,该坐标系仍以观测点作为坐标原点， 以控制伺服平台旋转的 3 个轴作为其坐标轴， 分别表示为 X a ，Y a ， Za 。伺服平台的三个轴的旋转运动就是利用三个步进电机进行控制， 其机械结构组成图如图所示： 当 X a , Y a ,Za 与 X ，Y ，Z 轴重合时， 称为伺服平台归零。 建立一个观测平面为垂直于 X Y 平面， 面向 X 正方向， 即监测装置的观测平面。 假设空间某个点( 该点地理位置参数已知) 需要进行观测， 通过计算可以得出其在绝对坐标系中对应的投影位置与三个轴的夹角分别为α，β，γ 是随平台运动进行变化的， 而且其变化具有一定的极限值， 本文的研究对象在机械设计时设置了专门的限位机构以进行限位。