飛行模擬器液壓Stewart平臺奇異位形分析及其解決方法研究.pdf

1、液壓 Stewart平臺屬于典型的并聯(lián)機構(gòu)，由于其能夠?qū)崿F(xiàn)空間的六自由度運動并且具有剛度大、承載能力強、結(jié)構(gòu)比較簡單、精度高、控制比較容易等優(yōu)點，被成功應(yīng)用于大型飛機飛行模擬器的運動系統(tǒng)，成為其重要組成部分。但是其主要缺點是，在特殊情況下存在奇異位形，并且與串聯(lián)機構(gòu)相比工作空間非常有限。本論文在分析Stewart平臺奇異位形的基礎(chǔ)上，針對Stewart平臺存在奇異位形的問題，對于不同的任務(wù)工作空間要求，從 Stewart平臺的無奇異結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計、有奇異結(jié)構(gòu)的液壓 Stewart平臺的安全保護以及利用冗余機構(gòu)消除奇異位形等方面進行了詳細的、系統(tǒng)的研究，從而最終達到在滿足工作空間要求的同時解決Stewart平臺的奇異位形的目的。
　　液壓 Stewart平臺是一種多變量和本質(zhì)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其運動學(xué)和動力學(xué)的研究是液壓 Stewart平臺其他相關(guān)特性以及控制策略研究的基礎(chǔ)。本文分析了液壓 Stewart平臺的運動學(xué)和動力學(xué)，利用Kane方法建立了 Stewart平臺的

3、多剛體動力學(xué)模型；推導(dǎo)了非對稱伺服閥控制非對稱液壓缸的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立了完整的液壓 Stewart平臺的動力學(xué)模型；利用所建立的完整動力學(xué)模型對液壓 Stewart平臺自由度間的耦合特性進行了分析，并通過實驗驗證了分析結(jié)果的正確性。
　　空間的六路分支結(jié)構(gòu)使得 Stewart平臺奇異位形的判斷非常復(fù)雜。為了分析在一個 Stewart平臺的任務(wù)工作空間和可達工作空間中是否存在奇異位形，本文在前人關(guān)于并聯(lián)機構(gòu)奇異位形研究的基礎(chǔ)

4、上，對Stewart平臺處于Hunt奇異位形處的相關(guān)特性進行了分析和實驗研究；之后利用機構(gòu)的雅可比矩陣，通過編程求解，得到了 Stewart平臺的含有任意三個位姿變量的奇異軌跡方程的解析表達式，將 Stewart平臺的奇異軌跡表示在三維空間中；利用所提出的奇異軌跡分析方法分析了一個電動 Stewart平臺在任務(wù)工作空間和可達工作空間中的奇異位形，并通過實驗對所得出的結(jié)論進行了驗證。
　　對于一定的任務(wù)工作空間需求來說，存在無奇異的

5、Stewart平臺來滿足對工作空間的要求，因此需要研究一種 Stewart平臺的無奇異結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。本文構(gòu)建了一種求解 Stewart平臺位置正解的同倫算法，在此基礎(chǔ)上，通過對Stewart平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，結(jié)合 Stewart平臺的極限位姿分析方法，綜合考慮了 Stewart平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)、支腿所受靜態(tài)力、機構(gòu)的最大條件數(shù)以及機構(gòu)的構(gòu)型分岔行為，設(shè)計了具有無奇異結(jié)構(gòu)的Stewart平臺。通過仿真和實驗對所設(shè)計的Stewart平臺

6、進行分析和驗證，表明所設(shè)計的Stewart平臺在由支腿行程范圍所確定的可達工作空間中不存在奇異位形。
　　針對因任務(wù)工作空間需求而在可達工作空間中存在奇異位形的液壓Stewart平臺，本文提出了奇異區(qū)和無奇異區(qū)的概念；利用支腿長度，結(jié)合極限位姿分析方法，建立了一種判斷 Stewart平臺是否進入奇異區(qū)域的判據(jù)；設(shè)計了液壓 Stewart平臺的液壓保護裝置，利用所提出的判據(jù)以及硬件設(shè)備，實現(xiàn)了對液壓Stewart平臺在發(fā)生因系統(tǒng)失控

7、而進入奇異區(qū)的情況的安全保護。
　　針對冗余并聯(lián)機構(gòu)具有消除奇異位形的功能，在原來非冗余液壓 Stewart平臺的基礎(chǔ)上增加三條冗余支腿，設(shè)計了“6+3”結(jié)構(gòu)形式的冗余液壓 Stewart平臺，對其運動學(xué)、動力學(xué)進行分析，建立了冗余液壓 Stewart平臺的多剛體動力學(xué)模型，并對冗余驅(qū)動力進行了優(yōu)化；之后將非冗余液壓 Stewart平臺和冗余液壓Stewart平臺的相關(guān)特性進行了對比，發(fā)現(xiàn)冗余Stewart平臺能夠進一步提高系統(tǒng)的