飛行模擬器液壓Stewart平臺(tái)奇異位形分析及其解決方法研究.pdf

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

2、設(shè)計(jì)、有奇異結(jié)構(gòu)的液壓 Stewart平臺(tái)的安全保護(hù)以及利用冗余機(jī)構(gòu)消除奇異位形等方面進(jìn)行了詳細(xì)的、系統(tǒng)的研究，從而最終達(dá)到在滿足工作空間要求的同時(shí)解決Stewart平臺(tái)的奇異位形的目的。
　　液壓 Stewart平臺(tái)是一種多變量和本質(zhì)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究是液壓 Stewart平臺(tái)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(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，利用Kane方法建立了 Stewart平臺(tái)的

3、多剛體動(dòng)力學(xué)模型；推導(dǎo)了非對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)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(tái)的動(dòng)力學(xué)模型；利用所建立的完整動(dòng)力學(xué)模型對(duì)液壓 Stewart平臺(tái)自由度間的耦合特性進(jìn)行了分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(tái)奇異位形的判斷非常復(fù)雜。為了分析在一個(gè) Stewart平臺(tái)的任務(wù)工作空間和可達(dá)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(jī)構(gòu)奇異位形研究的基礎(chǔ)

4、上，對(duì)Stewart平臺(tái)處于Hunt奇異位形處的相關(guān)特性進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究；之后利用機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣，通過(guò)編程求解，得到了 Stewart平臺(tái)的含有任意三個(gè)位姿變量的奇異軌跡方程的解析表達(dá)式，將 Stewart平臺(tái)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(gè)電動(dòng) Stewart平臺(tái)在任務(wù)工作空間和可達(dá)工作空間中的奇異位形，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所得出的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　對(duì)于一定的任務(wù)工作空間需求來(lái)說(shuō)，存在無(wú)奇異的

5、Stewart平臺(tái)來(lái)滿足對(duì)工作空間的要求，因此需要研究一種 Stewart平臺(tái)的無(wú)奇異結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。本文構(gòu)建了一種求解 Stewart平臺(tái)位置正解的同倫算法，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)Stewart平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合 Stewart平臺(tái)的極限位姿分析方法，綜合考慮了 Stewart平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、支腿所受靜態(tài)力、機(jī)構(gòu)的最大條件數(shù)以及機(jī)構(gòu)的構(gòu)型分岔行為，設(shè)計(jì)了具有無(wú)奇異結(jié)構(gòu)的Stewart平臺(tái)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的Stewart平臺(tái)

6、進(jìn)行分析和驗(yàn)證，表明所設(shè)計(jì)的Stewart平臺(tái)在由支腿行程范圍所確定的可達(dá)工作空間中不存在奇異位形。
　　針對(duì)因任務(wù)工作空間需求而在可達(dá)工作空間中存在奇異位形的液壓Stewart平臺(tái)，本文提出了奇異區(qū)和無(wú)奇異區(qū)的概念；利用支腿長(zhǎng)度，結(jié)合極限位姿分析方法，建立了一種判斷 Stewart平臺(tái)是否進(jìn)入奇異區(qū)域的判據(jù)；設(shè)計(jì)了液壓 Stewart平臺(tái)的液壓保護(hù)裝置，利用所提出的判據(jù)以及硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓Stewart平臺(tái)在發(fā)生因系統(tǒng)失控

7、而進(jìn)入奇異區(qū)的情況的安全保護(hù)。
　　針對(duì)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有消除奇異位形的功能，在原來(lái)非冗余液壓 Stewart平臺(tái)的基礎(chǔ)上增加三條冗余支腿，設(shè)計(jì)了“6+3”結(jié)構(gòu)形式的冗余液壓 Stewart平臺(tái)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，建立了冗余液壓 Stewart平臺(tái)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)冗余驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了優(yōu)化；之后將非冗余液壓 Stewart平臺(tái)和冗余液壓Stewart平臺(tái)的相關(guān)特性進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)冗余Stewart平臺(tái)能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的