六自由度并聯機構Stewart平臺的動力學建模與仿真.pdf

1、Stewart平臺的出現始于1965年德國學者Stewart發(fā)明的具有六自由度運動能力的并聯機構飛行模擬器。目前經典的Stewart平臺機構由上、下兩個平臺和六個可伸縮的支腿以及它們之間的連接鉸鏈構成，其下平臺通常為基臺（Base-platform）,上平臺通常為負載平臺（Payload-platform）（即Stewart平臺的工作平臺）。Stewart平臺通過六個支腿的伸縮運動可以實現負載平臺在工作空間范圍內的六自由度運動，并具有剛

2、度高、精度高、承載能力強、動態(tài)特性好等優(yōu)點，因此近年來被廣泛應用于并聯機床、精密定位平臺和振動隔離平臺等方面。 Stewart平臺在并聯機床和精密定位平臺方面的應用相對成熟，已有實用化的商品供應市場。Stewart平臺應用于六自由度振動隔離平臺的研究與開發(fā)相對發(fā)展較晚，不僅開發(fā)的系統(tǒng)遠未達到實用化水平，其理論領域的研究也多屬空白，其根本原因是應用于振動隔離的Stewart平臺的基臺是運動的，隨之而帶來許多新的問題。到目前為止，在

3、Stewart平臺的理論研究方面已取得一些研究成果，比如Miller（1992）使用Lagrange動力學方程建立了Stewart平臺的動力學模型；Dasgupta和Mruthyunjaya（1998）使用Newton-Euler動力學方程推導出閉合形式的Stewart平臺的動力學模型；Codourey和Burdet（1997）、Wang和Gosselin（1998）、Tsai（2000）等人分別利用虛功原理建立了Stewart平臺的逆

4、動力學模型。但是，上述關于Stewart平臺的動力學模型都是在假設Stewart平臺的基臺固定不動的情況下建立的。當Stewart平臺應用于六自由度振動隔離平臺的研究與開發(fā)時，Stewart平臺的基臺往往是運動的，采用上述理論模型會遇到下述困難： 1、已有的Stewart平臺的動力學模型不能準確地對基臺在微運動情況下的Stewart平臺的動力學特性進行分析； 2、基于已有的Stewart平臺的動力學模型的仿真結果不能用來

5、直接指導基臺在微運動情況下的Stewart平臺的開發(fā)與設計，比如應用于振動隔離的Stewart平臺的開發(fā)與設計； 3、對于基臺在微運動情況的Stewart平臺的控制，不能根據已有的Stewart平臺的動力學模型進行反饋控制算法的理論與仿真研究。 本文在繼承Stewart平臺動力學理論方面的研究成果的基礎上提出并建立了基臺在微運動情況下的Stewart平臺的動力學模型，并在建立理論模型的基礎上在Matlab/Simulin

6、k環(huán)境下建立了基臺在微運動情況下的Stewart平臺的動力學的仿真系統(tǒng)，結合基臺在微運動情況下的Stewart平臺的幾類具體應用做了詳細的仿真分析。 本文的主要研究工作和意義如下： 1、基于Dasgupta提出的在基臺固定情況下的Stewart平臺的動力學模型，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了Stewart平臺閉環(huán)動力學仿真系統(tǒng)。其意義在于利用該仿真系統(tǒng)能對一般的基臺在固定情況下的Stewart平臺的動力學特

7、性進行仿真分析。 2、分析了利用任務空間運動狀態(tài)反饋方式求解Stewart平臺的逆動力學問題，利用驅動空間運動狀態(tài)反饋方式求解Stewart平臺的正動力學問題。其意義在于利用Stewart平臺的閉環(huán)動力學模型實現了Stewart平臺的正動力學和Stewart平臺的運動學正解的求解，避開了直接建立Stewart平臺的正動力學模型和直接求解Stewart平臺的運動學正解問題的復雜性。 3、在Stewart平臺閉環(huán)動力學模型的

8、基礎上，提出并建立了基臺在微運動情況下的Stewart平臺閉環(huán)動力學模型，不僅完善了基臺在固定情況下Stewart平臺的動力學理論，更重要的是該模型從理論上解決了Stewart平臺的基臺在微運動情況下的幾類應用問題，比如Stewart平臺應用于振動阻尼、振動隔離和基臺在外部激勵作用下的定位等。 4、在建立基臺在微運動情況下的Stewart平臺閉環(huán)動力學模型的基礎上，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了基臺在微運動情況下的

9、Stewart平臺閉環(huán)動力學仿真系統(tǒng)。其意義在于利用該仿真系統(tǒng)能對基臺在微運動情況下的Stewart平臺的動力學特性進行仿真分析。 5、在建立基臺在微運動情況下的Stewart平臺閉環(huán)動力學模型及仿真系統(tǒng)的基礎上，從理論的角度對Stewart平臺應用于振動阻尼、振動隔離以及基臺在外部激勵作用下的定位幾類典型情況提供了仿真結果和分析，從而能利用仿真分析而不是必須從實驗分析去實現Stewart平臺的機構參數優(yōu)化，改善Stewart平