黎先飛， 梁小冬， 唐毅

（軍事交通學院車輛裝備駕駛模擬實驗室，天津300161）

1 引言

六自由度平臺最早是由英國工程師Stewart于1965年提出的一種并聯(lián)機構(gòu)。后來該機構(gòu)經(jīng)過不斷發(fā)展和改進，已經(jīng)得到越來越廣泛的應用，例如并聯(lián)機床、并聯(lián)機器人、運動模擬器、娛樂模擬器、航天對接器、隔振器等［1］。本文研究的六自由度動感平臺應用于駕駛模擬系統(tǒng)，在駕駛模擬系統(tǒng)中駕駛員的互動感覺主要來自于動感平臺提供的姿態(tài)、環(huán)幕投影提供的影像和駕駛員對駕駛模擬艙的操縱［2］。其中六自由度動感平臺能夠提供駕駛過程中的瞬時過載動感、重力分量的持續(xù)感及抖動沖擊信息，使得駕駛員能夠真正感受到身臨其境。

在使用過程中有兩種因素會導致平臺受力不均衡：一是平臺安裝過程中考慮安裝空間和其他機構(gòu)的影響，其承載的座艙重心和上平臺中心不重合；二是在使用中其它承載物的加載（如駕駛員）會加劇上平臺受力的不均衡性。本實驗室使用中發(fā)現(xiàn)六自由度平臺受力不均衡對不平穩(wěn)具有重要影響，表現(xiàn)在部分電動缸過熱和顫動，其使用壽命降低。

2 六自由平臺特點及仿真模型建立

2.1 六自由度平臺簡介

六自由度平臺主要由上平臺（動平臺）、下底臺（固定平臺）、12個鉸鏈及6個電動缸組成，立體圖如圖1所示。

電動缸由伺服電機驅(qū)動產(chǎn)生伸縮運動，通過6個電動缸的協(xié)調(diào)動作，上平臺能夠靈活地實現(xiàn)6個自由度的運動，即上下左右前后方向的平移和旋轉(zhuǎn)運動（3個線性移動和3個轉(zhuǎn)動），同時還可以作復合運動。

該運動機構(gòu)具有剛度大、承載能力強、精度高、控制容易、速度和加速度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為制造業(yè)的研究熱點之一［3］。

圖1 平臺立體圖

2.2 六自由度平臺仿真模型的建立

并聯(lián)機構(gòu)的動力學模型通常是一個多自由度、多變量、高度非線性及參數(shù)耦合的復雜系統(tǒng)，直接構(gòu)造并聯(lián)機構(gòu)的動力學方程比較困難［4］，因此本文以虛擬樣機代替物理樣機對六自由度平臺進行分析。

由于ADMAS建模功能的局限性，六自由度平臺的模型在Pro/E中建立，然后導入ADMAS進行后續(xù)的分析。具體過程：（1）在 Pro/E 環(huán)境下建立零件與裝配，定義剛體，保存為Parasolid格式。（2）在ADAMS中導入Parasolid文件，定義約束和驅(qū)動，添加傳感器，進行運動學分析。（3）施加載荷后，進行動力學分析。

圖2 仿真模型圖

仿真平臺模型主要參數(shù)：上平臺直徑1520mm，下平臺直徑1800mm，初始平臺高度935mm，上、下平臺厚度20mm。

3 六自由度平臺運動學分析

3.1 平臺運動學反解

對六自由度平臺進行逆向運動學分析，即通過仿真平臺運動規(guī)律反解出6個電動缸伸縮長度的變化規(guī)律［5］。

在運動模擬的過程中，由于電動缸的行程有限，因此在完成一次動作后，必須換回到中立位置，以便使接續(xù)的運動模擬具有足夠的行程，這種回到中立位置的附加運動稱為運動的洗出（Washout）［7］。根據(jù)這種洗出規(guī)律，本文將三種極限運動獨立出來進行運動仿真：最大上升、最大平移、最大翻轉(zhuǎn)。在仿真分析中，根據(jù)上平臺需要的運動規(guī)律，在ADAMS/view運行環(huán)境下輸入運動函數(shù)，就可以輸出各缸的運動曲線。

（1）仿真上平臺最大上升量150mm：上平臺定義移動副約束，其激勵函數(shù)為：function1=75*（1-cos（time）），仿真時間為4*pi（下同），即兩個運動周期，各缸長度變化相同。

圖3 運動學反解一

（2）仿真上平臺最大平移量150mm：上平臺定義移動副約束，其激勵函數(shù)為：function2=75*（1-cos（time）），各缸長度變化不同。

圖4 運動學反解二

（3）仿真上平臺最大翻轉(zhuǎn)量12°：上平臺定義旋轉(zhuǎn)副約束，其激勵函數(shù)為：function3=6d*（1-cos（time）），各缸長度變化不同。

3.2 平臺運動學正解

對六自由度平臺進行正向運動學分析，即通過仿真6個電動缸伸縮長度的變化規(guī)律求解出平臺運動規(guī)律。

根據(jù)反解得到的各缸運動曲線，可以求出其運動方程，在ADAMS/view仿真中輸入這些方程即可得到上平臺的運動規(guī)律。

圖5 運動學反解三

（1）6個缸輸入各自的激勵函數(shù)，為了便于數(shù)據(jù)的輸入和測量，本文讓1、2號缸運動規(guī)律相同，3、4號缸運動規(guī)律相同，5、6號缸運動規(guī)律相同。激勵函數(shù)為：function4=62.5*（1-cos（time）），得到上平臺上升運動規(guī)律，與預期相同。

圖6 運動學正解一

（2）輸入激勵函數(shù)為：function5_1=-24.9*（1-cos（time）），function5_2=96.05*（1-cos（time）），F(xiàn)unction5_3=-7.2*（1-cos（time））。得到上平臺平移運動規(guī)律，與預期相同。

圖7 運動學正解二

（3）輸入激勵函數(shù)為：function6_1=1*（1-cos（time）），function6_2=84*（1-cos（time）），F(xiàn)unction6_3=114.55*（1-cos（time））。得到上平臺翻轉(zhuǎn)運動規(guī)律，與預期相同。

圖8 運動學正解三

4 六自由度平臺動力學分析

4.1 不均衡條件下的受力特點

作者之前通過ANSYS分析了平臺在幾種極限條件下的靜態(tài)受力情況。當載荷重心與上平臺中心重合時，不會發(fā)生不均衡狀況，各缸受力無明顯差異；當載荷重心與上平臺中心偏離時，會發(fā)生不均衡狀況，各缸受力有明顯差異，最大差異為2.56倍。

圖9 平臺不均衡受力示意圖

4.2 不均衡條件下動力仿真

根據(jù)3.2節(jié)正解得到的平臺規(guī)律，在此基礎上施加載荷，載荷值P=10000N，固定y方向，施加點分為偏心和不偏心兩種情況。

（1）受力不偏心時各缸受力如圖10～圖12所示。

圖10 受力不偏心圖1

圖11 受力不偏心圖2

圖12 受力不偏心圖3

（2）受力點偏離中心100mm時各缸受力如圖13～圖15所示。

圖13 受力偏心圖1

圖14 受力偏心圖2

圖15 受力偏心圖3

4.3 仿真分析

通過上述分析得出一個重要的結(jié)論：當驅(qū)動函數(shù)為弦函數(shù)時，不管平臺作何種運動，6個缸的受力曲線為弦曲線或近弦曲線。在動力仿真中，偏距/上平臺直徑=100/1520=6.58%，各缸受力發(fā)生了明顯的變化，具體表現(xiàn)在：

（1）在上升運動中，各缸受力線均為相同的弦曲線。有偏距存在時，受力線為相似弦曲線，6個電動缸受力最大值分別為：1、2 號缸 2506.34N，3、4 號缸 3263.00N，5、6號缸3624.26N。各缸受力不均衡，差值分別為756.66N，361.26N，1117.92N。。

（2）在平移運動中，在平移量150mm時1、2號缸受力達到峰值為4600N。有偏距存在時，3、4號缸受力值發(fā)生了突變從2000N到3250N，5、6號缸變化幅值最小為150N。各缸受力差值加大，在初始時即存在受力不均衡為1112.48N。

（3）在翻轉(zhuǎn)運動中，1、2號缸受力幅值變化最大為3100N到 3600N，3、4、5、6 號缸受力變化平穩(wěn)，變化絕對值150N。有偏距存在時，各缸變化幅值加大，1、2號缸初始值減少而5、6號初始值增加，3、4號缸受力值發(fā)生了突變，從3100N到3750N。

5 結(jié)論

本文通過動力學分析可以得出載荷偏離對六自由度平臺受力具有重要影響，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是偏距的存在會加劇6個缸受力的不均衡性，特別是在上升運動和平移運動中，差值均達到了1200N；二是從輸出的曲線可以知道，各缸受力曲線幅值加大，即單位時間上受力變化加大，分別達到1500N。因為動力學分析對并聯(lián)機構(gòu)的控制、模擬、優(yōu)化具有重要作用，因此，本文得到的相關(guān)數(shù)據(jù)對六自由度動感平臺的實際使用具有一定的參考意義。

［1］ 王昶永，李世倫，吳江寧.一種新型的空間六自由度工作臺［J］.新技術(shù)新工藝，1995（6）：23-24.

［2］ 侯范曉，黎先飛，唐毅.基于ANSYS的某仿真駕駛模擬器轉(zhuǎn)向系有限元分析［J］.科學技術(shù)與工程，2011（13）：3090-3094.

［3］ 甘紅勝.六維動感平臺控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.上海：上海交通大學，2004.

［4］ 崔群鳳.基于ADAMS的六缸并聯(lián)機構(gòu)的仿真分析［J］.湖北農(nóng)機化，2009（2）：54-55.

［5］ 張靜，許東來.ADAMS在并聯(lián)機構(gòu)運動學分析中的應用［J］.機電工程，2010（9）：58-59.

［6］ WUJ N，et al.Structural parameters Calibration by Posture Measurement on Parallel 6-DOF platform［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2002（4）：334-335.

［7］ WANG H，et al.Forward Dynamics Analysis of the 6-PUS Mechanism Based on Platform-Legs Composite Simulation［J］.Chinese Journal of MechanicalEngineering，2009 （4）：496-504.