船舶运动模拟器控制系统设计(附件)【字数：13054】
船舶运动模拟器是由六自由度并联运动平台组成，六自由度并联运动平台具有承载能力大、刚度大、精度高、误差小、便于实时控制等优点，逐渐成为机器人领域的研究热点，广泛应用于航空航天领域、船舶制造领域、汽车制造领域、生物工程及民用娱乐等领域。本文以六自由度并联平台为研究对象，首先将介绍六自由度并联平台的结构、特点、国内外研究现状以及发展前景和应用，然后分析了六自由度并联平台的运动学。运动学分析主要包括位置分析，速度分析和加速度分析，其中位置分析中介绍了并联平台的位置反解以及基于牛顿泰勒法的位置正解。接着利用凯恩法来建立包含电动缸惯性影响的多刚体动力学模型，该模型不仅将全面的表征六自由度并联平台的动力学特性，而且具有简单、通用的形式，为六自由度运动系统的控制方法研究奠定了基础。采用并联机构常用的PD控制和计算力矩控制控制算法，对六自由度并联平台设计了控制器，并通过Matlab软件对该控制器进行了仿真验证。最后对六自由度船舶运动模拟器控制系统进行设计，并介绍了各部分组成的具体功能和相关参数。关键词船舶运动模拟器；六自由度并联平台；动力学分析；计算力矩控制
Keywords:Ship motion simulator；Six degree of freedom parallel platform；kinetic analysis；Computed torque control 目录
第一章 绪论 1
1.1 背景意义 1
1.2 六自由并联系统概述 1
1.2.1 六自由度并联机器人简介 1
1.2.2 六自由度并联平台的发展历史和国内外研究现状 2
1.2.3 六自由度并联机构的应用 3
1.3 本课题的主要研究内容 5
第二章 六自由度并联运动平台运动学分析 7
2.1 引言 7
2.2 建立坐标系和确定基本结构参数 7
2.3 描述位姿 8
2.4 速度和加速度分析 11
2.5 运动学反解 12
2.6 运动学正解 12
2.7 本章小结 14
第三章 六自由度并联平台动力学分析建模 16
3.1 引言 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.2 动力学模型 16
3.2.1凯恩方程简介 16
3.2.2 单刚体动力学 19
3.2.3 多刚体动力学 20
3.3 本章小结 23
第四章 六自由度运动平台控制策略及仿真 24
4.1 引言 24
4.2 运动平台控制策略 24
4.3 任务空间控制 26
4.3.1 任务空间的PD控制 26
4.3.2任务空间的计算力矩控制 26
4.4 关节空间控制 27
4.4.1 关节空间PD控制 27
4.4.2 关节空间的计算力矩控制 28
4.5 仿真分析 29
4.6 本章小结 32
第五章 六自由度并联平台控制系统 33
5.1 概述 33
5.2 六自由度并联平台的设计要求 33
5.3 控制系统硬件设计 34
5.3.1 MPC154运动控制卡 35
5.3.2 松下伺服驱动器和电机 36
5.4 MPC软件开发工具 37
5.5 本章小结 39
全文总结与展望 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 背景意义
随着船舶工业的发展，船舶运动平台的发展越来越受到重视。 相比较于串联式船舶运动平台，并联式船舶运动平台惯性比较承载能力更加强、刚度更加大，人们投入了越来越深的研究和越来越广泛的应用于并联式船舶运动平台。六自由度并联式运动平台便是其中一种最典型最有特性的运动平台。从一个角度来说，船舶运动模拟器可以模拟出船舶出海时可能遇到的各种海况，为船员的训练提供一个模拟环境，从而起到提高训练安全系数和降低训练成本的作用；从另一个角度说，借助船舶运动模拟器，就可以在实验室进行研究减少出海的次数，大大减少了实验成本并且降低了实验所需要的时间。因此对并联技术的深入分析和研究，对六自由度运动平台的探讨和学习，从而自主设计出性能优良的船舶模拟器，对提高我国仿真水平，增强国防力量，增加综合国力，具有重大的理论意义和实际效果。
传统的六自由度并联平台主要以液压驱动为主，时至今日在精度比较高的控制领域以及载荷比较小的承载领域，电机驱动平台越来越能显示出其电机伺服系统性能大幅度提高和电动缸控制系统较液压系统更加完善的特点，。
1.2 六自由并联系统概述
1.2.1 六自由度并联机器人简介
六自由度电动机器人主要由可运动的上平台，虎克铰，六个伺服电动缸和无法移动的下平台组成。如下图11所示，六个伺服电动缸的两端分别连接着虎克铰，通过虎克铰从而起到连接上平台和下端固定底座的作用，并且是通过并联的形式。为了实现上运动平台可以相对于固定下平台做出六个自由度方向上的空间位姿运动，这需要六个伺服电动缸独立自由的做出伸缩运动，协调合作完成所需的要求。在空间坐标系xyz中，沿着三个轴方向的运动以及绕着三个轴的运动的六个运动称为六个自由度方向上的运动。六自由度并联电动平台从本质上来说是多个运动链和多自由度的执行器在一端同时相连接的空间并联机构。如图11所示六自由度电动平台结构图
/
图11：六自由度电动平台结构图
1.2.2 六自由度并联平台的发展历史和国内外研究现状
在年，在机构学的领域首次对发明的基于并联机构的轮胎检测装置进行了深入的理论研究，在此基础上，发明了一个基于六自由度并联机构的飞行模拟器，该机构也是目前应用最广泛、最典型的并联机构，被称为机构。在年，美国制定了空勤人员训练模拟器六自由度并联式运动平台系统军用标准，这标志着六自由度并联式运动平台的生产已经趋向标准化，系统化。年，澳大利亚莫纳什大学机构学教授从机器人的角度论述了并联式机构，提出了将机构应用于机器人领域，使得世界各个地区的科研人员将目光聚焦在并联机器人的研发当中。和，首次将并联机构运用到装配机器人设计中于年，世界上第一台并联机器人因此而诞生，正式打开了并联机构研究领域的大门。
Keywords:Ship motion simulator；Six degree of freedom parallel platform；kinetic analysis；Computed torque control 目录
第一章 绪论 1
1.1 背景意义 1
1.2 六自由并联系统概述 1
1.2.1 六自由度并联机器人简介 1
1.2.2 六自由度并联平台的发展历史和国内外研究现状 2
1.2.3 六自由度并联机构的应用 3
1.3 本课题的主要研究内容 5
第二章 六自由度并联运动平台运动学分析 7
2.1 引言 7
2.2 建立坐标系和确定基本结构参数 7
2.3 描述位姿 8
2.4 速度和加速度分析 11
2.5 运动学反解 12
2.6 运动学正解 12
2.7 本章小结 14
第三章 六自由度并联平台动力学分析建模 16
3.1 引言 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.2 动力学模型 16
3.2.1凯恩方程简介 16
3.2.2 单刚体动力学 19
3.2.3 多刚体动力学 20
3.3 本章小结 23
第四章 六自由度运动平台控制策略及仿真 24
4.1 引言 24
4.2 运动平台控制策略 24
4.3 任务空间控制 26
4.3.1 任务空间的PD控制 26
4.3.2任务空间的计算力矩控制 26
4.4 关节空间控制 27
4.4.1 关节空间PD控制 27
4.4.2 关节空间的计算力矩控制 28
4.5 仿真分析 29
4.6 本章小结 32
第五章 六自由度并联平台控制系统 33
5.1 概述 33
5.2 六自由度并联平台的设计要求 33
5.3 控制系统硬件设计 34
5.3.1 MPC154运动控制卡 35
5.3.2 松下伺服驱动器和电机 36
5.4 MPC软件开发工具 37
5.5 本章小结 39
全文总结与展望 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 背景意义
随着船舶工业的发展，船舶运动平台的发展越来越受到重视。 相比较于串联式船舶运动平台，并联式船舶运动平台惯性比较承载能力更加强、刚度更加大，人们投入了越来越深的研究和越来越广泛的应用于并联式船舶运动平台。六自由度并联式运动平台便是其中一种最典型最有特性的运动平台。从一个角度来说，船舶运动模拟器可以模拟出船舶出海时可能遇到的各种海况，为船员的训练提供一个模拟环境，从而起到提高训练安全系数和降低训练成本的作用；从另一个角度说，借助船舶运动模拟器，就可以在实验室进行研究减少出海的次数，大大减少了实验成本并且降低了实验所需要的时间。因此对并联技术的深入分析和研究，对六自由度运动平台的探讨和学习，从而自主设计出性能优良的船舶模拟器，对提高我国仿真水平，增强国防力量，增加综合国力，具有重大的理论意义和实际效果。
传统的六自由度并联平台主要以液压驱动为主，时至今日在精度比较高的控制领域以及载荷比较小的承载领域，电机驱动平台越来越能显示出其电机伺服系统性能大幅度提高和电动缸控制系统较液压系统更加完善的特点，。
1.2 六自由并联系统概述
1.2.1 六自由度并联机器人简介
六自由度电动机器人主要由可运动的上平台，虎克铰，六个伺服电动缸和无法移动的下平台组成。如下图11所示，六个伺服电动缸的两端分别连接着虎克铰，通过虎克铰从而起到连接上平台和下端固定底座的作用，并且是通过并联的形式。为了实现上运动平台可以相对于固定下平台做出六个自由度方向上的空间位姿运动，这需要六个伺服电动缸独立自由的做出伸缩运动，协调合作完成所需的要求。在空间坐标系xyz中，沿着三个轴方向的运动以及绕着三个轴的运动的六个运动称为六个自由度方向上的运动。六自由度并联电动平台从本质上来说是多个运动链和多自由度的执行器在一端同时相连接的空间并联机构。如图11所示六自由度电动平台结构图
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图11：六自由度电动平台结构图
1.2.2 六自由度并联平台的发展历史和国内外研究现状
在年，在机构学的领域首次对发明的基于并联机构的轮胎检测装置进行了深入的理论研究，在此基础上，发明了一个基于六自由度并联机构的飞行模拟器，该机构也是目前应用最广泛、最典型的并联机构，被称为机构。在年，美国制定了空勤人员训练模拟器六自由度并联式运动平台系统军用标准，这标志着六自由度并联式运动平台的生产已经趋向标准化，系统化。年，澳大利亚莫纳什大学机构学教授从机器人的角度论述了并联式机构，提出了将机构应用于机器人领域，使得世界各个地区的科研人员将目光聚焦在并联机器人的研发当中。和，首次将并联机构运用到装配机器人设计中于年，世界上第一台并联机器人因此而诞生，正式打开了并联机构研究领域的大门。
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