基于电动机驱动的六自由度平台设计

基于电动机驱动的六自由度平台设计

摘要：六自由度并联运动平台具有刚度大，便于实时控制，精度高，误差小，承载能力大等优点, 是近几十年发展起来的新型产品, 广泛应用于航空航天领域，汽车制造领域，船舶，医疗诊断，生物工程及民用娱乐等领域逐渐成为机器人领域的研究热点。近些年来, 对于六自由度并联运动平台实时控制方法的研究引起了世界上众多学者的广泛关注, 大多采用液压驱动为主，但对于要求反应快，动作灵敏的控制平台，液压控制系统无法达到要求，使用电动机驱动平台，可以解决此问题。

关键词：六自由度平台，实时控制，电动机

1 绪论

1.1 引言

并联六自由度平台是具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖实验设备，是一种以计算机技术、控制理论、空间机构学、图像处理和人机工程学为基础的复杂系统。最早的空间六自由度并联机器人是1965年D. Stewart 提出并研制的, 也称为6-SPS 机构，即著名的Stewart 平台机构，与传统的串联式多自由度运动机构相比, 它具有承载能力强, 刚度好, 无积累误差, 精度高等优点。根据上、下各六个万向绞相对分布的不同, 该机构可分为多种类型, 其运动学已有许多学者进行了研究。进入80年代特别是90年代以来, 六自由度运动平台越来越广泛的应用于机器人、并联机床、空间对接计术、航空航海设备、摇摆模拟以及娱乐设施上。

目前我国的六自由度平台设计水平和制造水平与西方发达国家相比差距还是相当大, 对六自由度平台控制理论、控制系统与技术研究的这些领域内的关键课题所做的工作还很粗浅。因此对六自由度的关键组成部分进行深入的理论分析和实验研究, 尽快研制出性能优良的六自由度平台, 提高我国的仿真技术水平, 具有重大的理论意义和实际应用价值。六自由度运动平台是用于飞行器、运动器（如飞机、车辆）模拟训练的动感模拟装置，是一种并联运动机构，它通过改变六个可以伸缩的作动筒来实现平台的空间六自由度运动（垂直向、横向、纵向、俯仰、滚转、摇摆），即X 、Y 、Z 方向的平移和绕X 、Y 、Z 轴的旋转运动，以及这些自由度的复合运动。

1.2 六自由度平台的结构简介

并联式六自由度电动平台, 简称六自由度平台。如图1-1所示, 它主要由下平台台基、上运动平台、12个铰(球铰或万向铰) 及6个电动推杆组成, 其中电动推杆通过万向绞铰以并联的方式将上运动平台和下平台台基连接起来, 成为一体。这样的机构在并联式多自由度机械装置研究中, 又常常被称为stewart 平台。电

图1-1 Stewart机构简图

动机驱动推杆的伸长长度和收缩长度, 驱动六根推杆沿其方向伸缩作线性移动。

通过六个电动推杆的协调动作, 上运动平台能够灵活地实现六个自由度的运动, 三个线性移动及三个转动, 即一个刚体在空间的全自由动。因此, 六自由度平台也可以看作是一种并联式的机器人。

与应用广泛、十分常见的六自由度串联机构相比, 六自由度平台不够灵活, 表明其灵活度的上运动平台三维转动的活动范围一般小, 而且角度最大也达不到90︒。运动空间也不够大, 仅是其上方的一个厚度不算大的空间, 但它同时具有以下十分突出的优点：

刚度大, 结构稳定。这是由于上运动平台经由6个电动推杆的支撑；

误差小, 位姿精度高。因为没有串联机构的误差累积和放大；

力性能好。串联式机构的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大臂

上, 增加了系统的惯性, 恶化了动力性能, 六自由度平台将动力源放在机

座上, 减小了运动负载；

反解容易。多自由度机构运动过程中, 需要进行实时反解计算。串联机构

的反解十分困难, 而对于并联式机构, 六自由度平台的反解非常容易。

因此作为一种并联式的六自由度平台, 与串联式机构形成鲜明的对比, 它们在结构和性能特点上是对偶关系, 在应用上不是替代作用, 而是互补关系。六自由度平台的出现, 扩大了很多机构的应用范围。

1.3 Stewart机构的发展及应用

1.3.1 Stewart机构的发展

Stewart 于 1965 年在他的论文 A Platform With 6 Degrees of Freedom 中提出六自由度平台的概念，由于其自身的优点，一经提出便在业界引起了轰动。不久，Cappel 便发明了第一架基于六自由度并联机构的飞行模拟器。1972 年 Minskey 提出将六自由度平台用于操作装置的运动结构。图 1-2 所示为荷兰Delft 大学研制的用于训练飞行员的飞行模拟器。1978 年澳大利亚的教授 Hunt 提出可以将六自由度平台应用到并联机器人结构中，但是并没用得到足够重视；

图1-2 Delft大学飞行模拟器

1986 年 Marconi 设计了第一台商用六自由度并联操作装置GADEFLY ；1987 年 Pierrot 等人提出了一种空间六自由度并联机器人 HEXA，作为三自由度并联机器人 DELTA 的扩展，并在日本制造出了实验室样机。

20 世纪 80 年代中期，六自由度平台在空间交会对接(RVD)仿真技术方面得到了应用，应用该机构进行 RVD 仿真的国家有美国、俄罗斯、日本等国家和机构，我国目前也正在进行该方面的研究工作。1994 年在美国芝加哥国际机床展览会上，Giddings &Lewis 公司展出了第一台利用 Stewart 平台机构的虚拟轴机床，引起广泛关注，被为“21 世纪的机床”，它是一台以六自由度平台为基础的五坐标立式加工中心。1999年，德国波鸿鲁尔大学天文研究所欲卡尔蔡司光学公司合作建造成功了一台基于六自由度平台并联机构的大型天文望远镜，该望远镜在 2000 年的汉诺威世界博览会上展出时引起天文界的广泛关注。2001 年日本大隈株式会社推出了基于六自由度平台并联机构的 PM-600 型立式加工中心。

我国最早为了民航飞行员的培训，于 1975 年引进了波音 707 的飞行模拟器；1988年引进了 MD-82 飞行模拟器；1992 年引进波音 737 和 757 飞行模拟器。

此外，1984 年北京航空模拟器技术联合开发公司开始研制六自由度平台系统，并于1987 年研制成功；1994 年燕山大学研制成功机器人位置补偿器用于补偿串联机器人手臂误差；1998 年清华大学与天津大学合作研制出六自由度机床样机 VAMITY，2000 年华中科技大学为中船重工 707 研究所研制出六自由度潜艇模拟器。

1.3.2 Stewart机构的应用

1979年 MaeCallion 根据 Stewart机构设计出第一架作为机械手臂的并联

机器人, 将其用于自动化装配上, 此后 Stewart机构, 又被称为并联机器人。

Stewart 机构在大功率装配机器人、步行机器人、机器人手腕等方面得到进一步的发展。Stewart 机构进一步的应用范围逐渐扩展到机床方面, 即所谓的并联机床, 但不论是并联机器人还是并联机床, 要实现运动精确伺服控制是非常困难的, 主要难点在于Stewart 机构在运动学、动力学极其控制方面蕴涵的复杂性和大量的计算。进入到上世纪80年代末以后, 计算机工业的飞速发展为解决Stewart 机构诸多难点提供了强有力的支持, 对Stewart 机构的研究和研究进入了一个新的时期。以下列举了一些Stewalt 机构的应用案例。

1. 六自由度的飞行模拟器

并联机构可以做空间的复杂运动，从而模拟各种运动姿势，可以模拟空间的任意运动。所以并联机构最早就被应用于各种运动模拟器，主要应用于训练、研究、开发和娱乐等方面。

飞行模拟器的制造和应用一方面是技术水平的反映, 另一方面也具有极高的军事和经济意义。在国防军事上, 随着高新技术在军事领域的广泛应用, 现代化武器装备技术先进、价格昂贵的特点越来越突出。一架先进战斗机造价昂贵, 如果全部实装训练, 不仅耗资巨大, 同时也大大缩短了战机的寿命。为解决这一难题, 许多发达国家采取花巨资研制模拟器的对策, 并规定, 凡装备新武器, 必须装备相应的模拟器。美国于20世纪40年代就研制出了第一台飞行模拟器。在民用领域方面的情况也是如此。

70年代初, 美国NASA 等研究中心公布了6一DOF 并联式平台的研究成果, 相继出现了6一DOF 并联机构运动平台的飞行模拟器，如图1-3。例如波音707、

737、757和777等飞行模拟器；以及各种汽车、轮船、潜艇驾驶训练模拟器；利用训练模拟器来训练驾驶员，可以大大节省了训练的成本，提高了训练的安全性，并且不会受到场地和气候等因素的限制；还可以应用于娱乐设施，例如动感电影的三维座位装置、航海体验馆、太空穿梭机、六自由度UFO 体感模拟器等等。

图1-3 Steward飞行模拟器

2. 电磁跟踪定位系统

六自由度电磁跟踪定位系统是一种新型的跟踪定位装（图1-4）, 可实时地确定目标的6个参数, 其中,3个为目标位置参数,3个为目标姿态参数。该系统目前已在机载火控系统、精密医疗器械中获得应用, 。

图1-4 跟踪反馈装置

3. 飞船的空间交会对接仿真技术

自80年代起, 六自由度平台机构开始应用于空间交会对接(RVD)仿真技术。目前用该机构进行RVD 仿真的有美国、前苏联、欧空局、日本等国家和机构。在

我国,921工程也已将研制采用六自由度平台机构的RVD 仿真设施列入议事日程。RVD 也是六自由度平台应用的典型范例，如图1-5。

两个航天器在宇宙空间进行交会对接时要进行最多达12个自由度的轨道和姿态控制, 所涉及的理论和技术相当复杂。目前空间RVD 的研究多采用模拟方法, 即在地面上通过半物理模拟进行RVD 的可行性研究, 力求在尽量减少空间飞行实验的条件下确保RVD 的技术性能达到一定要求。用于RVD 仿真器的六自由度平台既有运动仿真器的功能, 又有操作器的功能。作为运动仿真器, 可以仿真两个航天器在交会对接过程中相接触时的对接动力学行为；作为操作器, 在交会对接时需要六自由度平台的精确位姿控制。因此, 这种六自由度平台的设计、研制的难度更大。

图1-5 12自由度对接动力学仿真器

4. 医用机器人

近年来，欧美对医用机器人给予了极大的重视，已经从制药工业发展到手术辅助治疗。由德国工业控制公司提供控制系统，URS 公司负责计算机辅助外科手术的软件开发和集成系统。模拟患者手术台和微动定位机器人的外观。从图1-6中可以看出，Stewart 平台并联机器人的上下平台固定在可摆动的支架上，在它的动平台上安装手术器械。该手术器械可在空间内六姿态运动，运动精度极高，患者卧于手术台上，头部可以采用位置调整的头部固定。该系统具有与CT 或X 光机的数据交换接口，医生在计算机屏幕图像的引导下，操控并联机器人动作。它主要是用于神经外科的头颅检查和活组织切片，

定

位精度高达0.01mm ，完全避免了人工放置内窥镜时可能出现的颤抖，能够保证手术方能够精确的完成，使内窥镜周围解剖组织损伤到最小限度。此外，并联机器人动作灵敏，对任何传感器的信号可在0.25ms 之内作出反应。

图1-6 医用并联机器人及模拟手术台

1.4 我国六自由度机构的研究情况

我国六自由度并联研究起步相对较晚,1982年, 国内燕山大学的黄真教授最早对并联机器人学理论展开了系统的研究，经过黄真教授十几年的努力研究, 相继研制出国内首台六自由度并联机器人(图1.4) 和柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器，并在1997年, 黄真教授出版了我国首部并联机器人理论及技术相关的著作。随后有国内近10个高校和科研单位等也在积极从事并联机床领域的研究工作, 研制出多台样机, 加速了我国并联机器人领域的研究进程，如图1.6至图1.13所示, 并联机器人的研究开发和应用正日益广泛。

1.5六自由度并联平台的发展前景

六自由度并联平台的研发与控制是多个学科的技术融合, 如机器人技术，机械结构设计技术，多轴协调数控技术，光电感应技术和计算机编程技术等, 现已成为当今机器人领域的研究热点。随着科学技术的发展以及科研投入的加大, 六自由度并联平台的研究有了长足进步, 各方面的研究工作已全面展开, 并取得了大量成果, 目前国内外都在继续深入六自由度平台相关工作的研究。在接下来的十余年里, 六自由度并联平台机构学理论，控制和应用研究将更加完善和成熟。以下几个方面将是六自由度并联平台研究的热点:

(l)六自由度并联平台的结构形式研究依然是重要的研究内容, 更加合理的机构形式将会使六自由度并联平台的运动学分析和动力学模型建立更加简单, 并且有助于克服目前六自由度并联平台工作空间狭小，构件易产生干涉等缺点。

(2)六自由度并联平台的动力学理论和实验研究依然还是薄弱环节，而对于此方面难点的攻克对于设计，开发具有良好动力学性能的六自由度并联机器人具有非常重要的意义，随着六自由度并联机器人研究的进一步深入，这方面的研究已成为大家关心的热点, 并将有所突破。

(3)各种类型六自由度并联机构的位置正解研究仍将进一步深入, 有望得到解决具有一般机构形式的六自由度并联机器人的位置, 随着现代计算机技术的发展, 在神经网络，消元法及高效数值方法等方面为六自由度并联机构的位置正解将开辟新途径，六自由度并联机器人控制的研究，包括动力学控制及运动学控制等将更加完善，为六自由度并联机器人在更多领域的应用研究提供更好的技术支持。

(5)多种传感器将很好地应用于六自由度并联机器人，从而推动六自由度并联机器人向智能化发展。

(6)研制机器人的最终目的是面向实用, 六自由度并联机器人也不例外, 人们己经 开始了并联机器人在许多领域的应用研究, 但目前大多依然处于实验研究阶段, 真正付诸于实际应用的并不多，并联机器人的应用研究将进一步开展并将取得长足进步, 将在许多领域得到实际应用。

2 六自由度度平台的总体设计（你的设计思路，总体框架，从那些方面来做 机械、电路、软件）5页

合理的运动机构是实现平台良好的动、静态品质的前提，因此可以说运动机构的设计是研制的关键步骤之一。运动机构的设计在保证驱动系统和电动系统设置功率最小的条件，充分实现平台的所有运动学参数指标要求。实际运动机构的设计就是满足条件下的多目标优化问题，可以选择多个优化指标，比如运动空间最大、电动推杆行程最小、刚度最大等。

2.1 六自由度平台运动机构的选型及概述

3维空间中刚体最多6个自由度，因此并联机构一般有2-6个自由度。我们把具有6个自由度的并联机构成为完全并联就够。目前，6自由度并联机构的机型比较多，按联接形式分为纯并联型和混联型并联机构，按驱动方式分为内副驱动、外副驱动和内外副混合驱动类并联机构，按照各种空间运动链，可以方面地组成各种典型的并联机构，如图2-1，其中S 代表球面副，P 代表移动副，R 代表球面副，U 代表万向铰链。

图2-1 典型的六自由度并联机构

在给定自由度条件下，考虑到 6个自由度纯并联型机构的理论和工程研究比较深入，平台要求的工作空间不大而姿态实现能力要比较强，且容易控制精度，因此本论文采用6-UPU 型电动推杆驱动的并联机构，实际上就是Stewart 平台，

实际和经典的6-SPS 平台一样，只是把球绞换成了双端虎克铰，虎克铰铰链比球绞承受力更大。

2.2 六自由度运动平台的驱动方式

并联机构运动杆件的驱动方式主要有气动驱动，电动驱动和液压驱动三种方式。 并联运动平台的驱动方式在很大程度上决定了运动平台的运动精度、承载能力和快速响应特性等性能指标。气压驱动方式的主要优点是动作迅速、价格便宜、维护简单，使用安全、可靠，其工作介质为空气，空气可以从大气中直接获得，又可以直接排放到大气中去，不需要回流装置。但是由于空气具有可压缩性，使运动平台的速度不够稳定，承载能力低，定位精度低，外负载变化对速度影响较大。 电动驱动方式主要有伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副和直线电机驱动等方式。其主要的优点是能够实现较高的运动速度，且运动精度高，技术相对较简单，但是缺点是系统承载能力较小。

本论文采用的驱动方式是电动驱动方式，电动驱动具有的突出优点有以下几点：

2.3 六自由度平台的工作原理分析

图2-1 双端虎克铰的六自由度平台

主要由两个平台组成，一个是由上平台也称动平台，另一个是由下平台也称基座，两个平台由6根可伸缩的杆通过虎克铰连接起来，可伸缩杆通过步进电机采用开环控制。

3 六自由度平台的机构分析

3.1 六自由度平台的自由度分析

图3-1 六自由度结构简图

如图3-1所示, B 1, B 2, B 3, B 4, B 5, B 6是推杆与基座平台的六个虎克铰接点, b 1, b 2, b 3, b 4, b 5, b 6是推杆与动平台的六个虎克铰接点。由机构的结构约束关系可知:b 1, b 2, b 3, b 4, b 5, b 6共面, b 1B 1b 2B 2，b 2B 2b 3B 3，

b 5B 5b 6B 6亦分别共面。空间自由度的计算公式为：

F =6(n -1)-∑u i

公式中, F 表示空间机构的自由度,n 表示空间机构的构件数, u i 表示空间机构第i 个运动副的约束数。虎克铰具有两个相互独立的相对转动，具有2个相对的自由度，但是虎克铰不是独立的运动副，它完全等效于轴线相交的两个转动副，当是双端虎克铰连接是，机构就增加1个自由度。该机构有14个构件数，6个螺旋副，12个虎克铰，因此机构的自由度为：

F =6⨯（14-1）（-6⨯5-12⨯4+6）=6

3.2 坐标系与坐标变换概述 3.2.1 齐次坐标

设空间直角坐标系中任一点M 的位置矢量是

R =【x, y , z 】

现在用四维坐标来表示M 点的位置

R =【H x, H y , H z ，H 】 其中H ≠0

n 维空间中的点的坐标用n+1维空间坐标表示, 这种表示方法, 称之为齐次坐

标表示法。H 称为比例因子。引入齐次坐标的目的在于齐次坐标可以帮助解决各种图形变换及透视变换等问题。 3.2.2 平移变换

设空间点的平移量投影到x , y , z 坐标轴上分别是则平移x t , y t , z t ，则平移变换公式为：

⎧x ⎫⎧1⎪y ⎪⎪0⎪⎪⎪⎨⎬=⎨⎪z ⎪⎪0⎪⎩1⎪⎭⎪⎩0

3.2.3 旋转坐标

00100100

x t ⎫⎧x ' ⎫

⎪' ⎪y t ⎪⎪⎪y ⎪⎬⎨⎬ z t ⎪⎪z ' ⎪1⎪⎭⎪⎩1⎪⎭y

z 1]

设点M 的坐标是当

[x

当M 点绕x 轴旋转α角时, 其变换矩阵为

⎧10

⎪0c α⎪

R otX =⎨

⎪0s α⎪⎩00

当M 点绕y 轴旋转

0-s α

c α0

0⎫0⎪⎪⎬ 0⎪1⎪⎭

β角时, 其变换矩阵为

⎧c β0s β0⎫

⎪0⎪100⎪⎪

R otY =⎨⎬

⎪-s β0c β0⎪⎪001⎪⎩0⎭

当M 点绕z 轴旋转γ角时, 其变换矩阵为 ⎧c γ⎪s γ⎪

R otZ =⎨

⎪0⎪⎩0

-s γc γ

00

00⎫00⎪⎪

⎬

10⎪01⎪⎭

坐标旋转分为两种情况。这里当物体逆时针方向旋转时(相当于坐标轴顺时

针方向旋转), 旋转角取正值。

第一种情况, 当物体依次绕固定坐标轴X 、Y 、Z 旋转变换为

α、β、γ角时, 坐标

OM =RotZ *RotY *RotX *OM

用矩阵表示为

-_

'

⎧x ⎫⎪y ⎪⎪⎪⎨⎬=⎪z ⎪⎪⎩1⎪⎭

⎧c γ-s γ⎪s γc γ⎪⎨

0⎪0⎪0⎩0

00⎫⎧c β

⎪000⎪⎪⎪⎬⎨10⎪⎪-s β01⎪⎭⎪⎩0

0s β

100c β0

0⎫⎧10⎪0c α0⎪⎪⎪⎬⎨

0⎪⎪0s α1⎪⎭⎪⎩00

-s αc α0

0⎫⎧x ' ⎫⎪' ⎪0⎪⎪⎪y ⎪⎬⎨' ⎬0⎪⎪z ⎪1⎪⎭⎪⎩1⎪⎭

第二种情况, 当物体绕自身的坐标轴旋转依次绕

α、β、γ角, 转动顺序是物体

'

α、β、γ角，其变换公式与上述情况就不同了

-

_

OM =RotX *RotY *RotZ *OM

用矩阵表示为

⎧x ⎫

⎪y ⎪⎪⎪⎨⎬=⎪z ⎪⎪⎩1⎪⎭⎧10⎪0c α⎪⎨

⎪0s α⎪⎩00

-s αc α0

0⎫⎧c β⎪0⎪⎪⎪0⎬⎨0⎪⎪-s β1⎪⎭⎪⎩0

0s β

100c β0

0⎫⎧c γ⎪0⎪⎪⎪s γ⎬⎨0⎪⎪01⎪⎭⎪⎩0

-s γ

c γ00

00⎫⎧c β

⎪00⎪⎪⎪0⎬⎨10⎪⎪-s β01⎪⎭⎪⎩0

0s β

100c β0

0⎫⎧x ' ⎫⎪' ⎪0⎪⎪⎪y ⎪⎬⎨⎬0⎪⎪z ' ⎪1⎪⎭⎪⎩1⎪⎭

3.2.4 坐标变换

在工程上, 为了确定自由刚体在空间的位置, 可以取定坐系Oxyz 和与刚体固结的动坐标系O

'

x ' y ' z ' ，如图所示, 只要确定了动坐标系的位置, 刚体的位置

也就确定了。

图3-2

动坐标系的原点O 是任意选取的, 称为基点。在基点上安放一个始终保持平动的坐标系O ξηζ, 则自由刚体的运动可以分解为随基点的平动和绕基点的转动。这样, 在动坐标系中的任一向量R 能够通过坐标变换方法变换到定坐标系中的R 。

3.3 Stewart机构的位置逆解 3.3.1 坐标系统

一般情况下,Stewart 机构存在三个坐标系:惯性坐标系O -称为参考坐标系) 、动平台坐标系O T 坐标系O i A

T

'

'

XYZ （也可

-X T Y T Z T (也称为参考坐标系) 、推杆

-X i A Y i A Z i A , 分别建立在基座平台、运动平台和各个运动推杆上,

见图3-3。

图3-3

各个坐标系之间可以相互变换, 一般形式的公式为： 惯性坐标系向动平台坐标系的变换:R 惯性坐标系向推杆坐标系的变换:R 推杆坐标系向动平台坐标系的换:R

=T 1R T

=T 3R T i =1, 2， 6

=T 2R A i i =1, 2， 6

Ai

其中T 1、T 2、T 3是变换矩阵, R 、R T 、R A i 分别是空间矢量在惯性坐标系、动平台坐标系和推杆坐标系中的表示。具体的表达式根据坐标轴旋转的先

后顺序而有所不同。 3.3.2 位置的逆解

根据机构运动的具体要求, 此处在Stewart 机构中建立两个笛卡儿坐标系:惯性坐标系O -

XYZ 和动坐标系, 如图3-3所示。

XYZ 了位于基座平台上, 也称为参考坐标系, 是正交的右

-X T Y T Z T 位于运动平台上,

T

惯性坐标系O -

手坐标系, 其原点位于基座的质心；动坐标系O T

原点位于运动平台的质心上。在动坐标系中的任一向量R 可以通过坐标变换方法变换到

惯性坐标系中的R , 绕相对坐标系进行变换。 设R

=[x

T

y

z 1]T , R T =[x T y T z T 1]T , 则

⎡T l

R =TR =⎢

⎣0P ⎤ ⎥1⎦

其中，T l 是动平台姿态的方向余旋矩阵, P 是动坐标系

O T -X T Y T Z T 的原点在惯性坐标系中的位置矢量。

T l =R ot X *R ot Y *R ot Z ⎧10⎪

=⎨0c α⎪0s α⎩

0⎫⎧c β⎪⎪-s α⎬⎨0

⎪-s βc α⎪⎭⎩

0s β⎫⎧c γ-s γ0⎫

⎪⎪⎪10⎬⎨s γc γ0⎬

⎪0⎪0c β⎪01⎭⎩⎭

-c βs γs β⎫

⎪

c αc γ-s αs βs γ-s αc β⎬s αc γ+c αs βs γc αc β⎪⎭

c βc γ⎧

⎪

=⎨s αs βc γ+c αs γ⎪s αs γ-c αs βc γ⎩

P =[x t y t

z t ]T

由下图可以求出各动杆的矢量，

T

L i =R bi -R Bi =T l R bi +P -R Bi

其中，R bi 是动平台半径在动坐标系中的矢量表示, R bi 、R Bi 、P 分别是动平台半径、基座平台半径、动坐标系原点在惯性坐标系中的矢量表示。对于给定参数的机构，R bi 和R bi 相对于动坐标系和惯性坐标系而言是固定不变的。

T

T

R =[r

T bi T bix

r

Y t

T bi y

r ]

T T

biz

R B i =[r B ix

P =[X t

用矩阵表示

r B iy r B iz ]T

Z t ]T

⎧x i ⎫⎧r bxi ⎫⎧r Bxi ⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨y i ⎬=⎨r byi ⎬-⎨r Byi ⎬⎪z ⎪⎪r ⎪⎪r ⎪⎩i ⎭⎩bzi ⎭⎩Bzi ⎭⎧⎪

=⎨s αs βc γ+c αs γ⎪s αs γ-c αs βc γ⎩

⎧x t ⎫⎧r Bxi ⎫⎪⎪⎪⎪+⎨y t ⎬-⎨r Byi ⎬⎪z ⎪⎪r ⎪⎩t ⎭⎩Bzi ⎭

所以个各根电动推杆长度L i

i =1, 2, 3, 4, 5, 6 =x i 2+y i 2+z i 2）

以上是六个独立的显式方程，当已知机构的基本尺寸和上平台的位置和姿态

后，就可以通过上式公式求出6个电动推杆的位移，通过控制器，控制电机带动电动推杆移动副移动相应的位移，就可以控制平台到达所需要的位置和姿态，实现对上平台的控制。

4 六自由度的三维建模和部件图 机械（proe 、autucad ）10页

目前，能进行三维建模的软件有 3ds max、AutoCAD 、Pro/E、UG 等，通过三维建模，可以直观地表达六自由度平台模型，建模软件选择为 Pro/E 野火版，用 Pro/E 建好模型如图，六自由度平台机械部分是由是由下平台(固定基座) 、虎克铰、步进电机驱动的电动推杆、上平台组成。其Pro/E三维的装配总图如图4-1。

c βc γ-c βs γc αc γ-s αs βs γs αc γ+c αs βs γ

T ⎫s β⎫⎧r bxi

⎪⎪T ⎪

-s αc β⎬⎨r byi ⎬

⎪r T ⎪c αc β⎪⎭⎩bzi ⎭

图4-1 三维图

4.1 电动推杆选择

4.1.1 电动推杆的原理

电动推杆是一种电动执行机构，其工作原理是由电机旋转经涡轮蜗杆或者齿轮改变为直线运动，通过推拉往返，来达到使某一设备装置完成往复动作，可以实现远距离控制、集中控制、自动控制，电动推杆结构如图4-1。近年来，电动推杆广泛应用于各种简单复杂的机械设备制造当中。电动推杆的主要构成是：驱动电机、减速齿轮（涡轮蜗杆）、丝杠。配件：行程开关、电位器、安装支架等。电动推杆的行程开关用以控制推杆的行程，当行程达到设定值时，电机自动断电，电位器用来显示推杆的运行行程值，可以达到对推杆随时可控可调的自动化目的。电动推杆的优点很多，电动推杆安装简便，安装方式一般可以根据客户的要求加工。电动推杆的特性是体积小、安装方便、环保无污染、运行平稳、负载大、精度高、反应灵敏以及可实现同步自动化控制等，这些产品特性使得其在机械设备加工制造行业应用特别广泛，近年来，已在冶金，军工，航天，太阳能，工业自动化等方面得到了大量应用。

4-1 电动推杆结构图

4.1.2 电动推杆选型

根据六自由度平台的工作负载，对每根杆在动平台工作空间内进行受力分析，需要的推力，速度要求，行程要求，控制精度要求等来选用适合的电动推杆，根据要求，我们选用了无锡艾尔特线性运动机械有限公司生产的DTZ 系列的电动推杆（图4-2），其安装尺寸如图4-3。该公司生产的DT 、DTZ 系列电动推杆，推力从25KG ～5000KG, 速度：42mm/s,50mm/s,84mm/s,100mm/s等，各系列不同行程、速度客户可以自己选择，也可以外形定做，为了实现自动化控制可以配伺服电机、步进电机等，根据需要，选择DTZ300，其主要参数：推力为300Kg ，行程为100—800mm ，电机功率为0.37KW ，重量为23KG 。

图4-2 DTZ电动推杆

图4-3 DTZ电动推杆的外形尺寸

该电动推杆中使用的电机的型号为1103RB175-503三相混合式步进电机（图4-4），其主要参数：步距角为1.2°，机身长为121mm ，额定电流为5A ，保持转矩为12N.m ，重量为4.5KG ，该步步进电机标准轴径15mm ，4×30平键，可按用户要求订做轴径16mm 、17mm 、19mm ，1103RB 系列三相混合式步进电机与同规格1103HB 三相混合式步进电机生产成本相同，而方形1103HB 系列步进电机力矩更大，目前在数控机床等行业已广泛改用1103HB 系列步进电机替代1103RB 系列步进电机。

图4-4 1103RB175-503三相异步电机

4.2 虎克铰的设计

4.2.1 虎克铰的立体图

六自由度电动平台的关节处采用虎克铰作为活动绞链，图4-5是虎克铰的立体图。

4-5 虎克铰立体图

4.2.2 虎克铰与上、下平台的连接

通过计算，在Pro/E环境下对平台及虎克铰进行建模，上、下平台和虎克铰

的安装位置关系如图4-6，图4-7所示：

图4-6 下平台

图4-7上平台

4.2.3 虎克铰模型

虎克铰两个自由度等效于中间十字轴的两条轴线方向的转动，其Pro/E建模

模型如图4-8。

图4-8虎克铰

虎克铰的工作空间是动平台工作空间的决定因数，根据平台的工作空间范围，设计虎克铰两径向极限角成为参数设计中的重点。下虎克铰的径向极限角为

α，上虎克铰的径向极限角为β，它们的工作空间如图

铰的工作空间在封闭实线之内，即I ，II ，III ，IV 。

4-9，由图可知，虎克

图4-9 虎克铰工作空间

5六自由度平台的控制系统 电路（protel 、DXP ）10页

随着六自由度并联运动平台在诸多领域广泛应用, 六自由度并联运动平台的

控制技术也成为了大家研究的热点，实现对六自由度电动平台的运动控制, 本质

上是对伺服电机的控制，就伺服电动机控制技术而言, 包括数字控制系统与模拟

量控制系统，模拟量控制, 其控制信号是连续的, 具有受来自内部渐变噪声的影响

较小, 对控制信号的响应速度快等优点，而数字量控制, 则具有可靠性高, 不易发

生飞车事故, 信号抗干扰性能好等优点, 广泛应用于位置控制系统中。本文采用数

字量控制系统, 用单片机控制电动推杆, 实现对六自由度的位置控制。本章给出了

六自由度平台控制系统的硬件结构体系, 并对各组成部件的功能及参数做出了较

详细的介绍。

5.1控制系统逻辑结构

在自动控制系统中, 输出量以一定准度随着输入目标值的变化而变化的系统

称为伺服系统，六自由度电动平台硬件控制系统的目标是:输入预定的目标位姿

曲线, 驱动伺服电机使电动推杆按照位姿曲线进行伸缩运动，因此本文要搭建的

六自由度电动平台控制系统就是伺服系统，要实现对六自由度平台良好的控制,

构建一个精度高, 响应快速, 稳定性好的伺服系统显然尤为关键，电动平台硬件系

统由单片机，步进电机及检测原件组成。

5.2 控制系统组件选型

5.2.1 AT89S52单片机

AT89S52与MCS-51单片机产品兼容 、8K 字节在系统可编程Flash 存储器、 1000

次擦写周期、 全静态操作：0Hz ～33MHz 、 三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART 串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。

At89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程

Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash ，使得

AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash ，256字节RAM ， 32 位I/O 口线，看门狗

定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑

操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM 、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振

荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微

控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52 。

P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL 逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序

和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不

具有内部上拉电阻。 在flash 编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验

时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。

P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱

动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时

可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原

因，将输出电流（IIL ）。 此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所

示。 在flash 编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能。

P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5 MOSI（在系统编程用）

P1.6 MISO（在系统编程用）

P1.7 SCK（在系统编程用）

P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱

动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时

可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原

因，将输出电流（IIL ）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存

储器（例如执行MOVX @DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2

口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据

存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash 编程和校验时，P2口也接收

高8位地址字节和一些控制信号。

P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱

动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时

可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原

因，将输出电流（IIL ）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash 编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能

P3.0 RXD(串行输入口)

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2 INTO(外中断0)

P3.3 INT1(外中断1)

P3.4 TO(定时/计数器0)

P3.5 T1(定时/计数器1)

P3.6 WR(外部数据存储器写选通)

P3.7 RD(外部数据存储器读选通)

此外，P3口还接收一些用于FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号。

RST ：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是

单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE （地址锁存允许）输出

脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当

访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 对FLASH 存储器编程期间，该引

脚还用于输入编程脉冲（PROG ）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR ）

区中的8EH 单元的D0位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX

和MOVC 指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程

序时，应设置ALE 禁止位无效。

PSEN:程序储存允许（PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52

由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出

两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN 信号。

EA/VPP:外部访问允许，欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH ），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内

部会锁存EA 端状态。 如EA 端为高电平（接Vcc 端），CPU 则执行内部程序存储

器的指令。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp ，当

然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp 。

图4.8 单片机

5.2.2 并行接口芯片8255

8255是Intel 公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O

口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功

能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时

的中间接口电路。 8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3

个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口

A 、B 、C 口。由于8255可编程, 所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结

构分为3个部分：与CPU 连接部分、与外设连接部分、控制部分。

引脚功能如下：

RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存

器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时, 即/CS=0时, 表示芯片被选中，允许8255与CPU 进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU 做数据传输.

RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时, 即/RD=0且/CS=0时, 允许8255通过

数据总线向CPU 发送数据或状态信息，即CPU 从8255读取信息或数据。

WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时, 即/WR=0且/CS=0时, 允许CPU 将数据或控制字写入8255。

D0～D7:三态双向数据总线，8255与CPU 数据传送的通道，当CPU 执行输入输出

指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线

传送。

PA0～PA7:端口A 输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的

数据输入锁存器。

PB0～PB7:端口B 输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓

冲器。PC0～PC7:端口C 输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器一个8

位的数据输入缓冲器。端口C 可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每 个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A 和端口B 配合使用，可作为

控制信号输出或状态信号输入端口。'

A0,A1:地址选择线, 用来选择8255的PA 口,PB 口,PC 口和控制寄存器.

当A0=0,A1=0时,PA 口被选择;

当A0=0,A1=1时,PB 口被选择;

当A0=1,A1=0时,PC 口被选择;

当A0=1.A1=1时, 控制寄存器被选择.

八进制3 态非反转透明锁存器74HC573，本体是8数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制 。SL74HC573器件的输入是和标准CMOS 输出兼容的；加上拉电

阻，他们能和LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对

于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保

持时间的数据会被锁存。

图4.9 并行接口芯片

4.2.3 扩展键盘74HC573

SL74HC573 跟LS/AL573 的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS 输出兼容 的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL 输出兼容。

当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。输出能直接接到CMOS ，NMOS 和TTL 接上。操作电压范围：2.0V~6.0V；低输入电流：1.0uA ；CMOS 器件的高噪声抵抗特性。这个器件带有保护电路，以免被高的静态电压或电场损坏。然而，对于高阻抗电路，必须要采取预防以免工作在任何高于最大值范围的条件下工作。VIN 和VOUT 应该被约束在GND ≤（VIN 或VOUT ）≤VCC 。不用的输入管腿必须连接总是连接到一个适合的逻辑电压电平（也就是GND 或者VCC ）。不用的输出管腿必须悬空。本例中因为操作按键的不够，74HC573作为扩展键盘使用

图4.10 扩展键盘

4.2.4 程序存储器29C010

64KB 程序存储器，用以存放运行编写的程序。

图4.11 程序存储器

4.2.5数据存储器HY62256

64KB 的数据存储器，用以存放数据

图4.12 数据存储器

4.2.6 PLD片选信号16V8D

可编程逻辑器件PLD 是作为一种通用集成电路生产的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来搞定。一般的PLD 的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD 上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。

目前使用的PLD 产品主要有：1、现场可编程逻辑阵列FPLA ；2、可编程阵列逻辑PAL3、通用阵列逻辑GAL4；可擦除的可编程逻辑器件EPLD ；5、现场可编程门阵列FPGA 。其中EPLD 和FPGA 的集成度比较高。有时又把这两种器件称为高密度PLD 。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以， PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有PAL 和GAL 。PAL 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM 技术和EEPROM 技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA)，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL ，如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM 工艺，实现了电可按除、电可改写，

其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的PLD 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期Altera 和Xilinx 分别推出了类似于PAL 结构的扩展型 CPLD和与标准门阵列类似的FPGA ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、PLD 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA 和CPLD 器件。

一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD 器件的逻辑组成核心。 输入／输出块作为连接逻辑块的互连资源。 连线资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入／输出块之间的连接。 所谓片选信号，指的是传统南北桥架构的主板中，地址线和数据线分开的BIOS 芯片里的22脚的那个信号。它是由CPU 发出，经北桥，南桥到达的。它的有无，可以初步判断南北桥的及CPU 的是否开始工作，是否BIOS 资料被破坏。 这个信号，要想看到，必须取下BIOS 芯片，在开机的瞬间，在22脚用示波器观察得到。 不过不好描述它，简单说，就是你在上好CPU 后，开机瞬间，可以看到22脚在示波器上表现出，电压上升的过程中，大约在1V 处，（电压起始点为0V, 即没有电压时的横线为0V ）, 有个明显的小光点，闪过，这个光点，就是片选信号。 一般这个过程非常短暂，从0V 到3V 或5V. 只有不到半秒钟，那么光点闪过时，就更短暂了。所以必须要反复多次，用触发开关，来触发电源，才可能看到这个一闪而过的信号。

正常的主板的片选，（南北桥架构的才有，也就是老主板，不是现在810以上的HUB-LINK 架构的），怎么样去判断呢，教你一个方法，其实，实际维修中，很少人去直接测它，而是在开机瞬间去测PCI 槽上的任意一根AD 线，如果有瞬间双杠波，就说明已经有片选了，或者在触发过程中，BIOS 的A 线，D 线，或者CS 信号，如果有瞬间的双波跳变，也证明有片选了。就不必去取下BIOS 芯片了，特别是那些焊接在板上的BIOS 。 如果在这个瞬间，波形一直是单条的直流电压，则是片选信号没有到达，有可能是CPU 没有工作或者南北桥的内部问题。 片选可以理解成选片，很多芯片挂在同一总线上的时候，需要有一个信号来区别总线上的数据和地址由哪个芯片处理，这时就需要一个片选信号CS （chip select ），一般是在划分地址空间时，有逻辑电路产生的。在数字电路设计中，一般开路输入管脚呈现为高电平，因此片选信号绝大多数情况下是一个低电平。标准 RS232 的 电平 EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

在TxD 和RxD 上：逻辑1(MARK)=-3V～-15V

逻辑0(SPACE)=+3～＋15V

在RTS 、CTS 、DSR 、DTR 和DCD 等控制线上：

信号有效（接通，ON 状态，正电压）＝+3V～+15V

信号无效（断开，OFF 状态，负电压)=-3V～-15V

TTL输出高电平>2.4V，输出低电平

3.5V ，输出低电平是0.2V 。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输

入低电平

图4.13 片选信号

4.3检测系统组件选型

4.3.1 位移传感器

位置测量元件的性能影响着运动平台位置分析的准确性和控制系统的稳定性，位置测量元件可采用超声脉冲磁致伸缩式位移传感器，直线位移传感器，光电码盘等，本课题中六自由度运动平台使用的位置测量元件是FXB 一V71型差动变压器式位移传感器。

差动变压器式位移传感器是利用差动变压器原理制造的，它可以把直线位移的机械量变化变换为电量的变化, 广泛的应用于各种位移量的测量或能转换为位移的各种物理量如:伸长、膨胀、压力等量的测量。

虽然目前实现尺寸测量的传感器有多种, 但差动变压器式位移传感器(以下简称为LVDT) 由于自身的特点在多种领域的位移测量系统中得到了广泛的应用。本系统采用的是FXB 一V71型差动变压器式位移传感器。

2.7.1位移传感器的作用

(l)增强系统的稳定性

六自由度运动平台主要由运动平台，电动伺服系统，平台控制计算机，接口电路，运动系统应用软件和控制及显示设备等组成。当平台正常工作时, 由平台控制计算机实时接收主控制计算机送来的表示动平台运动状态的各种参数, 经计算产生驱动平台运动的电指令信号后, 通过点单片机控制六个电动推杆的伸缩, 实时产生平台姿态，运动信息, 并提供给计算机从而达到提高模拟逼真度，电动推杆的伸长量经位移传感器送给比较放大器, 形成硬件闭环负反馈控制, 增强系统的稳定性。

(2)利用测量值求解六个自由度

六根电动推杆的位移传感器能将测量到的推杆的实际伸长量，通过A/D变换送入到平台控制计算机, 计算机根据这个长度值求出活动平台对应的姿态的空间坐

标。

位移传感器的作用有两个:一是根据测到的电动推杆伸长量计算平台的瞬时位置和姿态，一方面作为限位的预测信号, 同时反馈给控制系统，以便计算下一瞬时的平台驱动信号。二是用实测电动推杆的位移并经位置解算得到的平台位移和转角再与指令进行比较, 在计算机内形成位置闭环控制, 便于调整回路增益和补偿网络参数, 达到提高精度和响应速度的目的，所以位移传感器的性能不但是提高平台位移和转角控制精度的关键, 还是运动平台安全运行提供了保障。

2.7.2位移传感器的原理及特点

(l)位移传感器原理

该传感器采用了差动变压器原理, 实际上和普通的变压器一样, 有初级绕组N 1两个次级绕组N 2-1和N 2-2组成, 但铁心是可移动的, 如图2.5,2.6。

图2.5差动变压器式位移传感器内部结构，

图2.6差动变压器式位移传感器绕组

初级绕组接入交流电源后, 由于互感作用两个次级绕组分别产生了感应电动势E 2-1和E 2-2, 把两个二次线圈的同名端相接, 在另一个同名端就可以获得一个与铁芯位移成线性函数干系的特性曲线。

当铁芯位于两个二次线圈中间位置时, 两个线圈的电动势相等, E 2-1-E 2-2=0，输出电压应为0, 把这个电压称之为零点电压或成为残余电压(由于在制造过程中的各种因素影响传感器的零点电压不可能为0) 。

当铁芯偏离中间位置时, 两组线圈的互感发生变化, 两个次级线圈中的感应电动势不再相等, 便有电压输出, 其大小和相位取决于铁芯的位移量的大小和方向。

(2)位移传感器特点

可在较恶劣的环境下工作，目前国外的有些产品的使用温度可达-180O °C 到+600°C, 有的可在水下和油中以及核辐射环境中长期工作, 这是其它结构形式的位移传感器不能比拟的。本课题中所使用的产品的工作温度范围为一般工况， 由于LVDT 的可动部分铁芯与固定部分线圈之间本质上是非接触的, 为此, 传感器的理论重复性误差和回差为 0 ,在实际使用中这两个误差也很小, 每只传感器都有自己固定的特性曲线, 在引进微处理器进行线性处理后, 可以容易的获得0.1%的精度。

由于LVDT 工作时本质上没有摩擦, 因此, 有极长的无故障工作时间, 国外资料介绍LVDT 的平均无故障时间达3 10小时以上, 这比其它类型的传感器要高15

一2个数量级。

LVDT 有很高的分辨力, 实际的分辨能力就取决于显示仪表的精度。

LVDT 有很高的测量范围，国家标准的型谱中规划此类产品的最大测量范围为士60Omm 。

LVDT 灵敏度高, 输出信号大, 在国家信号中规定:交流传感器的灵敏度, 量程10mm 以下的应15OmV/mm/V,量程10mm 以上的应50mV/mm/V。直流位移传感器的满量程输出(在DC10V 供电时) 量程10mm 以下的应大于0.5V, 量程10mm 以上的应大于ZV 。 LVDT 温度系数较小, 因此适用于环境温度变化的场所。

LVDT 输出的频响较宽, 频响范围小于150Hz, 因此, 能满足一般的测量及控制系统中应用。

LVDT 结构比较简单, 因此与其它结构形式的传感器相比成本较低。

4.3.2 运算放大器OP07

运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

原理上运放有两个输入端a （反相输入端）,b(同相输入端) 和一个输出端o 。也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端. 当电压加U-加在a 端和公共端(公共端是电压为零的点, 它相当于电路中的参考结点.) 之间, 且其实际方向从a 端高于公共端时, 输出电压U 实际方向则自公共端指向o 端, 即两者的方向正好相反. 当输入电压U+加在b 端和公共端之间,U 与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同. 为了区别起见,a 端和b 端分别用"-" 和"+"号标出, 但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性. 电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out ）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的输入电位通常要

求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail ）输入运算放大器。运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。

主要参数（1）共模输入电阻(RINCM)：该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。（2）直流共模抑制

(CMRDC)：该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。（3）交流共模抑制(CMRAC) CMRAC 用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。（4）增益带宽积(GBW)增益带宽积是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。（5）输入偏置电流(IB) ： 该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。（6）输入偏置电流温漂(TCIB)：该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。TCIB 通常以pA/°C 为单位表示。（7）输入失调电流(IOS)：该参数是指流入两个输入端的电流之差。（8）输入失调电流温漂(TCIOS):该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。TCIOS 通常以pA/°C 为单位表示。(9)差模输入电阻(RIN)：该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。（10）输出阻抗(ZO)：该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。

（11）输出电压摆幅(VO)：该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，VO 一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。（12）功耗(Pd)：表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，Pd 通常定义在空载情况下。 （13）电源抑制比(PSRR)：该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR 通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。（14）转换速率/压摆率(SR)：该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR 通常以V/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。（15）电源电流(ICC、IDD) 该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。（16）. 单位增益带宽(BW)：该参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。

（17）输入失调电压(VOS)：该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。 （18）输入失调电压温漂(TCVOS)该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µV/°C 为单位表示。（19）输入电容(CIN)：CIN 表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地) 。

（20）输入电压范围(VIN)：该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果) 时，所允许的输入电压的范围，VIN 通常定义在指定的电源电压下。（21）输入电压噪声密度(eN)：对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，eN 通常以 nV / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。

（22）输入电流噪声密度(in):对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pA / 根号Hz 为单位表示，定义在指定频率。

运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。

图4.14 运放

4.3.3 多路开关74HC4052

当下面的操作每次只能处理一个信号，而前面传过来多个信号时，需加多路开关

图4.15 多路开关

4.3.4 模数转换AD1674

AD1674 是美国AD 公司推出的一种完整的12 位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器（SHA ）、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的AD574A/674A 相比，AD1674 的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。

内部结构及引脚说明：AD1674 的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口四种类型。

（1）逻辑控制端口：

12/8：数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双8 位字节；当该端输入为高时，据输出为单12 位字节。

CS ：片选信号输入端；

R/C：读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时为读状态；输入为低时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。 CE ：操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。

A0：位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若A0 为低，则进行12 位数据转换若A0 为高，则进行周期更短的8 位数据转换；当R/C=1 且12/8=0 时，若A0 为低，则在高8 位（DB4～DB11）作数据输出；若A0 为高，则在DB0～DB3 和DB8～DB11 作数据输出，而DB4～DB7 置零。

STS ：转换状态输出端。输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。

（2）并行数据输出端口

DB11～DB8：在12 位输出格式下，输出数据的高4 位；在8 位输出格式下，A0 为低时也可输出数据的高4 位。

（3）模拟信号输入端口

10VIN ：10V 范围输入端，包括0V ～10V 单极输入或±5V 双极输入； 20VIN ：20V 范围输入端，包括0V ～20V 单极输入或±10V 双极输入；

应当注意的是：如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。

（4）供电电源端口

REF IN：基准电压输入端，在10V 基准电源上接50Ω 电阻后连于此端； REF OUT：+10V 基准电压输出端；

BIP OFF ：双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过50Ω 电阻与REFOUT 端相连；在单极输入时接模拟地。

VCC ：+12V/+15V 模拟供电输入；

VEE ：-12V/-15V 模拟供电输入；

VLOGIC ：+5V 逻辑供电输入；

AGND/DGND：模拟/数字接地端。

图4.16 模数转换器

4.3.5 电平转换系统

标准 RS202的电平 EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD 和RxD 上：逻辑1(MARK)=-3V～-15V ，逻辑0(SPACE)=+3～＋15V 。在RTS 、CTS 、DSR 、DTR 和DCD 等控制线上： 信号有效（接通，ON 状态，正电压）＝+3V～+15V； 信号无效（断开，OFF 状态，负电压)=-3V～-15V 。TTL 输出高电平>2.4V，输出低电平

平>=2.0V，输入低电平

信号有效（接通，ON 状态，正电压）＝+3V～+15V

信号无效（断开，OFF 状态，负电压)=-3V～-15V

TTL 输出高电平>2.4V，输出低电平

3.5V ，输出低电平是0.2V 。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平

图4.17 电平转换

5 步进电机接口电路

由于步进电机需要的驱动电流比较大，单片机输出的电压很小，因此单片机与步进电机的连接都需要专门的接口电路和驱动电路。接口电路可以选择锁存器，或则是可编程接口芯片，如8255、8155等。驱动器可以可以选用大功率达林顿管，也可以选用专门驱动器。

本论文采用达林顿管控制步进电机。电路接口图如图，电路由单片机、光电隔离器、反相器、电阻、达林顿管、线圈、线圈、二极管组成。光电隔离器是为了抗干扰或避免一旦驱动电路发生障碍，造成功率发达器中的高电平信号进入单片机而烧毁器件，因此在驱动器与单片机之间加一级光电隔离器。

单片机控制步进电机的工作原理：当单片机P1口的P1.0位输出为高电平“1”时，经过反相器变为低电平“0”，发光二极管不发光，因此光敏三极不发光，即光敏三极管截止，从而使得达林顿管导通，A 相通电。反之，当P1.0位输出为低电平“0”时，经过反相器变为高电平“1”，使得光敏二极管发光，光敏三极管导通，从而使得达林顿管截止，A 相不通电。同理，用P1口的P1.1和P1.2对B 相和C 相进行控制，只要改变步进电机A 、B 、C 三相的通电顺序，便可以对步进电机正反转的控制。

6限位开关

在机器人运行过程中, 有可能出现运动程序设计的欠缺或其他原因导致关节超出了运动空间这种情况非常危险, 有可能造成飞车或设备损坏, 因此必须在各关节上安装限位开关限位开关是数控系统中常用的故障保护开关, 本文六自由度电动平台在六个电动推杆分支上都设有负向的硬限位开关, 安装在每一电动缸的下端端极限位置附近，同时, 本六自由度电动平台所设的负向限位开关为六个电动推杆回零的参考点，本六自由电动平台系统采用日本SUNX 公司的U 形微型光电开关作为限位开关, 型号为PM 一L24，当滑片运行至底部, 触发光电开关, 并通过专用接口将触发信号发送给运动单片机, 从而使单片机发出停机指令, 使平台

停止运动。SUNX 公司PM 一L24光电开关是采用集成电路技术表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件, 具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。

软件（上下位机）10页

总结 3页

参考文献（不少于20篇，其中英文不少于5篇）

外文翻译（英文6页以上，翻译后的中文6页）

致谢

图纸：

1. 总体装配-A0

2. 部件图-A0

3. 零件图-A1+A2

4. 电路图 A0