大型数字式六自由度运动平台的开发

　　1 概述

　　六自由度运动平台，由于有极为广阔的应用前景，近几年，引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。六自由度运动平台是由6只液压缸，上、下各6只万向铰链和上、下2个平台组成。下平台固定在基础上，借助6只液压缸的伸缩运动，完成上平台在空间6个自由度(X、Y、Z、α、β、γ)的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，可广泛应用到各种训练模拟器，如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器，以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域中水平的标志性象征。国外某大型液压公司的总部大厅里，向客人展示水平的第一个标志就是六自由度运动平台，笔者认为，六自由度运动平台是液压及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在液压和控制领域，基本上就没有了难题。以下介绍它的开发过程。

　　2 传统的伺服液压控制六自由度运动平台

　　到目前为止，世界上所有国家和研制单位，大型平台都无一例外地采用了液压伺服控制系统。国内以几所名牌大学的研究水平较高，其控制原理基本相同，六自由度平台单缸控制框图如图1所示。从图中可看出，主控计算机是完成空问状态的实时解算，然后将解算结果送到6个单缸控制器，经数／模转换后送给伺服放大器、伺服阀、伺服缸推动平台运动。伺服缸的位移和压力通过2只传感器并经模／数转换后送给计算机，完成闭环控制。该伺服系统最大的难点是传递环节多、控制过于复杂、调试困难、可靠性差、伺服阀抗干扰、抗污染能力弱、故障率高，因而国内尽管许多单位进行了研制，但大面积推广的却始终不多。

　　图1 平台单缸控制方框图

　　3 六自由度平台控制的空间状态解算

　　(1)顺解(顺向解)：即己知6只液压缸的长度，求解平台姿态，到目前为止，还没有直接中的正解方程式，只能采用叠代方法，利用计算机快速运算的特点和上铰链的结构条件约束来逼近求解平台姿态。此为顺解。

　　(2)反解(逆向解)：描述一个刚体在空间旋转的姿势，最常使用的方法是定义3个欧拉角来表达，当刚体旋转至某一姿势下，此3个欧拉角即组成唯一的旋转矩阵，并借由旋转矩阵做坐标转换，便可求得刚体的绝对位置。