六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)建模與仿真.pdf

1、Stewart平臺(tái)的出現(xiàn)始于1965年德國(guó)學(xué)者Stewart發(fā)明的具有六自由度運(yùn)動(dòng)能力的并聯(lián)機(jī)構(gòu)飛行模擬器。目前經(jīng)典的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)由上、下兩個(gè)平臺(tái)和六個(gè)可伸縮的支腿以及它們之間的連接鉸鏈構(gòu)成，其下平臺(tái)通常為基臺(tái)（Base-platform）,上平臺(tái)通常為負(fù)載平臺(tái)（Payload-platform）（即Stewart平臺(tái)的工作平臺(tái)）。Stewart平臺(tái)通過六個(gè)支腿的伸縮運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平臺(tái)在工作空間范圍內(nèi)的六自由度運(yùn)動(dòng)，并具有剛

2、度高、精度高、承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)床、精密定位平臺(tái)和振動(dòng)隔離平臺(tái)等方面。 Stewart平臺(tái)在并聯(lián)機(jī)床和精密定位平臺(tái)方面的應(yīng)用相對(duì)成熟，已有實(shí)用化的商品供應(yīng)市場(chǎng)。Stewart平臺(tái)應(yīng)用于六自由度振動(dòng)隔離平臺(tái)的研究與開發(fā)相對(duì)發(fā)展較晚，不僅開發(fā)的系統(tǒng)遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化水平，其理論領(lǐng)域的研究也多屬空白，其根本原因是應(yīng)用于振動(dòng)隔離的Stewart平臺(tái)的基臺(tái)是運(yùn)動(dòng)的，隨之而帶來(lái)許多新的問題。到目前為止，在

3、Stewart平臺(tái)的理論研究方面已取得一些研究成果，比如Miller（1992）使用Lagrange動(dòng)力學(xué)方程建立了Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型；Dasgupta和Mruthyunjaya（1998）使用Newton-Euler動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出閉合形式的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)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(tái)的逆

4、動(dòng)力學(xué)模型。但是，上述關(guān)于Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型都是在假設(shè)Stewart平臺(tái)的基臺(tái)固定不動(dòng)的情況下建立的。當(dāng)Stewart平臺(tái)應(yīng)用于六自由度振動(dòng)隔離平臺(tái)的研究與開發(fā)時(shí)，Stewart平臺(tái)的基臺(tái)往往是運(yùn)動(dòng)的，采用上述理論模型會(huì)遇到下述困難： 1、已有的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型不能準(zhǔn)確地對(duì)基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析； 2、基于已有的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型的仿真結(jié)果不能用來(lái)

5、直接指導(dǎo)基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，比如應(yīng)用于振動(dòng)隔離的Stewart平臺(tái)的開發(fā)與設(shè)計(jì)； 3、對(duì)于基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況的Stewart平臺(tái)的控制，不能根據(jù)已有的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行反饋控制算法的理論與仿真研究。 本文在繼承Stewart平臺(tái)動(dòng)力學(xué)理論方面的研究成果的基礎(chǔ)上提出并建立了基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型，并在建立理論模型的基礎(chǔ)上在Matlab/Simulin

6、k環(huán)境下建立了基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)的仿真系統(tǒng)，結(jié)合基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)的幾類具體應(yīng)用做了詳細(xì)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(tái)固定情況下的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了Stewart平臺(tái)閉環(huán)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)。其意義在于利用該仿真系統(tǒng)能對(duì)一般的基臺(tái)在固定情況下的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特

7、性進(jìn)行仿真分析。 2、分析了利用任務(wù)空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋方式求解Stewart平臺(tái)的逆動(dòng)力學(xué)問題，利用驅(qū)動(dòng)空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋方式求解Stewart平臺(tái)的正動(dòng)力學(xué)問題。其意義在于利用Stewart平臺(tái)的閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了Stewart平臺(tái)的正動(dòng)力學(xué)和Stewart平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的求解，避開了直接建立Stewart平臺(tái)的正動(dòng)力學(xué)模型和直接求解Stewart平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問題的復(fù)雜性。 3、在Stewart平臺(tái)閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型的

8、基礎(chǔ)上，提出并建立了基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型，不僅完善了基臺(tái)在固定情況下Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)理論，更重要的是該模型從理論上解決了Stewart平臺(tái)的基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的幾類應(yīng)用問題，比如Stewart平臺(tái)應(yīng)用于振動(dòng)阻尼、振動(dòng)隔離和基臺(tái)在外部激勵(lì)作用下的定位等。 4、在建立基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的

9、Stewart平臺(tái)閉環(huán)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)。其意義在于利用該仿真系統(tǒng)能對(duì)基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。 5、在建立基臺(tái)在微運(yùn)動(dòng)情況下的Stewart平臺(tái)閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型及仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從理論的角度對(duì)Stewart平臺(tái)應(yīng)用于振動(dòng)阻尼、振動(dòng)隔離以及基臺(tái)在外部激勵(lì)作用下的定位幾類典型情況提供了仿真結(jié)果和分析，從而能利用仿真分析而不是必須從實(shí)驗(yàn)分析去實(shí)現(xiàn)Stewart平臺(tái)的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，改善Stewart平