STEWART通用平台的设计与研究
The Design and Research of a Common STEWART Platform
张梅 ZHANG Mei
（昆明东启科技股份有限公司，昆明 650000）
（Kunming Dongqi Technology Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）
摘要：本文以国内企业、科研院所对6自由度仿真平台的实际需求为出发点，设计一种多学科通用的6自由度stewart平台。本文利用三维设计软件PRO/E，对该平台进行了三维虚拟样机的设计，并利用PRO/E和MATLAB对6自由度平台进行了机构运动学仿真分析。分析结果表明该虚拟样机达到了预期的设计目标可以满足航空、航海、交通等领域中小型仿真平台的设计的实际需要。
Abstract: This paper takes domestic enterprises and research institute’s actual demand for 6 degree of freedom simulation platform as starting point, and designs a kind of multipurpose 6 degree of freedom stewart platform of multidiscipline. This paper uses three-dimensional design software PRO/E to carry out three-dimensional virtual prototype design of the platform, and takes kinematics mechanism simulation of6 degree of freedom platform by using PRO/E and MATLAB. The results show that the virtual prototype achieve design target and can meet the actual needs of the design of small and medium simulation platform in aviation, navigation, transportation and other fields.
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关键词 ：Stewart平台；运动学分析；运动学仿真；运动空间
Key words: Stewart platform；kinematics analysis；kinematics simulation；motion space
中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0155-04
0引言
我国近些年来汽车、航天、机床等行业不断地发展与发达国家的整体差距在逐步减小，但是在模拟仿真等领域还存在不小的差距[1-2]。这其中Stewart平台的发展也是其中的一个制约因素。目前，我国的科研机构和企业对Stewart平台机构的研究，一般都是针对某一个产品专门进行研究，通用性和推广性不强[3-5]。目前，科研院所和企业把研究的重点都是Stewart平台的控制和使用上，如果可以提供一个通用的平台载体，正好就能填补这一空白的市场，也可以该机构做的更专业。本文的选题就是看到了这一市场实际需求。
本文的研究目的就是设计出一种在一定领域通用的Stewart平台，可以为中、小型实验室汽车动态模拟驾驶器、坦克驾驶模拟器、船舶比例模拟平台、飞机驾驶模拟平台提供一个6自由度的运动平台载体。
本文的研究意义就是可以极大的缩减用户在机构设计摸索过程中所花费的时间，将精力放在学科的研究上，这样就缩短了成果的研发周期，达到了双赢的目的。
16-UPU型Stewart平台的建模
1.1 Stewart平台的结构设计参数
本文在设计之初讨论动、静平台（固定平台）与连接杆件之间的连接形式时，充分的对球形连接铰链和虎克铰之间的优缺点进行了讨论。
球型连接铰链主要是用于自动控制中的调节机构与执行器的连接附件。它采用了球型轴承结构具有控制灵活、准确、扭转角度大的优点，由于该铰链安装、调整方便、安全可靠。所以，它广泛地应用在电力、石油化工、冶金、矿山、轻纺等工业的自动控制系统中。
虎克铰具有球形铰链同样的优点，而且相比球形连接铰链来说，具有安装更简便，承载能力更大，成本更低的特点，所以本课题连接动、静平台均使用虎克铰。
本平台的是由1个动平台、12组虎克铰总成、6组液压伸缩杆和1个静平台组成的6-UPU型Stewart平台。Stewart平台的每组液压伸缩杆件的运动都是相互独立的，同时调整每组杆件的伸长量可以使动平台实现不同的空间姿态。该6-UPU型Stewart平台的机构示意图如图1所示。
本文的研究目的是设计出一套适合在中小型实验室安装使用的中小型6-UPU型Stewart平台载体。本文设计的6-UPU Stewart平台机构的设计参数和总体布置方案如下：
首先建立静平台，静平台实际上就是该6-UPU Stewart平台的底座，在实际工程应用中，要用地角螺栓与地面相连接，同时要将液压管线的连接件安装到静平台上，所以在静平台的设计中药预留了多处平整的端面，方便后续安装使用。然后建立动平台，动平台按照设计思路将来要与车辆、飞机、舰船、坦克等模拟平台相连接，所以在降低自身重量的前提下，又要保证足够的强度，为后续加装专用设备预留安装位置，综合上述特殊要求，根据课题的研究具体要求，设置Stewart平台的动平台底面和静平台上端面之间的初始距离为1.0m，依照此时的空间位置关系得到了各液压杆件以及相关总成的初始尺寸。
①静平台上的虎克铰总成分布在半径为1m的圆周上；动平台上的虎克铰总成分布在半径为0.75m的圆周上；根据本文的设计目标，动、静平台之间的最小距离为1.0m，最大距离为1.3m；②液压伸缩杆件总成原始长度为1.0m；③液压伸缩杆件最大伸长量为0.5m。
1.2 基于的Pro/E建立三维实体模型
在Pro/E中，用户可以根据不同的工作任务，选择不同的工作模式。主要的模式有如下几种：①Sketch模式：用于截面的创建和草图的绘制；②Part模式：用于零件的设计；③Drawing模式用于二维工程图的创建；④Assembly模式用于零件的装配。
为了避免未来与ADAMS模型转换的过程中出现错误，我们在利用PRO/E软件建模时，需要设置软件中的将单位统一，质量单位为kg，长度单位为mm，时间单位为s。
本文运用PRO/E软件进行三维建模，绘制出运动平台的各零件和装配模型如图2所示。
运用PRO/E中的装配模块，将各分总成装配在一起，图3为6-UPU STEWART平台虚拟样机示意图。
2Stewart平台运动学仿真
2.1 仿真程序
在机构运动学分析中，并联机构的运动学反解是已知结构参数和输出端位形来求解输入端位移的问题。并联机器人运动学正解求解较困难，而反解求解较为容易，且有唯一解。
本文根据机构运动学反解的原理，在仿真软件MATLAB中，编写6-UPU STEWART平台运动学反解程序，部分程序如图4所示。
计算结果如图5所示。
2.2 仿真实验
据Stewart平台机构的设计参数，设计仿真验证方案，充分考察该平台的在各项验证科目中的表现，从而修正三维虚拟样机的各项结构参数。Stewart平台的主要设计参数见表1。表1为Stewart平台设计之初，根据目标用户的实际需求拟定的样机主要设计参数。
将试验的验证动作，输入到上文建立的MATLAB仿真程序中求出各液压杆件的伸长量，MATLAB仿真程序中的计算出结果。利用MATLAB运动学反解的程序计算得到的各液压杆件的伸长量。
将各仿真试验动作得出的6个液压伸缩杆件的伸长量代入到Pro/E的Mechanism模块中，对三维虚拟样机进行分析，并调整三维样机中的各项结构参数。在Mechanism模块中的仿真图形如图6，图7，图8，图9，图10，图11所示。
STEWART平台虚拟样机的试验步骤如下：
①从初始位位置，上升0.2m到达平台的工作位置（即中位），如图6所示；②从工作位置回到平台的初始位置，如图7所示；③从平台的初始位置到达平台的上极限位置，如图8所示；④回到平衡位置并绕Y轴作俯仰运动，如图9，10所示；⑤作6个自由度上的运动如图11所示。
这一系列动作的实现，是通过MATLAB中反解程序的计算，并将计算结果导入到PRO/E中的机构运动模块，并利用PRO/E中的Mechanism模块对Stewart平台机构进行6自由仿真分析，需要给6个液压伸缩杆件添加独立的驱动电机，具体的各杆件的伺服驱动电机时间与位移的驱动图如图12至图17所示。
通过分析图12到图17的伺服电机时间-位移图，可以直观的看出实验过程中，各液压杆件的伸长量的范围，没有超过液压机构设计的范围，切没有出现负值，也没有出现机构运动的死点，这说明该机构符合最初的设计目标。
3结论
①基于Pro/E，立足于课题的设计要求，对Stewart平台的动平台、静平台（底座）、液压缸、伸缩杆和虎克铰总成等多个零件进行了三维建模，并且对各零部件及分总成进行了装配，建立了多用途Stewart平台的虚拟样机。
②对6-UPU型Stewart型平台虚拟样机进行了机构运动学仿真分析，证明了该虚拟样机平台达到了最初的设计要求。
通过对6-UPU型Stewart型平台虚拟样机的建模和分析。设计了一种通用的6自由度仿真平台底座，可以广泛的应用于航空、航海、军事以及交通等各个领域仿真平台的搭建，对于实际仿真平台的开发具有一定的指导意义。
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参考文献：
[1]K Y Tsai, J C Lin. Determining the Compatible Orientation Workspace of Stewart–Gough Parallel Manipulators[J]. Mechanism and Machine Theory， 2006， 41（10）：1168-1184.
[2]Z Ji. Workspace Analysis of Stewart Platforms via Vertex Space[J]. Journal of Robotic Systems， 1994，11（7）：631-638.
[3]徐鹏.六自由度并联机构Stewart平台的动力学建模与仿真[D].重庆大学，2005.
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[5]袁鸿.电液伺服Stewart平台激振系统研究[D].西安电子科技大学，2007.