基于6-U(P/H)U机构的地震模拟平台研究

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作为经典的六自由度并联机构,Stewart机构在运动模拟和航天航空等领域应用广泛。针对Stewart机构在工程应用中成本较高的问题,采用6-U(P/H)U机构代替Stewart机构,并将6-U(P/H)U机构应用于地震模拟场景。相较于传统的Stewart机构,6-U(P/H)U机构作为一种特殊的Stewart机构,电动缸的结构更为简单,分支的转动副关节数目更少,使得6-U(P/H)U机构的制造成本更低。但6-U(P/H)U机构存在分支螺旋转角,导致机构的运动位姿产生偏差,需对螺旋转角进行计算求解。因此,基于6-U(P/H)U机构的运动特性,本文的主要研究内容为:根据螺旋电动缸的运动副为螺旋副或移动副,提出一种6-U(P/H)U机构。基于螺旋理论分别求解6-U(P/H)U机构和6-UPU机构的自由度,确定6-U(P/H)U机构的自由度数和不存在螺旋误差的位姿。求解6-U(P/H)U机构包含分支螺旋误差的运动学反解,并对机构的运动学正解和雅可比矩阵进行分析。为减少机构的奇异位姿,采用多目标优化算法NSGA-II对6-U(P/H)U机构的结构参数进行求解。分别采用几何投影法和变换矩阵法计算6-U(P/H)U机构的分支螺旋误差,并使用ADAMS进行运动学仿真,验证分支螺旋转角计算方法的正确性。并探究分支螺旋误差对平台位姿误差造成的影响。基于数值法求解6-U(P/H)U机构的工作空间,分析分支螺旋误差对机构工作空间的影响。求解6-U(P/H)U机构的分支受力,对伺服电机和驱动器进行选型计算。采用Workbench进行有限元分析,对机构中关键结构件进行校核,并对机构整体进行模态分析,确定机构的固有频率。根据理论分析和设计计算,搭建机构实物样机。使用Sim Mechanics和Simulink进行联合仿真,验证模拟平台控制算法的正确性。搭建模拟平台的控制系统,对控制系统的硬件组成、控制流程和上位机界面等进行设计。采用微分法建立标定方程,通过激光跟踪仪测量模拟平台的实际位姿,对模拟平台的结构参数进行修正。
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