【正文】 飛行員，具有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、安全、不受場地和氣候條件的限制，訓(xùn)練周期短、訓(xùn)練效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，在模擬器上可以進(jìn)行各種復(fù)雜飛行技巧、飛行失效狀態(tài)及軍事上導(dǎo)彈閃避技術(shù)等的訓(xùn)練。由六自由度并聯(lián)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)提供模擬訓(xùn)練的速度、加速度產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感覺，也能產(chǎn)生諸如撞擊、失重、振動(dòng)等特殊動(dòng)感，當(dāng)這些運(yùn)動(dòng)與視景系統(tǒng)同步配合時(shí)，可產(chǎn)生具有相當(dāng)真實(shí)感的模擬效果。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，世界各國用于訓(xùn)練模擬器的經(jīng)費(fèi)達(dá)到近百億美元。基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的飛行模擬器也是飛機(jī)設(shè)計(jì)研制的工具，通過它可以早期發(fā)現(xiàn)問題，減少風(fēng)險(xiǎn)；綜合系統(tǒng)驗(yàn)證，解決各系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)匹配連接關(guān)系；加速系統(tǒng)試驗(yàn)過程，縮短研制周期；分析解決試飛后的技術(shù)問題，使飛行員參與飛機(jī)的設(shè)計(jì)試制工作。傳統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)不能滿足主 動(dòng)安全性閉環(huán)設(shè)計(jì)的要求，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法只能在樣車試制后采用，并受到自然條件、人體生理?xiàng)l件等限制等缺陷，而駕駛模擬器試驗(yàn)則可以任意設(shè)定試驗(yàn)條件，無危險(xiǎn)地對人 — 車輛 — 環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行全工況仿真。因此各汽車大國紛紛研制了各種駕駛模擬器，以滿足產(chǎn)品的開發(fā)和各種條件下的試驗(yàn)要求。七十年代初，德國大眾汽 車公司研制了可繞三軸轉(zhuǎn)動(dòng)的駕駛模擬器。 1985 年 Daimler— Benz 汽車公司建立了世界上規(guī)模最大的模擬器，并成功地用于系列化高速轎車的產(chǎn)品開發(fā)中。 1991 年日本馬自達(dá) 汽車公司投資興建了跑車型開發(fā)型駕駛模擬器。 1995 年日本汽車研究所 (JARI)也建成了帶有體感模擬系統(tǒng)的駕駛模擬器。 ADSL 駕駛模擬器（圖 ）是進(jìn)行“駕駛員一汽車一道路”閉環(huán)系 統(tǒng)研究的重要工具，是在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、電子、液壓、自動(dòng)控制等技術(shù)的支持下開發(fā)的大型設(shè)備。 圖 ADSL駕駛模擬器結(jié)構(gòu) 目前汽車模擬器一般由三自由度、四自由度和六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。多自由度并聯(lián)平臺(tái)是構(gòu)成娛樂機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主體。此外，利用多自由度并聯(lián)平臺(tái)技術(shù)的動(dòng)感電影也應(yīng)運(yùn)而生。就其技術(shù)而言，有以下發(fā)展途徑： ① 動(dòng)感模擬更加細(xì)膩逼真。 ② 與視景系統(tǒng)及三維聲音處理系統(tǒng)無縫連接。 ④ 開發(fā)的硬軟件技術(shù)將便于共享、升級和移植 。 (1)結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、預(yù)報(bào)誤差分布的形態(tài)、機(jī)構(gòu)構(gòu)型 ,探求一種機(jī)構(gòu)尺寸全參數(shù)綜合優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法 ,以獲得機(jī)構(gòu)最佳性能的科學(xué)結(jié)構(gòu)尺寸。 (3) 加強(qiáng)奇異位形的研究 ,尤其在避開奇異位形的方法上應(yīng)著重通用性、實(shí)用性。 (4) 探求一種實(shí)用、簡單的誤差補(bǔ)償及自動(dòng)零位標(biāo)定方法 ,找出所有單項(xiàng)誤差與機(jī)構(gòu)末端誤差關(guān)系的解析表達(dá)式 ,有效破解機(jī)構(gòu)誤差的耦合性。 (6) 利用并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)特性 ,研究新的控制算法 ,降低運(yùn)算 時(shí)間 ,便于實(shí)時(shí)、在線控制。 綜上所述 ,并聯(lián)機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用前景 ,是一種新興的高技術(shù) ,加強(qiáng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論研究與工程實(shí)踐對于將這 種高技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力具有重要的意義。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分類 從運(yùn)動(dòng)形式來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)；細(xì)分可分為平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)、平面移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純移動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和空間混合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，另可按并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)分類： （ 1） 2 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。 （ 2） 3 由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。球面 3 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3RRR 球面機(jī)構(gòu)、 3UPS1S球面機(jī)構(gòu)， 3RRR 球面機(jī)構(gòu)所有運(yùn)動(dòng)副的軸線匯交空間一點(diǎn)，這點(diǎn)稱為機(jī)構(gòu)的中心，而 3UPS1S 球面機(jī)構(gòu)則以 S的中心點(diǎn)為機(jī)構(gòu)的中心，機(jī)構(gòu)上的 所有點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都是繞該點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng) 。空間 3 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如典型的 3RPS 機(jī)構(gòu)，這類機(jī)構(gòu)屬于欠秩機(jī)構(gòu)，在工作空間內(nèi)不同的點(diǎn)其 運(yùn)動(dòng)形式不同是其最顯著的特點(diǎn)，由于這種特殊的運(yùn)動(dòng)特性，阻礙了該類機(jī)構(gòu)在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，還有一類是增加輔助桿件和運(yùn)動(dòng)副的空間機(jī)構(gòu)，如德國漢諾威大學(xué)研制的并聯(lián)機(jī)床采用的3UPS1PU 球坐標(biāo)式 3 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由于輔助桿件和運(yùn)動(dòng)副的制約，使 得該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有 1 個(gè)移動(dòng)和 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng) (也可以說是 3 個(gè)移動(dòng)運(yùn)動(dòng) )。 4 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如 2UPS1RRRR 機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過 3 個(gè)支鏈與定平臺(tái)相連，有 2個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)窍嗤模骶哂?I個(gè)虎克鉸 U, 1 個(gè)移動(dòng)副 P，其中 P和 1 個(gè) R 是驅(qū)動(dòng)副，因此這種機(jī)構(gòu)不是完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的 5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如韓國 Lee 的 5 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu) (2 個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)合 )。 6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一大類， 是國內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、 6 維力與力矩傳感器和并聯(lián)機(jī)床等領(lǐng)域。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機(jī)構(gòu)必須具有 6 個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。 設(shè)計(jì)任務(wù) ，能夠?qū)崿F(xiàn)六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。 200， Z 方向平移177。 15 度； ，并針對所設(shè) 計(jì)系統(tǒng)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)正解結(jié)算確定機(jī)械手位置； ，并設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)械手的執(zhí)行元件； 。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 6DOF 并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式通常有電氣 、氣動(dòng)和液壓 3 種基本方式，每種裝置都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此使用范圍也各有不同。電氣系統(tǒng)啟動(dòng)容易，可設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，加、減速性能好的系統(tǒng)，因而在輕載情況下，電氣傳動(dòng)在高速、高精度、小型化、節(jié)能燈方面更能滿足 6DOF 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的需要。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率大，系統(tǒng)剛度大，輸出位移受外負(fù)載的影響小，定位準(zhǔn) 確，位置誤差小，精度高，這一點(diǎn)是電動(dòng)和氣動(dòng)控制所不能比擬的。從結(jié)構(gòu)上看，液壓缸是直線位移式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外，利用液壓系統(tǒng)的集成回路可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)得非常緊湊，以減少系統(tǒng)所占空間。 6 個(gè)連桿之間有 6 個(gè)運(yùn)動(dòng)副 。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置分析 方法 機(jī)構(gòu)的位置分析走求解機(jī)構(gòu)的輸入與輸出構(gòu)件之間的位置關(guān)系，這是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的最基本的任務(wù)，也是機(jī)構(gòu)速度、加速度、 受力分析、誤差分析、工作空間分析、動(dòng)力分析和機(jī)構(gòu)綜合等的基礎(chǔ)。 當(dāng)已知機(jī)構(gòu)主動(dòng)件的位置，求解機(jī)構(gòu)的輸出件的位置和姿態(tài)稱為機(jī)構(gòu)的位置正解，若已知輸出件的位置和姿態(tài)，求解機(jī)構(gòu)輸入件的位置稱為機(jī)構(gòu)位置的反解。下面給出 6— SPS 并聯(lián) 機(jī)構(gòu)位置正反解方法 ，為以后進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制打下基礎(chǔ)。靜坐標(biāo)系原點(diǎn) O 位于靜平臺(tái)中心點(diǎn)， OZ 軸垂直于靜平臺(tái)， OX 、 OY 軸位于靜平臺(tái)平面內(nèi)。在初始狀態(tài)下，動(dòng)坐標(biāo)系 11OZ 軸與靜坐標(biāo)系 OZ 軸重合，俯視圖如 圖 圖 6— SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 圖 坐標(biāo)系俯視圖 其中 ? ?0,1, , 6iPi? 為靜平臺(tái)鉸點(diǎn)， ? ?0,1, , 6iBi? 為動(dòng)平臺(tái)鉸點(diǎn)，各鉸點(diǎn)在各自坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為： 123456( si n( ) , c os( ) , 0)22( c os( ) , si n( ) , 0)6 2 6 2( si n( ) , c os( ) , 0)3 2 3 2( si n( ) , c os( ) , 0)3 2 3 2( c os( ) , si n( ) , 0)6 2 6 2( si n( ) , c os( ) , 0)22ppppppppppppppppppppppppP R RP R RP R RP R RP R RP R R?????????????????????? ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? 123456( c os( ) , si n( ) , 0)6 2 6 2( c os( ) , si n( ) , 0)6 2 6 2( si n( ) , c os( ) , 0)22( si n( ) , c os( ) , 0)22( c os( ) , si n( ) , 0)6 2 6 2( c os( ) , si n( ) , 0)6 2 6 2bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbB R RB R RB R RB R RB R RB R R????????????????????? ? ?? ? ???????? 設(shè)動(dòng)坐標(biāo)系沿靜坐標(biāo)系的 OX 、 OY 和 OZ 軸分別平移 x、 y和 z后，先繞 OX 軸轉(zhuǎn) ? 角，再繞 OY 軸轉(zhuǎn) ? 角，最后繞 OZ 軸轉(zhuǎn) ? 角，以上轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于先繞 11OZ 軸轉(zhuǎn) ? 角，再繞 11OY 軸轉(zhuǎn) ? 角，最后繞11OX 軸轉(zhuǎn) ? 角，其旋轉(zhuǎn)變換矩陣為： 0 0 1 0 00 0 1 0 00 0 1 0 0c s c sR s c c ss c s cc c c s s s c c s c s ss c s s s c c s s c c ss c s c c? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ???????? ? ???? 其中 cosc??? ， sins??? 。 位置正解是已知各驅(qū)動(dòng)桿桿長求動(dòng)平臺(tái)的位姿。解析法主要是通過消元法消去機(jī)構(gòu)約束方程中的未知數(shù)，從而使得機(jī)構(gòu)的輸入輸出方程成為只含一個(gè)未知數(shù)的高次方程。數(shù)值方法的優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用于任何形式的并聯(lián)機(jī)構(gòu) ,但一般的數(shù)值方法采用優(yōu)化搜索原理 ,需要大量的計(jì)算時(shí)間 ,且只能達(dá)到有限的精度。 （ 1）構(gòu)造 Newton 迭代格式。 式 l=Jx 兩邊同時(shí)乘以 dt ，并且用 Δl 表示驅(qū)動(dòng)桿桿長的增量，動(dòng)平臺(tái)位姿增量用 Δx 表示，有 ?ΔlJΔx ，則： ? 1ΔxJΔl （ 4） （ 2）迭代過程 首先給定一個(gè)初始位姿（迭代初值），根據(jù)位置反解，可求得此位姿下各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的桿長 1l 。同時(shí)，也可以求得新的桿長差值 22?Δl ll ，將此差值代入迭代方程（ 4）便可求得新的位姿增量 2Δx 以及新的位姿 2 1 2??xxΔx ，由反解方程 可求 得在此位姿下的桿長 3l 。 重復(fù)以上過程，得到的桿長逐次逼近于已知桿長 l ，當(dāng)各個(gè)桿長偏差值之和滿足61niii l l e? ??? 時(shí)，迭代結(jié)束，此時(shí)的位姿? ?Tn n n n n n nx y z ? ? ??x 可認(rèn)為是已知驅(qū)動(dòng)桿桿長下的動(dòng)平臺(tái)位姿。 機(jī)構(gòu)的影響來數(shù)是機(jī)構(gòu)學(xué)中一個(gè)十分重要的概念，它深刻地反映了機(jī)構(gòu)的本質(zhì)，很多機(jī)構(gòu)分析問題用影響系數(shù)表達(dá)就格外清楚和簡單。都能以機(jī)簡單的顯式表達(dá)，另一方面， 它本身與運(yùn)動(dòng)分離，它只與并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸以及所選原動(dòng)件的位置有關(guān)。因此， 對于機(jī)構(gòu)的性能的 一些深入的分析都可以從分析影響系數(shù)矩陣入手，如機(jī)構(gòu)的特殊形位、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)空間與工作空間的映射、機(jī)器人臂的靈活性、各向同性及可操作度等。 而影響系數(shù)本身計(jì)算又十分方便，實(shí)際上一般并不需要求導(dǎo)。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法 己知各連桿驅(qū)動(dòng)力求動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)屬于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)正問題；已知?jiǎng)悠脚_(tái)的運(yùn)動(dòng)求各連桿需要的驅(qū)動(dòng)力屬于動(dòng)力學(xué)逆問題。 對并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)，可以作適當(dāng)?shù)暮喕?，以方便?jì)算。 并聯(lián)機(jī)械手 的載荷 有給定載荷及平臺(tái)的 重力，方向垂直向下，受力如圖 ： 圖 6— SPS并聯(lián)機(jī)械手受力圖 根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系達(dá)朗伯原理，可以把動(dòng)力學(xué)問題視為靜力學(xué)中力系平衡的問題，即可以利用靜力學(xué)的平衡條件建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和受力的關(guān)系。并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取對平臺(tái)的工作空間和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)靈活性都會(huì)產(chǎn)生影響，所以結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取是一個(gè)很重要的問題。 文獻(xiàn)（《新型并聯(lián)機(jī)床的固有特性研究》《機(jī)械設(shè)計(jì)》 1999 年 9月）通過對并聯(lián)機(jī)構(gòu)固有頻率的研究，得出以下結(jié)論：活動(dòng)平臺(tái)半徑越小越好，固定平臺(tái)半徑則盡可能大；由于固定平臺(tái)半徑相對較大 ， 鉸 鏈位置角對其固有頻率影響也較大，因此要盡可能減小固定平臺(tái) 鉸 鏈 位置角，而活動(dòng)平臺(tái)的球鉸位置角可適 當(dāng)放大以便于制造；盡可能減小最大支路長度，或盡可能使機(jī)床工作在較小的支路長度范圍內(nèi)以避免機(jī)床動(dòng)力學(xué)性能出現(xiàn)惡化；保證加工工件位于工作臺(tái)的中心位置。 參照現(xiàn)有并聯(lián)機(jī)構(gòu)的尺寸，我們定靜平臺(tái)半徑為 500mm， 并以此確定其它結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，權(quán)衡受力及桿長的變化，同時(shí)考慮電動(dòng)缸的長度，選擇中性面高度 H=900mm。 為考慮桿的水平傳力性能，取動(dòng)平臺(tái)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)位置角以 tb sin66 ??? ??變化時(shí)，桿長及其受力變化如圖 ： 圖 平臺(tái)做圓周運(yùn)動(dòng)，位置角變化時(shí)桿長及受力的變化 從圖 8 可知，當(dāng)位置角等于 0度的時(shí)候桿受力最小，傳力性能最好，但桿的行程最大。當(dāng)靜平臺(tái)的短邊中心角變化時(shí)和動(dòng)平臺(tái)類似，同理取靜平臺(tái)短邊中心角為 0 度。 確定動(dòng)平臺(tái)的半徑 初始狀態(tài)時(shí)，當(dāng)動(dòng)平臺(tái)半徑以 rb=400+100sint 變化時(shí)，桿受力如圖 ： 圖 動(dòng)平臺(tái)半徑變化時(shí)桿的受力變化 從圖中可知，動(dòng)平