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關于STEWART平臺(又名HEXAPOD)在現實生活和工業中的使用
發布時間:2020-12-16 11:33

  Stewart平臺以其特有的大剛度、高精度和高載荷自重比等特點,適用于高精度、大載荷且對工作空間的要求相對較小的場合。在許多領域得到了廣泛的應用,成為機器人以及醫療設備、機械加工、天文儀器等多種應用領域的研究熱點之一。推薦閱讀:六自由度Stewart運動平臺的特點、應用及功能

  本文南京全控將為您分析關于Stewart平臺及其在現實生活和各個行業中的用法的信息。
 

  主要通過以下三個方面為您介紹

  斯圖爾特平臺和六足動物介紹

  Stewart平臺的提示,技巧和注意事項

  在哪里可以看到或需要Stewart平臺?
 

  一、斯圖爾特平臺和六足機器人介紹

  斯圖爾特平臺是一種用于精密位置和運動控制的特殊機電一體化系統,最初于1965年提出作為飛行模擬器。從那時起,Stewart平臺受益于各種應用程序(更多信息,請參見本博客的第3節)。根據定義,Stewart平臺也是一種并行機器人,但范圍和移動性有限。

  該平臺有多種變體,但大多數都有六個線性致動的支腿,支腿平臺連接的組合有所不同。完整的組件是一個并聯的機器人系統,由連接到固定底板的剛體頂部或移動板組成。頂板的中心至少由三個坐標定義,目的是在3D空間中移動該中心點。

  要移動上板,必須用執行器控制每對支腿(下部和上部),以改變支腿的總長度。通過獨立控制每條腿的長度,并使用稱為正向和反向運動學的數學計算,可以精確地更改頂部中心的位置。

  放置在頂板上的設備可以在六個自由度中移動,自由懸掛的物體可以在其中自由移動。這是三個線性運動x,y,z(橫向,縱向和垂直),以及三個旋轉(俯仰,滾動和偏航)。由于其運動,它也稱為a或。

  每個Stewart平臺都有2個關鍵的性能標準:中心位置的準確性和對位置更改命令的響應時間/速度。平臺的機電部件以及系統控制器和軟件在性能中起著重要作用。作為上述組件的混合體,Stewart平臺屬于機電工程學科的重點。

  在這種情況下,六足動物的簡短定義也很有價值。搜索術語“ hexapod”時,您可能會看到兩種不同的解釋。六腳機器人是一種機械車輛,可行走六條腿。但這不應與hexapod平臺混淆,后者也被描述為Stewart平臺的一種特定類型,僅受6條腿限制。請記住,有幾種類型的Stewart平臺具有多于或少于6條支腳,盡管您很少會看到它們。
 

  二、Stewart平臺的提示,技巧和注意事項

  首先,每個機械系統最薄弱的環節是活動部件的耦合性和耐用性。在Stewart Platform中,這些部件是支腿及其與頂板和底板的連接點。在我們的實驗中,我們注意到平臺的物理特性和性能非常容易受到運動間隙的影響(例如,電動機的反沖或連接螺栓中的間隙等)。為了使平臺能夠平滑地移動,每個關節都應受到精確控制。關節的位置不確定性將嚴重影響最終的“組合”位置誤差。為了減少不確定性,應使用具有最小公差的精密制作的接頭材料。盡管每一項精密制造都會帶來成本負擔。因此,與所有物理系統一樣,價格與性能之間的權衡對于Steward Platform也同樣有效。

  另一個重要因素是重量和慣性。相等的長度,大小和重量對于最小化夫妻不平衡的影響非常重要。對于減小慣性動量和重量,至關重要的是還要將DUT(DUT:被測設備,放置在頂板上并在Stewart平臺上進行測試的設備)盡可能地靠近頂板的中心。 (負載)分配到執行器。

  用于控制腿部運動;執行器有2種不同的選擇:線性伺服液壓系統和電動機。兩者都有優點和缺點,或者我們可以將其稱為警告并在下面進行描述:

  液壓系統適用于重載。但是它們體積大且難以控制,因此需要特殊的控制系統或算法來獲得良好的線性性能。而且,與機電系統相比,液壓系統的響應時間受到限制。

  電動機體積小,易于控制。使用線性電動機/執行器可使系統緊湊。但是很難找到大容量的線性電動機。使用旋轉的常規電動機帶來了新的復雜性,以將旋轉運動轉換為線性運動。

  由于成本和尺寸的限制,我們正在使用線性電動機/執行器來構建Stewart平臺。小尺寸,低功率至中功率的線性電動機更易于查找和使用。但是,每臺電動機的控制特性都各不相同,因此需要進行校準(輸入命令與實際輸出)以獲得最佳性能并匹配每個關節的響應。

  最后,我們想分享一些有關反饋機制的見解。

  在Stewart平臺中,需要2個反饋機制(或傳感器)來進行有意義的測試。這些是:

  用于控制每條腿的位置的反饋。它來自每個執行器,并用于PID或類似的控制環來控制每條腿的運動。為此,大多數情況下使用編碼器。

  用于感測平臺的實際位置和方向的反饋,這也使您對DUT的位置和施加在其上的重力產生了想法。為此,使用了陀螺儀和加速度計或稱為IMU / MPU的加速度計。

  讓我們根據在Acrome的Stewart平臺中的偏好給出每個案例的示例(更多信息,請參見第4節)。

  對于腿部反饋信號-我們正在使用線性致動器-我們正在使用致動器的集成反饋傳感器。該傳感器隨執行器和制造商的類型而變化。在大多數情況下,執行器使用線性電位計作為傳感器機構。然后需要一個模擬測量通道來測量信號。在某些情況下,使用非接觸式磁條,這也需要進行模擬測量。在非常復雜的應用中,我們注意到數字傳感器的用法,這些傳感器的輸出也有所不同,但是它始終處于某種數字通信協議中(SSI或CAN是廣泛使用的選擇)。

  對于DUT位置,我們更喜歡使用6 DOF陀螺儀或加速度計IMU,它在同一設備上結合了3軸陀螺儀和3軸加速度計。

  三、在哪里可以看到或需要Stewart平臺?

  Stewart平臺的主要應用之一是目標跟蹤。在此應用中,目標可能是平臺移動時的靜止位置(例如對地靜止衛星或雷達/搜索地面目標),或者目標可能是平臺靜止時移動的目標(例如太陽能/星體跟蹤器應用)。射電望遠鏡實驗是后一種情況的一個很好的例子,在這種情況下,借助Steward平臺將望遠鏡的天線對準目標星系/星體。

  另一個廣為人知的應用是在游戲行業和娛樂行業中看到的增強現實應用。XD電影體驗(從4D端到12D為止)需要3D電影體驗之外的任何東西。命名沒有標準,但是任何與座位同步移動的電影體驗都使用某種平臺,這也可以稱為特殊類型的Stewart平臺。這里還應該有一種使用某種計算機通信接口將平臺連接到場景生成器的方法。移動的“焦點對象”是在這種類型的Stewart平臺中正在跟蹤的對象,其中座位(或重力)是固定點。

  第三,Stewart平臺還用于試驗基于地形的車輛動力學。該應用領域有很多用例,大多數與懸掛系統有關。一個例子是座椅懸架,它可以在從自行車到太空發射器的各種車輛上實現。在這里,Stewart平臺用作振動生成平臺,用于模擬實驗室中地形引起的車輛振動。

  下面為大家展示南京全控關于Stewart平臺用于車輛模擬的應用。在該模擬器上,我們可以根據操作員的指令對車輛進行俯仰、翻轉、滾動模擬運動。

  Stewart平臺六軸并聯機器人作為并聯機器人產品中算法最復雜的一種,很難用只言片語來解釋清其中的奧秘。南京全控作為國內一直致力于研發六自由度平臺和工業機器人公司,將產品研發作為己任,不斷推陳出新。

關鍵詞: STEWART平臺,HEXAPOD
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