六自由度摇摆台设计过程

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2024年4月23日发(作者：)

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六自由度摇摆台设计过程

1.

1)





用户技术指标

一般摇摆台的技术指标通常包括一下内容：

负载参数

在摇摆台设计时，通常需要用户负载参数，主要包括：

负载质量

负载质量和加速度要求，就形成了对驱动系统的出力要求。

负载形状

负载形状很重要，例如做炮塔试验时，就要求摇摆台的上平台需要留有吊篮通道，因此上平台就要

设计成中空的。另外，负载大小，通常也决定着上平台的大小。

负载质心

负载质心不同，在摇摆台旋转时，会对驱动系统形成不同的力矩。

负载绕自身质心的三轴转动惯量

转动惯量与角加速度一起，构成了力矩，也是对驱动系统出力要求。





2) 单自由度运动参数

摇摆台的运动参数通常用下面的表格来表示。

三个平移：航向Surge（沿X轴平移）、横向Sway（沿Y轴平移）、升沉Heave（沿Z平移），三个旋

转：横摇Roll（绕X轴旋转）、俯仰Pitch（或称为纵摇、绕Y轴旋转）、偏航Yaw（或者成为首摇、绕Z

轴旋转）。

坐

标

轴

平移

位移

（m）

速度

（m/s）

加速度

（g）

角位移

（°）

转动

角速度

（°/s）

角加速度

（°/s

2

）

上述指标中，三个位移的大小通常决定了台子的大小，因为即使是小台子，也可以转动较大角度。

角度实现与台子大小无关。速度和角速度决定了摇摆台的油源流量和伺服阀的流量（这里还要结合作动

器有效面积）。而加速度/.负载质量、角加速度/负载惯量直接决定了所需的驱动力大小。

上述这些指标也是有学问的，通常有一定的关系。比如航向和横向平移一般应该小于升沉位移。而

摇摆角度通常偏航角度可以做的更大，甚至可以超过30度。

根据设计经验，并参照国外成熟产品。摇摆台的摇摆角度是最关键的指标。太大的摇摆角度是无法

实现的，即使实现了，也会造成摇摆台存在奇异位形，也就存在安全隐患。一般摇摆台的摇摆角度中，

横摇和俯仰角度小于30度，最大一般为26度左右。

X

Y

Z

3) 组合运动参数

有些用户会提出多个自由度组合运动参数，这些运动参数有时候要比单自由度参数大，不过，组合

运动参数通常可以有技巧，比如更改各个自由度之间的相位，有些看似不能实现的组合就可以实现了。

不过这得需要小心，用户通常说任意组合，而任意组合就可能需要很长缸长或者速度，这样实现起来就

更困难。最好让用户提指标时候，不用提组合运动要求，因为单自由度运动参数就已经包含了一定的组

合运动能力。除非用户要求做一些他们必须要做的典型组合运动。

4) 静态运动参数

有的时候，需要摇摆台进行一定的静态倾斜。如果这个倾斜角度或者位移很大，可以考虑允许摇摆

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台的驱动系统进行缓冲区来实现，这样就可以尽量缩短作动器行程，而行程太长容易造成摇摆台出现奇

异位形。

5) 静态精度

静态精度通常是静态定位精度。一般定位精度小于摇摆台最大运动位移/角度的1％。例如，角度在

0.3度，位移在3mm左右。在这是以前我们的经验。从目前项目来看，我们可以做的更高。

6)











动态精度

频率特性：系统频宽≥Hz（dB）

位姿波形失真度：≤%

各自由度运动间耦合度：≤%

各自由度间相位差（正弦，在相同频率条件下）：≤°

运动谱复现精度：≤%

7)















功能要求

运动谱复现要求

长时间连续工作要求

位姿锁定要求

三维动画演示要求

被试品的数据采集要求

与其他系统同步要求

实时测量与位姿输出要求

2.

1)

设计过程

在明确了用户技术要求后，就可以进行设计计算了。

参照已有结构

六自由度摇摆台结构基本已经系列化。可以首先根据本项目技术要求，比较以往结构，选择一个类

似的结构，作为计算基础。利用这个已有结构参数，对本项目提出的各项指标进行计算校核。如果不能

满足，再考虑如何通过更改结构来实现用户指标。

2) 参数文件

para.m参数文件给出了摇摆台结构信息、负载信息、坐标系信息。以后的计算程序均利用了该参数

文件。

para.m参数文件中，包括：

摇摆台主要结构参数：上铰半径RA、下铰半径RB、支腿中位长度l2、上铰间距l3s、下铰间距l3x；

负载质量m，平台质量M、移动部分总质量mc；

负载转动惯量、平台转动惯量、移动部分总惯量J；

控制点（回转中心）位置h；

初始时体坐标系和惯性坐标系均设定在移动部分的综合质心处。坐标系反映在A和B矩阵的第三行。

该程序最后能够计算出：上铰坐标矩阵A；下铰坐标矩阵B；中位时上下铰点垂直高度；

3)





运动学计算

计算程序：yundong_h.m

计算结果数据：位移数据；速度数据：；加速度数据：

该程序主要作用是，根据各种运动工况，计算出各种工况下的支腿伸缩位移、速度和加速度。工况

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的选择可以首先根据技术指标中单自由度运动要求，在程序中设定各种运动工况pose。这些典型工况是

按照正弦运动时：

①. X向最大位移和最大速度同时发生；

②. Y向最大位移和最大速度同时发生；

③. Z向最大位移和最大速度同时发生；

④. 绕X旋转最大角位移和最大角速度同时发生；

⑤. 绕Y旋转最大角位移和最大角速度同时发生；

⑥. 绕Z旋转最大角位移和最大角速度同时发生；

⑦. X向最大速度和最大加速度同时发生；

⑧. Y向最大速度和最大加速度同时发生；

⑨. Z向最大速度和最大加速度同时发生；

⑩. 绕X旋转最大角速度和最大角加速度同时发生；

⑪. 绕Y旋转最大角速度和最大角加速度同时发生；

⑫. 绕Z旋转最大角速度和最大角加速度同时发生；

利用该程序得到支腿行程后，需要进行合理性校核。这包含两个方面的校核。如果行程过大可能会

导致机构存在奇异位型或者支腿作动器无法制造出来。奇异位型校核可采用奇异性判断程序来校核。而

支腿作动器是否能制造出来，需要根据支腿的中位长度l2和伸缩行程、缓冲长度、支腿固定长度进行校

核。

总之，利用运动分析程序，可以确定支腿行程并给出支腿长度分配情况。结果如下：

 单自由度所需行程：[-mm，+mm]

 组合运动所需行程：[-mm，+mm]

 静态运动所需行程：[-mm，+mm]

 缓冲长度：缩回端mm，伸出端mm

 总行程

 液压缸固定长度：mm

 上铰预留长度：

 下铰预留长度：

 支腿最大速度：

4)





静力学计算与奇异性校核

计算程序：yundong_jingtai.m；searchmaxcondnum.m（利用该程序可以将支腿形成分成几段，这

样计算更精确些）

计算结果给出了典型极限位姿下，各个支腿所受到的最大力以及正解误差，以便判断所设计的

六自由度摇摆台是否具有奇异位型。

该程序调用para.m参数文件，输入支腿最大和最短长度后，计算16种极限位姿下的静态力。

最大拉力： KN

最大压力： KN

最大条件数：







5)





①.





②.



动力学计算

计算程序：yundong_F.m

计算结果支腿受力、上铰受力、下铰受力、地基受力/力矩等。

支腿受力

最大拉力： KN

最大压力： KN

上铰受力

最大径向力：KN

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

③.





④.

最大轴向力：KN(负的：表示沿着伸出轴向铰座方向)

下铰受力

最大径向力：KN

最大轴向力：KN

正：表示沿着伸出轴向铰座方向推

负：表示将伸出轴往出拉

基础受力/力矩

X向力(KN)

Y向力(KN)

Z向力(KN)

X向力矩

(Nm)

Y向力矩

(Nm)

Z向力矩

(Nm)

上述为计算结果，实际要求需要留有裕量。

6)





负载匹配计算

计算程序：yundong_pq.m

计算结果：能够绘制负载特性曲线、动力机构特性曲线、液压源流量，从而确定液压缸、伺服

阀流量、液压源流量。

该程序主要进行动力学计算，根据摇摆台的运动情况，得到各个支腿的受力和速度，从而绘制出负

载特性曲线，以便进行动力机构设计、液压源流量Qpump等。

对于液压驱动六自由度摇摆台，根据该程序，通过调整液压缸有效面积A1和A3、液压源压力Ps、

伺服阀流量Q，达到最佳负载匹配。

7)

②.





③.

机械干涉校核

上下铰与支腿夹角计算

计算程序：calculateangle.m。该程序调用para.m、anglesfw3.m和obs_problem_function

计算结果： 能够给出上铰和下铰与支腿间的最小夹角，作为指导机械设计的初步依据。

三维动态干涉检查

需要机建立SOLIDWORKS，之后进行全面检查，确保在任何位姿下，机构各个部件之间均不发生

干涉，干涉校核内容包括：

摇摆台上平台与支腿是否干涉

摇摆台上铰运动范围是否足够

下铰运动范围是否足够

负载与摇摆台是否干涉

负载与周围环境，如墙壁、厂房屋顶等是否干涉

负载和摇摆台同时运动时是否出现干涉













8) 固有频率校核

六自由度摇摆台是一个典型多输入多输出非线性系统。如果将支腿看成是弹簧，那么整个摇摆台就

是一个多质量-弹簧系统。这个多质量弹簧系统具有多个固有频率（或振动系统特征值）和谐振方向（特

征向量）。

通常，摇摆台最低频宽取决于摇摆台的最低固有频率。通常最低固有频率方向是纵向与俯仰的组合

方向、横向与横摇组合方向。体现为摇摆台纵向和横向平移固有频率较低，这两个方向的频宽也较低。

通过固有频率校核，可以确定所设计的摇摆台是否能够满足用户的最低频宽要求。一般摇摆台的最

低固有频率要高于用户要求的最低频宽才行。

 计算程序：stewart_kane_stiff.m

 计算结果：得到摇摆台六个固有频率。

9)

①.

工作空间

最大工作空间

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



计算程序：workspace_bisection.m；

计算结果：计算在给定结构和给定支腿行程的条件下，得到各个自由度所能达到的最大平移量

和最大角度。

②. 可达空间

 计算程序：reachablespace.m

 计算结果：画出摇摆台可达空间。

通过在摇摆台和负载上选取最大轮廓上的特征点，摇摆台在运动时，这些点会发生变化，所有这些

点运动轨迹最大包络就是最大可达空间。

本文标签： 摇摆支腿运动要求负载