摘 要

船舶运动模拟器主要用于舰船设备测试及海员教学培训，可以减少实船实验次数，缩短设备开发周期，加强海上搜救人员的适应能力和业务素质。船舶运动模拟器的工作空间是指动平台的给定参考点在空间内可以达到的所有点的集合，它是衡量模拟器性能的重要指标，对模拟器的运动性能具有很大影响，因此进行船舶运动模拟器工作空间的研究具有重要意义。本课题主要对并联六自由度船舶运动模拟器的运动学、姿态工作空间进行了研究。

船舶运动模拟器是模拟船舶在海浪中的摇晃运动，其核心设备是一个Stewart并联机构，与串联机构相比，并联机构具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷小、动力性能好、控制容易等一系列优点，其应用日益广泛，应用领域不断扩展，对其进行全面而系统的研究并推向实际应用，但并联机构的一个最大的弱点就是空间小，即同样的机构尺寸，串联机构比并联机构工作空间大，因此对并联机构工作空间进行研究并优化有非常重要的意义。

鉴定并联机构运行能力的重要指标之一就是并联机构的工作空间，工作空间分析是设计并联机构的重要基础，并联机构的工作空间分析要比串联机构复杂。随着机构参数的变化，并联机构的工作空间的大小和形状也会变化。每一个机构参数（如动平台半径、各分支杆极限长度、各分支杆等效直径、平台铰链分布角以及球铰或虎克铰极限摆角等）对工作空间的影响程度是不相同的。

本文主要研究定向工作空间，即动平台在固定位姿时参考点可达点的集合。本文以典型6-PSS Stewart平台为研究对象, 根据并联机构的运动学正解与反解方程建立其空间六自由度数学模型。为了分析并联机构工作空间体积值与机构参数间的函数关系，采用控制变量法，在部分参数给定的情况下，运用MATLAB编程进行三维搜索，确定此时定向工作空间的边界曲线，得到对应的工作空间体积值。根据在不同参数下的工作空间体积值，画出各参数对应的工作空间体积影响曲线，可以进行工作空间体积综合优化分析。

关键词：船舶运动模拟器；并联机构；工作空间；优化分析

Abstract

Ship motion simulator in the laboratory can truly reproduced the ship swinging in the ocean of the attitude, can realize some put in motion simulator of ship equipments for terrestrial experiments, the ship at sea for the number of experiments effectively reduced. Therefore, ship motion simulator with economic, security and other advantages. But working space has great influence on ship motion simulator, so it is significant to study the working space of ship motion simulator. In this paper, the kinematics and attitude of the parallel mechanism type ship motion simulator are studied.

The working space of parallel mechanism is the set of all points that can be achieved by a given reference point in the space. It is an important index to measure the performance of parallel mechanism. Compared with the traditional serial robot, parallel robot has stiffness, bearing capacity of strong, small error, high precision, small weight, good dynamic performance, easy control and other a series of advantages, is used more and more widely, its applications continue to expand, carries on the comprehensive system research on the system and push application, but parallel robot is one of the biggest weaknesses is the space is small, that is the same size of the mechanism, serial robot is larger than the working space of parallel robot, so the working space of parallel mechanism research has very important significance. In this paper, the planar linkage type six degree of freedom parallel mechanism is studied, and the kinematics of the parallel mechanism is studied.

An important indicator of the operational capacity of the identification of parallel mechanism is one of the parallel mechanism work space and work space analysis is an important basis for the design of the parallel mechanism, working space of parallel mechanism analysis are more complicated than serial mechanism. The size and shape of the working space of parallel mechanism varies with the change of the parameter of the mechanism. The mechanism parameters (including the moving platform radius, length of the branch rod limit, the branch rod equivalent diameter, platform hinge distribution angle and ball hinge or Hooke joint limit swing angle) is not the same as the degree of influence on the working space.

In this paper, we mainly study the directional working space, which is a set of reference points when the moving platform is in a fixed position. In this paper, the typical Stewart 6-PSS platform is studied, and the mathematical model of six degree of freedom is established according to the kinematics positive solution and inverse solution equation of parallel mechanism. In order to analysis of the work space of the parallel mechanism volume value and the function relation between the mechanism parameters, using control variable method, under some parameters are given, using MATLAB programming for 3D search to determine at this time orientation work space boundary curves, corresponds to the work space volume values were obtained. According to the working space volume under different parameters, the corresponding working space volume influence curve of each parameter is drawn, and the comprehensive optimization analysis of working space volume can be carried out.

Key Words：Ship motion simulator；parallel mechanism; working space；optimization analysis

目录

目录 1

1.1 研究背景和意义 2

1.2 并联机构的国内外研究概况 2

1.3 本文的主要研究内容 4

1.4 本章小结 5

第二章 船舶运动模拟器工作空间分析 6

2.1 并联机构运动学研究概况 6

2.2 影响并联机器人工作空间的因素 7

2.3 本章小结 8

第三章 船舶运动模拟器运动学求解 9

3.1 船舶运动模拟器工作空间求解 9

3.2 运动学正解模型 9

3.3 运动学反解模型 11

3.4 工作空间求解 14

3.5 本章小结 14

第四章 尺寸与工作空间的关系 18

4.1 上下平台半径与工作空间的关系 18

4.2 上下平台短边夹角与工作空间的关系 20

4.3 最长、短杆长与工作空间的关系 22

4.4 本章小结 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

并联机构式船舶运动模拟器是一种典型运动模拟器，目前发展非常快速、应用也很广泛，同时能够将船舶在实际航行中摇摆的动作再现出来，通过对各种各样海洋上的请况的再现，可以对船员航行训练提供前提^[1]；同时也适合作为研究动力学的设备，同时也可以将设备仪器放在船舶运动模拟器上，使之能够在陆地上进行对船员的测试，因此能够降低船舶出海进行实验的频率，从而降低做实验经费和研究项目的时间。并且并联机构式船舶运动模拟器具有节能性、安全性、可控性、经济性和训练效率高等一系列的特点，因此进行船舶运动模拟器工作空间研究具有重要意义^[2]。

1.2 并联机构的国内外研究概况

六自由度船舶运动模拟器大都应用是Stewart并联式平台机构，动力系统采用阀控液压缸或是电动缸，所以具有刚度大，负载/自重比大，稳定性好等一些列优点^[3]。在上世纪五十年代，出现了最早的六边形运动机构，是英国人Eric Gough开发了一个闭环机构，用于测试轮胎使用过程中造成的磨损，动平台为通过球铰和连杆相连的六边形平台结构，连杆另一端通过万向节与基座相连（图1.1a），此机构一直沿用至2000年。1965年，Stewart 提出了一种仿真器形式，但是他提出的平台并没有得到广泛的使用，相反比他提出的早的Gough平台得到广泛的使用，但是，人们都把Gough平台称作Stewart平台^[4]。并联平台大量使用是在1960年发明飞行模拟平台之后，由于当时训练飞行员成本增加，测试新型飞行设备的需要，研究者开始寻找能够提供多自由度的平台，使之能够在需要大负载和大动力的情况下使用。1962年Franklin Institute 的Klaus Cappel根据Gough平台结构设计了一个六自由度的直升机飞行模拟平台（图1.1b），并且申请了专利。现在飞行模拟平台大多数都使用Gough或者Cappel平台结构，并且这种平台结构也在其他运动模拟平台中得到了广泛应用^[5]。19世纪80年代，出现了将Stewart平台应用于可以进行操作的运动机构中，这一想法是由minskey提出的。同时，美国NASA等研究中心公布了六自由度平台的研究成果，陆续出现了使用六自由度并联机构平台的飞行模拟器^[6]。Jean Pierre Merlet博士对并联机器人进行了深入研究，并且撰写了第一本并联机器人书籍，书中关于并联机器人（parallel robot）的定义是：由一个具有n个自由度的末端执行器和一个固定基座构成，最少利用两个独立的运动链连接，利用n个简单驱动器驱动的机构^[7]。