关键词：并联机构；补偿平台；逆解；运动补偿空间
0 引言
随着国内海上能源开采技术的发展，海洋工程装备越发多样，施工安全性也越来越得到重视。船舶在海上往平台上吊装物资时，船受海浪影响震动大，舰载吊机晃动大作业困难，转移人员时更是性命攸关的作业。平台自身吊机往船上吊大型设备，长物体，船舶震荡时，被吊物很难平稳落下。降低舰载吊机、卸货平台、飞机降落甲板的晃动，是提升海上施工安全的关键问题。
1补偿平台方案及自由度
方案拟用3-UPU液压驱动的补偿平台进行设计分析。液压驱动具有负载大，动作响应快，适用运动补偿平台，三维模型如图2-1。
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图 2-1 平台方案3-UPU
该方案由上下两个平台组成，平台之间是行程为500mm的液压缸，液压缸与平台用万向铰连接，主要功能参数：承重1.5T，横摇、纵摇补偿角度±25°，垂荡补偿高度±200mm。万向铰间隔120°分布，半径为600mm。
自由度计算，反螺旋理论：
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2逆解
并联机构的正解与逆解[2]是运动分析的前提，并联机构工作空间是评价机构优劣的一个重要依据[3]。
补偿平台上平台是稳定的工作平台，为了更直观、简单的建立求解方程，我们将下平台设为静平台，则上平台为动平台。坐标系的建立：
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图 3 1 逆解坐标系
记静平台O-XYZ、动平台o-xyz、相对旋转角为α、β、位移为Zp。旋转矩阵T[4] ，则，动坐标可由静坐标表示为：
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到此，机构的逆解结束，给出平台某一时刻的高度Zp，两个倾斜角α、β，即可求解出3个液压缸的长度。
4补偿空间分析
球坐标搜索法常应用于复杂机构的运动空间求解，利用球坐标搜索法[5]并进行一定修改，通过MATLAB求解出机构的补偿空间。
4.1限制条件设置
通过第3节逆解过程坐标系的建立及分析结构可知，影响补偿空间的因素有：
a.杆长的有效行程：≤≤
b.选用铰链的有效角度：
c.铰链分布半径：R
在分析模型中，我们将Zp=1150mm作为初始工作平面。R=600mm，L变化为±250mm，选用万向铰为旋转副，为避免支链互相干涉，定义≤35°。在MATLAB中绘制空间如下：
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图4-1补偿空间
图4-1 可以看出，补偿空间程上下对称，当船舶上下震荡±100mm，倾斜±25°时，平台能补偿的倾斜角范围大，但是垂荡补偿有限。若选取倾斜角±10°，垂荡±200mm补偿平台能起到有效的补偿作用。由于方案中铰链分布半径（600mm）、液压缸活动杆长（±250mm）取值小，固船舶震荡的补偿高度有限。
方案铰链分布半径为600mm，铰链的分布对补偿空间的影响非常大。缩小铰链分布的半径，可以有效地扩大补偿空间。
除此之外，选择行程范围大的液压缸，也是有效扩大补偿空间的方法。合理的补偿高度和补偿角度，是铰链分布半径和液压缸行程综合作用的结果，所以想要得到经济有效率的机构，必须经过不断的机构分析及机构优化。机构优化的同时，应重点考虑铰链的性能，转角限制。
3结论及意义
对于并联机构的研究及应用已趋于成熟，多自由度的机构复杂，精度高，意味着支链、驱动、控制等也更加复杂，研究及投产的费用也更多。实际上，有些工况并不需要这么多的自由度，通过补偿空间的分析，只要工况在补偿空间中，可以尽量减少自由度的数量，达到更经济的方案。通过对补偿平台进行逆解及补偿空间分析，获得了有效的3自由度并联机构的补偿平台。是实际应用驱动选型、平台尺寸设计的基础。补偿平台能够为舰载吊机、舰载卸货平台提供稳定的工作平面，有效提高海上施工的安全性，减少天气对海上施工进度的影响，缩短海上施工工期，提高海上施工作业能力。运动补偿平台的发展可以提高海上作业的能力，是国防、海上资源获取的关键因素。
参考文献
[1]黄真，刘婧芳，曾达幸.基于约束螺旋理论的机构自由度分析的普遍方法[J].中国科学杂志社，2008，第39卷.
[2]黄真，孔令富，方跃法. 并联机器人机构学理论及控制[M]，北京：机械工业出版，1996：36～42.
[3]肖藩.基于三自由度并联支撑机构的自动调平系统的研究[D].江西：江西理工大学，2009.
[4]陈航.三自由度并联机构正解及试验平台控制方法研究[D].华中科技大学，2005.
[5]高峰，黄美玉，史文浩，彭中波. 3-RPS并联机构工作空间分析的球坐标搜索法[N].西安理工大学学报，2001
论文作者:陈怀琪
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第24期
论文发表时间:2020/1/16
标签：平台论文; 机构论文; 海上论文; 自由度论文; 铰链论文; 空间论文; 液压缸论文; 《工程管理前沿》2019年第24期论文;