史都華平台

维基百科,自由的百科全书
跳到导航 跳到搜索
史都華平台的例子
在军队-2021论坛
宇宙微波背景輻射陣列(AMiBA)無線電望遠鏡,量測宇宙微波背景的實驗設備,架在碳纖維強化聚合物的史都華平台上

史都華平台是有六個稜柱接點並聯式機械手,其稜柱接點多半是油壓或是電子式的線性致動器英语Linear actuator,兩兩成對裝在平台的三個位置。稜柱接點的下方也是兩兩成對接在平台底盤的三個位罝,但配對會和平台的配對錯開。六個稜柱接點兩端共12個接點,都是用万向接头連接。史都華平台上方的物體的移動有六自由度,包括三個方向的移动,以及三個方向的轉動

史都華平台有許多其他的名稱。在包括飛行模擬的許多應用中,會將史都華平台稱為運動平台(motion base)[1]。有時也會稱為是六軸平台六自由度平台,原因是因為其可能運動的自由度,其自由度是因為多重致動器的組合而成。史都華平台也可以稱為協同運動平台(synergistic motion platform)因為致動器在規劃上需要協同作業。因為有六個致動器,也會稱為是hexapod,這個名稱最初是Geodetic Technology英语Geodetic Technology公司針對機床上使用史都華平台的商标[2][3]

歷史[编辑]

二個史都華平台

配置六個致動器的史都華平台最早是由英國的Eric Gough使用,在1954年開始運作[4],後來在1965年由在史都華(D Stewart)提交給英國機械工程師學會的論文中發佈[5]。1962年時,美國工程師Klaus Cappel獨立發明史都華平台,時間在史都華的論文之前。Klaus將此設計申請專利,授權給第一家飛行模擬公司,建造了第一個商業販售的八面體史都華平台運動模擬器[6]

此一機械的名稱常稱為「史都華平台」,也有些人認為"Gough–Stewart platform"的名稱比較合適,因為史都華的原始設計其實有一些差异[7],也有些人認為三位發明此機械的工程師都應該被提到[6]

致动器[编辑]

線性致动器[编辑]

工業應用的史都華平台,常會使用線性的液壓致动器,因為有簡單且唯一逆运动学的解析解,而且其強度以及加速度特性良好。

轉動致动器[编辑]

原型或低價的史都華平台會使用轉動致动器。Robert Eisele證明了轉動致动器的逆运动学也有唯一的解析解[8]

應用[编辑]

史都華平台已用在飛行模擬器、機床工具機、機械偶英语animatronics、吊車、海底研究、地震模擬、衛星天線定位、史都華平台望遠鏡英语Hexapod-Telescope、機械人、骨科手術應用中。

飛行模擬器[编辑]

漢莎航空用的史都華平台

史都華平台常用在飛行模擬器中,特別是需要六個自由度的全飛行模擬器英语full flight simulator。此應用是由Redifon公司發展的,其模擬器在1962年時可以用來模擬波音707、麥道DC-8、卡拉維爾客機、卡拉維爾CL-44、波音727維克斯子爵维克斯先锋型康维尔990C-130運輸機維克斯VC10福克F27等飛機[9]

在飛行模擬器應用中,史都華平台的酬載包括複製的座艙以及視覺顯示系統,一般會有數排,模擬受訓飛機機組人員在飛機上會看到的場景。若是大型運輸機的全飛行模擬器,酬載會到15,000公斤。

類似的平台也用在駕駛模擬器英语driving simulator中,一般會裝設在大型的X-Y平台英语X-Y table上,以模擬短程的加速。長程的加速會透過車輛往前或往後的傾斜來達成,目前也有研究在探訪如何合併這兩種效應。

Robocrane[编辑]

國家標準技術研究所(NIST)的James S. Albus開發了Robocrane,平台不是放在六個致動器上,是用六個纜線懸吊支持。

Eric Gough的輪胎測試機,是有大型致動器的史都華平台

LIDS[编辑]

NASA開發的低衝擊對接系統(Low Impact Docking System)使用了史都華平台模擬太空船對接時的動作。

CAREN[编辑]

Motek Medical發展的電腦輔助復健環境(Computer Assisted Rehabilitation Environment,簡稱CAREN)配合了虛擬實境來進行進階的生化及臨床研究[10]

泰勒空間框架[编辑]

查爾斯·泰勒博士用史都華平台開發了泰勒空間框架英语Taylor Spatial Frame[11],是用於骨外科手術的外固定器英语external fixation,用來矯正骨骼的變形及治療複雜骨折。

力學試驗[编辑]

史都華平台最早的機械應用是由Eric Gough用在機械試驗上,Eric Gough是車輛工程師,在英國伯明翰登祿普輪胎工廠工作[12]。他在1950年代發明了「通用輪胎測試機」,設備在1954年運作(Universal Tyre-Testing Machine)" (also called the "Universal Rig") in the 1950s and his platform was operational by 1954.[4]。測試機可以合併不同負載進行輸胎的力學測試。Gough在1972年過世,其測試機一直運作到1980年代末期,直到工廠結束營運拆除為止。測試機保留下來,運到伍頓附近科学博物馆的儲藏中心。

在90年代末期,研究人員再度對史都華平台的機械測試機有興趣[13],可以應用在生醫的領域(例如脊柱研究[14]),原因是要複製人類及動物複雜及大幅度的運動。在木土工程領域的地震模擬中也有類似的需求。可以用全領域的動力量測演算法控制此機器,用來研究剛性樣品上的複雜現象(例如裂紋在混凝土塊上的傳播[15]),測試設備需要可以承受大的負載,而且要可以精確的位移。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Becerra-Vargas, Mauricio; Morgado Belo, Eduardo. Application of H∞ theory to a 6 DOF flight simulator motion base. Scientific Electronic Library Online. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. [24 January 2020]. 
  2. ^ Parallel Robots - Second Edition by J.P. Merlet (p. 48)
  3. ^ Fraunhofer Research: Hexapod Robot for Spine Surgery (PDF). [2005-12-16]. (原始内容存档 (PDF)于2005-12-16). 
  4. ^ 4.0 4.1 Gough, V. E. Contribution to discussion of papers on research in Automobile Stability, Control and Tyre performance. Proc. Auto Div. Inst. Mech. Eng. 1956–1957: 392–394. 
  5. ^ Stewart, D. A Platform with Six Degrees of Freedom. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1965–1966, 180 (1, No 15): 371–386. doi:10.1243/pime_proc_1965_180_029_02. 
  6. ^ 6.0 6.1 Bonev, Ilian. The True Origins of Parallel Robots. [24 January 2020]. (原始内容存档于2020-07-04). 
  7. ^ Lazard, D.; Merlet, J. -P. The (true) Stewart platform has 12 configurations. Proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1994: 2160. ISBN 978-0-8186-5330-8. doi:10.1109/ROBOT.1994.350969. 
  8. ^ Robert Eisele. Inverse Kinematics of a Stewart Platform. [2019-04-15]. (原始内容存档于2020-11-26). 
  9. ^ 1962 | 1616 | Flight Archive. [2020-12-11]. (原始内容存档于2016-03-06). 
  10. ^ Computer Assisted Rehabilitation ENvironment (CAREN). [2020-12-11]. (原始内容存档于2015-09-05). 
  11. ^ J. Charles Taylor, M.D.. [2020-12-11]. (原始内容存档于2020-12-02). 
  12. ^ Tompkins, Eric. The History of the Pneumatic Tyre. Dunlop. 1981: 86, 91. ISBN 978-0-903214-14-8. 
  13. ^ Michopoulos, John G.; Hermanson, John C.; Furukawa, Tomonari. Towards the robotic characterization of the constitutive response of composite materials. Composite Structures. 2008, 86 (1–3): 154–164. doi:10.1016/j.compstruct.2008.03.009. 
  14. ^ Stokes, Ian A.; Gardner-Morse, Mack; Churchill, David; Laible, Jeffrey P. Measurement of a spinal motion segment stiffness matrix. Journal of Biomechanics. 2002, 35 (4): 517–521. CiteSeerX 10.1.1.492.7636可免费查阅. PMID 11934421. doi:10.1016/s0021-9290(01)00221-4. 
  15. ^ Jailin, Clément; Carpiuc, Andreea; Kazymyrenko, Kyrylo; Poncelet, Martin; Leclerc, Hugo; Hild, François; Roux, Stéphane. Virtual hybrid test control of sinuous crack (PDF). Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2017, 102: 239–256 [2020-12-11]. doi:10.1016/j.jmps.2017.03.001. (原始内容存档 (PDF)于2018-07-28). 

延伸閱讀[编辑]

外部連結[编辑]