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Stewart机构的虚拟样机设计与研究
摘要
本文对Stewart机构的虚拟样机设计与研究进行了探讨。首先介绍了Stewart机构的基本概念、结构和工作原理。然后分析了传统Stewart机构的缺点，包括过高的生产成本、重量过重以及复杂的机械结构。为此，我们提出了虚拟样机设计和研究的新方法。通过建模和仿真技术，Stewart机构的设计和测试过程可以在计算机上进行，同时也可以对机构进行优化，使其具有更好的性能和更低的成本。本文详细介绍了虚拟Stewart机构的设计方法和仿真过程，并分析了其优点和应用价值。最后，我们对未来发展方向进行了展望。
关键词：Stewart机构；虚拟样机；设计；仿真；优化
1.引言
Stewart机构的发明者康奈尔•斯图尔特（CornellA.Stewart）博士于1965年发明了这个结构，其核心原理是通过六条可伸缩滑块连接两个平行底板和一个上部平台，从而使得上部平台对于六维运动具有较好的控制能力。Stewart机构在工业领域和航空航天等领域具有广泛的应用，不仅可以用于构建稳定的机器人平台，还可以用于模拟和测试飞机、汽车和船舶等大型运动模型等。
Stewart机构是一种高性能的运动结构，具有灵活、稳定、精度高、自重小等特点。然而，传统的Stewart机构存在一些缺点，比如生产成本高、重量过大、机械结构复杂等。为了改善这些不足之处，我们提出了虚拟Stewart机构设计和研究的新方法。通过虚拟样机的设计和测试，可以减少生产成本和测试时间，并且可以更好地满足使用者的各种需求。
2.Stewart机构简介
Stewart机构是由两个平板和六条伸缩的连杆组成的六自由度运动结构，如图1所示：
图1传统Stewart机构示意图
Stewart机构主要由顶部移动平台、地面上的定位平面和连接两个平面的六个伸缩杆，构成一个空间运动闭环。移动平台可以按照三个正交坐标方向和三个正交方向的旋转运动移动，因此可以实现六个自由度运动。在传统的Stewart机构中，杆件采用圆柱形设计，滑块的接触摩擦增加了机构的稳定性。
3.传统Stewart机构的缺点
尽管Stewart机构在许多领域都表现出了出色的性能和优异的特性，但是它在某些方面存在一些缺点，这些缺点限制了它的发展和应用。下面我们将介绍一下传统Stewart机构的缺点。
3.1生产成本高
传统Stewart机构的生产成本非常高，主要原因是杆件的制造、加工和拼装费用昂贵。伸缩杆的加工和拼接需要较高的技术和人工成本，而这些成本会传递给最终消费者。
3.2重量过大
传统Stewart机构的结构过于复杂，这导致其重量和尺寸较大，因此不适用于需要小型轻量机构的应用场景。
3.3机械结构复杂
Stewart机构的机械结构相对比较复杂，由于杆件数量众多，机构总体结构设计需要精确测量和校准，往往需要施加较高的精度要求。
4.虚拟样机的设计和研究
为了解决传统Stewart机构存在的问题，我们提出了虚拟样机设计和研究的新方法。虚拟样机是一种通过模型和仿真技术构建的虚拟机构，其无需实际构建物理模型或杆件，并可以在计算机上进行设计和测试，最终使得理想的机械结构可以在虚拟样机模型上运行和优化。最终可以生成一些概念性的实际机械结构或六自由度运动结构，从而可以避免传统机械结构的生产成本高、重量过大和机械结构复杂等问题。
4.1虚拟样机设计过程
虚拟样机的设计和研究过程通常包括以下几个阶段：
4.1.1建立机构模型
在设计一个虚拟样机时，首先需要建立机构模型。将需要进行离散的连杆建立为模型，并且设置模型的属性信息，比如对于材料的属性设置、运动角度极限等。然后使用常用的CAD绘图软件进行建模和布局，在此基础上可以使用Mathcad等数学建模软件对机构的在制模型进行分析和优化。
4.1.2设计约束和工作模式
在机构的设计过程中，需要进行约束和模式的设定。这些约束和模式负责机构的稳定性和运动效率。例如，杆件的长度和角度可以用于约束连接点之间的距离和相对角度，从而确定机械的基本稳定性。通过对运动的约束，可以实现区分机械部件的运动状态，从而实现机构的自动检测和控制。
4.1.3机械运动仿真
在机构模型建立完成以后，可以通过运动仿真软件模拟机构的运动效果。该过程通常包括三步：
(1)设定初始位置和初始条件
确定各运动部位的初始状态，从而为机构模拟提供基础信息。
(2)参数仿真
通过改变被仿真机构的运动角度间隔、速度、物理属性、运动曲线等参数，模拟机构模型的运动轨迹和性能参数，并进行可行性分析，从而确定机构性能。
(3)仿真结果分析
对仿真结果进行分析，分析机构的优点和不足，从而确保模拟结果的准确性和合理性。
4.1.4机械结构优化
通过虚拟样机的设计和仿真过程，可以评估机械结构的性能，并根据仿真结果进行优化。通过参数调整和效