CN105252539A - 一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统及方法，包括三个并联分支机构，每个并联分支机构包括三相交流伺服电机、减速器、主动杆、被动杆；三相交流伺服电机安装在固定平台上，呈等边三角形分布，三相交流伺服电机连接减速器，减速器通过转动轴连接主动杆，主动杆的另一端通过转动轴连接从动杆，从动杆的另一端通过转动轴连接动平台，动平台呈等边三角形；采用增量式编码器测试主动关节位置，采用加速度传感器检测并联平台动平台和主动杆的加速度，根据主动关节位置信息和加速度信息综合设计控制器，抑制并联平台在运动过程中的振动或点定位时的自激振动。

Description

一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及3-RRR并联平台的控制，尤其涉及一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统及方法。

背景技术

并联机器人相比串联机器人具有高速度、高精度、高承载能力的应用优势，并联机器人的末端动平台可以实现高速运动、精确定位、承载大质量负载。选择并联机器人作为精密定位平台，实现高速、高精度、高效率定位。并联机器人的各个主动关节协调运动使动平台按期望轨迹运动。实际应用中并联平台存在多种非线性因素，减速器的间隙和摩擦、关节间隙、杆件的弹性变形等，由于非线性因素的影响，并联机器人在运动过程中会产生振动，3-RRR并联平台在奇异位形及附近定位时容易引发自激振动。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统及方法，解决现有技术并联平台在运动过程中或定位时的振动问题，使并联平台的运动或定位平稳、精准。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统，包括三个并联分支机构，每个并联分支机构包括一台三相交流伺服电机1、减速器2、一根主动杆4、一根从动杆6；

各个并联分支机构的三相交流伺服电机1分别安装在固定平台的三个安装孔里面，安装孔呈等边三角形分布，三相交流伺服电机1连接减速器2，减速器2安装减速器转动轴3，减速器转动轴3连接主动杆4，主动杆4的另一端通过主动杆转动轴5连接从动杆6，从动杆6的另一端通过从动杆转动轴7连接动平台8，动平台8呈等边三角形；

三个三相交流伺服电机1联合驱动主动杆4，主动杆4带动从动杆6使动平台8按照期望轨迹运动；

三相交流伺服电机1的端部安装增量式编码器，连接Dspace半物理仿真控制卡的编码器信号接口，用于检测三相交流伺服电机1实际位置；

动平台8上设有支架9，支架9上安装两个呈直线分布的三自由度加速度传感器，即，第一三自由度加速度传感器11-1和第二三自由度加速度传感器11-2，用于检测动平台8的两个平动自由度和一个转动自由度方向加速度；主动杆4上分别安装单自由度加速度传感器，即，第一单自由度加速度传感器10-1、第二单自由度加速度传感器10-2和第三单自由度加速度传感器10-3，用于检测主动杆4转动自由度方向加速度；

所述三自由度加速度传感器和单自由度加速度传感器的输出端连接电荷放大器的输入端，电荷放大器输出端连接Dspace半物理仿真控制卡的A/DC接口；三相交流伺服电机1通过伺服驱动器与Dspace半物理仿真控制卡的I/O接口连接；

所述单自由度加速度传感器安装在主动杆4、距离主动杆转动轴5轴心180mm的中心位置；

所述第一三自由度加速度传感器11-1安装在动平台8的中心，第二三自由度加速度传感器11-2安装在y轴正方向距离动平台8中心40mm的位置。

所述三自由度加速度传感器和单自由度加速度传感器，均为压电式电荷输出型加速度传感器；

上述基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：Dspace半物理仿真控制卡发送控制信号给伺服驱动器驱动三相交流伺服电机1，带动减速器2转动，通过主动杆4和被动杆6使动平台8按照预定轨迹运动；

步骤二：三相交流伺服电机1端部安装的增量式编码器实时检测主动杆4的位置，增量式编码器将信号经伺服驱动器分频后输入Dspace半物理仿真控制卡，将实际位置与期望位置作差，偏差信号经过位置闭环控制算法产生控制信号，控制信号经过Dspace半物理仿真控制卡的D/AC接口输出给伺服驱动器，驱动三相交流伺服电机1运动，使主动杆4的运动跟随期望轨迹，进而使动平台8按期望轨迹运动；

步骤三：在运动过程中或点定位时，由单自由度加速度传感器和三自由度加速度传感器分别测试主动杆4和动平台8的加速度，加速度信息反映主动杆4和动平台8的振动情况，将三相交流伺服电机1作为制动器抑制运动过程中的振动或点定位时的自激振动，实现动平台8在运动过程中或点定位时的高精度。

步骤三所述由单自由度加速度传感器和三自由度加速度传感器分别测试主动杆4和动平台8的加速度，检测过程如下：

动平台8的两个平动加速度值和一个转动角加速度值通过以下公式计算得到：

安装在动平台8中心的第一三自由度加速度传感器11-1测得x方向加速度a_x1和y方向加速度a_y1，第二三自由度加速度传感器11-2测得x方向加速度a_x2和y方向加速度a_y2，动平台中心点处的旋转角加速度为

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明采用2个三自由度加速度传感器安装在动平台上，能够解算出动平台中心2个平动自由度和1个转动自由度方向加速度，机构简单，质量轻，体积小，不影响并联平台的特性，成本低。本发明可以检测3-RRR并联平台主动杆和动平台的加速度，结合增量式编码器测量的主动关节角度，可以推导出3-RRR并联平台主动杆和动平台的实际位置、速度、加速度。本发明采用增量式编码器和加速度传感器检测3-RRR并联平台主动杆和动平台的位置、速度、加速度，这些信号经过解算作为控制信号给伺服驱动器，可以抑制运动过程中的振动或点定位时的自激振动。

本发明利用加速度传感器检测并联平台运动过程中的振动信号或点定位时的自激振动信号，具有测量精度高，采样频率高，动态响应快的优点；

本发明的基于加速度传感器的检测系统采用压电式电荷输出型加速度传感器能够在高频带宽度范围内测量振动信息，可以准确分析振动量；

综上所述，本发明的基于加速度传感器测量设备抑制并联平台振动的控制系统与方法采用两个三自由度加速度传感器安装在动平台上，能够解算出动平台中心两个平动自由度和一个转动自由度方向加速度，采用单自由度加速度传感器测量主动杆加速度，增量式编码器测量主动关节的位置，这些信号可以解算出3-RRR并联平台主动杆和动平台的实际位置、速度、加速度，进而定量分析并联平台在奇异位形及附近定位时的自激振动，分析非线性因素如减速器的间隙和摩擦、杆件的弹性形变、关节的间隙等对并联平台动力学特性的影响，进一步分析自激振动的机理；本发明的基于加速度传感器测量设备抑制并联平台振动的控制系统与方法由单自由度加速度传感器测量的主动杆振动信息经过控制算法给三相交流伺服电机施加控制信号，可以抑制并联平台运动过程中或点定位的振动，根据三自由度加速度传感器测量的动平台振动信息，可以分析振动情况，评价抑制振动的控制效果。

附图说明

图1是本发明基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统的总体结构示意图；

图2是图1的前视图；

图3是图1的俯视图；

图4是加速度传感器安装示意图；

图5是图1动平台上的2个三自由度加速度传感器安装示意图；第一三自由度加速度传感器安装在动平台的中心，第二三自由度加速度传感器安装在动平台的y轴方向，呈直线分布。

图6是图1主动杆上的单自由度加速度传感器安装示意图；

图7是基于增量式编码器测量设备抑制并联平台振动控制过程方框图；将增量式编码器的信号经过反相和滤波后作为控制信号给伺服驱动器，可以抑制自激振动。

图8是基于加速度传感器测量设备抑制并联平台振动控制过程方框图；虚线框为控制算法部分，在实际测试关节空间和工作空间的位置、速度、加速度后，可以按照机器人动力学控制方法的思路设计控制算法抑制并联平台运动时的振动或点定位时的自激振动。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至8所示，并联平台控制是控制关节空间轨迹按照期望轨迹运动，进而使工作空间轨迹按照期望轨迹运动。在三相交流伺服电机的位置控制模式下，由Dspace半物理仿真控制卡的I/O口输出脉冲信号，脉冲快慢对应速度，脉冲数量对应位置，每个脉冲至少需要两个采样周期完成，采样周期和电子齿数比决定了主动杆(主动关节)的速度和精度，进而决定了动平台的速度和精度，伺服驱动器完成三环(电流环、速度环、位置环)的控制算法，三相交流伺服电机的输出力矩由伺服驱动器计算输出；在三相交流伺服电机的力矩控制模式下，Dspace半物理仿真控制卡通过D/AC端口输出模拟电压信号，伺服驱动器将该信号转换为三相交流伺服电机的输出力矩，增量式编码器将电机位置信号反馈给伺服驱动器，伺服驱动器将位置信号进行分频处理后反馈给Dspace半物理仿真控制卡完成位置闭环控制，伺服驱动器接收到Dspace半物理仿真控制卡输出的力矩控制电压信号后进入电流环控制部，生成与控制电压信号成正比的驱动力矩，在力矩控制模式下采样周期与驱动关节的速度和精度没有直接关系。

基于增量式编码器测量部分：增量式编码器测量三相交流伺服电机位置信号反馈给伺服驱动器，伺服驱动器将位置信号进行分频处理后反馈给Dspace半物理仿真控制卡完成位置闭环控制，伺服驱动器接收到Dspace半物理仿真控制卡的模拟电压信号后进入电流环控制部，输出与模拟电压信号成正比的力矩驱动三相交流伺服电机运动，使关节按期望轨迹运动；

基于加速度传感器测量部分：加速度传感器(三自由度加速度传感器和单自由度加速度传感器)采集的电荷信号经电荷放大器转化为模拟电压信号，模拟电压信号经过A/DC转化为数字信号，数字信号经过控制算法计算得到制动器信号给伺服驱动器，抑制并联平台的振动；

利用加速度传感器测量并联平台振动信息，结构小巧，质量轻，体积小，不改变并联平台结构特征，具有较宽的测量频率带宽，精度高，采样频率高，动态响应快。

主动杆4的尺寸参数为：245mm×25mm×10mm；被动杆6的尺寸参数为：242mm×25mm×10mm，所有构件材料均为铝合金，构件表面进行氧化处理，能够绝缘。固定平台由正方形钢板、钢架结构和大理石组成，安装电机方便，隔振效果良好。每条支链有一个主动关节(主动杆转动轴3)和两个被关节(被动杆转动轴5、7)，关节均为转动关节，转动轴和轴承连接的材料为45号钢。

三相交流伺服电机1采用安川电机有限公司型号SGMAV-10ADA61的三相交流伺服电机，额定功率1000W，额定转矩3.18N.m，增量式编码器精度20位，角度分辨率360°/2²⁰＝0.000343°，工作电压200V；

三相交流伺服电机1配套使用的伺服驱动器型号SGDV-120A，最大适用容量1500W，工作电压200V；

减速器2采用广东新宝电器股份有限公司型号VRS-075B-5-K3-19DC19的减速器，减速比1:5；

单自由度加速度传感器10选用扬州英迈克测控技术有限公司型号222A50的传感器，灵敏度50pC/g，测量频率范围0.5Hz～6kHz，量程±1000g；三自由度加速度传感器11选用扬州英迈克测控技术有限公司型号243A10的传感器，灵敏度10pC/g，测量频率范围1Hz～6kHz，量程±200g；

电荷放大器采用江苏联能电子技术有限公司型号为YE5850的设备，能够将输入的电荷量转换为成等比关系的模拟电压输出，下限频率极低，最大输入电荷量为10⁶PC，输出电压范围为-10V～+10V；

德国Dspace公司的DS1103半物理仿真控制卡，与Matlab/Simulink无缝连接，利用Simulink的建模方式构建控制模型；提供36路16位A/DC接口，输入模拟电压范围-10V～+10V，8路16位D/AC接口，输出模拟电压范围-10V～+10V，配有32个数字I/O口，提供增量式编码器信号读取接口；

计算机选用研华股份有限公司的工控机，Dspace半物理仿真控制卡通过ISA总线插槽安装在里面。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统，其特征在于包括三个并联分支机构，每个并联分支机构包括一台三相交流伺服电机(1)、减速器(2)、一根主动杆(4)、一根从动杆(6)；

各个并联分支机构的三相交流伺服电机(1)分别安装在固定平台的三个安装孔里面，安装孔成等边三角形分布，三相交流伺服电机(1)连接减速器(2)，减速器(2)的轴安装减速器转动轴(3)，减速器转动轴(3)的连接主动杆(4)的一端，主动杆(4)的另一端通过主动杆转动轴(5)连接从动杆(6)的一端，从动杆(6)的另一端通过从动杆转动轴(7)，连接动平台(8)，动平台(8)呈等边三角形；

三个并联分支机构的三相交流伺服电机(1)，联合驱动主动杆(4)，由主动杆(4)带动从动杆(6)使动平台(8)按照期望轨迹运动；

三相交流伺服电机(1)的端部安装增量式编码器，连接Dspace半物理仿真控制卡的编码器信号接口，用于检测三相交流伺服电机(1)实际位置；

动平台(8)上设有支架(9)，支架(9)上安装两个呈直线分布的三自由度加速度传感器，即，第一三自由度加速度传感器(11-1)和第二三自由度加速度传感器(11-2)，用于检测动平台(8)的两个平动自由度和一个转动自由度方向加速度；主动杆(4)上分别安装单自由度加速度传感器，即，第一单自由度加速度传感器(10-1)、第二单自由度加速度传感器(10-2)和第三单自由度加速度传感器(10-3)，用于检测主动杆(4)转动自由度方向加速度；

所述三自由度加速度传感器和单自由度加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入端通过电缆连接，电荷放大器输出端连接Dspace半物理仿真控制卡的A/DC接口；三相交流伺服电机(1)通过伺服驱动器与Dspace半物理仿真控制卡的I/O接口连接。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统，其特征在于：所述单自由度加速度传感器安装在主动杆(4)、距离主动杆转动轴(5)轴心180mm的中心位置；

所述第一三自由度加速度传感器(11-1)安装在动平台(8)的中心，第二三自由度加速度传感器(11-2)安装在y轴正方向距离动平台(8)中心40mm的位置。

3.根据权利要求1所述的基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统，其特征在于：所述三自由度加速度传感器和单自由度加速度传感器，均为压电式电荷输出型加速度传感器。

4.权利要求1至3任一项所述基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：Dspace半物理仿真控制卡发送控制信号给伺服驱动器，三相交流伺服电机(1)接收到伺服驱动器输出的驱动信号后，带动减速器(2)转动，通过主动杆(4)和被动杆(6)使动平台(8)按照预定轨迹运动；

步骤二：三相交流伺服电机(1)端部安装的增量式编码器实时检测主动杆(4)的实际位置，增量式编码器将信号经伺服驱动器分频后输入Dspace半物理仿真控制卡的编码器信号接口，将实际位置与期望位置作差，偏差信号经过位置闭环控制产生控制信号，控制信号经过Dspace半物理仿真控制卡的D/AC接口输出控制信号到伺服驱动器，驱动三相交流伺服电机(1)运动，使主动杆(4)的运动精确跟随期望轨迹，进而使动平台(8)按预定轨迹运动；

步骤三：在运动过程或者点定位时，由单自由度加速度传感器和三自由度加速度传感器分别测试得到主动杆(4)和动平台(8)的加速度，加速度信息反映主动杆(4)和动平台(8)的振动情况，将三相交流伺服电机(1)作为制动器可抑制运动过程中的振动或者定位时的自激振动，实现动平台(8)在点定位或者运动过程中的高精度。

5.权利要求4所述基于加速度传感器抑制并联平台振动控制系统的控制方法，其特征在于：步骤三所述由单自由度加速度传感器和三自由度加速度传感器分别测试得到主动杆(4)和动平台(8)的加速度，检测过程如下：

动平台(8)的两个平动加速度值和一个转动角加速度值通过以下公式计算得到：

安装在动平台(8)中心的第一三自由度加速度传感器(11-1)测得x方向加速度a_x1和y方向加速度a_y1，第二三自由度加速度传感器(11-2)测得x方向加速度a_x2和y方向加速度a_y2，动平台中心点处的旋转角加速度为 $a_{\mathrm{\θ}}=\frac{a_{y2}-a_{y1}}{y_2-y_1}.$