CN107263446B - 混合驱动的冗余平面并联机构控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合驱动的冗余平面并联机构控制装置及方法，所述装置包括并联机构本体单元、检测单元和控制单元，并联机构本体单元包括动平台和三个并联分支，每个并联分支包括第一电机组件、驱动板、第二电机组件、主动杆和从动杆；检测单元包括三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器；控制单元分别与第一电机组件、第二电机组件、三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器连接。本发明通过两个电机组件混合驱动，使得并联机构在较大的空间工作，实现稳定、准确、快速的到达预设位置，并采用多个传感器检测振动信息并作为反馈信号，快速抑制并联机构的振动。

Description

混合驱动的冗余平面并联机构控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种平面并联机构控制装置，尤其是一种混合驱动的冗余平面并联机构控制装置及方法，属于平面并联机构设计及控制领域。

背景技术

并联机器人是若干个自由度的末端执行器与固定地基通过两个或两个以上的独立运动支链相连，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，但并联机构也由于其结构特点，造成工作空间小，存在奇异位形，且在运动过程中存在振动等缺点，极大的影响了并联机构的性能。

随着并联机构研究的深入，研究人员提出了治疗并联机构顽疾的一些方法，其中冗余是一种有效的方法，并联机构冗余可以分为运动学冗余和驱动冗余。运动学冗余是指驱动关节数等于机构自由度数，但大于任务自由度；驱动冗余是指机构自由度等于任务自由度，但小于驱动关节数。实际中应用最多的就是驱动冗余。驱动冗余的形式主要有种：一是不改变并联机构的原有构型，变被动关节为主动关节，二是增加冗余驱动支链，三是两者并行。

系统振动会影响运动的精准度，且容易导致系统破坏和失效，因此对平面并联机构动力特性和驱动特性的分析以及运动过程中的振动的控制显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种混合驱动的冗余平面并联机构控制装置，该装置通过两个电机组件混合驱动，使得并联机构在较大的工作空间工作，实现稳定、准确、快速的到达预设位置，并采用多个加速度传感器检测振动信息并作为反馈信号，快速抑制并联机构的振动。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的冗余平面并联机构控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

混合驱动的冗余平面并联机构控制装置，包括并联机构本体单元、检测单元和控制单元；

所述并联机构本体单元包括动平台和三个并联分支，每个并联分支包括依次连接的第一电机组件、驱动板、第二电机组件、主动杆和从动杆，所述动平台为三角形平板，动平台的三个边角处分别与三个并联分支的从动杆连接；

所述检测单元包括三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器，所述三向加速度传感器和角加速度传感器设置在动平台上，所述第一单向加速度传感器设置在驱动板上，所述第二单向加速度传感器设置在主动杆上；

所述控制单元分别与第一电机组件、第二电机组件、三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器连接。

进一步的，所述三向加速度传感器设置在动平台的中心处，所述角加速度传感器设置在距离动平台中心50mm～70mm处，且述三向加速度传感器和角加速度传感器均位于水平状态。

进一步的，所述第一单向加速度传感器设置在驱动板的中心处。

进一步的，所述第二单向加速度传感器设置在距离主动杆中心60mm～80mm处，且位于远离第二电机组件的位置上。

进一步的，所述每个并联分支中，所述第一电机组件包括伺服电机和法兰盘输出型减速器；

所述伺服电机与法兰盘输出型减速器连接，所述驱动板的一端与法兰盘输出型减速器的输出端连接，驱动板的另一端与第二电机组件连接。

进一步的，所述每个并联分支中，所述第二电机组件包括直接驱动旋转电机和法兰盘连接件；

所述直接驱动旋转电机的输出端与法兰盘连接件连接，所述主动杆的一端通过螺栓固定在法兰盘连接件上，主动杆的另一端通过转轴与从动杆的一端转动连接，所述从动杆的另一端通过转轴与动平台的一个边角处转动连接。

进一步的，所述并联机构本体单元还包括静平台，所述伺服电机和法兰盘输出型减速器通过螺栓固定在静平台上。

进一步的，所述静平台包括面板、框架和底座，所述面板、框架和底座从上到下依次连接，所述每个并联分支中，所述伺服电机的一端和法兰盘输出型减速器通过螺栓固定在面板上，伺服电机的另一端位于框架内。

进一步的，所述控制单元包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、A/D转换器、伺服电机驱动器和直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机分别与数据采集卡、运动控制卡连接，所述数据采集卡通过A/D转换器分别与三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器连接，所述运动控制卡通过伺服电机驱动器与伺服电机连接，通过直接驱动旋转电机驱动器与直接驱动旋转电机连接；

所述三向加速度传感器和角加速度传感器检测出动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，所述第一单向加速度传感器检测出驱动板的加速度信息，所述第二单向加速度传感器检测出主动杆的加速度信息，这些信息经过A/D转换器进行A/D转换，输入到数据采集卡内，再输入到计算机内进行处理；

计算机根据动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，以及驱动板的加速度信息，计算得到控制量，将控制量输送到伺服电机驱动器中，驱动伺服电机转动，以抑制驱动板的振动；

计算机根据动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，以及主动杆的加速度信息，计算得到控制量，将控制量输送到直接驱动旋转电机驱动器中，驱动直接驱动旋转电机转动，以抑制主动杆的振动。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述装置的冗余平面并联机构控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、根据给定的动平台的目标位置和位姿，计算机计算出运动量，输送给运动控制卡，运动控制卡分别发送指令给伺服电机驱动器和直接驱动旋转电机驱动器，驱动伺服电机和直接驱动旋转电机转动，带动驱动板、主动杆和从动杆运动，使得动平台以给定位姿运动到目标位置；

步骤二、在并联机构本体单元的运动和振动过程中，动平台上的三向加速度传感器和角加速度传感器实时检测出动平台的振动信息，驱动板上的第一单向加速度传感器实时测得驱动板的振动信息，主动杆上的第二单向加速度传感器实时测得主动杆的振动信息，将检测的振动信息通过A/D转换器转换，输入到数据采集卡内，再输入到计算机内进行处理；

步骤三、计算机根据步骤二中检测的振动信息，通过控制算法计算出控制量，通过运动控制卡将控制量分别输出到伺服电机驱动器和直接驱动旋转电机驱动器，驱动伺服电机和直接驱动旋转电机转动，以抑制驱动板以及主动杆的振动，从而实现动平台的振动控制；

步骤四、反复试验，修改控制参数，获得不同的控制效果，进行分析和比较，最终得到最好的控制效果。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明在3-RRR(旋转-旋转-旋转分支)平面并联机构的基础上进行改造，形成3-RRRR(旋转-旋转-旋转-旋转分支)平面并联机构，具体在每个并联分支上增加了一个驱动关节，该驱动关节由一个电机组件和一个驱动板组成，即每个并联分支上拥有两个驱动关节，而动平台只有水平移动和转动共三个自由度，所以整个并联机构是驱动冗余的，极大的改善了3-RRR平面并联机构工作空间小，存在奇异位形等缺点，且使得并联机构运动更加的灵活；同时，采用了多传感器融合系统，在动平台上设置三向加速度传感器和角加速度传感器，在驱动板和主动杆上分别设置单向加速度传感器，根据这几个传感器检测的振动信息，抑制驱动板以及主动杆的振动，从而实现动平台的振动控制。

2、本发明采用伺服电机对驱动板进行驱动，采用直接驱动旋转电机对主动杆进行驱动，通过伺服电机和直接驱动旋转电机进行协调控制，可以研究不同的控制策略，实现平面并联机构的有效振动控制；此外，直接驱动控制电机驱动不含减速器，消除传动机构的影响，在驱动过程中摩擦很小、运动平稳，所以驱动和控制效果更好，而伺服电机连接减速器进行驱动中，由于间隙所引起的误差可通过直接驱动旋转电机进行补偿，使得平面并联机构控制更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例1的冗余平面并联机构控制装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的冗余平面并联机构控制装置中并联机构本体单元的俯视图。

图3为本发明实施例1的冗余平面并联机构控制装置中并联机构本体单元的左视图。

图4为本发明实施例1的冗余平面并联机构控制装置中动平台安装三向加速度传感器和角加速度传感器的结构示意图。

图5为本发明实施例1的冗余平面并联机构控制装置中驱动板和主动杆安装单向加速度传感器的结构示意图。

其中，1-动平台，2-静平台，3-面板，4-框架，5-底座，6-驱动板，7-主动杆，8-从动杆，9-伺服电机，10-法兰盘输出型减速器，11-直接驱动旋转电机，12-法兰盘连接件，13-三向加速度传感器，14-角加速度传感器，15-第一单向加速度传感器，16-第二单向加速度传感器，17-计算机，18-数据采集卡，19-运动控制卡，20-A/D转换器，21-伺服电机驱动器，22-直接驱动旋转电机驱动器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种混合驱动的冗余平面并联机构控制装置，该装置包括并联机构本体单元、检测单元和控制单元；图1中的虚线连接表示电信号与并联机构本体单元的连接图，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向；

所述并联机构本体单元包括动平台1、静平台2和三个并联分支；

所述动平台1为三角形平板，本实施例优选采用等边三角形平板，在三个边角处有三个孔，三个边角处分别通过转轴与三个并联分支连接。

所述静平台2包括面板3、框架4和底座5，面板3、框架4和底座5从上到下依次连接，其中面板3为正方形钢板，框架4为钢架结构，底座5由大理石支制成，整个静平台稳定性强，隔振效果良好。

每个并联分支包括第一电机组件、驱动板6、第二电机组件、主动杆7和从动杆8，第一电机组件包括伺服电机9和法兰盘输出型减速器10，第二电机组件包括直接驱动旋转电机11和法兰盘连接件12，伺服电机9与法兰盘输出型减速器10连接，驱动板6的一端与法兰盘输出型减速器10的输出端连接，驱动板6的另一端与直接驱动旋转电机11连接，直接驱动旋转电机11的输出端与法兰盘连接件12连接，主动杆7的一端直接嵌入到法兰盘连接件12的键槽里，再通过螺栓固定在法兰盘连接件12上，主动杆7的另一端通过转轴与从动杆8的一端转动连接，从动杆8的另一端通过转轴与动平台1的一个边角处转动连接；伺服电机9和驱动旋转电机11驱动后，带动驱动板6、主动杆7和从动杆8运动，从而使动平台1运动。

在本实施例中，主动杆7的尺寸参数：260mm×25mm×10mm，从动杆8的尺寸参数为：214mm×25mm×10mm，所有材料均为铝合金，构件表面进行氧化处理，能够绝缘；伺服电机9和法兰盘输出型减速器10通过螺栓固定在静平台2上，具体为：伺服电机9的一端和法兰盘输出型减速器10通过螺栓固定在静平台2的面板3上，伺服电机9的另一端位于静平台2的框架4内；伺服电机9采用安川电机有限公司的三相交流伺服电机，型号为：SGMAV-08ADA61，额定功率750W，工作电压为200V，增量式编码器精度是20位，法兰盘输出型减速器10采用的是德国的纽卡特公司生产的法兰盘输出减速器，型号为PLFN-90，减速比为1:5；直接驱动旋转电机11采用的是新加坡的雅科贝思生产的电机，型号为ADR110-A98，额定转矩4.2Nm，额定转速119rpm，直接驱动旋转电机11因为其低速大扭矩、高精度定位、高响应速度、结构简单，减小机械损耗、低噪声、少维护等独有的特点，被广泛应用于各行各业；转轴采用的材料为45号钢。

所述检测单元包括三向加速度传感器13、角加速度传感器14、第一单向加速度传感器15和第二单向加速度传感器16；

如图4所示，三向加速度传感器13和角加速度传感器14安装在动平台1上，具体地，三向加速度传感器13位于动平台1的中心处，角加速度传感器14在距离动平台中心60mm处，且述三向加速度传感器13和角加速度传感器14均位于水平状态，三向加速度传感器13和角加速度传感器14用于检测动平台1的平动加速度信息和转动加速度信息；

如图5所示，第一单向加速度传感器15安装在驱动板6上，具体地，第一单向加速度传感器15位于驱动板6的中心处，第一单向加速度传感器15用于检测驱动板6的加速度信息；

如图5所示，第二单向加速度传感器16安装在主动杆7，具体地，第二单向加速度传感器16位于距离主动杆7中心70mm处，且位于远离第二电机组件(直接驱动旋转电机11和法兰盘连接件12)的位置上，第二单向加速度传感器16用于检测主动杆7的加速度信息。

在本实施例中，三向加速度传感器13的型号为8688A10，测量频率范围0.5-3000Hz，灵敏度为500mV/g，量程±10g；角加速度传感器14的型号为8838，测量频率范围1-2000Hz，测量范围为±150krads/s2，灵敏度：35μV/rad/s2；第一单向加速度传感器15和第二单向加速度传感器16的型号为8640A10，测量频率范围0.5-3000Hz；灵敏度为500mV/g，量程为±10g。

所述控制单元包括计算机17、数据采集卡18、运动控制卡19、A/D转换器20、伺服电机驱动器21和直接驱动旋转电机驱动器22，计算机17分别与数据采集卡18、运动控制卡19连接，数据采集卡18通过A/D转换器20分别与三向加速度传感器13、角加速度传感器14、第一单向加速度传感器15和第二单向加速度传感器16连接，运动控制卡19通过伺服电机驱动器21与伺服电机9连接，通过直接驱动旋转电机22驱动器与直接驱动旋转电机11连接。

三向加速度传感器13和角加速度传感器14检测出动平台1的平动加速度信息和转动加速度信息，第一单向加速度传感器15检测出驱动板6的加速度信息，第二单向加速度传感器16检测出主动杆7的加速度信息，这些信息经过A/D转换器20进行A/D转换，输入到数据采集卡内，再输入到计算机17内进行处理；

计算机17根据动平台1的平动加速度信息和转动加速度信息，以及驱动板6的加速度信息，通过控制算法计算得到控制量，将控制量输送到伺服电机驱动器21中，驱动伺服电机9转动，以抑制驱动板6的振动；

计算机17根据动平台1的平动加速度信息和转动加速度信息，以及主动杆7的加速度信息，通过控制算法计算得到控制量，将控制量输送到直接驱动旋转电机驱动器22中，驱动直接驱动旋转电机11转动，以抑制主动杆7的振动。

在本实施例中，计算机17的CPU型号为intel-Core i74790，频率为3.6Hz，内存4G；数据采集卡18的型号为北京阿尔泰科技有限公司生产的PCI－8193；运动控制卡19为美国DELTA TAU公司PMAC卡系列的PMAC2，首先对驱动器模式、电子齿轮比，还有PMAC2卡I变量进行配置，所采用的运动模式为位置控制模式，驱动器负载设为中，对应值为1，刚度为中性，值为3，电子齿轮比设为每一个脉冲对应电机转动0.04°；伺服电机驱动器21与三相交流伺服电机配套使用，型号为：SGDV-5R5A01A，最大适用容量为1000W，工作电压200V。

本实施例的冗余平面并联机构控制装置在3-RRR(旋转-旋转-旋转分支)平面并联机构的基础上进行改造形成3-RRRR(旋转-旋转-旋转-旋转分支)平面并联机构，具体在每个并联分支上增加了一个驱动关节，即拥有两个驱动关节，动平台1只有水平移动和转动共三个自由度，所以并联机构是驱动冗余的，因此并联机构的工作空间增大，运动更加灵活，且可消除奇异位形。

如图1～图5所示，本实施例还提供了一种冗余平面并联机构控制方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、根据给定的动平台1的目标位置和位姿，计算机17计算出运动量，输送给运动控制卡19，运动控制卡19分别发送指令给伺服电机驱动器9和直接驱动旋转电机驱动器11，驱动伺服电机9和直接驱动旋转电机11转动，带动驱动板6、主动杆7和从动杆8运动，使得动平台1以给定位姿运动到目标位置；

步骤二、在并联机构本体单元的运动和振动过程中，动平台1上的三向加速度传感器13和角加速度传感器14实时检测出动平台的振动信息，驱动板6上的第一单向加速度传感器15实时测得驱动板的振动信息，主动杆7上的第二单向加速度16传感器实时测得主动杆7的振动信息，将检测的振动信息通过A/D转换器20转换，输入到数据采集卡18内，再输入到计算机17内进行处理；

步骤三、计算机17根据步骤二中检测的振动信息，通过控制算法计算出控制量，通过运动控制卡19将控制量分别输出到伺服电机驱动器21和直接驱动旋转电机驱动器22，驱动伺服电机21和直接驱动旋转电机22转动，以抑制驱动板6以及主动杆7的振动，从而实现动平台1的振动控制；

步骤四、反复试验，修改控制参数，获得不同的控制效果，进行分析和比较，最终得到最好的控制效果。

实施例2：

本实施例的主要特点是：所述动平台1上的角加速度传感器14还可以安装在距离动平台中心50mm或70mm处。其余同实施例1。

实施例3：

本实施例的主要特点是：所述主动杆7上的第二单向加速度传感器16还可以安装在距离主动杆7中心60mm或80mm处，且位于远离第二电机组件(直接驱动旋转电机11和法兰盘连接件12)的位置上。其余同实施例1。

综上所述，本发明在3-RRR(旋转-旋转-旋转分支)平面并联机构的基础上进行改造，形成3-RRRR(旋转-旋转-旋转-旋转分支)平面并联机构，具体在每个并联分支上增加了一个驱动关节，该驱动关节由一个电机组件和一个驱动板组成，即每个并联分支上拥有两个驱动关节，而动平台只有水平移动和转动共三个自由度，所以整个并联机构是驱动冗余的，极大的改善了3-RRR平面并联机构工作空间小，存在奇异位形等缺点，且使得并联机构运动更加的灵活；同时，采用了多传感器融合系统，在动平台上设置三向加速度传感器和角加速度传感器，在驱动板和主动杆上分别设置单向加速度传感器，根据这几个传感器检测的振动信息，抑制驱动板以及主动杆的振动，从而实现动平台的振动控制。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.混合驱动的冗余平面并联机构控制装置，其特征在于：包括并联机构本体单元、检测单元和控制单元；

所述并联机构本体单元包括动平台、静平台和三个并联分支，每个并联分支包括依次连接的第一电机组件、驱动板、第二电机组件、主动杆和从动杆，所述动平台为三角形平板，动平台的三个边角处分别与三个并联分支的从动杆连接，所述第一电机组件包括伺服电机和法兰盘输出型减速器，所述第二电机组件包括直接驱动旋转电机和法兰盘连接件；所述伺服电机与法兰盘输出型减速器连接，所述驱动板的一端与法兰盘输出型减速器的输出端连接，驱动板的另一端与第二电机组件连接；所述直接驱动旋转电机的输出端与法兰盘连接件连接，所述主动杆的一端通过螺栓固定在法兰盘连接件上，主动杆的另一端通过转轴与从动杆的一端转动连接，所述从动杆的另一端通过转轴与动平台的一个边角处转动连接；所述静平台包括面板、框架和底座，所述面板、框架和底座从上到下依次连接，所述每个并联分支中，所述伺服电机的一端和法兰盘输出型减速器通过螺栓固定在面板上，伺服电机的另一端位于框架内；

所述检测单元包括三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器，所述三向加速度传感器和角加速度传感器设置在动平台上，所述第一单向加速度传感器设置在驱动板的中心处，所述第二单向加速度传感器设置在主动杆上；

所述控制单元分别与第一电机组件、第二电机组件、三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器连接。

2.根据权利要求1所述的混合驱动的冗余平面并联机构控制装置，其特征在于：所述三向加速度传感器设置在动平台的中心处，所述角加速度传感器设置在距离动平台中心50mm~70mm处，且述三向加速度传感器和角加速度传感器均位于水平状态。

3.根据权利要求1所述的混合驱动的冗余平面并联机构控制装置，其特征在于：所述第二单向加速度传感器设置在距离主动杆中心60mm~80mm处，且位于远离第二电机组件的位置上。

4.根据权利要求1所述的混合驱动的冗余平面并联机构控制装置，其特征在于：所述控制单元包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、A/D转换器、伺服电机驱动器和直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机分别与数据采集卡、运动控制卡连接，所述数据采集卡通过A/D转换器分别与三向加速度传感器、角加速度传感器、第一单向加速度传感器和第二单向加速度传感器连接，所述运动控制卡通过伺服电机驱动器与伺服电机连接，通过直接驱动旋转电机驱动器与直接驱动旋转电机连接；

所述三向加速度传感器和角加速度传感器检测出动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，所述第一单向加速度传感器检测出驱动板的加速度信息，所述第二单向加速度传感器检测出主动杆的加速度信息，这些信息经过A/D转换器进行A/D转换，输入到数据采集卡内，再输入到计算机内进行处理；

计算机根据动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，以及驱动板的加速度信息，计算得到控制量，将控制量输送到伺服电机驱动器中，驱动伺服电机转动，以抑制驱动板的振动；

计算机根据动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，以及主动杆的加速度信息，计算得到控制量，将控制量输送到直接驱动旋转电机驱动器中，驱动直接驱动旋转电机转动，以抑制主动杆的振动。

5.基于权利要求4所述装置的冗余平面并联机构控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、根据给定的动平台的目标位置和位姿，计算机计算出运动量，输送给运动控制卡，运动控制卡分别发送指令给伺服电机驱动器和直接驱动旋转电机驱动器，驱动伺服电机和直接驱动旋转电机转动，带动驱动板、主动杆和从动杆运动，使得动平台以给定位姿运动到目标位置；

步骤二、在并联机构本体单元的运动和振动过程中，动平台上的三向加速度传感器和角加速度传感器实时检测出动平台的振动信息，驱动板上的第一单向加速度传感器实时测得驱动板的振动信息，主动杆上的第二单向加速度传感器实时测得主动杆的振动信息，将检测的振动信息通过A/D转换器转换，输入到数据采集卡内，再输入到计算机内进行处理；

步骤三、计算机根据步骤二中检测的振动信息，通过控制算法计算出控制量，通过运动控制卡将控制量分别输出到伺服电机驱动器和直接驱动旋转电机驱动器，驱动伺服电机和直接驱动旋转电机转动，以抑制驱动板以及主动杆的振动，从而实现动平台的振动控制；

步骤四、反复试验，修改控制参数，获得不同的控制效果，进行分析和比较，最终得到最好的控制效果。