雙五桿機構驅動的平面並聯機構控制裝置及方法與流程

2023-05-29 17:24:11 3

本發明涉及一種平面並聯機構控制裝置，尤其是一種雙五桿機構驅動的平面並聯機構控制裝置及方法，屬於平面並聯機構設計及控制領域。

背景技術：

並聯機器人是若干個自由度的末端執行器與固定地基通過兩個或兩個以上的獨立運動支鏈相連，並聯機器人相比串聯機器人具有高速度、高精度、高承載能力的應用優勢，並聯機器人的末端動平臺可以實現高速運動、精確定位、承載大質量負載，但並聯機構也由於其結構特點，造成工作空間小，存在奇異位形，且在運動過程中存在振動等缺點，極大的影響了並聯機構的性能。

冗餘驅動方法是目前提出的減少或消除奇異的一種有效方法，該方法有兩種實現方式：1)在正常機構的基礎上將一部分被動關節變為主動關節，2)在保證機構自由度不變的前提下增加新的支鏈，並在該支鏈上引入冗餘驅動。前一種方式雖然簡單，但由於在被動關節上添加驅動器會增大系統的慣性，從而影響機構動力學性能；後一種方式由於引入新的支鏈，無疑也增加了機構的複雜性，但該方法可以較容易地將驅動器安裝在固定基座上，可保機構的對稱性，並且還能解決運動學正解複雜和多解的問題，所以引入新支鏈的冗餘驅動方法相比較來說更具優越性。對於如何引入新的支鏈，引入何種支鏈，是消除奇異等問題的關鍵。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種雙五桿機構驅動的平面並聯機構控制裝置，該裝置將兩個平面五桿機構作為主動運動支鏈，通過直接驅動轉動電機進行驅動，以及利用加速度傳感器進行閉環反饋，因此具有控制精度高、閉環控制響應快、消除並聯機構奇異性等優點。

本發明的另一目的在於提供一種基於上述裝置的平面並聯機構控制方法。

本發明的目的可以通過採取如下技術方案達到：

雙五桿機構驅動的平面並聯機構控制裝置，包括平面並聯機構本體和控制單元，所述平面並聯機構本體包括動平臺、被動運動支鏈和兩個平面五桿機構；

所述動平臺為三角形平板，其設有兩個三軸加速度傳感器；

每個平面五桿機構包括兩個直接驅動旋轉電機、兩個主動杆和兩個從動杆，所述兩個直接驅動旋轉電機的內部均帶有增量式編碼器，所述兩個主動杆的一端分別與兩個直接驅動旋轉電機連接，兩個主動杆的另一端分別與兩個從動杆的一端轉動連接，所述兩個從動杆的另一端與動平臺的一個邊角處轉動連接；

所述被動運動支鏈包括軸承組件和兩個被動杆，一個被動杆的一端與軸承組件固定連接，另一端與另一個被動杆的一端轉動連接，另一個被動杆的另一端與動平臺的一個邊角處轉動連接；

所述控制單元分別與三軸加速度傳感器、直接驅動旋轉電機連接。

進一步的，所述兩個三軸加速度傳感器分別為第一三軸加速度傳感器和第二三軸加速度傳感器，所述第一三軸加速度傳感器安裝在動平臺的中心處，所述第二三軸加速度傳感器安裝在距離動平臺中心30mm～50mm處，且第一三軸加速度傳感器和第二三軸加速度傳感器位於水平狀態。

進一步的，所述每個平面五桿機構中，所述兩個主動杆分別為第一主動杆和第二主動杆，所述兩個從動杆分別為第一從動杆和第二從動杆；

所述第一主動杆和第二主動杆位於同一平面，所述第一從動杆位於第一主動杆的上方，所述第二從動杆位於第二主動杆的下方，所述動平臺位於第一從動杆和第二從動杆的中間。

進一步的，所述被動運動支鏈中，所述兩個被動杆分別為被動一級杆和被動二級杆；

所述被動一級杆與第一主動杆、第二主動杆位於同一平面，所述被動二級杆與第一從動杆位於同一平面，被動一級杆的一端與軸承組件固定連接，被動一級杆的另一端與被動二級杆的一端轉動連接，被動二級杆的另一端與動平臺的一個邊角處轉動連接。

進一步的，所述被動運動支鏈中，所述軸承組件包括軸承套筒和軸承座；

所述軸承套筒的轉軸端插入到軸承座內，所述被動一級杆的一端與軸承套筒固定連接，被動一級杆的另一端通過轉軸與被動二級杆的一端鉸接在一起，被動二級杆的另一端通過轉軸與動平臺的一個邊角處鉸接在一起。

進一步的，所述每個平面五桿機構還包括兩個法蘭盤連接件，兩個直接驅動旋轉電機分別與兩個法蘭盤連接件連接，所述兩個主動杆的一端分別通過螺釘固定在兩個法蘭盤連接件上，兩個主動杆的另一端分別通過轉軸與兩個從動杆的一端鉸接在一起，所述兩個從動杆的另一端通過轉軸與動平臺的一個邊角處轉動鉸接在一起。

進一步的，所述控制單元包括計算機、數據採集卡、運動控制卡、a/d轉換電路和直接驅動旋轉電機伺服單元，所述計算機分別與數據採集卡、運動控制卡連接，所述數據採集卡通過a/d轉換電路與三軸加速度傳感器連接，所述運動控制卡通過直接驅動旋轉電機伺服單元與直接驅動旋轉電機連接；

兩個三軸加速度傳感器檢測出動平臺的平動加速度信息和轉動加速度信息，經過a/d轉換電路進行a/d轉換，保存在數據採集卡中，由計算機進行調用和處理；

直接驅動旋轉電機內部的增量式編碼器檢測出電機軸的位置信息，經過直接驅動旋轉電機伺服單元和運動控制卡進行相關處理，並反饋給計算機，由計算機進行控制量的計算。

進一步的，所述平面並聯機構本體還包括靜平臺，所述靜平臺為方形型材座，底部具有四個支撐腳，每兩個相鄰的支撐腳之間安裝一橫向支架；

一個平面五桿機構的兩個直接驅動旋轉電機與另一個平面五桿機構的兩個直接驅動旋轉電機關於靜平臺頂部平面的中心線對稱，每個平面五桿機構還包括兩個電機底座，每個直接驅動旋轉電機通過一個電機底座固定在靜平臺上；

所述被動運動支鏈的軸承組件固定在靜平臺上。

本發明的另一目的可以通過採取如下技術方案達到：

基於上述裝置的平面並聯機構控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、根據給定的軌跡、目標位置以及動平臺位姿，在計算機內進行運動學逆解，得到每個電機軸的輸出量，計算機通過運動控制卡將控制量輸出到直接驅動旋轉電機伺服單元，控制直接驅動旋轉電機轉動，從而使動平臺運動；

步驟二、在動平臺的運動過程中，動平臺上的兩個三軸加速度傳感器實時測得動平臺的平動加速度信息和轉動加速度信息，這些運動信息經過a/d轉換電路進行a/d轉換，保存在數據採集卡中，由計算機進行調用和處理；

同時，直接驅動旋轉電機內部的增量式編碼器檢測出電機軸的位置信息，經過直接驅動旋轉電機伺服單元和運動控制卡進行相關處理，並反饋給計算機；

步驟三、計算機根據步驟二獲得的動平臺的運動信息和電機軸的位置信息，通過控制算法計算出控制信號，控制信號首先通過運動控制卡，然後輸出到直接驅動旋轉電機伺服單元，驅動直接驅動旋轉電機的轉動，進而控制動平臺按期望軌跡運動到指定位置；

步驟四、反覆試驗，修改控制參數，使得控制精度達到預期的要求。

進一步的，步驟二中，所述動平臺上的兩個三軸加速度傳感器實時測得動平臺的平動加速度信息和轉動加速度信息，具體如下：

兩個三軸加速度傳感器分別為第一三軸加速度傳感器和第二三軸加速度傳感器，所述第一三軸加速度傳感器安裝在動平臺的中心處，所述第二三軸加速度傳感器安裝在距離動平臺中心30mm～50mm處；

第一三軸加速度傳感器測得x方向加速度ax1和y方向加速度ay1，第二三軸加速度傳感器測得x方向加速度ax2和y方向加速度ay2，則動平臺中心處x方向的加速度動平臺中心處y方向的加速度動平臺中心處的轉動加速度為其中d為第二三軸加速度傳感器與動平臺中心之間的距離。

本發明相對於現有技術具有如下的有益效果：

1、本發明在平面3-rrr(旋轉-旋轉-旋轉分支)並聯機構的基礎上，在其中兩個並聯支鏈中分別引入新的支鏈構成平面五桿機構，作為主動運動支鏈，第三個並聯支鏈作為被動運動支鏈，由於平面五桿機構的結構特點，它們對動平臺的的驅動力不會同時與兩個複合鉸點的連線平行，所以可消除平面並聯機構的奇異性問題；平面五桿機構的主動杆採用直接驅動旋轉電機進行驅動，不含減速器，可以消除傳動機構的影響，直接驅動旋轉電機在驅動過程中摩擦很小、運動平穩，所以驅動和控制效果更好；動平臺上設置了兩個三軸加速度傳感器，採用兩個三軸加速度傳感器在末端測量動平臺的運動信息，形成一個全閉環反饋電路，根據反饋的信息可以實現對動平臺運動的精準控制，從而穩定、準確、快速的到達指定位置。

2、本發明的平面五桿機構，使得整個平面並聯機構的運動學正逆解更加簡單，提高了整個平面並聯機構的操作性能，但不會損失末端動平臺的自由度。

3、本發明的兩個平面五桿機構都採用兩個直接驅動旋轉電機，結合控制單元，即有四套電機系統，而末端平臺只有三個自由度，形成驅動冗餘，可以使得控制更加靈活。

4、本發明可以根據實際需要，合理設計平面五桿機構的主動杆和從動杆的長度，避免出現兩桿平行的情況，導致平面並聯機構的奇異構型。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的平面並聯機構控制裝置總體結構示意圖。

圖2為本發明實施例1的平面並聯機構控制裝置中平面並聯機構本體的俯視圖。

圖3為本發明實施例1的平面並聯機構控制裝置中平面並聯機構本體的左視圖。

圖4為本發明實施例1的平面並聯機構控制裝置中動平臺安裝三軸加速度傳感器的結構示意圖。

圖5為本發明實施例1的平面並聯機構控制裝置中平面五桿機構的結構示意圖。

圖6為本發明實施例1的平面並聯機構控制裝置中被動運動支鏈的結構示意圖。

圖7為本發明實施例1的平面並聯機構控制裝置中動平臺的加速度求解圖。

其中，1-動平臺，2-靜平臺，3-第一三軸加速度傳感器，4-第二三軸加速度傳感器，5-支撐腳，6-橫向支架，7-第一直接驅動旋轉電機，8-第二直接驅動旋轉電機，9-第一電機底座，10-第二電機底座，11-第一主動杆，12-第二主動杆，13-第一法蘭盤連接件，14-第二法蘭盤連接件，15-第一從動杆，16-第二從動杆，17-被動一級杆，18-被動二級杆，19-軸承套筒，20-軸承座，21-計算機，22-數據採集卡，23-運動控制卡，24-a/d轉換電路，25-直接驅動旋轉電機伺服單元。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例1：

如圖1～圖3所示，本實施例提供了一種雙五桿機構驅動的平面並聯機構控制裝置，該裝置包括平面並聯機構本體和控制單元，所述平面並聯機構本體包括動平臺1、靜平臺2、被動運動支鏈和兩個平面五桿機構，圖1中的虛線連接表示電信號與平面並聯機構本體的連接圖，方向箭頭表明了檢測和控制信號流的傳遞方向；

如圖1～圖4所示，所述動平臺1為三角形平板，本實施例優選採用等邊三角形平板，在三個邊角處有三個孔，三個邊角處分別通過轉軸與被動運動支鏈、兩個平面五桿機構連接，在動平臺1上安裝有第一三軸加速度傳感器3和第二三軸加速度傳感器4，第一三軸加速度傳感器3安裝在動平臺1的中心處，第二三軸加速度傳感器4安裝在距離動平臺1中心40mm處，且第一三軸加速度傳感器3和第二三軸加速度傳感器4位於水平狀態，第一三軸加速度傳感器3和第二三軸加速度傳感器4用於檢測動平臺1的平動加速度信息和轉動加速度信息；

在本實施例中，第一三軸加速度傳感器3和第二三軸加速度傳感器4均採用kistler公司的電容式傳感器，其型號為8395a010at，靈敏度為400mv/g，量程為±10g，因為其內部有放大電路，需要外接電源供電。

所述靜平臺2為方形型材座，用於支撐整個平面並聯機構本體，底部具有四個支撐腳5，每兩個相鄰的支撐腳5之間安裝一橫向支架6；

如圖1～圖3、圖5所示，每個平面五桿機構包括第一直接驅動旋轉電機7、第二直接驅動旋轉電機8、第一電機底座9、第二電機底座10、第一主動杆11、第二主動杆12、第一法蘭盤連接件13、第二法蘭盤連接件14、第一從動杆15和第二從動杆16，第一直接驅動旋轉電機7通過第一電機底座9固定在靜平臺2上，並與第一法蘭盤連接件13連接，第一主動杆11的一端通過螺釘固定在第一法蘭盤連接件13上，另一端通過轉軸與第一從動杆15的一端鉸接在一起；同理，第二直接驅動旋轉電機8通過第二電機底座10固定在靜平臺2上，並與第二法蘭盤連接件14連接，第二主動杆12的一端通過螺釘固定在第二法蘭盤連接件14上，另一端通過轉軸與第二從動杆16的一端鉸接在一起；第一主動杆11、第二從動杆16的另一端通過轉軸與動平臺1的一個邊角處鉸接在一起，構成複合鉸鏈結構；第一直接驅動旋轉電機7驅動，依次帶動第一主動杆11和第一從動杆15運動，同時第二直接驅動旋轉電機5驅動，依次帶動第二主動杆9和第二從動杆16運動，進而使動平臺1運動，而被動運動支鏈則是動平臺1的運動下被迫運動，起到約束和承載的作用。

在本實施例中，第一主動杆11和第二主動杆12位於同一平面，第一從動杆15位於第一主動杆11的上方，第二從動杆16位於第二主動杆12的下方，動平臺1位於第一從動杆15和第二從動杆16的中間；第一直接驅動旋轉電機7和第二直接驅動旋轉電機8採用的是新加坡的雅科貝思生產的電機，型號為adr135-a90，額定轉矩5.2nm，額定轉速147rpm，直接驅動旋轉電機除延續了伺服電機的特性外，因為其低速大扭矩、高精度定位、高響應速度、結構簡單，減小機械損耗、低噪聲、少維護等獨有的特點，被廣泛應用於各行各業；一個平面五桿機構的兩個直接驅動旋轉電機與另一個平面五桿機構的兩個直接驅動旋轉電機關於靜平臺2頂部平面的中心線對稱。

如圖1～圖3、圖6所示，所述被動運動支鏈包括軸承組件、被動一級杆17和被動二級杆18，所述軸承組件包括軸承套筒19和軸承座20，軸承套筒19的轉軸端插入到軸承座20內，被動一級杆17的一端與軸承套筒19固定連接，另一端通過轉軸與被動二級杆18的一端鉸接在一起，被動二級杆18的另一端通過轉軸與動平臺1的一個邊角處鉸接在一起。

在本實施例中，被動一級杆17與第一主動杆11、第二主動杆12位於同一平面，所述被動二級杆18與第一從動杆15位於同一平面，在動平臺1運動時，依次帶動被動二級杆18、被動一級杆17運動。

所述控制單元包括計算機21、數據採集卡22、運動控制卡23、a/d轉換電路24和直接驅動旋轉電機伺服單元25，計算機21分別與數據採集卡22、運動控制卡23連接，所述數據採集卡22通過a/d轉換電路24與第一三軸加速度傳感器3、第二三軸加速度傳感器4連接，所述運動控制卡23通過直接驅動旋轉電機伺服單元25與每個平面五桿機構的第一直接驅動旋轉電機7、第二直接驅動旋轉電機8連接。

第一三軸加速度傳感器3、第二三軸加速度傳感器4檢測出動平臺1的平動加速度信息和轉動加速度信息，經過a/d轉換電路24進行a/d轉換，保存在數據採集卡中，由計算機進行調用和處理；每個平面五桿機構的第一直接驅動旋轉電機7、第二直接驅動旋轉電機8內部的增量式編碼器檢測出電機軸的位置信息，經過直接驅動旋轉電機伺服單元25和運動控制卡23進行相關處理，並反饋給計算機21，由計算機21進行控制量的計算。

在本實施例中，數據採集卡22的型號為北京阿爾泰科技有限公司生產的pci－8193；計算機21選用cpu型號為intel-corei74790，頻率為3.6hz，內存4g的計算機；運動控制卡23為美國deltatau公司pmac卡系列的pmac2，首先對驅動器模式、電子齒輪比，還有pmac2卡i變量進行配置，所採用的運動模式為位置控制模式，驅動器負載設為中，對應值為1，剛度為中性，值為3，電子齒輪比設為每一個脈衝對應電機轉動0.04°。

本實施例的平面並聯機構控制裝置，相比於平面3-rrr並聯機構，它在其中兩個並聯支鏈中分別引入新的支鏈，構成平面五桿機構，第三個並聯支鏈由主動變成被動(被動運動支鏈)，但並沒有改變機構的自由度，仍然具有三個自由度，即兩個水平方向自由度和一個轉動方向自由度，而驅動電機有四個(每個平面五桿機構各有兩個)，所以形成了驅動冗餘，使該機構冗餘度增加，控制更加靈活；採用平面五桿機構，由於平面五桿機構本身的特點，使得整個裝置的運動學正解和反解都較為容易，所以整個裝置的可操作性更高；另外，由於平面五桿機構的結構特點，它們對動平臺的的驅動力不會同時跟兩個複合鉸點的連線平行，所以可消除並聯機構的奇異性問題；同時，平面五桿機構的主動杆利用直接驅動旋轉電機作為驅動器，不需要經過減速器等中間傳動機構，減少了摩擦力、間隙、非線性等問題，極大地提升了機構的運動控制精度和響應速度。

如圖1～圖6所示，本實施例還提供了一種平面並聯機構控制方法，該方法基於上述裝置實現，包括以下步驟：

步驟一、根據給定的軌跡、目標位置以及動平臺位姿，在計算機29內進行運動學逆解，得到每個電機軸的輸出量，計算機21通過運動控制卡23將控制量輸出到直接驅動旋轉電機伺服單元25，控制直接驅動旋轉電機轉動，從而使動平臺1運動；

步驟二、在動平臺1的運動過程中，動平臺1上的第一三軸加速度傳感器3、第二三軸加速度傳感器4實時測得動平臺1的平動加速度信息和轉動加速度信息，這些運動信息經過a/d轉換電路24進行a/d轉換，保存在數據採集卡22中，由計算機21進行調用和處理；

同時，直接驅動旋轉電機內部的增量式編碼器檢測出電機軸的位置信息，經過直接驅動旋轉電機伺服單元25和運動控制卡23進行相關處理，並反饋給計算機21；

步驟三、計算機根據步驟二獲得的動平臺1的運動信息和電機軸的位置信息，通過控制算法計算出控制信號，控制信號首先通過運動控制卡20，然後輸出到直接驅動旋轉電機伺服單元25，驅動直接驅動旋轉電機的轉動，進而控制動平臺1按期望軌跡運動到指定位置；

步驟四、反覆試驗，修改控制參數，使得控制精度達到預期的要求。

如圖7所示，上述步驟二中，所述動平臺上的兩個三軸加速度傳感器實時測得動平臺的平動加速度信息和轉動加速度信息，具體如下：

動平臺1的三個邊角位c1、c2和c3，第一三軸加速度傳感器3測得x方向加速度ax1和y方向加速度ay1，第二三軸加速度傳感器4測得x方向加速度ax2和y方向加速度ay2，則動平臺1中心處x方向的加速度動平臺1中心處y方向的加速度動平臺1中心處的轉動加速度為其中d為第二三軸加速度傳感器4與動平臺中心之間的距離，即40mm。

實施例2：

本實施例的主要特點是：第二三軸加速度傳感器4安裝在距離動平臺1中心30mm或50mm處。其餘同實施例1。

綜上所述，本發明在平面3-rrr(旋轉-旋轉-旋轉分支)並聯機構的基礎上，在其中兩個並聯支鏈中分別引入新的支鏈構成平面五桿機構，作為主動運動支鏈，第三個並聯支鏈作為被動運動支鏈，由於平面五桿機構的結構特點，它們對動平臺的的驅動力不會同時與兩個複合鉸點的連線平行，所以可消除平面並聯機構的奇異性問題；平面五桿機構的主動杆採用直接驅動旋轉電機進行驅動，不含減速器，可以消除傳動機構的影響，直接驅動旋轉電機在驅動過程中摩擦很小、運動平穩，所以驅動和控制效果更好；動平臺上設置了兩個三軸加速度傳感器，採用兩個三軸加速度傳感器在末端測量動平臺的運動信息，形成一個全閉環反饋電路，根據反饋的信息可以實現對動平臺運動的精準控制，從而穩定、準確、快速的到達指定位置。

以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利所公開的範圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都屬於本發明專利的保護範圍。