基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置和控制方法与流程

本发明涉及平面三自由度并联机器人装置及控制研究领域，特别涉及一种基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置和控制方法。

背景技术：

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。目前并联机器人的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动、电气驱动和新型驱动装置等。

采用伺服电机驱动，一般需要减速器，会带来间隙和摩擦等非线性现象，并且随着减速器精度的提高，成本会大大增加。并且，采用伺服电机驱动，如发生末端负载瞬时过大或者末端瞬间卡死意外，会导致电机的瞬时电流过大，进一步导致烧毁电机。另外，电机驱动还具有一些缺点，主要表现在柔性和退让性相对不足。

相比之下，气动驱动具有结构简单、轻便、价格相对低廉、安装维护简单、无污染、高速高效等优点，同时，本申请更具有负载较小、所需气动压力较小、使用气动即可满足驱动转矩要求等优点。而且，与伺服电机驱动相比，在气动控制摆动气缸时不需要减速器。这样，气动驱动既降低了成本，又不会因为传动间隙等影响精度的因素。而气压驱动的优势还在于气源方便、废气可直接排入大气且不会造成污染、可实现无级变速、具有较好的缓冲作用等，既节省了很大的空间，也使得整个机器也变得美观。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置和控制方法，通过设计双刚性臂连接带动三角盘运动的结构设计，研究纯刚性的驱动臂对于整个机构运行的影响；与此同时，选择应用合适的摆动气缸及机械臂设计使其达到自身相应的最优工作空间和工作轨迹，并且能够实现自身运动的反馈控制。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置，包括：固定平台、动平台、三个并联驱动控制分支、气动单元、信号检测模块以及控制单元，其中：

每个并联驱动控制分支包括依次相连的摆动气缸、主动杆以及从动杆，所述摆动气缸固定连接在所述固定平台上，且所述摆动气缸与所述气动单元连接，所述从动杆固定连接所述动平台；

所述信号检测模块包括加速度传感器、角速度传感器以及角位移编码器，所述加速度传感器和角速度传感器均安装于所述动平台上，所述加速度传感器用于测量所述动平台在水平面沿x轴以及y轴的两个垂直方向上的加速度信号，所述角速度传感器用于测量所述动平台的旋转角速度信号，所述角位移编码器通过联轴器连接在所述摆动气缸底部，用于检测检测摆动气缸转轴的运动角位移信号；

所述控制单元分别与气动单元和信号检测模块连接。

进一步地，所述动平台为正三角形动平台，所述每个并联驱动控制分支分别通过转轴固定连接所述正三角形动平台的每个顶角。

进一步地，所述摆动气缸通过螺纹固定连接在所述固定平台上,所述主动杆通过转动法兰连接盘与所述摆动气缸固定相连，所述主动杆通过转轴与所述从动杆相连，所述从动杆通过转轴与所述动平台固定连接。

进一步地，所述三个并联驱动控制分支的结构一致，每个并联驱动控制分支的主动杆和从动杆的尺寸相同且均为刚性材质。

进一步地，所述气动单元包括依次相连的气泵、气动三联件以及气动比例方向控制阀，所述气动比例方向控制阀与所述摆动气缸连接。

进一步地，所述气动比例方向控制阀包括两个输出端，所述摆动气缸包括两个气腔，所述各个输出端分别对应连接所述各个气腔。

进一步地，所述装置还包括控制单元，所述控制单元包括计算机和运动控制器，所述运动控制器插入到所述计算机的PCI插槽中，所述运动控制器通过接线端子连接所述信号检测模块。

进一步地，所述运动控制器包括D/A转换卡、A/D转换卡、积分编码和计数卡。

本发明的再一目的是提供一种基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置的控制方法，包括如下步骤：

S1、在动平台运动情况下，使用动平台上相应的加速度传感器、角速度传感器分别测量在水平面沿x轴以及y轴的两个垂直方向上的加速度信号、绕垂直于平面轴线旋转的角速度信号，对测量的信号经过运动学逆解处理后分别得到对应的摆动气缸的角速度模拟量信号；

S2、将步骤S1中的得到模拟量信号经过A/D转换卡转换为在控制器量程范围内的数字信号，且输入到计算机，进一步通过运行控制算法以及滤波处理后，得到控制动平台的反馈信号；

S3、使用角位移编码器检测摆动气缸转轴的运动角位移，然后将检测信号经过积分编码和记数卡处理得到数字信号，将数字信号输入到计算机且通过运行控制算法以及滤波处理后，得到控制动平台的反馈信号；

S4、将步骤S2以及S3中得到的反馈信号，经过D/A转换卡转换为模拟信号，输出到气动比例方向控制阀，控制摆动气缸的转动方向以及位移，通过调节气动比例方向控制阀的换向和进排气流量，控制摆动气缸的摆动方向和速度，从而控制动平台的运动以达到期望的位置和姿态。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明采用双刚性机械臂(刚性的主动杆和从动杆)，系统的质量大、结构简单、刚性高，对比双柔性机械臂或柔性-刚性结合系统具有系统刚性大、力矩传递稳定和柔性变形对运动轨迹影响小等优点，同时由于高刚性和低变形等优点，力矩传递损耗更小，运动参数采集更加准确。

(2)本发明采用气动控制回路，使之系统具有结构相对简单、效率较高、污染小的优点。

(3)本发明的摆动气缸气动回路，采用气动比例阀进行控制，而气动回路结构简单，控制精度高，且摆动气缸具有摆动迅速，角度选择大等优势。

(4)本发明采用单一驱动元件，即仅通过三个拥有相同气动回路的摆动气缸输入力矩，控制回路较为简单，三者同时控制，可以避免多回路干涉，提高控制精度，降低控制难度。

(5)本发明的加速度传感器以及角速度传感器，用以检测动平台三个自由度的信号，对动平台的动态特性分析和反馈控制提供较好的测量手段。

附图说明

图1是本发明基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置的总体结构示意图。

图2是本发明基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置的机械示意结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供一种基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置，包括固定平台、动平台4、三个并联驱动控制分支、气动单元、信号检测模块以及控制单元，图1中隐藏了固定平台的结构，目的在于更加清晰地描述装置的控制单元，图2中将固定平台详细地表达了出来，图1中的虚线连接表示电信号与控制单元的连接，实线连接表示气动单元连接，控制单元包括计算机8和运动控制器，运动控制器插入到所述计算机8的PCI插槽中，运动控制器通过接线端子连接信号检测模块，动平台4为正三角形动平台，每个并联驱动控制分支分别通过转轴固定连接正三角形动平台4的每个顶角。运动控制器也包括D/A转换卡9、A/D转换卡6、积分编码和计数卡7。

其中，每个并联驱动控制分支包括依次相连的摆动气缸14、主动杆4以及从动杆5，且三个并联驱动控制分支的结构一致，每个并联驱动控制分支的主动杆1和从动杆5的尺寸相同且均为刚性材质，摆动气缸14通过螺纹固定连接在固定平台上，且摆动气缸14与气动单元连接，主动杆1通过转动法兰连接盘与摆动气缸14固定相连，主动杆1通过转轴与从动杆5相连，从动杆5通过转轴与动平台4固定连接；信号检测模块包括加速度传感器3、角速度传感器2以及角位移编码器15，加速度传感器3和角速度传感器2均安装于动平台上，加速度传感器3用于测量动平台在水平面沿x轴以及y轴的两个垂直方向上的加速度信号，角速度传感器2用于测量动平台的旋转角速度信号，角位移编码器15通过联轴器连接在所述摆动气缸14底部，用于检测检测摆动气缸14转轴的运动角位移信号。

另外，气动单元包括依次相连的气泵10、气动三联件11以及气动比例方向控制阀12，气动比例方向控制阀12与摆动气缸14连接。更详细地，气动比例方向控制阀12包括两个输出端，摆动气缸14包括两个气腔，各个输出端分别对应连接各个气腔。

固定平台由若干长度不一的铝型材和基板组成。

并联驱动控制分支有三个分支，现在就介绍一个分支，其它两个分支类似。如图所示，刚性主动杆1一端通过法兰连接摆动气缸14通过法兰连接盘13与摆动气缸14相连，另一端通过转轴与刚性从动杆5相连，负责将摆动气缸的输出转矩和输出角位移传递给动平台4。动平台4上放置加速度传感器3用以检测平面方向上的加速度以及角速度传感器2用以检测动平台4的绕自身中心轴旋转的角速度。摆动气缸14的转轴通过联轴器16连接角位移编码器15，用以检测摆动气缸14摆动转动角位移信号。

气动单元中，气动元件气泵10作为能量源负责向整个系统提供能量，其产生的高压气体通过气动三联件11后，与气动比例方向控制阀12的一个输入端口相连接，气动比例阀12的两个输出端口与摆动气缸14的左气腔和右气腔连接，构成摆动气缸14的气动通路，气动比例阀12的另外两个端口连接消声器。而气动比例阀12的气动控制由整个系统的控制机构实现。

在摆动气缸14的控制系统中，利用角位移编码器15可以检测摆动气缸14主轴与刚性主动杆1的转动角位移信号，将角位移编码器15输出信号经过辨向脉冲计数电路后输入计算机8，得到各个摆动气缸14的转动角位移信号，作为摆动气缸14的反馈信号。而在另一控制电路中，将动平台4上安装的加速度传感器3和角速度传感器2采集到的信号经过A/D转换后一同输入到计算机8进行处理，最终将上述两种信号进行分析处理后，并与所需达到位置参数对比，运行控制算法后得到相应的控制信号，并通过D/A转换为模拟信号输入至气动比例方向控制阀12中，完成对该平台的控制。

本实施示例是一种基于摆动气缸驱动的并联三自由度机构装置的控制方法，包括如下步骤：

S1、在动平台4运动情况下，使用动平台4上相应的加速度传感器3、角速度传感器2分别测量在水平面沿x轴以及y轴的两个垂直方向上的加速度信号、绕垂直于平面轴线旋转的角速度信号，对测量的信号经过运动学逆解处理后分别得到对应的摆动气缸14的角速度模拟量信号；

S2、将步骤S1中的得到模拟量信号经过A/D转换卡6转换为在控制器量程范围内的数字信号，且输入到计算机，进一步通过运行控制算法以及滤波处理后，得到控制动平台的反馈信号；

S3、使用角位移编码器15检测摆动气缸14转轴的运动角位移，然后将检测信号经过积分编码和记数卡7处理得到数字信号，将数字信号输入到计算机8且通过运行控制算法以及滤波处理后，得到控制动平台4的反馈信号；

S4、将步骤S2以及S3中得到的反馈信号，经过D/A转换卡9转换为模拟信号，输出到气动比例方向控制阀12，控制摆动气缸14的转动方向以及位移，通过调节气动比例方向控制阀12的换向和进排气流量，控制摆动气缸的14摆动方向和速度，从而控制动平台4的运动以达到期望的位置和姿态。

本实施示例中，选择的摆动气缸14为日本SMC公司生产的型号为MSQB50R的大摆角摆动平台型摆动气缸；气泵10由上海捷豹压缩机制造有限公司生产的型号为FB-0.017/7的静音空气压缩机；气动三联件11由空气过滤器(型号选用AF30-03)、气动减压阀(型号选用AR25-03)和油雾分离器(型号选用AFM30-03)组成，并带有一个压力表(型号选用G36-10-01)，气动比例方向控制阀12选用日本SMC气动公司生产的型号为VER2000-02比例阀。

传感器选型：加速度传感器3选用瑞士Kistler公司2012系列；角速度传感器2选用瑞士Kistler公司CS-ARS-04单轴陀螺仪；联轴器16选美国Ruland公司生产的PCMR29-12-6-A型，角速度编码器15选择Hengstler公司生产的绝对值式AC36型。

本实施示例中，根据以上装置的振动检测控制方法，选择集成有多通道A/D转换、D/A转换和码盘计数功能的固高运动控制器。要求具有三路模拟量输入模块和三路模拟量输出模块，以及三路码盘计数模块，因此固高运动控制器选用固高公司生产的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，该运动控制器具有四路轴资源通道(各轴信号带有一路模拟量输出，增量式编码器输入，电机控制输出及报警复位功能)，光耦隔离通用数字信号输入和输出各有16路，2路四倍频增量式辅助编码器输入，8路A/D模拟量采样输入，模拟量输入输出的电压范围是：10V～+10V。计算机12选用CPU型号I7的计算机。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。