摆动气缸驱动的三自由度柔性并联机构控制装置及方法与流程

本发明涉及一种三自由度柔性并联机构控制装置，尤其是一种摆动气缸驱动的三自由度柔性并联机构控制装置及方法，属于平面三自由度并联机器人装置及控制研究领域。

背景技术：

并联机器人是包含并联机构的机器人，并联机构是若干个自由度末端执行器与固定基座通过两条或两条以上的独立运动支链相连。并联机器人包含两个平台，即动平台与静平台(也称定平台)，静平台固定在基座上或连接到另一台机器人的末端执行器上，动平台相对静平台运动。两平台之间由两条或两条以上的支链相连。它具有两个或两个以上自由度，且驱动器一般分布在与静平台相连的一端上(以并联方式驱动)。静平台基座负责支撑安装作用，动平台三角盘通过柔性臂和刚性臂二者组合连接与静平台形成连接关系。在这种系统中，动平台的作用则是系统运行的体现，通过连杆带动动平台实现所需运动轨迹或是工作空间，并利用动平台检测自身运动，通过后台的工控计算机处理完成对自身运动的修正。

并联机构多采用交流伺服电动机作为驱动动力源，交流伺服电动机具有速度控制特性良好、高速控制、可实现恒力矩及惯量低等优点，但其控制复杂，连线较多。而气动控制的优势在于结构简单，价格便宜，同时优秀的摆动气缸设计同样可以实现良好的角度调整，同时摆动气缸还具有摆动速度可调性高，可以适应低速到高速大范围选速。故选用合适的摆动气缸同样可以达到相应的实验要求。

实际生产中，柔性臂作为驱动臂的应用越来越广泛，而其弹性变形对整个系统运动的影响也越来越严重，减少乃至消除其运动中变形越来越重要。而在设计中，通过三端同时输入转矩，可以有效地抵消其弹性变形。本文中通过选用合适的摆动气缸，构建良好的工作空间，来探讨一种柔性臂气动驱动的并联机构的变形振动消除控制方案。

因此，研究一种具有良好工作空间和运动轨迹的柔性并联机构控制装置具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种摆动气缸驱动的三自由度柔性并联机构控制装置，该装置合理布置了摆动气缸的位置以及刚性主动杆和柔性从动杆的连接关系，使得柔性从动杆具有良好的运动轨迹和较大的工作空间，并在工作中保证运行的平稳性和一定的精度，以实现快速、准确、平稳地到达指定工作位置并实现反馈调节。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的三自由度柔性并联机构控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

摆动气缸驱动的三自由度柔性并联机构控制装置，包括三自由度柔性并联机构本体和控制组件；

所述三自由度柔性并联机构本体包括动平台和三个并联驱动控制分支；所述动平台为三角盘，外形为等边三角形，动平台上设有三轴加速度传感器和角速度传感器；每个并联驱动控制分支包括摆动气缸、刚性主动杆和柔性从动杆，所述刚性主动杆的一端与摆动气缸的转盘连接，刚性主动杆的另一端与柔性从动杆的一端转动连接，所述柔性从动杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接；所述摆动气缸由气动控制回路驱动，摆动气缸的输出轴通过联轴器连接一光电编码器，所述柔性从动杆上设有压电传感器和压电驱动器；

所述控制组件分别与气动控制回路、光电编码器、三轴加速度传感器、角速度传感器、压电传感器和压电驱动器连接。

作为一种优选方案，所述气动控制回路包括气泵、气动三联件和气动比例方向控制阀，所述气泵通过气动三联件与气动比例方向控制阀连接，所述气动比例方向控制阀分别与摆动气缸的两个气腔连接；所述气动三联件由空气过滤器、气动减压阀和油雾分离器组装在一起，并带有一个压力表。

作为一种优选方案，所述控制组件包括工控计算机、脉冲计数电路、A/D转换元件、D/A转换元件、电压放大器和电荷放大器，所述工控计算机分别与脉冲计数电路、A/D转换元件和D/A转换元件连接，所述A/D转换元件通过电荷放大器与压电传感器连接，并与三轴加速度传感器、角速度传感器连接，所述D/A转换元件通过电压放大器与压电驱动器连接，并与气动比例方向控制阀连接；

三轴加速度传感器检测的加速度信号和角速度传感器检测的角速度信号经过A/D转换元件进行模数转换后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机；光电编码器检测的角位移信号经过脉冲计数电路进行脉冲计数处理后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机；工控计算机根据三轴加速度传感器、角速度传感器和光电编码器检测的信号得到运动控制的控制信号，控制信号经过D/A转换元件转换为模拟信号后输入到气动比例方向控制阀，从而控制摆动气缸的摆动；

压电传感器检测的振动信号经过电荷放大器和A/D转换元件处理后输入到工控计算机，工控计算机根据压电传感器检测的信号，输出相应的电压值，经过D/A转换元件和电压放大器后输入到压电驱动器，从而控制柔性从动杆的振动。

作为一种优选方案，所述脉冲计数电路、A/D转换元件和D/A转换元件集成在一运动控制器上。

作为一种优选方案，所述气动比例方向控制阀还连接两个消声器。

作为一种优选方案，所述刚性主动杆的一端通过法兰与摆动气缸的转盘连接，刚性主动杆的另一端通过第一转轴与柔性从动杆的一端转动连接，所述柔性从动杆的另一端通过第二转轴与动平台的一个边角处转动连接。

作为一种优选方案，所述压电传感器和压电驱动器均有两个，两个压电传感器和两个压电驱动器均粘贴在柔性从动杆的横向中心线上，且一个压电传感器和一个压电驱动器位于靠近柔性从动杆一端的位置上，另一个压电传感器和另一个压电驱动器位于靠近柔性从动杆另一端的位置上，两个压电传感器关于柔性从动杆的几何中心对称，两个压电驱动器也关于柔性从动杆的几何中心对称。

作为一种优选方案，所述三自由度柔性并联机构本体还包括静平台，所述静平台由若干不同长度的铝型材和基板组成，三个并联驱动控制分支的摆动气缸以对称分布的形式固定在静平台上。

作为一种优选方案，所述静平台的底部具有四个支撑脚，四个支撑脚围成的平面上设有一支撑板。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述装置的三自由度柔性并联机构控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、三轴加速度传感器检测动平台运动时在水平面的两个垂直方向加速度信号，角速度传感器检测动平台运动时绕垂直于平面轴线旋转的角速度信号；

步骤二、加速度信号和角速度信号经过A/D转换元件进行模数转换后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机；

步骤三、压电传感器检测柔性从动杆的振动信号，经过电荷放大器和A/D转换元件处理后输入到工控计算机，工控计算机根据压电传感器检测的信号，输出相应的电压值，经过D/A转换元件和电压放大器后输入到压电驱动器，以抑制柔性从动杆的柔性变形与振动；

步骤四、光电编码器检测摆动气缸的运动角位移，角位移信号经过脉冲计数电路进行脉冲计数处理后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机；

步骤五、工控计算机根据步骤二和步骤四得到的数字信号，运行控制算法，计算得出运动控制的控制信号，控制信号经过D/A转换元件转换为模拟信号后输入到气动比例方向控制阀，控制摆动气缸的转动方向和位移，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，从而控制动平台运动达到期望的位置和姿态。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明采用了外形为等边三角形的动平台和三个并联驱动控制分支，每个并联驱动控制分支在摆动气缸的作用下，通过刚性主动杆与柔性从动杆相结合控制动平台运动，相比于纯双刚性机械臂而言，质量轻、能耗低、结构简单，同时对比双柔性机械臂又具有系统刚性大、力矩传递稳定和柔性变形对运动轨迹影响小等优点；此外，动平台上设有三轴加速度传感器和角速度传感器，可以检测动平台运动时在水平面的两个垂直方向加速度信号和绕垂直于平面轴线旋转的角速度信号，摆动气缸的输出轴通过联轴器连接一光电编码器，可以检测摆动气缸的运动角位移，根据这些检测信号，可以通过气动控制回路控制摆动气缸的摆动，而且柔性从动杆上设有压电传感器和压电驱动器，通过压电传感器能够准确的判断检测柔性从动杆上所产生的柔性变形和振动，通过压电驱动器能够抑制柔性从动杆的柔性变形与振动。

2、本发明采用单一驱动元件，即仅通过三个拥有相同气动控制回路的摆动气缸输入力矩，气动控制回路较为简单，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，摆动气缸的角度选择较大，相对应工作空间大，能够更好地规划运行轨迹和工作空间；同时，柔性从动杆自身压力应变驱动与动平台运动不冲突，并能通过压电驱动器抑制柔性从动杆的变形与振动，有利于提高整体精度。

3、本发明采用气动控制回路驱动摆动气缸，使整个装置具有结构简单、效率高、无污染的优点，而且无须高压力与高转矩均可应用气动实现，同时气动控制回路采用气动比例方向控制阀进行控制，整个气动控制回路结构简单，控制精度高。

附图说明

图1为本发明实施例1的三自由度柔性并联机构控制装置总体结构示意图，图中隐藏了静平台。

图2为本发明实施例1的三自由度柔性并联机构控制装置机械结构图。

其中，1-动平台，2-静平台，3-三轴加速度传感器，4-角速度传感器，5-支撑脚，6-支撑板，7-摆动气缸，8-刚性主动杆，9-柔性从动杆，10-第一转轴，11-第二转轴，12-联轴器，13-光电编码器，14-压电传感器，15-压电驱动器，16-气泵，17-气动三联件，18-气动比例方向控制阀，19-消声器，20-工控计算机，21-脉冲计数电路，22-A/D转换元件，23-D/A转换元件，24-电荷放大器，25-电压放大器。

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和图2所示，本实施例提供了一种三自由度柔性并联机构控制装置，该装置包括三自由度柔性并联机构本体和控制组件。

所述三自由度柔性并联机构本体包括动平台1、静平台2和三个并联驱动控制分支，图1中隐藏了静平台2的结构，目的在于更加清晰地描述装置的控制组件，图2中将静平台2详细地表达了出来，图1中的虚线连接表示电信号与控制组件的连接，实线连接表示气动控制回路连接；

所述动平台1为三角盘，输出装置运行的结果，外形为等边三角形，动平台1上设有三轴加速度传感器3和角速度传感器4，三轴加速度传感器3用于检测动平台1运动时在水平面的两个垂直方向加速度信号(X轴方向加速度信号和Y轴方向加速度信号)，角速度传感器4用于检测动平台1运动时绕垂直于平面轴线旋转的角速度信号；

所述静平台2用于放置动平台1和三个并联驱动控制分支，由若干不同长度的铝型材和基板组成，其底部具有四个支撑脚5，四个支撑脚5围成的平面上设有一支撑板6，四个支撑脚5和支撑板6用于对静平台2进行支撑；

三个并联驱动控制分支的结构都是相同的，因此仅以一个并联驱动控制分支进行说明，每个并联驱动控制分支包括摆动气缸6、刚性主动杆8和柔性从动杆9，三个并联驱动控制分支的摆动气缸6以对称分布的形式固定在静平台2上，固定方式采用螺纹连接方式；所述刚性主动杆8的一端通过法兰与摆动气缸6的转盘(位于摆动气缸6顶部)连接，刚性主动杆8的输出角位移即为摆动气缸6输出轴(位于摆动气缸6底部)的角位移，刚性主动杆8的另一端通过第一转轴10与柔性从动杆9的一端转动连接，所述柔性从动杆9的另一端通过第二转轴11与动平台1的一个边角处转动连接，将摆动气缸6的转矩传递到动平台1并最终形成动平台1的运动轨迹，使动平台1按期望的轨迹运动，或按期望的位置和姿态定位到具体目标位置和姿态；所述摆动气缸6由气动控制回路驱动，摆动气缸6的输出轴通过联轴器12连接一光电编码器13，光电编码器13用于检测摆动气缸的运动角位移，作为并联驱动控制分支的检测信号，所述柔性从动杆9上设有压电传感器14和压电驱动器15，压电传感器14和压电驱动器15均采用压电陶瓷片，各有两个，两个压电传感器14和两个压电驱动器15均粘贴在柔性从动杆9的横向中心线上，且一个压电传感器14和一个压电驱动器15位于靠近柔性从动杆9一端的位置上，另一个压电传感器14和另一个压电驱动器15位于靠近柔性从动杆9另一端的位置上，两个压电传感器14关于柔性从动杆的几何中心对称，两个压电驱动器15也关于柔性从动杆的几何中心对称，压电传感器14用于检测柔性从动杆9的振动信号，压电驱动器15用于控制柔性从动杆9的振动，一般是抑制柔性从动杆9的柔性变形与振动；

所述气动控制回路包括气泵16、气动三联件17和气动比例方向控制阀18，所述气泵16作为能量源负责向整个装置提供能量，所述气泵16产生的高压气体通过气动三联件16稳压后接入气动比例方向控制阀18，所述气动比例方向控制阀18分别与摆动气缸14的两个气腔(左气腔和右气腔)连接；其中，气动比例方向控制阀18的一个端口与气动三联件17连接，两个端口分别与摆动气缸14的两个气腔，还有两个端口分别连接一个消声器19；所述气动三联件17由空气过滤器、气动减压阀和油雾分离器组装在一起，并带有一个压力表；该气动控制回路的控制核心为气动比例方向控制阀18，其接收来自控制部分的信号，产生不同推动气体以控制摆动气缸14的摆动方向(角度)和速度；

在本实施例中，动平台1设计为外形为等边三角形、边长为250mm、厚度为25mm的三角盘，动平台1采用铝合金材料，为使柔性从动杆9表面绝缘，需要对其进行氧化处理；静平台2的尺寸参数为1800×1650×600mm，其中，基板的尺寸参数为1800×1650×15mm，铝型材选用截面大小为80×80mm的铝型材，铝型材构成静平台2的长、宽、高的长度为1640mm、1490mm、500mm；摆动气缸6选用日本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16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17中，空气过滤器的型号选用AF30-03，气动减压阀的型号选用AR25-03，油雾分离器的型号选用AFM30-03，压力表的型号选用G36-10-01；气动比例方向控制阀18选用日本SMC气动公司生产的型号为VER2000-02比例阀；三轴加速度传感器3选用瑞士Kistler公司2012系列；角速度传感器4选用瑞士Kistler公司CS-ARS-04单轴陀螺仪；联轴器12选用美国Ruland公司生产的PCMR29-12-6-A型联轴器，光电编码器13选用Hengstler公司生产的绝对值式AC36型编码器。

所述控制组件包括工控计算机20、脉冲计数电路21、A/D转换元件22、D/A转换元件23、电荷放大器24和电压放大器25，所述工控计算机20分别与脉冲计数电路21、A/D转换元件22和D/A转换元件23连接，所述A/D转换元件22通过电荷放大器24与压电传感器14连接，并与三轴加速度传感器3、角速度传感器4连接，所述D/A转换元件23通过电压放大器25与压电驱动器15连接，并与气动比例方向控制阀18连接，所述脉冲计数电路21为四倍频、变相脉冲计数电路；

三轴加速度传感器3检测的加速度信号和角速度传感器4检测的角速度信号经过A/D转换元件22进行模数转换后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机20；光电编码器13检测的角位移信号经过脉冲计数电路21进行脉冲计数处理后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机20；工控计算机20对三轴加速度传感器3、角速度传感器4和光电编码器13检测的信号进行分析处理后，并与所需达到位置参数对比，得到运动控制的控制信号，控制信号经过D/A转换元件23转换为模拟信号后输入到气动比例方向控制阀18，从而控制摆动气缸6的摆动，故气动比例方向控制阀18的控制由动平台1的加速度、角速度和摆动气缸6的摆动速度决定，其中动平台1的加速度、角速度通过运动学逆解后可以分别得到对应的三个摆动气缸6的角速度或角速度分量信号，而摆动气缸6的摆动速度信号用于提供对比参照数据，显示当前动平台1运动状态下摆动气缸6的摆动速度，从而用于工控计算机20决定应用正向还是反向控制；

压电传感器14在装置运行过程中随着柔性从动杆9的变形会产生相应变形并输出电荷，电荷大小便代表当前柔性从动杆9的变形程度，由于电荷量过小，因此压电传感器14检测的振动信号经过电荷放大器24和A/D转换元件22处理后输入到工控计算机20，工控计算机20进行分析处理，获得柔性从动杆9的变形程度，计算相应的输出电压以抑制柔性臂的变形，所以输出的电压信号同样要经过D/A转换元件23和电压放大器25后输入到压电驱动器15，使压电驱动器15产生相应的反向变形，使柔性从动杆9减少自身柔性变形并控制自身振动。

在本实施例中，计算机19选用CPU型号I7的计算机；脉冲计数电路21、A/D转换元件22和D/A转换元件23集成在一运动控制器上，该运动控制器为集成有多通道A/D转换、D/A转换和码盘计数功能的运动控制器，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十六路，两路四倍频增量式辅助编码器输入，八路A/D模拟量采样输入，模拟量输入输出的电压范围是，-10V～+10V；电荷放大器24选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；电压放大器25可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零件。

本实施例还提供了一种三自由度柔性并联机构控制方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、三轴加速度传感器3检测动平台1运动时在水平面的两个垂直方向加速度信号，角速度传感器4检测动平台1运动时绕垂直于平面轴线旋转的角速度信号；

步骤二、加速度信号和角速度信号经过A/D转换元件22进行模数转换后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机20；

步骤三、压电传感器14检测柔性从动杆的振动信号，经过电荷放大器24和A/D转换元件22处理后输入到工控计算机20，工控计算机20根据压电传感器14检测的信号，输出相应的电压值，经过D/A转换元件23和电压放大器25后输入到压电驱动器15，以抑制柔性从动杆9的柔性变形与振动；

步骤四、光电编码器13检测摆动气缸6的运动角位移，角位移信号经过脉冲计数电路21进行脉冲计数处理后得到数字信号，数字信号输入到工控计算机20；

步骤五、工控计算机20根据步骤二和步骤四得到的数字信号，运行控制算法(该算法为现有技术)，计算得出运动控制的控制信号，控制信号经过D/A转换元件23转换为模拟信号后输入到气动比例方向控制阀18，控制摆动气缸7的转动方向和位移，调节气动比例方向控制阀18的换向和进排气流量，控制摆动气缸7的摆动方向和速度，从而控制动平台1运动达到期望的位置和姿态。

综上所述，本发明采用了外形为等边三角形的动平台和三个并联驱动控制分支，每个并联驱动控制分支在摆动气缸的作用下，通过刚性主动杆与柔性从动杆相结合控制动平台运动，相比于纯双刚性机械臂而言，质量轻、能耗低、结构简单，同时对比双柔性机械臂又具有系统刚性大、力矩传递稳定和柔性变形对运动轨迹影响小等优点；此外，动平台上设有三轴加速度传感器和角速度传感器，可以检测动平台运动时在水平面的两个垂直方向加速度信号和绕垂直于平面轴线旋转的角速度信号，摆动气缸的输出轴通过联轴器连接一光电编码器，可以检测摆动气缸的运动角位移，根据这些检测信号，可以通过气动控制回路控制摆动气缸的摆动，而且柔性从动杆上设有压电传感器和压电驱动器，通过压电传感器能够准确的判断检测柔性从动杆上所产生的柔性变形和振动，通过压电驱动器能够抑制柔性从动杆的柔性变形与振动。

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。