直接驱动的冗余平面并联机构控制装置及方法与流程

本发明涉及一种平面并联机构控制装置，尤其是一种直接驱动的冗余平面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：

目前，并联机构的驱动方式主要有直接驱动电机直接驱动、伺服电机驱动、液压驱动、气压驱动和新型驱动装置等。随着技术的进步，对机构的速度和精度提出了越来越高的要求，传统的电机加减速器的驱动方式因减速器的质量一般较大而增加机构的运动惯量，降低机构的响应速度。减速器往往还存在难以消除的齿侧间隙，对机构的传动精度有很大的影响，减速器中存在的摩擦还会带来能量的损失。

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，提供了一种直接驱动的冗余平面并联机构控制装置，该装置通过直线电机和旋转电机混合驱动增大了并联机构工作空间，采用多个传感器测量动平台的运动参数作为反馈信号，使并联机构的运动控制精度达到了较高的水平。

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：

直接驱动的冗余平面并联机构控制装置，包括并联机构本体和控制单元，所述并联机构本体包括动平台和三个并联分支；

所述动平台外形为等边三角形，其设有角加速度传感器和加速度传感器；

每个并联分支包括带位移传感器的直线电机模组、带编码器的旋转电机模组、刚性主动杆和刚性从动杆，所述直线电机模组带动旋转电机模组直线移动，所述刚性主动杆的一端与旋转电机模组连接，刚性主动杆的另一端与刚性从动杆的一端转动连接，所述刚性从动杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接；

所述控制单元分别与角加速度传感器、加速度传感器、直线电机模组和旋转电机模组连接。

进一步的，所述每个并联分支中，直线电机模组包括直线电机、导轨、连接块和位移传感器，所述直线电机与导轨平行布置，直线电机的动子与导轨的滑块位于同一水平面上，所述连接块固定在导轨的滑块上，并与直线电机的动子固定连接，所述旋转电机模组固定在连接块的上表面中央，所述位移传感器包括磁栅尺和磁栅读数头，所述磁栅尺贴在直线电机的定子侧边，所述磁栅读数头安装在连接块上。

进一步的，所述连接块通过螺钉固定在导轨的滑块上，并通过螺钉与直线电机的动子固定连接，所述旋转电机模组通过螺钉固定在连接块的上表面中央。

进一步的，所述每个并联分支中，旋转电机模组包括旋转电机、法兰和编码器，所述法兰固定在旋转电机的转子上，并与刚性主动杆的一端固定连接，所述编码器安装在旋转电机的内部。

进一步的，所述法兰通过螺钉固定在旋转电机的转子上，并通过螺钉与刚性主动杆的一端固定连接，所述刚性主动杆的另一端设有套筒，套筒内安装有相连接的第一轴承和第一转轴，所述动平台的每个边角处设有一个孔，孔内安装有相连接的第二轴承和第二转轴，所述刚性从动杆的两端分别设有通过螺栓固定的第一连杆接头和第二连杆接头，所述第一连杆接头与第一转轴铰接，所述第二连杆接头与第二转轴铰接。

进一步的，所述并联机构本体还包括静平台，所述静平台包括基板，所述基板底部设有四个支撑脚，每两个相邻的支撑脚之间安装一横向支架；

所述每个并联分支中，直线电机模组还包括支撑架，所述直线电机和支撑架平行安装在静平台的基板上，所述导轨固定在支撑架上，并与直线电机平行。

进一步的，所述直线电机和支撑架通过螺栓与静平台的基板固定连接，所述导轨通过螺栓固定在支撑架上。

进一步的，所述每个并联分支的直线电机模组和旋转电机模组构成一个驱动机构，三个并联分支的驱动机构在静平台的基板上呈星型布置，任意两个驱动机构之间成120度。

进一步的，所述控制单元包括计算机、运动控制卡、端子板、直线电机伺服驱动单元和旋转电机伺服驱动单元，所述计算机与运动控制卡连接，所述运动控制卡集成了a/d转换和脉冲计数功能，并与端子板连接，所述端子板分别与角加速度传感器、加速度传感器、磁栅尺、编码器、直线电机伺服驱动单元和旋转电机伺服驱动单元连接，所述直线电机伺服驱动单元与直线电机连接，所述旋转电机伺服驱动单元与旋转电机连接；

所述角加速度传感器测量动平台在竖直方向上的角加速度信号，所述加速传感器测量动平台在水平面上两个方向的加速度信号，这些信号通过端子板输入到运动控制卡进行a/d转换得到数字信号，由计算机对数字信号进行处理得到动平台的反馈信号；

所述磁栅尺测量直线电机动子的位移信号，所述编码器测量旋转电机转动的角位移信号，这些信号通过端子板输入到运动控制卡进行脉冲计数得到数字信号，由计算机对数字信号进行处理得到直线电机和旋转电机的输出信号；

计算机根据动平台的反馈信号、直线电机和旋转电机的输出信号，得到控制信号，控制信号通过运动控制卡、端子板输入到直线电机伺服驱动单元和旋转电机伺服驱动单元，控制直线电机和旋转电机的输出，实现对动平台的运动控制。

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、利用动平台上的角加速度传感器测量出动平台运动时在竖直方向的角加速度信号，利用动平台上的加速度传感器测量出动平台运动时在水平面上x、y两个方向上的加速度信号，对这些信号通过运动学逆解后分别得到直线电机的速度分量信号和旋转电机的角速度分量信号；

步骤二、将步骤一测量的模拟信号通过端子板输入到运动控制卡进行a/d转换得到数字信号，由计算机对数字信号进行处理得到动平台的反馈信号；

步骤三、利用磁栅尺测量出直线电机的位移信号，利用编码器测量出旋转电机的角位移信号，直线电机的位移信号和旋转电机的角位移信号通过端子板输入到运动控制卡进行脉冲计数得到数字信号，由计算机对数字信号进行处理得到直线电机和旋转电机的输出信号；

步骤四、计算机对动平台的反馈信号、直线电机和旋转电机的输出信号进行对比分析处理后，并与所需达到的位置参数对比，运行相应的控制算法计算得到控制信号，控制信号通过运动控制卡、端子板输入到直线电机伺服驱动单元和旋转电机伺服驱动单元，直线电机伺服单元驱动直线电机移动，旋转电机伺服单元驱动旋转电机转动，使动平台达到预期的位置和姿态。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的每个并联分支采用直线电机模组和旋转电机模组进行驱动，直线电机模组直接驱动旋转电机模组，旋转电机模组直接驱动刚性主动杆来带动刚性从动杆，进而使动平台运动，由于采用直接驱动方式，没有采取任何中间传动机构，无因引入传动机构而带来的磨擦问题、齿侧间隙问题，驱动精度高、响应快，还能简化结构，减小质量，降低并联机构工作时的噪音，并联机构的维护保养也更加方便；同时，在动平台上设有角加速度传感器和加速度传感器，可测量动平台在沿垂直方向的角加速度，以及在水平面上x方向和y方向的加速度，直线电机模组带有位移传感器，可测量旋转电机模组的位移信号，旋转电机模组带有编码器，可测量旋转电机的角位移信号，根据各传感器测得的运动参数，实现对动平台的控制。

2、本发明采用直线电机和旋转电机共同驱动的驱动方式，旋转电机驱动机械臂结构(刚性主动杆和刚性从动杆)的同时，其自身的位置也可以在直线电机的驱动下移动，相对于旋转电机位置固定的设计，旋转电机的位置可调节设计可以大幅度提高动平台的工作空间，从而使并联机构成为驱动冗余，即增大了并联机构的工作空间，可以适应更多的工作场景，实用性更高，也极大地改善了并联机构存在奇异位形的问题，提高了并联机构运动的灵活性，采用直接驱动方式，省略中间的传动机构，就可以从根本上消除上述的减速器带来的负面效果，直接驱动方式具有高速、高精度、重量轻、刚性高、噪音小、维护简便、速度调控性好、机械结构设计简单等优点，其优势是传统的电机加减速器的驱动方式无法比拟的，相对于液压驱动方式和气压驱动方式，直接驱动方式在精度、速度、控制的便利性等方面也具有很大的优势。

3、本发明采用多个传感器(角加速度传感器、加速度传感器、位移传感器、编码器)采集各个部件的运动参数反馈控制的信号，各个传感器测得的运动参数通过端子板输入到运动控制卡处理得到数字信号，由计算机对数字信号进行处理得到控制信号，控制信号通过运动控制卡、端子板输入到直线电机伺服驱动单元和旋转电机伺服驱动单元，控制直线电机和旋转电机的输出，进而实现对动平台的运动控制。

4、本发明采用双刚性杆(刚性主动杆和刚性从动杆)铰接的机械臂结构，使得整个并联分支结构简单、质量大、刚性高，与双柔性机械臂或柔性-刚性结合相比，具有力矩传递稳定、系统刚性大和柔性变形对运动轨迹影响小等优点，同时高刚性具有变形小的特点，力矩传递损耗更小，运动参数采集和并联机构的运动控制更加准确。

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的其中一个并联分支结构示意图。

图4为本发明实施例1的冗余平面并联机构控制装置中直线电机模组的结构示意图。

其中，1-动平台，2-静平台，3-角加速度传感器，4-加速度传感器，5-基板，6-支撑脚，7-横向支架，8-刚性主动杆，9-刚性从动杆，10-直线电机，11-导轨，12-支撑架，13-连接块，14-磁栅尺，15-磁栅读数头，16-旋转电机，17-法兰，18-第一连杆接头，19-第二连杆接头，20-计算机，21-运动控制卡，22-端子板，23-直线电机伺服驱动单元，24-旋转电机伺服驱动单元。

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直接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和控制单元，所述并联机构本体包括动平台1、静平台2和三个并联分支；图1中的虚线连接表示电信号与并联机构本体的连接图，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

所述动平台1外形为等边三角形，动平台1的每个边角处设有一个孔，孔内安装有相连接的第二轴承和第二转轴，通过第二转轴与三个并联分支铰接；动平台1上设有角加速度传感器3和加速度传感器4，具体地，角加速度传感器3安装在偏离动平台1中心的位置上，加速度传感器4安装在动平台1的中心处，角加速度传感器3用于测量动平台1在竖直方向上的角加速度信号，所述加速传感器4用于测量动平台1在水平面上两个方向(x向、y向)的加速度信号。

在本实施例中，角加速度传感器3选用瑞士kistler公司8838型角加速度计，加速度传感器4选用瑞士kistler公司的电容式、低频加速度计，型号为8395a010。

所述静平台2用于支撑动平台1和三个并联分支，包括基板5，基板5为方形基板，其底部设有四个支撑脚6，每两个相邻的支撑脚6之间安装一横向支架7，起到稳固的作用，基板5、支撑脚6和横向支架7均采用铝型材构成。

如图1～图3所示，三个并联分支的结构相同，以其中一个并联分支为例，包括直线电机模组、旋转电机模组、刚性主动杆8和刚性从动杆9，直线电机模组和旋转电机模组构成一个驱动机构，三个并联分支的驱动机构在静平台2的基板5上呈星型布置，任意两个驱动机构之间成120度。

如图1～图4所示，所述直线电机模组包括直线电机10、导轨11、支撑架12、连接块13和位移传感器，直线电机10和支撑架12平行安装在静平台2的基板5上，并通过螺栓与静平台2的基板5固定连接，导轨11通过螺栓固定在支撑架12上，并与直线电机10平行，直线电机10的动子与导轨11的滑块位于同一水平面上，连接块13通过螺钉固定在导轨11的滑块上，并通过螺钉与直线电机10的动子固定连接，位移传感器包括磁栅尺14和磁栅读数头15，磁栅尺14贴在直线电机10的定子侧边，磁栅读数头15安装在连接块13上，可随着连接块13一起移动。

所述旋转电机模组包括旋转电机16、法兰17和编码器，旋转电机16通过螺钉固定在连接块13的上表面中央，在直线电机10的驱动下，旋转电机16可以沿着导轨11在一定的范围内移动，使得旋转电机16的位置可调节，磁栅读数头15随着旋转电机16一起移动，可通过磁栅尺14测量旋转电机16的位移信号，即直线电机10动子的位移信号(运动参数)；法兰17通过螺钉固定在旋转电机16的转子上，编码器安装在旋转电机16的内部，可测量旋转电机16转动的角位移信号(转动参数)。

所述刚性主动杆8和刚性从动杆9构成并联分支的机械臂结构，刚性主动杆8的一端通过螺钉与法兰17固定连接，刚性主动杆8的另一端设有带阶梯孔的套筒，套筒内安装有相连接的第一轴承和第一转轴，刚性从动杆9的两端分别设有通过螺栓固定的第一连杆接头18和第二连杆接头19，第一连杆接头18与第一转轴铰接，第二连杆接头19与第二转轴铰接，在旋转电机16驱动后，依次带动刚性主动杆8和刚性从动杆9，从而使动平台1运动；采用双刚性杆铰接的机械臂结构，使得整个并联分支结构简单、质量大、刚性高，与双柔性机械臂或柔性-刚性结合相比，具有力矩传递稳定、系统刚性大和柔性变形对运动轨迹影响小等优点，同时高刚性具有变形小的特点，力矩传递损耗更小，运动参数采集和系统的运动控制更加准确。

在本实施例中，直线电机10选用美国rockwell公司生产的lz-030-0-120型直线电机；旋转电机16选用新加坡akribis公司生产的adr175-b143型直接驱动旋转电机，其内部的编码器型号为ms-20250；磁栅尺14采用宁波埃伯格测控技术有限公司生产的型型号为msr50h的磁栅尺；通过选用合适的直线电机10和旋转电机16，在旋转电机16驱动机械臂结构(刚性主动杆8和刚性从动杆9)的同时，其自身的位置也可以在直线电机10的驱动下移动，再搭建合理的结构，从而使并联机构成为驱动冗余，即增大了并联机构的工作空间，也极大地改善了并联机构存在奇异位形的问题，提高了并联机构运动的灵活性，并且采用直接驱动方式(直线电机10直接驱动旋转电机16，旋转电机16直接驱动机械臂结构)，省略中间的传动机构，可以从根本上消除减速器带来的负面效果，直接驱动方式具有高速、高精度、重量轻、刚性高、噪音小、维护简便、速度调控性好、机械结构设计简单等优点，其优势是传统的电机加减速器的驱动方式无法比拟的，而相对于液压驱动方式和气压驱动方式，直接驱动方式在精度、速度、控制的便利性等方面也具有很大的优势。

所述控制单元包括计算机20、运动控制卡21、端子板22、直线电机伺服驱动单元23和旋转电机伺服驱动单元24，计算机与20运动控制卡21连接，运动控制卡21与端子板22连接，端子板22分别与角加速度传感器3、加速度传感器4、磁栅尺14、编码器、直线电机伺服驱动单元23和旋转电机伺服驱动单元24连接，直线电机伺服驱动单元23与直线电机10连接，旋转电机伺服驱动单元24与旋转电机16连接；

角加速度传感器3测量动平台1在竖直方向上的角加速度信号，加速传感器4测量动平台1在水平面上两个方向的加速度信号，这些信号通过端子板22输入到运动控制卡21进行a/d转换得到数字信号，由计算机20对数字信号进行处理得到动平台1的反馈信号(即动平台1在三个自由度上的位移信息和角位移信息)；

磁栅尺14测量直线电机动子的位移信号，即旋转电机16整体的位移信号，编码器测量旋转电机16转动的角位移信号，这些信号通过端子板22输入到运动控制卡21进行脉冲计数得到数字信号，由计算机20对数字信号进行处理得到直线电机10和旋转电机16的输出信号；

计算机20根据动平台1的反馈信号、直线电机10和旋转电机16的输出信号，得到控制信号，控制信号通过运动控制卡21、端子板22输入到直线电机伺服驱动单元23和旋转电机伺服驱动单元24，控制直线电机10和旋转电机16的输出，实现对动平台1的运动控制。

在本实施例中，计算机20选用的cpu型号为corei77700k，内存为8gb，主板有pci-e卡槽，可插运动控制卡21；运动控制卡21选用美国固高公司生产的gts-400-pv-pci系列运动控制器，该运动控制卡集成了多通道a/d转换、d/a转换和脉冲计数功能，具有4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，四倍频增量式辅助编码器输入2路，a/d模拟量采样输入8路，模拟量输入输出的电压范围是：-10v～+10v。

如图1～图4所示，本实施例还提供了一种冗余平面并联机构控制方法，所述方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、利用动平台1上的角加速度传感器3测量出动平台1运动时在竖直方向的角加速度信号，利用动平台1上的加速度传感器4测量出动平台1运动时在水平面上x、y两个方向上的加速度信号，对这些信号通过运动学逆解后分别得到直线电机10的速度分量信号和旋转电机16的角速度分量信号；

步骤二、将步骤一测量的模拟信号通过端子板22输入到运动控制卡21进行a/d转换得到数字信号，由计算机20对数字信号进行处理，具体地，由计算机20运行控制算法和进行滤波处理后，得到动平台1的反馈信号；

步骤三、利用磁栅尺14测量出直线电机10的位移信号，利用编码器测量出旋转电机16的角位移信号，直线电机10的位移信号和旋转电机16的角位移信号通过端子板22输入到运动控制卡21进行脉冲计数得到数字信号，由计算机20对数字信号进行处理得到直线电机10和旋转电机16的输出信号；

步骤四、计算机20对动平台1的反馈信号、直线电机10和旋转电机16的输出信号进行对比分析处理后，并与所需达到的位置参数对比，运行相应的控制算法计算得到控制信号，控制信号通过运动控制卡21、端子板22输入到直线电机伺服驱动单元23和旋转电机伺服驱动单元24，直线电机伺服单元23驱动直线电机10移动，旋转电机伺服单元24驱动旋转电机16转动，使动平台1达到预期的位置和姿态。

综上所述，本发明的每个并联分支采用直线电机模组和旋转电机模组进行驱动，直线电机模组直接驱动旋转电机模组，旋转电机模组直接驱动刚性主动杆来带动刚性从动杆，进而使动平台运动，由于采用直接驱动方式，没有采取任何中间传动机构，无因引入传动机构而带来的磨擦问题、齿侧间隙问题，驱动精度高、响应快，还能简化结构，减小质量，降低并联机构工作时的噪音，并联机构的维护保养也更加方便；同时，在动平台上设有角加速度传感器和加速度传感器，可测量动平台在沿垂直方向的角加速度，以及在水平面上x方向和y方向的加速度，直线电机模组带有位移传感器，可测量旋转电机模组的位移信号，旋转电机模组带有编码器，可测量旋转电机的角位移信号，根据各传感器测得的运动参数，实现对动平台的控制。

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。