一种三自由度平面柔性并联平台装置及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种三自由度平面柔性并联平台装置及控制方法，包括三个并联分支、动平台及静平台，每个并联分支包括电机、一根主动杆及一根从动杆，所述主动杆上贴有一维加速度传感器，从动杆上粘贴压电陶瓷片传感器，所述动平台安装三维加速度传感器，所述从动杆的两端贴有第一及第二压电陶瓷片驱动器；电机驱动主动杆，对应的一维及三维加速度传感器，以及从动杆上的压电陶瓷片传感器同时检测振动，均输出微弱的电荷量，经过电荷放大器接入到数据采集卡，通过算法将控制量施加在从动杆上的压电陶瓷片驱动器上，实现对并联平台残余振动主动控制的目的。具有测量精度高和闭环控制响应快的优点。
【专利说明】
一种三自由度平面柔性并联平台装置及控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及柔性并联平台定位振动检测及控制领域，具体涉及一种三自由度平面柔性并联平台装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]不少生产制造行业，已经在广泛使用工业机器人进行，如汽车装配和焊接，产品搬运等。为了提高工业生产力，节约能源，现代机械不断地向轻量化、低能耗和高效率等方向发展，轻型、高速、高加速度、高精度的柔性并联机器人开始得到许多研究者和工程师的关注。但在需要高速高精度定位的位置，只有少部分的并联机器人出现。并联机器人具有大刚度、高精度、高承载能力等优点，主要应用在强刚度、高精度、运动速度快、动态特性好、操作灵巧、对工作空间要求不大的场合，如航空航天、制造装备、精密测量与精密定位领域。
[0003]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。而平面3R并联机器人是基于宏微结合的思路，即宏动平台进行快速精确的定位，微动平台再进行位置的微调。并联机器人由于关节质量轻，可以以高速进行运行。刚柔机械臂既具有刚性机械臂不易发生弹性变形的优点，又具有柔性机械臂质量轻，可节约因运动而消耗的能量等优点，在很多领域都得到了广泛的应用。例如，太空探索采用空间刚柔机械臂以减少太空探索的能量消耗;军事领域采用刚柔机械臂以保证在恶劣环境下完成较复杂的任务;工业领域利用刚柔机械臂完成高精度的加工作业。
[0004]本柔性机器人的主动被动杆均采为柔性，这样质量会更轻，运行速度可以更大。不过当系统运动时，由于惯性力等因素的影响导致低刚度的柔性构件更容易发生弹性变形，弹性变形会影响着机械的性能，并且在机构运动定位之后还有残余振动，振动会影响系统的运动定位精确度以及延长定位时间，因此针对不同的应用应该设计不同的控制策略来检测及控制振动。
[0005]柔性机器人的振动控制可以分为:被动控制和主动控制，主要有以下6种控制策略；I优化构件的截面参数及几何参数，即KED综合;2利用复合材料取代常规金属材料;3对构件进行阻尼处理，即阻尼减振;4设计具有传感器与作动器的机敏机构，构造控制系统；5设计具有多个可控原动件的受控机构，构造控制系统;6基于完全动力分析的运动控制。方法I?3属于被动控制，方法4?6属于主动控制。
[0006 ]被动控制具有成本低、易实现、无需外部能源，能够较好的抑制高频模态响应等优点，但对外界环境变化的适应性差，对低频模态的抑制效果有限。将振动主动控制思想引入弹性机构振动控制研究中，给机构学界注入了极大的活力。弹性机构振动主动控制是基于一定的控制策略，根据对测量的弹性机构振动响应的信息，通过外界的能量输入对机构施加一定的控制力，使控制系统与机构本身构成同一整体，从而改变机构的动力学特性。因此控制理论的许多策略被用于柔性机器人系统的控制。主要方法有:力矩控制;ro调节;静态反馈的输入-输出线性化；自适应控制;神经网络控制;超前与滞后控制；非线性控制；奇异值摄动;滑模控制;代数控制;极点配置;最优轨迹规划;最优鲁棒控制;机械波方法等。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种三自由度平面柔性并联平台装置及控制方法。
[0008]本发明采用如下技术方案:
[0009]一种三自由度平面柔性并联平台装置，包括三个并联分支、动平台及静平台，所述三个并联分支的结构相同，均包括电机、一根主动杆及一根从动杆，三个电机分别安装在静平台的三个角，电机轴端连接主动杆的一端，主动杆的另一端通过转轴连接从动杆的一端，从动杆的另一端通过转轴连接动平台，所述动平台是等边三角形，三个从动杆分别连接在动平台的三个角上；
[0010]所述主动杆上贴有一维加速度传感器，从动杆上粘贴压电陶瓷片传感器，所述动平台安装三维加速度传感器，所述从动杆的两端贴有第一及第二压电陶瓷片驱动器；
[0011]还包括电荷放大器、A/D转换器、数据采集卡、压电驱动电源、D/A转换器、驱动器、扩展卡、运动控制卡及计算机；
[0012]所述一维加速度传感器、压电陶瓷片传感器及三维加速度传感器检测的振动电信号经过电荷放大器及A/D转换器输入到数据采集卡，所述数据采集卡与计算机相互连接；
[0013]所述计算机获得控制信号后通过D/A转换器及压电驱动电源驱动第一及第二压电陶瓷片驱动器；
[0014]所述计算机、运动控制卡、扩展卡及驱动器依次连接，所述驱动器与电机连接。
[0015]所述一维加速度传感器贴在主动杆的中间位置，所述压电陶瓷片传感器粘贴在从动杆的纵向中线处，且单面粘贴，所述第一及第二压电陶瓷片驱动器均由两片压电陶瓷片构成，正反两面粘贴，每面一片。
[0016]所述三维加速度传感器安装在动平台的几何中心位置。
[0017]所述动平台附加质量块。
[0018]还包括人机界面，所述人机界面与计算机连接。
[0019]一种三自由度平面柔性并联平台装置的控制方法，包括如下步骤:
[0020]步骤一电机收到计算机的驱动信号后，带动主动杆和从动杆使动平台定位到目标位置；
[0021 ] 步骤二三维加速度传感器检测动平台X和Y方向的振动，三个一维加速度传感器检测垂直主动杆方向的振动，压电陶瓷片传感器检测垂直柔性杆方向的振动，然后将检测的振动信号通过电荷放大器、A/D转换器输出到数据采集卡，然后输入到计算机中；
[0022]步骤三计算机经过相应的振动主动控制算法产生控制信号，通过D/A转换器和压电驱动放大电路后，将控制信号输送至第一及第二压电陶瓷片驱动器，对从动杆产生控制力作用，控制从动杆的振动，从而实现对从动杆的实时振动主动控制，抵消动平台振动，实现对动平台的实时振动主动控制。
[0023]还包括电机驱动控制动平台的自激振动，具体为:
[0024]当动平台到达目标位置停止后，动平台产生自激振动，三维加速度传感器检测的动平台X和Y方向的振动信号形成闭环控制，振动信号经过电荷放大器、、A/D转换器输出到数据采集卡，然后输入到计算机中，计算机进行相应运算的控制量，经过运动控制卡、扩展卡通过驱动器输出进行驱动电机，进行自激振动的控制。
[0025]本发明的有益效果:
[0026](I)本发明利用加速度传感器检测柔性并联机构的动平台振动，是接触式测量，质量轻，对结构特征改变可忽略，闭环控制，测量精度高，动态响应快的优点，既适合于低频振动测量也适合于高频振动测量；
[0027](2)本发明利用压电陶瓷传感器检测柔性并联机构的从动杆振动，是接触式测量，质量轻，而且与压电陶瓷驱动器在同一根杆上，可有效地优化配置，并实时将检测的振动反馈给控制量，来控制从动杆的振动；
[0028](3)本装置为多传感器融合系统，既有加速度传感器，又有压电陶瓷片传感器，可以通过多传感器信息融合对柔性并联机构的动平台振动进行辨识研究；
[0029](4)本装置是一个多输入通道的检测和控制系统，利用加速度传感器可以动态标定压电陶瓷片传感器的测量值，利用该装置可以很好的实现柔性并联机构的动平台振动检测和控制研究。
【附图说明】
[0030]图1是本发明的一种三自由度平面柔性并联平台装置的结构示意图；
[0031]图2是图1的前视图；
[0032]图3是图1的俯视图；
[0033]图4是图1中从动杆的在轴测图；
[0034I图5是图1中从动杆的正面示意图；
[0035]图6是图5的俯视图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0037]实施例
[0038]如图1-图6所示，一种三自由度平面柔性并联平台装置，包括:
[0039]三个并联分支、动平台、静平台、电机1、人机界面，电荷放大器、A/D转换器、数据采集卡、压电驱动电源、D/A转换器、驱动器、扩展卡、运动控制卡及计算机，所述三个并联分支的结构相同，均包括电机、一根主动杆2及一根从动杆3，所述三个电机安装在静平台9的三个角，本实施例中静平台9为方形，所述电机机轴中心处在同一个等边三角形的三个端点上，每台电机I的轴端连接主动杆2的一端，主动杆的另一端通过转轴连接从动杆的一端，所述从动杆3的另一端通过转轴连接动平台，所述动平台5是等边三角形，三个从动杆3连接在动平台5的三个角上。
[0040]在动平台5的几何中心安装三维加速度传感器4，检测动平台的振动实现闭环控制。每根主动杆的中间位置贴有一维加速度传感器7，用于检测主动杆垂直于杆的振动，从动杆上粘贴压电陶瓷片传感器8，用于检测各从动杆上垂直于杆的振动，所述压电陶瓷片传感器8粘贴在从动杆的纵向中线出，单面粘贴，所述第一及第二压电陶瓷片驱动器6、10粘贴在从动杆的两端，均由两片压电陶瓷片构成，正反两面粘贴，每面一片，姿态角为O度，第一和第二压电陶瓷片驱动器粘贴位置分别距离柔性杆的两端的铰链连接处I?2厘米。
[0041]所述一维加速度传感器7、压电陶瓷片传感器8及三维加速度传感器4检测的振动电信号经过电荷放大器及A/D转换器输入到数据采集卡，所述数据采集卡与计算机相互连接；
[0042]所述计算机获得控制信号后通过D/A转换器及压电驱动电源驱动第一及第二压电陶瓷片驱动器；
[0043]所述计算机、运动控制卡、扩展卡及驱动器依次连接，所述驱动器与电机连接，所述人机界面与计算机连接。
[0044]主动杆和从动杆均为柔性，质量轻，响应更快，也更节能；电机驱动主动杆，主动杆带动从动杆使动平台定位到目标位置之后，产生的弹性变形幅度更大，会造成动平台的残余振动，三维及一维加速度传感器检测到动平台和主动杆的振动加速度信号，从动杆上的压电陶瓷片传感器检测此杆上的振动，会输出微弱的电荷量，将其经过电荷放大器接入到数据采集卡，经过A/D转换器后输入到计算机，再运行相应的控制算法，得到控制量后，经过数据采集卡、D/A转换器及驱动压电电源后驱动从动杆上的第一及第二压电陶瓷片驱动器上，实现对并联平台残余振动主动控制的目的；具有测量精度高、采样频率高、动态响应快及闭环控制的优点。
[0045]—种三自由度平面柔性并联平台装置的振动控制方法，包括如下步骤:
[0046]步骤一电机收到计算机的驱动信号后，带动主动杆和从动杆使动平台定位到目标位置；
[0047]步骤二三维加速度传感器检测动平台X和Y方向的振动，三个一维加速度传感器检测垂直主动杆方向的振动，压电陶瓷片传感器检测垂直柔性杆方向的振动，然后将检测的振动信号通过电荷放大器、A/D转换器输出到数据采集卡，然后输入到计算机中；
[0048]步骤三计算机经过相应的振动主动控制算法产生控制信号，通过D/A转换器和压电驱动电源后，将控制信号输送至第一及第二压电陶瓷片驱动器，对从动杆产生控制力作用，控制从动杆的振动，从而实现对从动杆的实时振动主动控制，抵消动平台振动，实现对动平台的实时振动主动控制。
[0049]当动平台到达目标位置停止后，动平台产生自激振动，三维加速度传感器检测的动平台X和Y方向的振动信号形成闭环控制，振动信号经过电荷放大器、、A/D转换器输出到数据采集卡，然后输入到计算机中，计算机进行相应运算的控制量，经过运动控制卡、扩展卡通过驱动器输出进行驱动电机，进行自激振动的控制。
[0050]在本实施例中，动平台上附加质量块，所述动平台为等边三角形，边长为220mm，厚度为20mm，从动杆的尺寸参数为:252mm X 25mm X 3mm，主动杆的尺寸参数为:254mm X 25mm X3mm，所述主动杆、从动杆及动平台均为铝合金，为使杆件表面绝缘，对其进行氧化处理。一维及三维加速度传感器由激光探测头和加速度传感器控制器组成，选用丹麦Brilel&Kjaer公司生产的三维加速度压电传感器和一维加速度压电传感器。三维加速度压电传感器型号为4326-A，测量频率为1-8000Hz，灵敏度为3pC/g，重量为13g。一维加速度压电传感器4370，测量频率为0.1-4800HZ，灵敏度lOOpC/g，温度范围为-74-250°C，重量为54g。
[0051]具有多个传感器同步测量功能、操作功能、平均功能、过滤功能，校准功能、自动归零功能、取样率设置等功能。
[0052]第一压电陶瓷片驱动器6和第二压电陶瓷片驱动器10为压电陶瓷片，几何尺寸为50mmX 25mm X 2mm。压电陶瓷片传感器8也为压电陶瓷片，几何尺寸为30mm X 15mmX 1mm。压电陶瓷材料的弹性模量为Ep = 63Gpa，d31 = _166pm/V。
[0053]电机I选用安川伺服电机SGMAV-08ADA61和伺服驱动器⑶V-5R5A01A，20位编码器可提供足够精确的位置反馈，3.18N.m的输出力矩与750W的额定功率足以完成平台高速运动的驱动。压电陶瓷驱动电源选用芯明天公司的，其主要模块是amplifier 090716，模拟输入± 1V，电压输出± 150V，功率为35W，平均电流为115mA，模拟旋钮1圈调节，工作温度是0-50°C。电荷放大器可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。最大输入电荷量为16PC,可输入电荷信号或电压信号，最大输出为±10Vp(DC?30kHz) j/D数据采集卡的型号为北京阿尔泰科技有限公司生产的PC1-8193。选用的计算机CPU型号为Intel Corei7-4790@3.6Hz，内存4G。
[0054]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种三自由度平面柔性并联平台装置，其特征在于， 包括三个并联分支、动平台及静平台，所述三个并联分支的结构相同，均包括电机、一根主动杆及一根从动杆，三个电机分别安装在静平台的三个角，电机轴端连接主动杆的一端，主动杆的另一端通过转轴连接从动杆的一端，从动杆的另一端通过转轴连接动平台，所述动平台是等边三角形，三个从动杆分别连接在动平台的三个角上； 所述主动杆上贴有一维加速度传感器，从动杆上粘贴压电陶瓷片传感器，所述动平台安装三维加速度传感器，所述从动杆的两端贴有第一及第二压电陶瓷片驱动器； 还包括电荷放大器、A/D转换器、数据采集卡、压电驱动电源、D/A转换器、驱动器、扩展卡、运动控制卡及计算机； 所述一维加速度传感器、压电陶瓷片传感器及三维加速度传感器检测的振动电信号经过电荷放大器及A/D转换器输入到数据采集卡，所述数据采集卡与计算机相互连接； 所述计算机获得控制信号后通过D/A转换器及压电驱动电源驱动第一及第二压电陶瓷片驱动器； 所述计算机、运动控制卡、扩展卡及驱动器依次连接，所述驱动器与电机连接。2.根据权利要求1所述的一种三自由度平面柔性并联平台装置，其特征在于，所述一维加速度传感器贴在主动杆的中间位置，所述压电陶瓷片传感器粘贴在从动杆的纵向中线处，且单面粘贴，所述第一及第二压电陶瓷片驱动器均由两片压电陶瓷片构成，正反两面粘贝占，每面一片。3.根据权利要求1所述的一种三自由度平面柔性并联平台装置，其特征在于，所述三维加速度传感器安装在动平台的几何中心位置。4.根据权利要求1所述的一种三自由度平面柔性并联平台装置，其特征在于，所述动平台附加质量块。5.根据权利要求1所述的一种三自由度平面柔性并联平台装置，其特征在于，还包括人机界面，所述人机界面与计算机连接。6.根据权利要求1-5任一项所述的一种三自由度平面柔性并联平台装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一电机收到计算机的驱动信号后，带动主动杆和从动杆使动平台定位到目标位置； 步骤二三维加速度传感器检测动平台X和Y方向的振动，三个一维加速度传感器检测垂直主动杆方向的振动，压电陶瓷片传感器检测垂直柔性杆方向的振动，然后将检测的振动信号通过电荷放大器、A/D转换器输出到数据采集卡，然后输入到计算机中； 步骤三计算机经过相应的振动主动控制算法产生控制信号，通过D/A转换器和压电驱动放大电路后，将控制信号输送至第一及第二压电陶瓷片驱动器，对从动杆产生控制力作用，控制从动杆的振动，从而实现对从动杆的实时振动主动控制，抵消动平台振动，实现对动平台的实时振动主动控制。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括电机驱动控制动平台的自激振动，具体为: 当动平台到达目标位置停止后，动平台产生自激振动，三维加速度传感器检测的动平台X和Y方向的振动信号形成闭环控制，振动信号经过电荷放大器、、A/D转换器输出到数据采集卡，然后输入到计算机中，计算机进行相应运算的控制量，经过运动控制卡、扩展卡通过驱动器输出进行驱动电机，进行自激振动的控制。
【文档编号】B25J13/08GK106041895SQ201610589183
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月25日 公开号201610589183.4, CN 106041895 A, CN 106041895A, CN 201610589183, CN-A-106041895, CN106041895 A, CN106041895A, CN201610589183, CN201610589183.4
【发明人】邱志成, 杨杰, 张宪民
【申请人】华南理工大学