专利名称：三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人控制装置及方法，特别是一种三自由度混合驱动柔索并联 机器人控制装置及方法。
背景技术：
三自由度柔索并联机器人具有重要的应用价值，可用于起重、加工、检测、装配、搬 运等操作任务。在专利申请号为200910233341. 2的专利文献中，公开了《空间三维平动自 由度混合驱动柔索并联机构》，该混合驱动柔索并联机器人机构是一种结构简单，能够完成 大负载运转、复杂运动规律，实现高性能运动输出的新型空间三维平动自由度柔索并联机 器人。尽管该混合驱动柔索并联机器人机构可以完成机器人重物块的运动，但由于该机器 人系统具有大惯性、多输入多输出、非线性等特点，并且受系统模型的参数摄动以及重物块 在运动中随机风等外界干扰的影响，使得混合驱动柔索并联机器人运动灵活性、稳定性和 精确性还不够完善。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能够完善机器人运动灵活性、稳定性和精确性的三 自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置及方法。本发明的目的是这样实现的三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置，包括 柔索并联机器人、主控工控机、测量工控机、通信装置、可编程逻辑控制器、传感器和混合驱 动控制器，主控工控机通过通信装置与可编程逻辑控制器连接，混合驱动控制器的输出端 与柔索并联机器人连接，柔索并联机器人通过传感器与测量工控机连接，测量工控机通过 通信装置与主控工控机连接。所述的混合驱动控制器共有四组，每一组结构相同，包括混合驱动机构、光电编码 器、变频器和驱动器，可编程逻辑控制器的输出端与变频器和驱动器的输入端连接，变频器 和驱动器的输出端与混合驱动机构连接，光电编码器的输出端与可编程逻辑控制器的输入 端连接。所述的混合驱动机构包括交流三相异步电机、交流伺服电机和双曲柄五连杆机 构，交流三相异步电机和交流伺服电机分别与双曲柄五连杆机构的两个曲柄相连接，交流 三相异步电机、交流伺服电机两种类型的输入通过连杆铰接合成；交流三相异步电机与变 频器连接，交流伺服电机与驱动器连接，四根柔索的末端与柔索并联机器人的重物块连接， 四组混合驱动机构均与一台可编程逻辑控制器连接，四组变频器、四组伺服驱动器、四组混 合驱动机构硬件布置及连线均相同。所述的传感器包括光电编码器、光栅位移传感器、测力传感器、称重传感器和接近 传感器；光电编码器分别安装在混合驱动机构中的交流伺服电机和交流三相异步电机上， 在柔索并联机器人的重物块上安装3个光栅位移传感器，称重传感器安装在重物块上，同 时在重物块上安装有接近传感器，在四根柔索上各安装一个相同的测力传感器。
所述的柔索并联机器人是由四根相连成十字形对称设置的索塔支架、导向滑轮、 四根柔索、重物块组成，每根索塔支架之上均设有柔索导向滑轮，四根柔索通过导向滑轮在 索塔支架上的支撑与重物块连接。所述装置的控制方法包括如下步骤
1、混合驱动柔索并联机器人牵引重物块运动时，安装在混合驱动柔索并联机器人重物 块上的光栅位移传感器、称重传感器和接近传感器，以及在四根柔索上安装的测力传感器， 所有传感器将测得的信号，并将所需信号传送到测量工控机；
2、测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；
3、主控工控机对接收到的信号进行分析处理并完成人机交互功能、混合驱动柔索并联 机器人力学计算，控制系统解算，形成控制误差信号通过通信装置传送给可编程逻辑控制 器；可编程逻辑控制器还接受来自与交流伺服驱动器、交流伺服电机相配套的光电编码器 测得交流伺服电机的转角与转速信号，并与反馈给可编程逻辑控制器的光电编码器接口构 成位置反馈控制；此外，在运动控制过程中，可编程逻辑控制器同时还对连接在交流三相异 步电机上的光电编码器测得的启动转速和速度变化信号进行处理，并与变频器接口构成速 度反馈控制以保证交流三相异步电机转速恒定；
4、可编程逻辑控制器对接受的控制指令进行分析，计算出控制信号同时输出给交流伺 服驱动器和变频器；
5、交流伺服驱动器和变频器分别将信号发送给交流伺服电机和交流三相异步电机完 成同时协调运转共同驱动双曲柄五连杆机构，双曲柄五连杆机构实时控制四根柔索进行收 索与放索协调动作，进而实现混合驱动柔索并联机器人对重物块的高精度运动；
6、主控工控机、可编程逻辑控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，构成一 个通信网络系统。有益效果由于采用了上述方案，能够实现空间三维平动自由度运动的混合驱动 柔索并联机器人控制装置；混合驱动柔索并联机器人控制装置采用分布式结构，由操作管 理级主控工控机、重物块控制级可编程逻辑控制器，以及负责实时测量并进行反馈信号的 测量工控机、混合驱动柔索并联机器人、通信装置构成，这种控制模式综合了可编程逻辑控 制器控制精度高、抗干扰能力强、可靠性好和工控机开放性程度高、信息处理能力强、实时 调整优点突出、通用性好的特点；以测量工控机为中心的测量系统，采用数据采集与传感器 相结合的方式，最大限度地完成测试工作的全过程，既能实现对信号的检测，又能对所获信 号进行分析处理；通过测力传感器、称重传感器和接近传感器还可以确定牵引混合驱动柔 索并联机器人重物块的柔索张力、重物块的重量，以及用于重物块运动的避障和防止冲击 以实现柔性输出运动；从而能够完善混合驱动柔索并联机器人运动灵活性、稳定性和精确 性，达到了本发明的目的。优点该混合驱动柔索并联机器人控制装置及方法能够有效控制四组混合驱动控 制器实现四根柔索的协调收放完成混合驱动柔索并联机器人空间三维平动自由度的高精 度运动；采用由主控工控机、测量工控机、可编程逻辑控制器和通信装置组成的分布式控制 模式，具有系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好；系统中采用测力传感器、称重传感器 和接近传感器可以监测柔索张力、所载工件的重量，以及重物块运动的避障和防止冲击，从 而大大提高了混合驱动柔索并联机器人的运动灵活性、稳定性和精确性。
图1为本发明所述的混合驱动柔索并联机器人控制装置示意框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。实施例1 图1中，机器人控制装置包括柔索并联机器人、混合驱动控制器、传感 器、主控工控机、测量工控机、通信装置和可编程逻辑控制器，主控工控机通过通信装置与 可编程逻辑控制器连接，混合驱动控制器的输出端与柔索并联机器人连接，柔索并联机器 人通过传感器与测量工控机连接，测量工控机通过通信装置与主控工控机连接。所述的混合驱动机构包括交流三相异步电机、交流伺服电机和双曲柄五连杆机 构，交流三相异步电机和交流伺服电机分别与双曲柄五连杆机构的两个曲柄相连接，交流 三相异步电机为双曲柄五连杆机构提供主要的动力功率，交流伺服电机控制双曲柄五连杆 机构的柔性输出，而这两种类型的输入运动通过连杆铰接合成，这样使混合驱动机构在保 证输出运动的同时，混合驱动机构的动力分配等特性也得到改善。混合驱动机构由做常速 运动的交流三相异步电机和做变速运动的交流伺服电机的两个电机共同驱动，交流三相异 步电机提供主要功率并通过变频器进行调速以保证交流三相异步电机转速恒定，交流伺服 电机主要对柔索并联机器人运动提供控制调节作用，通过四根柔索协同牵引控制柔索并联 机器人的重物块高精度运动，而四组混合驱动机构的联动是通过一台可编程逻辑控制器来 控制实现，四组变频器、四组伺服驱动器、四组混合驱动机构硬件布置及连线均相同。所述的柔索并联机器人是由四根相连成十字形对称设置的索塔支架、导向滑轮、 四根柔索、重物块等组成，每根索塔支架之上均设有柔索导向滑轮，四根柔索通过导向滑轮 在索塔支架上支撑、牵弓I重物块运动。所述的传感器包括光电编码器、光栅位移传感器、测力传感器、称重传感器和接近 传感器；光电编码器分别安装在交流伺服电机和交流三相异步电机上，在柔索并联机器人 的重物块上安装3个光栅位移传感器，称重传感器安装在重物块上，同时在重物块上安装 有接近传感器，在四根柔索上各安装一个相同的测力传感器。所述的通信装置选用专用通信RS-232/RS-485转换器用于主控工控机、可编程逻 辑控制器和测量工控机之间的通信。所述主控工控机负责机器人系统轨迹规划、人机交互、 系统维护，数据的保存、处理、显示、优化等多方面的功能。所述可编程逻辑控制器负责互联 的四组混合驱动柔索牵引系统的位置协调控制。所述测量工控机负责对测量数据的采集、 处理、运行状态信息实时传送至主控工控机，主控工控机、测量工控机与可编程逻辑控制器 之间采用ISA总线相连，用于设备的设置、程序下载和运行中的数据传递。所述的传感器测得混合驱动柔索并联机器人所需的信号，并将信号传送到测量工 控机，测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机，主控 工控机对接收到的信号进行分析处理，形成控制误差信号通过通信装置传送给可编程逻辑 控制器，可编程逻辑控制器对控制指令进行分析，计算出控制信号下发给混合驱动控制器，混合驱动控制器驱动四根柔索的协调收放实现柔索并联机器人的运动，进而构成一个大的 闭环传递过程。 所述机器人控制装置的方法，混合驱动柔索并联机器人牵引重物块运动时，安装 在混合驱动柔索并联机器人重物块上的3个光栅位移传感器测得重物块的三维平动自由 度位移、称重传感器测得重物块的重量，接近传感器测得重物块的极限位移，安装在四根柔 索上四个相同测力传感器测得柔索的张力，将传感器测得所需的信号传送到测量工控机; 测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；主控工控机 对接收到的信号进行分析处理并完成人机交互功能、混合驱动柔索并联机器人力学计算， 控制系统解算，形成控制误差信号通过通信装置传送给可编程逻辑控制器；
可编程逻辑控制器还接受来自与交流伺服驱动器、交流伺服电机相配套的光电编码器 测得交流伺服电机的转角与转速信号，并与反馈给可编程逻辑控制器的光电编码器接口构 成位置反馈控制；此外，在运动控制过程中，可编程逻辑控制器同时还对连接在交流三相异 步电机上的光电编码器测得的启动转速和速度变化信号进行处理，并与变频器接口构成速 度反馈控制以保证交流三相异步电机转速恒定；可编程逻辑控制器对接受的控制指令进行 分析，计算出控制信号同时输出给交流伺服驱动器和变频器；交流伺服驱动器和变频器分 别将信号发送给交流伺服电机和交流三相异步电机完成同时协调运转共同驱动双曲柄五 连杆机构，双曲柄五连杆机构实时控制四根柔索进行收索与放索协调动作，进而提高混合 驱动柔索并联机器人完成重物块运动的灵活性、稳定性和精确性；主控工控机、可编程逻辑 控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。
权利要求
1.一种三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置，其特征是三自由度混合驱动柔 索并联机器人控制装置，包括柔索并联机器人、主控工控机、测量工控机、通信装置、可编程 逻辑控制器、传感器和混合驱动控制器，主控工控机通过通信装置与可编程逻辑控制器连 接，混合驱动控制器的输出端与柔索并联机器人连接，柔索并联机器人通过传感器与测量 工控机连接，测量工控机通过通信装置与主控工控机连接。
2.根据权利要求1所述的三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置，其特征是所 述的混合驱动控制器共有四组，每一组结构相同，包括混合驱动机构、光电编码器、变频器 和驱动器，可编程逻辑控制器的输出端与变频器和驱动器的输入端连接，变频器和驱动器 的输出端与混合驱动机构连接，光电编码器的输出端与可编程逻辑控制器的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置，其特征是所 述的混合驱动机构包括交流三相异步电机、交流伺服电机和双曲柄五连杆机构，交流三相 异步电机和交流伺服电机分别与双曲柄五连杆机构的两个曲柄相连接，交流三相异步电 机、交流伺服电机两种类型的输入通过连杆铰接合成；交流三相异步电机与变频器连接，交 流伺服电机与驱动器连接，四根柔索的末端与柔索并联机器人的重物块连接，四组混合驱 动机构均与一台可编程逻辑控制器连接，四组变频器、四组伺服驱动器、四组混合驱动机构 硬件布置及连线均相同。
4.根据权利要求1所述的三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置，其特征是所 述的传感器包括光电编码器、光栅位移传感器、测力传感器、称重传感器和接近传感器；光 电编码器分别安装在混合驱动机构中的交流伺服电机和交流三相异步电机上，在柔索并联 机器人的重物块上安装3个光栅位移传感器，称重传感器安装在重物块上，同时在重物块 上安装有接近传感器，在四根柔索上各安装一个相同的测力传感器。
5.根据权利要求1所述的三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置，其特征是所 述的柔索并联机器人是由四根相连成十字形对称设置的索塔支架、导向滑轮、四根柔索、重 物块组成，每根索塔支架之上均设有柔索导向滑轮，四根柔索通过导向滑轮在索塔支架上 的支撑与重物块连接。
6.一种三自由度混合驱动柔索并联机器人控制方法，其特征是所述的控制方法包括 如下步骤(1)、混合驱动柔索并联机器人牵引重物块运动时，安装在混合驱动柔索并联机器人重 物块上的光栅位移传感器、称重传感器和接近传感器，以及在四根柔索上安装的测力传感 器，所有传感器将测得的信号，并将所需信号传送到测量工控机；(2)、测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；(3)、主控工控机对接收到的信号进行分析处理并完成人机交互功能、混合驱动柔索并 联机器人力学计算，控制系统解算，形成控制误差信号通过通信装置传送给可编程逻辑控 制器；可编程逻辑控制器还接受来自与交流伺服驱动器、交流伺服电机相配套的光电编码 器测得交流伺服电机的转角与转速信号，并与反馈给可编程逻辑控制器的光电编码器接口 构成位置反馈控制；此外，在运动控制过程中，可编程逻辑控制器同时还对连接在交流三相 异步电机上的光电编码器测得的启动转速和速度变化信号进行处理，并与变频器接口构成 速度反馈控制以保证交流三相异步电机转速恒定；(4)、可编程逻辑控制器对接受的控制指令进行分析，计算出控制信号同时输出给交流伺服驱动器和变频器；(5)、交流伺服驱动器和变频器分别将信号发送给交流伺服电机和交流三相异步电机 完成同时协调运转共同驱动双曲柄五连杆机构，双曲柄五连杆机构实时控制四根柔索进行 收索与放索协调动作，进而实现混合驱动柔索并联机器人对重物块的高精度运动；(6)、主控工控机、可编程逻辑控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，构成 一个通信网络系统。
全文摘要
一种三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置及方法，包括柔索并联机器人、主控工控机、测量工控机、通信装置、可编程逻辑控制器、传感器和混合驱动控制器，主控工控机通过通信装置与可编程逻辑控制器连接，混合驱动控制器的输出端与柔索并联机器人连接，柔索并联机器人通过传感器与测量工控机连接，测量工控机通过通信装置与主控工控机连接。通过测量工控机实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机，经主控工控机、可编程逻辑控制器、测量工控机之间以串行总线方式进行通信，可控制四组混合驱动控制器实现四根柔索的协调收放，完成混合驱动柔索并联机器人空间三维平动自由度的高精度运动；系统响应快速、稳定性和精确性强。
文档编号B25J9/16GK102059699SQ20101058019
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者曹建斌, 朱真才, 訾斌, 魏明生 申请人:中国矿业大学