CN103086271B - 配置为用于移动有效载荷的运动系统 - Google Patents

Abstract

一种通过提供传感器沿着X轴线和Y轴线运动的运动设备，其中该传感器被配置为测量第一和第二运动联杆中的至少一个绕相应旋转轴线的旋转角度。力被施加到第一和第二运动联杆，使得第一和第二运动联杆绕相应旋转轴线的角度位移被实现。第一和第二运动联杆绕相应旋转轴线的角度位移被确定。该运动设备响应于第一和第二运动联杆绕相应旋转轴线的旋转角度的确定而沿着X轴线和/或Y轴线运动，直到第一和第二运动联杆垂直位置。

Description

配置为用于移动有效载荷的运动系统

技术领域

本发明涉及一种配置为用于响应于运动设备的铰接而沿着X轴线和Y轴线移动质量体的运动系统。

背景技术

高架桥式起重机被广泛用于提升和重新定位大的有效载荷。通常，在拾取和放置操作中的移位涉及沿着垂直轴线的旋转自由度和三个平移自由度。该组动作（被称为选择顺应性组装机器人手臂（“SCARA”）动作或运动）在工业中被广泛使用。桥式起重机允许沿着两个水平轴的运动。提供适当的关节，可以增加用于平移的垂直轴线和用于旋转的垂直轴线。沿着水平轴线的第一运动通过在固定轨道上移动桥架而获得，而沿着第二水平轴线的运动通过沿着桥架（垂直于固定轨道的方向）移动台车获得。沿着垂直轴线的平移使用垂直滑动关节或通过使用传动带获得。沿着垂直轴线的旋转使用绕垂直轴线的旋转枢轴获得。

存在部分机动化形式的高架桥式起重机，其被操作者沿着水平轴线轴手动地移位且沿着垂直轴线手动地旋转，但是其包括机动化的吊车，以便于应付沿着垂直方向的重力。此外，一些桥式起重机被沿着所有轴线手动地移位，但是通过平衡设备补偿有效载荷的重量，以便于使得操作者的工作容易。这样的桥式起重机有时被称为辅助设备。平衡通常通过压缩空气系统来实现。这些系统需要压缩空气来保持压力或真空取决于使用的原理—这需要显著的动力。此外，由于在压缩空气缸中的摩擦，移位并不是十分平滑且可能甚至有弹跳。平衡可以使用配重来实现，配重会显著增加系统的惯性。尽管对于垂直运动来说是有用甚至必须的，但是附接到桥式起重机的台车的这样的系统由于需让这些系统的质量运动而会显著增加与水平运动有关的惯性。在平衡系统是基于平衡配重（counterweight）的情况下，增加的质量可能非常大，甚至大于有效载荷本身。如果水平行进速度很重要，则增加到的系统的惯性成为较大的缺点。

还存在完全机动化形式的这种桥式起重机，其需要有力的促动器，特别是对于必须支撑有效载荷的重量的垂直轴线运动来说。这些促动器通常附接到台车或桥架且随后处于运动中。垂直平移促动器有时被附接到桥架且通过一系统联动连接到台车，类似于在塔式起重机中使用的。

发明内容

运动系统被配置为用于移动有效载荷。运动系统包括桥式起重机、台车和运动设备。桥式起重机被配置为用于沿着X轴线运动。台车可运动地附接到桥式起重机，且被配置为用于沿着Y轴线运动，该Y轴线相对于X轴线成垂直关系。运动设备沿着Z轴线从台车悬挂。该运动设备包括第一四杆机构、第二四杆机构和传感器。第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从其悬挂。每一个四杆机构具有一对运动联杆和一对基部联杆。该一对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸。该一对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该一对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节。该一对运动联杆和相应一对基部联杆形成平行四边形。第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节。第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节。第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节。第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第二四杆联动件的第二关节。第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸。运动联杆可绕相应轴线旋转。第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系。传感器操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中一个关节。传感器被配置为测量相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。

一种运动设备从台车沿着Z轴线悬挂且配置为沿着X轴线和Y轴线中的至少一个移动。该运动设备包括第一四杆机构、第二四杆机构和传感器。第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从其悬挂。每一个四杆机构具有一对运动联杆和一对基部联杆。该一对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸。该一对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该一对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节。该一对运动联杆和相应对的基部联杆形成平行四边形。第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节。第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节。第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节。第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第二四杆联动件的第二关节。第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸。运动联杆可绕相应轴线旋转。第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系。传感器操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中一个关节。传感器被配置为测量相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。

一种沿着X轴线和Y轴线的至少一个让运动设备运动的方法，包括提供传感器，该传感器被配置为测量第一和第二运动联杆中的至少一个绕相应旋转轴线的旋转角度。力被施加到第一和第二运动联杆的至少一个，使得第一和第二运动联杆的至少一个绕相应旋转轴线的角位移被实现。第一和第二运动联杆的至少一个绕相应旋转轴线的角度位移被确定。该运动设备响应于第一和第二运动联杆的至少一个绕相应旋转轴线的旋转角度的确定而沿着X轴线和Y轴线中的至少一个运动，直到第一和第二运动联杆垂直。

当结合附图和所附权利要求时，从下面的用于执行本发明的一些实施例和较佳模式的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。

附图说明

图1是包括被连接到支撑结构的运动设备的运动系统的示意性透视图；

图2是图1的运动设备的示意性透视图，该运动设备被配置为用于沿着X轴线和Y轴线移动有效载荷；

图3是图1的运动设备的另一示意性透视图，该运动设备被配置为用于沿着X轴线和Y轴线移动有效载荷；

图4是图3的运动设备的示意性透视图，其具有铰接的机构和被铰接的结构支撑的有效载荷；

图5是可用于图1所示的控制器的高频震荡方案的示意性方块图；以及

图6是可用于图1所示的控制器的控制方案的示意性方块图。

具体实施方式

参考附图，其中相似的附图标记表示相似的部件，配置为用于沿着多个方向移动有效载荷12的运动系统10在图1中的10处示出。该运动系统10被安装到静止支撑结构14，该静止支撑结构被配置为支撑运动系统10和有效载荷12。支撑结构14包括但不局限于一对平行轨道16或滑道。

运动系统10包括桥式起重机18、台车20和运动设备22。桥式起重机18是包括跨该一对平行轨道16的至少一个主梁30的结构。桥式起重机18适于沿着Y轴线19搬运有效载荷12。台车20可运动地附接到桥式起重机18的主梁30，使得台车20适于沿着X轴线17搬运有效载荷12，该X轴线大致垂直于Y轴线19。运动设备22被操作地附接到台车20。Z轴线21相对于地面沿着垂直方向延伸，且被限定在X轴线17和Y轴线19的相交处之间。

运动设备22包括四杆机构24且被配置为是两自由度的铰接机构（X和Y）。两自由度的铰接机构（在图1和3中示出。铰接机构（articulatedmechanism）包括四杆机构24。此外，运动设备22可以被配置为允许有效载荷12的质量中心26与运动设备22的中心线25偏离。

参考图2和3，运动设备22包括第一四杆机构24a和第二四杆机构24b，该第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构24a并从其悬挂。每一个四杆机构24包括成对的四杆联动件32，即第一四杆联动件32a和第二四杆联动件32b，它们是刚性的。每一个四杆联动件32包括一对运动联杆34（即第一运动联杆34a和第二运动联杆34b），和一对基部联杆（即第一基部联杆36a和第二基部联杆36b）。第一基部联杆36a和第二基部联杆36b以相对彼此间隔开且平行的关系布置。第一运动联杆34a的相反端38被枢转地连接到第一和第二基部联杆36a、36b的端部38，以在它们之间形成相应的第一关节40和第二关节42。第二运动联杆34b被相对于第一运动联杆34a以相对彼此间隔开且平行的关系布置，且第二运动联杆34b的相反端38被枢转地连接到第一和第二基部联杆36a、36b的端部38，以在它们之间形成相应的第三关节44和第四关节46。因此，每一个四杆联动件32形成平行四边形。

第一和第二四杆机构24a和24b每一个的第一四杆联动件32a和第二四杆联动件32b以相对彼此间隔开且大致平行的关系布置，以致第一四杆联动件32a的第一运动联杆34a被相对于第二四杆联动件32b的第二运动联杆34b以间隔开且大致平行的关系布置，以及第一四杆联动件32a的第二运动联杆34b被相对于第二四杆联动件32b的第一运动联杆34a以间隔开且大致平行的关系布置。此外，第一四杆联动件32a的第一基部联杆36a和第二基部联杆36b相对于第二四杆联动件32b的相应第一基部联杆36a和第二基部联杆36b以间隔开和大致平行的关系布置。

第一轴线48延伸穿过第一四杆联动件32a的第一关节40和第二四杆联动件32b的第三关节44。第二轴线50延伸穿过第一四杆联动件32a的第二关节42和第二四杆联动件32b的第四关节46。第三轴线52延伸穿过第一四杆联动件32a的第三关节44和第二四杆联动件32b的第一关节40。第四轴线54延伸穿过第一四杆联动件32a的第四关节46和第二四杆联动件32b的第二关节42。对于每个四杆机构24a、24b，第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54相对彼此以间隔开且大致平行的关系延伸。此外，第一四杆机构24a的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54大致垂直于第二四杆机构24b的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54。

参考图1-3，每一个四杆机构24包括第一连接联杆56和第二连接联杆58。第一连接联杆56刚性地连接到第一四杆联动件32a的第一运动联杆34a和第二四杆联动件32b的第二运动联杆34b。第二连接联杆58刚性地连接到第一四杆联动件32a的第二运动联杆34b和第二四杆联动件32b的第一运动联杆34a。这种刚性连接意味着第一四杆联动件32a的第一运动联杆34a和第二四杆联动件32b的第二运动联杆34b绕相应第一和第二轴线一致地旋转。相似地，第一四杆联动件32a的第二运动联杆34b和第二四杆联动件32b的第一运动联杆34a绕相应第三和第四轴线一致地旋转。第一和第二四杆联动件32a、32b和第一和第二连接联杆56、58被用于每个四杆机构24，使得每一个四杆机构24可以充分地支撑所需的力、力矩和扭矩。滚柱轴承也可以被布置在关节40、42、44、46中，以便于降低摩擦。

第一四杆机构24a被操作地附接到台车20。更具体地，第一四杆机构24a从台车20悬挂。第二四杆机构24b从第一四杆机构24a悬挂。更具体地，第二四杆机构24b从第一四杆机构24a悬挂使得，第一四杆机构24a的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54相对于第二四杆机构24b的第一轴线48、第二轴线50、第三轴线52和第四轴线54处于大致垂直关系。

参考图2和3，一对管60从第二四杆机构24b沿着X轴线17延伸。有效载荷12从这些管60中的至少一个悬挂并且从Z轴线21偏离。

参考图4，铰接的关节61可以从管60的一个或两个延伸且还沿与Z轴线21进一步偏离的X方向和/或Y方向延伸。有效载荷12可以在附接点84处从铰接的关节61延伸。有效载荷12可以与附接点84偏离。

在操作中，运动设备22的振荡频率是运动联杆34的长度L的函数，但是不是有效载荷12的质量中心26相对于Z轴线21的位置的函数。更短的运动联杆34的长度L可以被用于节约空间，而较长的运动联杆34的长度L可以被用于降低固有振荡频率。

运动设备22包括大车（cart）62和控制器63。大车62被配置为用于响应于施加到有效载荷12的力F而沿着相应X轴线17和Y轴线19移动桥式起重机18和/或台车20。当力F沿着X轴线17和/或Y轴线19的方向施加到有效载荷12时，第一和/或第二四杆机构24a、24b的运动联杆34绕相应轴线旋转。传感器64被操作地连接到第一和第二四杆机构24a、24b每一个的至少一个关节。这些传感器64测量运动联杆34绕相应轴线的旋转角度θ1和θ₂。传感器64可以包括沿着相应轴线操作地布置的霍尔效应传感器68和编码器66。尽管可以对每个轴线仅使用一个传感器64，但是来自编码器66和霍尔效应传感器68的组合的信号可以通过使用数据融合而被组合，以获得优于使用单个传感器65的改进的信号质量。此外，使用两个信号提供了冗余性，使得来自两个传感器64的信号可以被彼此比较，以检测任何信号问题。此外，霍尔效应传感器68提供绝对信号，而编码器66提供精确信号。应理解，其它传感器64也可以被使用。绝对编码器、电势计或线性加速度计（用作测斜仪）可以被用作位置传感器。回转仪可以被用于获得角速度，而加速度计可以被用于获得角加速度。安置在带槽部件上的加速度计或回转仪还可以有助于确定不同的动态效应。光斩波器也可以被用在重要位置处。最后，上述信号可以被微分/积分，以获得相应信号。

角位移和角速度估计通过卡尔曼状态估计获得。每一个信号（即来自编码器66和霍尔效应传感器68）被独立地卡尔曼滤波，然后按它们的卡尔曼协方差矩阵对应状态值的比例组合。

为了对于小角度测量精度误差不敏感，角度上的死区（deadband）可以被使用。死区是系统上没有任何动作发生的符号范围（sign range）的区域。运动设备22还可以通过小幅度、高频未建模动态而被激励，或对于控制而言会难以管理高频振荡。在震荡期间，当运动联杆34接近垂直位置时，由于角度测量频繁改变符号，所以会变得难以抑制振荡。抑制这些振荡的一个方法是增加角度死区。如图5中所示的振荡逻辑图块70的算法被提供以补偿高频振荡，同时保持精确和性能，以保持运动联杆34垂直。对于小的死区，θ_db1仍被用于处理角度测量的精度误差。两个其它角度被限定，θ_db2和θ_db3。该信号θ_p0在死区图块（deadband和block）72中被确定，并表示为：

且该信号θ_p1在死区和饱和图块（saturation block）74中被确定，并表示为：

信号θ_p0于是对应于在θ_db1以上的输入角信号，而θ_p1对应于θ_db2和θ_db3之间的输入信号。为了从θ_p1移除高频振荡，该信号被进一步处理。尽管低通滤波器可以被使用，但是相位延迟可能会发生，使得导致系统不稳定。θ_p1的绝对信号在绝对逻辑图块76中被确定，然后绝对信号通过速率限制器图块78。上升极限（rising limit）高而下降极限（falling limit）低，使得输出信号的增加需要时间，过滤高频振荡。然而，θ_p1的信号可以快速地返回到零，避免相位偏移。该信号于是被乘以θ_p1的符号（存储在信号图块82中）。得到的信号于是可以可选地在低通图块80处被利用常用低通滤波器稍稍过滤，得到信号θ_p2。尽管θ_p0和θ_p2可以在控制中被独立地使用，但是它们也可以被组合为：

θ_pf＝θ_p0+θ_p2

在下文中，运动方程被首先利用称为耦合运动的完整模型来获得。然后，通过简化，简化模型被获得。参考图2，获得下述速度：

${\stackrel{\·}{Z}}_p={\stackrel{\·}{Z}}_c+L\sin {\mathrm{\θ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1+L\sin {\mathrm{\θ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2$

其中X_p,Y_p和Z_p是有效载荷12在固定坐标系（X轴线17与管60对齐）的质量中心位置，X_C,Y_C,Z_C是在固定坐标系中的大车62的坐标，φ_C是绕垂直轴线的机构旋转，而φ_e是绕端部执行器轴线的有效载荷12的旋转。φ_p是φ_e加φ_c的总平移。势能被提供如下：

V＝mgL(cosθ₁+cosθ₂)-Z_c

其中m是有效载荷12质量且运动能被表示为：

$T=\frac{1}{2}{M}_x{\stackrel{\·}{X}}_c^2+\frac{1}{2}{M}_y{\stackrel{\·}{Y}}_c^2+\frac{1}{2}{M}_z{\stackrel{\·}{Z}}_c^2+\frac{1}{2}m({\stackrel{\·}{X}}_p^2+{\stackrel{\·}{Y}}_p^2+{\stackrel{\·}{Z}}_p^2)$

其中M_X是大车62沿X方向的质量，M_Y是大车62沿Y方向的质量，而M_Z是大车62沿Z方向的质量。应注意，运动联杆34的质量被忽略。运动方程如下通过前面两个方程和拉格朗日方法获得：

$F_Z=M_z{\stackrel{\·\·}{Z}}_c+m({\stackrel{\·\·}{Z}}_c+L\cos {\mathrm{\θ}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_1^2+L\sin {\mathrm{\θ}}_1{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_1+L\cos {\mathrm{\θ}}_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_2^2+L\sin {\mathrm{\θ}}_2{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_2+g)$

应注意，相似的方程可以被得到，其中另一角表示为(θ₂,β₂)。此外，在角θ₁和θ₂之间的耦合对于相对较小的角度和角速度来说是可忽略的。由此，沿着X轴线17和Y轴线19的运动将被独立地处理，如下所述。

参考图4，在仅有一个自由度（其中θ指θ₁或θ₂）而另一角度保持固定且具有小旋转速率的情况下，运动方程如下：

$F=(M+m)\stackrel{\·\·}{x}+m\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}L\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{mL}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2\sin \mathrm{\θ}+m\stackrel{\·\·}{L}\sin \mathrm{\θ}+2m\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\stackrel{\·}{L}\cos \mathrm{\θ}$

$\mathrm{\τ}=0=(\stackrel{\·\·}{x}\cos \mathrm{\θ}+g\sin \mathrm{\θ}+L\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+2\stackrel{\·}{L}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}})\mathrm{mL}$

对于恒定的运动联杆34的联杆长度L，方程可以被简化为钟摆方程，如下：

$F=(M+m)\stackrel{\·\·}{x}+m\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}L\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{mL}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2\sin \mathrm{\θ}$

$\mathrm{\τ}=0=(\stackrel{\·\·}{x}\cos \mathrm{\θ}+g\sin \mathrm{\θ}+L\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}})\mathrm{mL}$

其中M是大车62的质量而m是有效载荷12的质量。假设小角度和缓慢变化的垂直平移以及忽略项该方程可以被近似如下：

$F=(M+m)\stackrel{\·\·}{x}+m\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}L$

$0=\stackrel{\·\·}{x}+\mathrm{g\θ}+L\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}$

运动机构可以以协作模式运行。可以管理有效载荷12的质量中心26与中心线25的偏离。在图2和3中，该偏离来自运动设备22，在图4中该偏离来自附接点84，允许操作者28通过将他们的手31直接放到有效载荷12上来操作运动设备22。运动机构允许操作者28通过推动有效载荷12而对运动设备22赋予角度θ₁和θ₂，即第一四杆机构24a和第二四杆机构24b，且该角度θ₁和θ₂通过传感器64测量。操作者28被允许将他们的手31直接放在有效载荷12上，因为被赋予第一连杆机构24a和第二连杆机构24b的联杆的角度θ₁和θ₂（其通过传感器64测量）在有效载荷12上方实现。控制系统响应于被传感器64测得的角度θ₁和θ₂而移动大车62，以保持运动联杆34垂直。由此，大车62沿着操作者期望的方向移动，同时控制运动联杆34的任何摆动，形成对操作者28的辅助。此外，由于控制器63确保运动联杆34保持垂直，所以操作者28不被要求手动地停止有效载荷，因为控制系统管理器其自身来停止有效载荷12。有效载荷12位置被规定同时减少联杆摆动的自动模式也可以被期望使用。

更具体地，通过响应于操作者28在机构上推动而使得第一和/或第二四杆机构24a、24b的运动联杆34绕轴线枢转而赋予角度θ₁和θ₂。控制系统的目的是响应于被赋予的角度θ₁和θ₂移动上方的大车62，以保持运动联杆34垂直。由此，大车62沿着操作者28赋予有效载荷12的方向移动，同时控制运动联杆34的摆动。此外，由于控制器63确保运动联杆34保持垂直，所以操作者28并不需要停止有效载荷。更具体地，控制系统用于停止大车62和相关联的有效载荷12。

操作者28移动有效载荷12所需的力F将被降低，因为运动联杆34被赋予的绕相应轴线的角度（一个或多个）θ₁和θ₂的测量可以被精确和准确地测量。这形成沿着相应X轴线17和/或Y轴线19移动的系统。

控制器63包括控制图块86，在图6中示出，其被配置为操作为用于协作动作或自主动作。大车62的加速度将被考虑为输入。有效载荷12和大车62的质量并不需要被得知。下列方程在拉普拉斯域中获得，如下：

$\stackrel{\·\·}{X}\left(s\right)+\mathrm{g\θ}\left(s\right)+s^2\mathrm{L\θ}\left(s\right)=0$

状态空间表示如下：

${\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_s=A_s{\stackrel{\‾}{x}}_s+B_s{u}_s$

$y_s=C_s{\stackrel{\‾}{x}}_s+D_s{u}_s$

其中y_S为输出向量，是状态向量,u_s是输入标量，A_S是n×n状态矩阵,B_S是n×m输入矩阵,C_S是p×n输出矩阵,D_S是p×m溃通矩阵（feed through matrix），且其中n是状态数，m是输入数且p是输出数。此处， ${\stackrel{\‾}{x}}_S={\left[\begin{array}{cccc}x& \stackrel{\·}{x}& \mathrm{\θ}& \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\end{array}\right]}^T$ 且其中

$A_s=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& \frac{-g}{L}& 0\end{array}\right]\mathrm{and}{B}_s=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\\ 0\\ \frac{-1}{L}\end{array}\right]$

使用从拉普拉斯域获得的上述方程，其中控制法则为u_S=K_Re，其中：

$K_{R}e=\left[\begin{array}{cccc}{K}_x& K_v& -K_{\mathrm{\θ}}& -K_{\mathrm{\θp}}\end{array}\right]\mathrm{ande}=\left[\begin{array}{cc}{x}_d& -x\\ {\stackrel{\·}{x}}_d& -\stackrel{\·}{x}\\ {\mathrm{\θ}}_d& -\mathrm{\θ}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_d& -\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\end{array}\right]$

其中θ_d，和等于零。

再次参考图6的控制逻辑图块，输入u_S是大车62的加速度，且由于控制加速度是不实际的，在协作模式中使用速度控制，且在自主模式中使用位置控制。随后的较低水平控制图块88的输出在图6中示出为u₂。

在协作模式中，图6的状态空间控制器图块90的输出被利用零阶保持积分作为离散速度获得，如下：

${\stackrel{\·\·}{x}}_{d\left(k\right)}=u=K_{r}e$

${\stackrel{\·}{x}}_{d\left(k\right)}={\stackrel{\·}{x}}_{d(k-1)}+{\stackrel{\·\·}{x}}_{d\left(k\right)}{T}_s$

相似地，在自主模式中，图6的状态空间控制器图块90的输出通过再次积分而作为位置获得，如下：

$x_{d\left(k\right)}=x_{d(k-1)}+{\stackrel{\·}{x}}_{d(k-1)}{T}_S+0.5{\stackrel{\·\·}{x}}_{d\left(k\right)}{T}_S^2$

应理解测得的速度可以被用于前述方程，代替最后时步（last time step）的期望值。

应注意，测得的速度可以被用于前述方程，代替最后时步的期望值。该积分方法在导纳控制方案（admittance control scheme）中被用于实现加速度控制。期望的加速度于是通过使用速度或位置控制而获得，这是更加实际的。还可以额外地利用之前的力方程使用计算扭矩控制。尽管有效载荷12和大车62的质量随后将被需要，但是近似值就足够了，因为还使用了反馈控制。此外，不需要有效载荷12和大车62的质量来将状态空间控制器图块90的增益适应变化的参数。此外，极限和饱和图块92可以被用作虚拟壁（virtualwall）并限制大车62的速度和加速度。

在协作模式中，由于没有参考位置，K_x被设定为零。控制增益K_θp，即角速度信号上的增益，可以被可选地使用，取决于角微分信号质量。可以使用基于极点配置（pole placement）和状态空间控制的适应控制器63。系统的极点可以通过下式获得：

det[sI-A+BK_r]

得到方程：

$\frac{s^{3}L+s^2(K_{\mathrm{\θ}}p+K_{v}L)+s(g+K_{\mathrm{\θ}})+K_{v}g}{L}$

其中K_θ和K_θp被假定为负。

从角θ到角初始条件θ₀的传递函数如下：

$\frac{{\mathrm{\θ}}_0(s+K_v)L_s}{s^{3}L+s^2(K_{\mathrm{\θ}}p+K_{v}L)+s(g+K_{\mathrm{\θ}})+K_{v}g}$

极点可以被配置到下式：

$(s+p_1)(s^2+{2\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}+{\mathrm{\ω}}_{n1}^2)$

在第一方法中，K_v和K_θ被使用，其得到下式：

Kυ＝p₁+2ζ₁ω_n1p₁

$\frac{g}{L}+\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{L}={\mathrm{\ω}}_{n1}^2+{2\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}$

$\frac{K_{v}g}{L}=p_1{\mathrm{\ω}}_{n1}^2$

于是，下式被使用：

$p_1=\frac{{2\mathrm{g\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}}{-g+{\mathrm{\ω}}_{n1}^{2}L}$

$K_v=\frac{p_1{\mathrm{\ω}}_{n1}^{2}L}{g}$

$K_{\mathrm{\θ}}=({\mathrm{\ω}}_{n1}^2-\frac{g}{L}+{2\mathrm{\ζ\ω}}_{n1}{p}_1)L$

其中和ζ是设计参数。控制增益由此被获得。传递函数零点影响响应，但是没有实际效果，因为它相对较高，ω_n1被选择为非常接近但是不是太接近以避免数值问题。

再次参考图3，控制方案随后与这些增益一起被使用，以管理与操作者28的协作，同时使得运动设备22稳定。

在第二方法中，K_v，K_θ，和K_θp被使用，将得到下式：

$K_v=\frac{K_{\mathrm{\θp}}}{L}=p_1+{2\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}$

$\frac{g}{L}+\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{L}={\mathrm{\ω}}_{n1}^2+{2\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}{p}_1$

$\frac{K_{v}g}{L}=p_1{\mathrm{\ω}}_{n1}^2$

第二方法允许极点保持恒定。使用增益K_θp允许大车62在角度和角速度方面移动。于是获得下式：

$p_1=\frac{-g(K_{\mathrm{\θp}}-2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n1}^{2}L)}{L(-g+{\mathrm{\ω}}_{n1}^{2}L)}$

$K_v=\frac{p_1{\mathrm{\ω}}_{n1}^{2}L}{g}$

$K_{\mathrm{\θ}}=({\mathrm{\ω}}_{n1}^2-\frac{g}{L}+2\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n1}{p}_1)L$

其中ζ和K_θp是设计参数。控制增益由此被获得。传递函数零点影响响应，但是没有实际的效果，因为它相对较高，ω_n1被选择为非常接近但是不是太接近以避免数值问题。

再次参考图3，控制方案随后与这些增益一起被使用，以管理与操作者28的协作，同时使得运动设备22稳定。被从完整模型忽略的项为和粘性摩擦（viscous friction）可以例如通过认为这些项随时步恒定而利用增益K_θ和K_θp进行补偿，类似于对运动联杆34的长度L那样。

控制增益还可以根据计算的增益而被启发式修正。此外，在θ_p0和θ_p2上的控制增益和它们的微分可以彼此不同。

在自主模式中，K_x被用于控制大车62的位置。控制增益K_θp可以可选地被使用。提供基于使用K_θp的状态空间控制和极点配置的适应控制器63。类似于协作模式，系统极点为：

$\frac{s^{4}L+s^3(K_{\mathrm{\θ}}p+K_{v}L)+s^2(g+K_{\mathrm{\θ}}+K_{x}L)+s\left(K_{v}g\right)+K_{x}g}{L}$

其中K_θ和K_θp被假定为负。

在大车62位置轨迹和运动联杆34的振荡消除之间存在折衷。关于这些方程，这是由于传递函数零点。

利用特征方程来使用极点配置，如下：

${(s+p_1)}^2(s^2+{2\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}+{\mathrm{\ω}}_{n1}^2)$

使用于极点配置和系统极点的前述方程相等提供了：

${2\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}+{2p}_1=K_v+\frac{K_{\mathrm{\θp}}}{L}$

${\mathrm{\ω}}_{n1}^2+{4\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}{p}_1+p_1^2=\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{L}+K_x+\frac{g}{L}$

${2\mathrm{\ω}}_{n1}^2{p}_1+{2\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ω}}_{n1}{p}_1^2=\frac{K_{v}g}{L}$

${\mathrm{\ω}}_{n1}=p_1^2=\frac{K_{x}g}{L}$

于是，使用下式：

$K_x=\frac{{\mathrm{\ω}}_{n1}^2{p}_1^{2}L}{g}$

$K_v=\frac{{2\mathrm{\ω}}_{n1}{p}_{1}L({\mathrm{\ω}}_{n1}+{\mathrm{\ζ}}_1{p}_1)}{g}$

$K_{\mathrm{\θ}}=({\mathrm{\ω}}_{n1}^2+4\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{n1}{p}_1+{2p}_1-K_x-\frac{g}{L})L$ K_θp＝(2ζ₁ω_n1+2p₁-K_v)L

其中和ζ是设计参数，且p₁被启发式地选择以等于ω_n1，以便于与其它极点位于同一个圆上。这是使用两个复数极点的设计选择，且两个相等的实数极点作为其他选择也是可以的。要采用的状态空间控制器63的增益由此被获得。传递函数零点影响响应但是没有实际效果，因为它相对较高。ω_n1被选择为非常接近但是不是太接近以避免数值问题。

应理解，操作者28仍可以在自主模式中推动有效载荷12。大车62的位置将沿着操作者28期望的方向移动，同时被吸引到它的参考位置并消除运动设备22的振荡。根据控制增益，将或多或少地易于将大车62从其参考位置移开。再次参考图6，控制图块86随后与这些增益一起被使用，以管理自主和与操作者28的协作，同时使得运动设备22稳定。

被从完整模型忽略的项为和粘滞阻力可以例如通过认为这些项随时步恒定而利用增益K_θ和K_θp进行补偿，类似于对运动联杆34的长度L那样。

控制增益还可以根据计算的增益而被启发式地修正。此外，在θ_p0和θ_p2上的控制增益和它们的微分可以彼此不同。

当在模式（即协作模式、自主模式、停止等）之间切换时，可能需要猛加速和急冲动作（rude acceleration and jerk profile）。大多数频繁突变动作在运动联杆34的角度θ₁和θ₂非零而对模式进行切换时发生。在模式之间的“无颠簸”变换或平滑变换可以被实现。在一个实施例中，最后的控制输入被存储或观察。在另一实施例中，当模式切换发生时，测得的速度被存储。在协作模式中，输出的无颠簸速度如下：

v_DesBumpl＝a_btv_mem+(1-a_bt)v_des

当模式切换发生时，变量a_bt被再初始化为1，且然后在每一个时步被乘以b_bt。一开始，v_DesBumpl则等于测得的速度（v_mem），且在一段时间之后，取决于参数b_bt，a_bt变到0且v_DesBumpl变到v_des。b_bt应该被限定为要由设计者选择的参数。目标是从作为模式切换时刻的当前速度（v_mem）以平滑过滤的方式达到期望速度（v_des）。对于自主模式，期望位置被首先重置为测得的位置，且期望的无颠簸速度被积分，以获得关于该速度的新的期望位置。通过在模式切换中考虑加速度，可以进行进一步平滑。

应理解，运动设备22可以被配置为使得有效载荷12可以包括端部执行器，其可以相对于四杆机构24a、24b滑动且还允许有效载荷旋转，如图1中94处所示。沿垂直方向的运动可以在运动设备22和台车20之间实现或运动设备22和端部执行器之间实现。更具体地，端部执行器包括可滑动和可旋转机构，使得有效载荷12可以在四杆机构24a、24b上平移或绕94旋转。

虽然用于执行本公开的最佳方式已经被详细描述，与本公开相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本公开的各种替换设计和实施例。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年11月4日提交的美国临时专利申请No.61/555，825的权益，其全部内容通过参考并入于此。

Claims (10)

1.一种配置为用于移动有效载荷的运动系统，该运动系统包括：

桥式起重机，配置为用于沿着X轴线运动；

台车，可运动地附接到桥式起重机，且被配置为用于沿着Y轴线运动，该Y轴线相对于X轴线成垂直关系；

运动设备，从台车沿Z轴线悬挂，其中运动设备包括：

第一四杆机构和第二四杆机构，该第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从该第一四杆机构悬挂；

其中每一个四杆机构具有一对运动联杆和一对基部联杆；

其中该一对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸；

其中该一对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该一对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节；

其中该一对运动联杆和相应一对基部联杆形成平行四边形；

其中第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节；

其中第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节；

其中第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节；

其中第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第二四杆联动件的第二关节；

其中第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸；

其中运动联杆可绕相应轴线旋转；

其中第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系；

传感器，操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中一个关节；

其中传感器被配置为测量相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。

2.如权利要求1所述的运动系统，其中运动设备还包括操作地连接到台车和桥式起重机的大车；

其中大车被配置为根据测得的相应运动联杆绕相应轴线旋转的角度而沿着相应的X轴线和Y轴线移动台车和桥式起重机中的至少一个。

3.如权利要求2所述的运动系统，还包括操作地连接在传感器和大车之间的控制器；

其中该控制器被配置为接收来自传感器的、表明测得的相应联杆旋转角度的信号，且进而将信号发送到大车，以沿着相应的X轴线和Y轴线移动大车。

4.如权利要求3所述的运动系统，其中传感器包括：

一对编码器，操作地连接到第一和第二四杆机构每一个的其中一个关节；以及

一对传感器，操作地连接到第一和第二四杆机构每一个的其中一个关节；

其中对应于相应第一和第二四杆机构的传感器和编码器被配置为将对应于相应运动联杆的旋转角度的信号提供到控制器。

5.如权利要求1所述的运动系统，其中运动设备还包括一对管，所述一对管沿Y轴线从第二四杆机构延伸；

其中该一对管被配置为偏离Z轴线支撑有效载荷。

6.如权利要求5所述的运动系统，其中运动设备还包括：

铰接的关节，从一对管子中的至少一个延伸，使得该铰接的关节与Z轴线偏离，以及

附接点，从铰接的关节延伸，使得该附接点被配置为用于支撑有效载荷。

7.一种运动设备，从台车沿着Z轴线悬挂且配置为沿着X轴线和Y轴线中的至少一个移动，其中该运动设备包括：

第一四杆机构和第二四杆机构，该第二四杆机构操作地连接到第一四杆机构并且从该第一四杆机构悬挂；

其中每一个四杆机构具有一对运动联杆和一对基部联杆；

其中该一对运动联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸；

其中该一对基部联杆以相对彼此间隔开且平行的关系延伸，且枢转地连接到该一对运动联杆的端部，以在它们之间形成第一、第二、第三和第四关节；

其中该一对运动联杆和相应一对基部联杆形成平行四边形；

其中第一轴线延伸穿过第一四杆联动件的第一关节和第二四杆联动件的第三关节；

其中第二轴线延伸穿过第一四杆联动件的第二关节和第二四杆联动件的第四关节；

其中第三轴线延伸穿过第一四杆联动件的第三关节和第二四杆联动件的第一关节；

其中第四轴线延伸穿过第一四杆联动件的第四关节和第二四杆联动件的第二关节；

其中第一、第二、第三和第四轴线以相对于彼此平行的关系延伸；

其中运动联杆可绕相应轴线旋转；

其中第一四杆机构的轴线布置为相对于第二四杆机构的轴线成垂直关系；

传感器，操作地附接到第一和第二四杆机构中之一的其中一个关节；

其中传感器被配置为测量相应运动联杆绕相应轴线的旋转角度。

8.如权利要求7所述的运动设备，其中运动设备还包括配置为连接到台车的大车；

其中大车被配置为根据测得的相应运动联杆绕相应轴线旋转的角度而沿着相应的X轴线和Y轴线移动台车和桥式起重机中的至少一个。

9.如权利要求8所述的运动设备，其中传感器包括：

一对编码器，操作地附接到第一和第二四杆机构每一个的其中一个关节；以及

一对传感器，操作地连接到第一和第二四杆机构每一个的其中一个关节；

其中对应于相应第一和第二四杆机构的传感器和编码器被配置为将对应于相应运动联杆的旋转角度的信号提供到控制器。

10.如权利要求7所述的运动设备，其中运动设备还包括一对管，所述一对管沿Y轴线从第二四杆机构延伸；

其中该一对管被配置为偏离Z轴线支撑有效载荷。