CN106964128B - 花样滑冰捻转托举保护装置的控制方法 - Google Patents

花样滑冰捻转托举保护装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种花样滑冰捻转托举保护装置的控制方法，训练者正常训练时，编码器检测到绳索长度在设定的允许范围内，竖直绳索驱动电动机仅工作在力闭环，产生恒定的向上绳索牵引力；当训练者意外下落距离冰面一定高度时，即跌倒时，位置编码器检测到绳索长度超出设定范围值，竖直绳索驱动电动机切换至位置闭环，使得竖直绳索按斜坡规律停止下放，提供足够的、向上的缓冲提升力，避免人的意外摔伤。

Description

花样滑冰捻转托举保护装置的控制方法
技术领域
本发明涉及一种花样滑冰捻转托举保护装置的控制方法，以花样滑冰“捻转托举动作”保护装置为控制对象。
背景技术
绳索牵引并联机器人是20世纪80年代发展起来的一种新型机器人。它以工作空间大、运动速度快、承载能力强、轻便灵活等优点，广泛的应用于物料搬运、工业加工、虚拟实现、风洞支撑、天文观测、医学康复治疗等领域。但是在花样滑冰方面暂无先例，对于装置的控制方法也较为贫乏。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种花样滑冰捻转托举保护装置的控制方法。
本发明的目的是这样实现的：包括花样滑冰捻转托举保护装置，花样滑冰捻转托举保护装置包括支撑系统框架、移动平台、防止绳索打结的结构，所述支撑系统框架是三角形结构且与花样滑冰场地屋顶固定连接，支撑系统框架的三个角上还设置有力矩电机，每个力矩电机的输出端上缠绕有一号柔性绳索，所述移动平台包括三角形钢板、安装在三角形钢板上的带有编码器的竖直绳索驱动电机，竖直绳索驱动电机的输出端上缠绕有二号柔性绳索，三角形钢板的下端设置有角度传感器，三根一号柔性绳索分别绕过三角形结构上设置的过轮且端部分别与三角形钢板的三个角连接，所述二号柔性绳索的端部与防止绳索打结的结构的上端连接，防止绳索打结的结构还通过三号绳索与训练者连接，二号柔性绳索保持处于竖直方向与训练者在同一竖直线上；
(1)当角度传感器检测到二号柔性绳索与竖直方向形成的角度θ不等于0时，三个力矩电机牵引三根一号绳索使移动平台形位置闭环，移动平台保持在水平面运动且位于训练者正上方；当θ等于0时，移动平台停止移动；
(2)当编码器检测到二号绳索长度在设定的允许范围l+0.5内，竖直绳索驱动电机仅工作在力闭环，产生恒定的向上绳索牵引力，训练者处于正常训练状态，其中：l是训练者正常站立时与移动平台之间的距离；
(3)当训练者意外跌倒时，编码器检测到二号柔性绳索长度超出允许范围l+0.5，竖直绳索驱动电机由力闭环控制切换至位置闭环控制，使二号柔性绳索按斜坡规律停止下放，提供向上的缓冲提升力，避免人与冰面发生强烈碰撞。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的目的是对于花样滑冰的“捻转托举动作”保护装置提供一种控制方法。三根绳索牵引的移动平台采用位置闭环，通过角度传感器检测绳索倾斜，支撑框架上的三个电机配合牵引平台在水平面运动，使得训练者与传感器之间的绳索始终保持竖直。移动平台上的电机采用可以互相切换的位置闭环和力闭环控制；当训练者正常训练时，编码器检测到绳索长度在设定的允许范围内，竖直绳索电动机仅工作在力闭环，产生恒定的向上绳索牵引力；当训练者意外下落距离地面一定高度时，即跌倒时，位置编码器检测到绳索长度超出设定范围值，竖直绳索驱动电动机切换至位置闭环，使得竖直绳索按斜坡规律停止下放，提供足够的、向上的缓冲提升力，避免人与冰面发生强烈碰撞，起到保护作用。
附图说明
图1是本发明进行训练时的轴测图；
图2是本发明移动平台的位置闭环框图；
图3是本发明移动平台的位置分析；
图4是本发明移动平台的X轴投影位置分析；
图5是本发明移动平台的Y轴投影位置分析；
图6是本发明电机3的力闭环框图；
图7是本发明电机3的力和位置闭环结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1-7，本发明是提供一种花样滑冰“捻转托举动作”保护装置的控制方法。对于三根绳索牵引的移动平台采用位置闭环，通过角度传感器检测绳索倾斜，支撑框架上的三个电机配合牵引平台在水平面运动，使得训练者与传感器之间的绳索始终保持竖直；对于移动平台上的电机特征是采用可以互相切换的位置闭环和力闭环控制。当训练者正常训练时，编码器检测到绳索长度在设定的允许范围内，竖直绳索驱动电动机仅工作在力闭环，产生恒定的向上绳索牵引力；当训练者意外下落距离冰面一定高度时，即跌倒时，位置编码器检测到绳索长度超出设定范围值，竖直绳索驱动电动机切换至位置闭环，使得竖直绳索按斜坡规律停止下放，提供足够的、向上的缓冲提升力，避免人的意外摔伤。
如图2，当角度传感器1检测到绳索与竖直线形成角度θ时，通过电机4牵引绳索，使移动平台2形成位置闭环，平台始终在水平面运动且位于人体正上方，角度传感器再次检测θ是否为0，为0则平台静止，相反则继续调节。如图3，当θ≠0时，由于移动平台相对场地很小，将平台近似成一点，人体距离平台l，p4点为平台初始位置，p5点为平台调节后的位置，θ为人与竖直线的夹角；设绳索p1p4＝a，p2p4＝b，p3p4＝c。
如图4是移动平台在X轴方向投影的位置分析，p5x为p5点在X轴的投影，夹角为θ1；则p4p5x＝p4p5cosθ1＝lsinθcosθ1。
设∠p1p4p5x＝α，∠p2p4p5x＝β，∠p3p4p5x＝γ；
根据余弦定理：
以上计算分析了平台运动在X轴方向投影时绳索长度变化。
如图5是移动平台在Y轴方向投影的位置分析，p5y为p5点在Y轴的投影，夹角为θ2；则p4p5y＝p4p5cosθ2＝lsinθcosθ2。
设∠p1p4p5y＝α1，∠p2p4p5y＝β1，∠p3p4p5y＝γ1；
根据余弦定理：
以上分析了平台运动在Y轴方向投影时绳索长度变化。
通过在X轴、Y轴投影的运动分析，可以得到绳索在X轴、Y轴分别需要改变多少才能使平台到达同一平面指定的位置，以便电机4调节，以上为移动平台在水平面内的位置闭环原理。
假设人体正常站立时距离移动平台距离l，设定当人体距离移动平台(l+0.5)m时，竖直绳索驱动电动机3将提供足够的、向上的缓冲提升力。当编码器测得绳索长度小于等于(l+0.5)m时，引入如图7所示的力闭环，通过力反馈，竖直绳索驱动电动机产生恒定的向上绳索牵引力；当绳索长度大于(l+0.5)m时(即跌倒时)，引入图7中的位置闭环，竖直绳索驱动电动机由力闭环控制切换至位置闭环控制，使得竖直绳索按斜坡规律停止下放(设定人体重心距离冰面20cm为危险距离，则绳索下放的长度h＜20cm)，提供足够的、向上的缓冲提升力，避免人与冰面发生强烈碰撞，起到保护作用。
综上，本发明提供的是一种花样滑冰“捻转托举动作”保护装置的控制方法，该控制方法以花样滑冰“捻转托举动作”保护装置为控制对象。保护装置由支撑系统框架、移动平台、防止绳子打结装置、五根柔性绳索以及角度传感器和力矩电机组成。五根绳索中：三根绳索连接支撑框架与移动平台，一根绳索连接移动平台与防止绳索打结装置，一根连接训练者与防止绳索打结装置。三根绳索牵引的移动平台采用位置闭环，通过角度传感器检测绳索倾斜，支撑框架上的三个电机配合牵引平台在水平面运动，使得训练者与传感器之间的绳索始终保持竖直。移动平台上的电机采用可以互相切换的位置闭环和力闭环控制；当训练者正常训练时，编码器检测到绳索长度在设定的允许范围内，竖直绳索驱动电动机仅工作在力闭环，产生恒定的向上绳索牵引力；当训练者意外下落距离冰面一定高度时，即跌倒时，位置编码器检测到绳索长度超出设定范围值，竖直绳索驱动电动机切换至位置闭环，使得竖直绳索按斜坡规律停止下放，提供足够的、向上的缓冲提升力，避免人与冰面发生强烈碰撞，起到保护作用。

Claims (1)

1.花样滑冰捻转托举保护装置的控制方法，其特征在于：包括花样滑冰捻转托举保护装置，花样滑冰捻转托举保护装置包括支撑系统框架、移动平台、防止绳索打结的结构，所述支撑系统框架是三角形结构且与花样滑冰场地屋顶固定连接，支撑系统框架的三个角上还设置有力矩电机，每个力矩电机的输出端上缠绕有一号柔性绳索，所述移动平台包括三角形钢板、安装在三角形钢板上的带有编码器的竖直绳索驱动电机，竖直绳索驱动电机的输出端上缠绕有二号柔性绳索，三角形钢板的下端设置有角度传感器，三根一号柔性绳索分别绕过三角形结构上设置的过轮且端部分别与三角形钢板的三个角连接，所述二号柔性绳索的端部与防止绳索打结的结构的上端连接，防止绳索打结的结构还通过三号绳索与训练者连接，二号柔性绳索保持处于竖直方向与训练者在同一竖直线上；
当角度传感器检测到绳索与竖直线形成角度θ时，通过电机牵引绳索，使移动平台形成位置闭环，平台始终在水平面运动且位于人体正上方，角度传感器再次检测θ是否为0，为0则平台静止，相反则继续调节；当θ≠0时，由于移动平台相对场地很小，将平台近似成一点，人体距离平台l，平台初始位置为p4点，平台调节后的位置为p5点，θ为人与竖直线的夹角；设绳索p1p4＝a，p2p4＝b，p3p4＝c，p5点在X轴的投影为p5x，夹角为θ1；则p4p5x＝p4p5cosθ1＝lsinθcosθ1，设∠p1p4p5x＝α，∠p2p4p5x＝β，∠p3p4p5x＝γ；
根据余弦定理得到平台运动在X轴方向投影时绳索长度变化：
p5点在Y轴的投影为p5y，夹角为θ2；则p4p5y＝p4p5cosθ2＝lsinθcosθ2，
设∠p1p4p5y＝α1，∠p2p4p5y＝β1，∠p3p4p5y＝γ1；
根据余弦定理得到平台运动在Y轴方向投影时绳索长度变化：
(1)当角度传感器检测到二号柔性绳索与竖直方向形成的角度θ不等于0时，三个力矩电机牵引三根一号绳索使移动平台形位置闭环，移动平台保持在水平面运动且位于训练者正上方；当θ等于0时，移动平台停止移动；
(2)当编码器检测到二号绳索长度在设定的允许范围（ l+0.5）米 内，竖直绳索驱动电机仅工作在力闭环，产生恒定的向上绳索牵引力，训练者处于正常训练状态，其中：l是训练者正常站立时与移动平台之间的距离；
(3)当训练者意外跌倒时，编码器检测到二号柔性绳索长度超出允许范围（ l+0.5）米，竖直绳索驱动电机由力闭环控制切换至位置闭环控制，使二号柔性绳索按斜坡规律停止下放，提供向上的缓冲提升力，避免人与冰面发生强烈碰撞。
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