CN108858134A - 一种三自由度并联机器人控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度并联机器人控制方法，其特征是，包括如下步骤：1)先建立平台机构，在平台机构上建立坐标系；2)通过运动学反解求出不同位姿对应的三个电动缸杆长；3)将不同电动缸的位移对时间求导，得到各电动缸的主动输入速度；4)计算不同电动缸杆长对应的时间；5)将电动缸的杆长、主动输入速度和对应的时间设置为PVT数组，通过多轴运动控制器控制电动缸连续运动实现动平台欧拉角输出，实现运动模拟。优点：在实现高性能多轴协调运动控制和高速点位运动控制的同时，具备普通PC机的基本功能。同时支持多种语言开发环境，并提供相应的库文件，用户可以轻松实现对控制器的编程，构建自动化控制系统。
Description
技术领域
本发明涉及并联机器人控制领域，特别涉及一种三自由度并联机器人控制 方法。
背景技术
运动模拟平台是典型的机电一体化复杂产品，它作为一种空间运动机构广 泛应用于模拟车辆、舰船及飞机的运动姿态，为被试件提供一个非常接近实际 的振动环境，在振动条件下对被试件进行实验研究和性能考察。在产品的设计 阶段，往往需要通过大量的实物样机试验才能得到产品的性能指标数据。和传 统试验方法相比，运动模拟平台技术具有能够有效的缩短实验次数和周期、减 少经费投入、提高实验安全性等优点，在航空航天、船舶、车辆、工程机械等 领域广泛应用。
并联机构控制精度高、结构紧凑、具有较高的刚度和承载能力，并且各支 路和执行机构通常采用轻量化结构，惯性较低，具有高精度条件下的较快运行 速度和响应频率。结合对运动模拟平台的要求和本身特点，多数运动模拟平台 采用并联结构。在并联运动平台中，有三自由和六自由度等常见形式。
3-RPS并联机器人是一种应用非常广泛的三自由度并联机构，弥补了在一些 场合下不需要应用六自由度并联机构实现复杂运动而只需要三个自由度，同时 3-RPS并联机构兼具控制精度高、承载能力强、响应频率高等三自由度并联机构 的优点。目前广泛应用于并联机床、运动仿真、3D打印等行业。
3-RPS并联机构由静平台、动平台和三个连接件构成，每个连接件又由球副、 移动副和转动副组成，球副连接移动副和动平台，转动副连接移动副和静平台。 在其机械结构中三个球铰作为球副均匀分布在动平台的铰接圆上，连接着动平 台和电动缸；三个伺服电机驱动电缸构成了移动副，是整个机器人的主动件， 也是控制系统的控制对象；三个铰链作为转动副连接电动缸和静平台，其转动 轴线垂直于平台的中心线。
3-RPS并联机构作为一个结构复杂、多参数、多自由度的系统，控制方法十 分复杂。机构的机械参数包括动平台直径、动平台铰接圆直径、静平台直径、 静平台铰接圆直径、电动缸运动最大行程、电动缸丝杠导程。
并联机构的控制方式一般有两种：集中式控制和分布式控制。在集中式控 制系统中，多采用一台高速高功能的微型计算机和相应的控制卡来实现全部控 制功能的方式；在分布式控制系统中，多采用上位机、下位机两级计算机控制， 下位机采用多台直接控制计算机实现对机器人机构的直接控制和驱动，其处理 速度和功能要求较低，上位机多采用高性能计算机实现机器人机构的运动规划、 监控、仿真等功能。上述两种方式都存在硬件成本高，结构复杂等问题；在软 件方面也存在控制算法实现困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种三自由度并 联机器人控制方法，通过嵌入式多轴运动控制器控制电动缸连续运动实现动平 台欧拉角输出，实现运动模拟，克服现有技术存在的硬件结构复杂、电动缸速 度输出不稳定，速度曲线不够平滑等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种三自由度并联机器人控制方法，其 特征是，包括如下步骤：
1)先建立平台机构，所述平台机构包括静平台和动平台，在所述静平台上 建立固定坐标系，在所述动平台上建立动坐标系，初始状态时动坐标系在静平 台上的投影与固定坐标系重合，坐标轴满足右手定则；
2)根据平台的机械参数和用户的工作要求，通过运动学反解求出不同位姿 对应的三个电动缸杆长；
3)将不同电动缸的位移对时间求导，得到各电动缸的主动输入速度
4)计算不同电动缸杆长对应的时间；
5)将电动缸的杆长、主动输入速度和对应的时间设置为PVT(位置、速度、 时间)数组，通过多轴运动控制器控制电动缸连续运动实现动平台欧拉角输出， 实现运动模拟。
进一步的，所述平台机构包括静平台(8)和设在静平台(8)上方的动平 台(1)，静平台(8)和动平台(1)均为圆形，动平台(1)和静平台(8)之 间通过三条支链连接，每个支链(14)主要由球副(11)、移动副(12)和转动 副(13)组成，球副(11)连接移动副(12)和动平台(1)，转动副(13)连 接移动副(12)和静平台(8)，所述球副用于实现动平台在任意方向摆动，所 述移动副是整个机器人的主动件，也是控制系统的控制对象，所述转动副用于 限制电动缸只能沿垂直于转动副转轴方向的摆动。
进一步的，所述球副采用球铰(3)，所述移动副(12)主要由一个电动缸 (4)、用于驱动电动缸运动的伺服电机(5)以及用于降低伺服电机速度的减速 器(6)组成，所述转动副(13)采用铰链(7)，所述动平台(1)上设有三个 固定点，每个固定点(2)均通过球铰(3)连接电动缸(4)，所述铰链(7)在 静平台(8)上铰接，铰链(7)的活动端与移动副(12)连接；
所述静平台上三个转动副(13)的铰接点A1、A2、A3组成一个正三角形， 其外接圆半径设为R，所述固定坐标系(10)建立在静平台上，三角形A1A2A3的中心O为固定坐标系(10)的坐标原点，OA1为坐标系的x轴，正方向由O 指向A1；Z轴为过O点垂直于静平台的直线，向上为正方向；根据右手法则确 定y轴及其方向；
所述动平台上三个球副(11)的固定点B1、B2、B3组成一个正三角形，其 外接圆半径设为r，所述动坐标系(9)建立在动平台上，动坐标系(9)的坐标 原点在以球铰的铰支点B1、B2、B3为顶点的正三角形的中心C，x轴为CB1且 正方向由C到B1，z轴过C且垂直于动平台向上，由右手法则确定y轴及其方 向。
进一步的，所述机械参数包括动平台直径、动平台铰接圆直径即三角形 B1B2B3的外接圆直径、静平台直径、静平台铰接圆直径即三角形A1A2A3的外接 圆直径、电动缸运动最大行程、电动缸丝杠导程。
进一步的，所述工作要求依据用户输入参数设定。
进一步的，所述运动学反解包括建立支链铰点在动坐标系和固定坐标系下 的坐标，推导动坐标系相对于固定坐标系的旋转矩阵，通过坐标转换和矢量计 算求出各分支杆长。
进一步的，所述多轴运动控制器采用嵌入式多轴运动控制器，控制程序运 行于所述嵌入式多轴运动控制器，所述嵌入式多轴运动控制器分别连接三个伺 服驱动器，每个所述伺服驱动器依次连接有伺服电机和电动缸，电动缸再连接 动平台；
所述嵌入式多轴运动控制器用于接收和处理控制信号，将处理后的控制信 号传输给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机再通过减速器连接 电动缸，电机转动带动电动缸伸缩，实现动平台运动模拟。
进一步的，所述控制程序包括如下工作过程：
1)将回零标志置为假，动平台开始回零运动，到达原点并触发Home信号， 回零运动结束；
2)接下来从用户界面中读取三个周期运动的幅值，周期参数和刷新I/O模 块中按钮状态；
3)根据根据按钮状态调用相应的三个周期运动功能块，完成周期运动；所 述相应功能块包括Xswing即横摇、Yswing即纵摇和往复运动功能块，其中 Xswing用于实现动平台绕x轴摆动，Yswing用于用于实现动平台绕y轴摆动， 往复运动功能块实现动平台沿z轴的升沉运动；
调用相应功能块包括如下步骤：
31)判断x轴摆动按钮是否为真，若是，则调用Xswing，实现单周期绕x 轴摆动，若否则进入下一步骤；
32)判断y轴摆动按钮是否为真，若是，则调用Yswing，实现单周期绕y 轴摆动，若否则进入下一步骤；
32)往复运动按钮是否为真，若是，则调用往复运动功能块，实现一次沿z 轴往复运动，若否，返回主程序。
本发明所达到的有益效果：
本发明采用嵌入式多轴运动控制器来实现三自由度并联机构的全部控制功 能，嵌入式多轴运动控制器集成了工业计算机和运动控制器，在实现高性能多 轴协调运动控制和高速点位运动控制的同时，具备普通PC机的基本功能。同时 支持多种语言开发环境，并提供相应的库文件，用户可以轻松实现对控制器的 编程，构建自动化控制系统。
附图说明
图1是三自由度(3-RPS)并联机构结构示意图；
图2是动坐标系和固定坐标系示意图；
图3是α角随时间的变化规律和具体的运动分段；
图4是2轴伺服电动缸杆长随时间变的位置曲线；
图5是2轴伺服电动缸杆长随时间变化的速度曲线；
图6是3-RPS并联机构运动控制的程序流程图；
图7是3-RPS并联机构的硬件原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，所述平台机构包括静平台(8)和设在静平台(8)上方的 动平台(1)，静平台(8)和动平台(1)均为圆形，动平台(1)和静平台(8) 之间通过三条支链连接，每个支链(12)主要由球副(11)、移动副(12)和转 动副(13)组成，球副(11)连接移动副(12)和动平台(1)，转动副(13) 连接移动副(12)和静平台(8)，所述球副用于实现动平台在任意方向摆动， 所述移动副是整个机器人的主动件，也是控制系统的控制对象，所述转动副用 于限制电动缸只能沿垂直于转动副转轴方向的摆动。
本实施例中，所述球副采用球铰(3)，所述移动副(12)主要由一个电动缸 (4)、用于驱动电动缸运动的伺服电机(5)以及用于减速电动缸的减速器(6) 组成，所述转动副(13)采用铰链(7)，所述动平台(1)上设有三个固定点， 每个固定点(2)均通过球铰(3)连接电动缸(4)，所述铰链(7)在静平台(8) 上铰接，铰链(7)的活动端与移动副(12)连接；
所述球铰的固定点设在动平台上，所述铰链的铰接点设在静平台上。
所述静平台上三个转动副(13)的铰接点A1、A2、A3组成一个正三角形， 其外接圆半径设为R，所述固定坐标系(10)建立在静平台上，三角形A1A2A3的中心O为固定坐标系(10)的坐标原点，OA1为坐标系的x轴，正方向由O 指向A1；Z轴为过O点垂直于静平台的直线，向上为正方向；根据右手法则确 定y轴及其方向；
所述动平台上三个球副(11)的固定点B1、B2、B3组成一个正三角形，其外 接圆半径设为r，所述动坐标系(9)建立在动平台上，动坐标系(9)的坐标原 点在以球铰的铰支点B1、B2、B3为顶点的正三角形的中心C，x轴为CB1且正 方向由C到B1，z轴过C且垂直于动平台向上，由右手法则确定y轴及其方向。
建立好坐标系后，根据动平台的机械参数和工作要求，进行运动学反解，即 给出动平台的位姿求解各伺服电动缸的长度。动平台在空间中的姿态用欧拉角 来描述，动平台绕x轴转动时的偏角为，绕y轴转动时的偏角为，绕z轴转动 的偏角为。
假设动平台在初始位置时动坐标原点c在静坐标系中的坐标为，则三个球铰 支点在动坐标系中的坐标和三个铰支点在固定坐标系中的坐标为(其中i＝1、2 或3)：
其中T表示矩阵转置， 动坐标系到静坐标系的变换矩阵为：
在3-RPS并联机构中由于没有z轴转动的偏角，所以公式中的值取零，则三个 球铰支点在静坐标系中的坐标为(i＝1,2,3)，可以推得三个杆长为：，其中Li表 示第i个杆的矢量。
为了能够使得到的位移曲线过渡光滑，我们还要分析三个伺服电动缸的分 支杆达到某一位置时的输入速度。输入速度是位移对时间的一阶求导的导数值， 在位置分析中有如下关系式
对上式两边对时间求导得
表示i分支赶上球关节处的速度矢量。令，则得到分支杆的主动输入速度为
这样我们就得到了三个分支杆在某一任意位置时的输出速度。
根据逆运动学分析，编写求解程序，输入3-RPS并联机器人的机械参数，即 可求得动平台对应不同运动时三个伺服电动缸的分支杆长度和输出速度。
图3是α角随时间的变化规律和具体的运动分段。为了使动平台能够模拟 波浪，除了已知不同姿态各分支杆的长度，还需要计算不同杆长对应的时间。 利用正弦曲线来反求每段的运动时间占整个周期的比值，计算过程见公式： i＝1,2,3；j＝1～n；其中Ar、Tr分别为动平台摆动的幅值和周期， 为三个分支杆在不同姿态对应的杆长，j为一个周期内离散点。根据输入的幅值 Ar和周期Tr，可以计算出各离散运动段对应的时间，将各离散运动段的位置和 时间作为PT控制数据点，循环调用多个PT运动功能块即可实现周期运动。
图4是周期Tr＝10秒时2轴伺服电动缸杆长随时间变化的位置曲线，离散的 杆长和时间设置成数组，是实现动平台运动的基础。
图5是周期Tr＝10秒时2轴伺服电动缸杆输出速度随时间变化的位置曲线。
图6是3-RPS并联机构运动控制的程序流程图。周期运动是通过一个总的 功能块来实现，其中包含了绕x轴转动，绕y轴转动和沿z轴方向的往复运动 三个子功能块。首先程序将回零标志置为假，动平台开始回零运动，到达原点 并触发Home信号，回零运动结束；接下来从用户界面中读取三个周期运动的 幅值，周期参数和刷新I/O模块中按钮状态；最后根据按钮状态调用相应的三个 周期运动功能块，完成周期运动。
图7是3-RPS并联机构的硬件原理图。3-RPS并联机构控制程序运行于嵌 入式多轴运动控制器，软件中的控制信号经多轴运动控制器输出，经过伺服驱 动器驱动伺服电机，伺服电机通过同步带连接电动缸，电机转动带动电动缸伸 缩，实现动平台运动模拟。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种三自由度并联机器人控制方法，其特征是，包括如下步骤：
1)先建立平台机构，所述平台机构包括静平台和动平台，在所述静平台上建立固定坐标系，在所述动平台上建立动坐标系，初始状态时动坐标系在静平台上的投影与固定坐标系重合，坐标轴满足右手定则；
2)根据平台的机械参数和用户的工作要求，通过运动学反解求出不同位姿对应的三个电动缸杆长；
3)将不同电动缸的位移对时间求导，得到各电动缸的主动输入速度
4)计算不同电动缸杆长对应的时间；
5)将电动缸的杆长、主动输入速度和对应的时间设置为PVT数组，通过多轴运动控制器控制电动缸连续运动实现动平台欧拉角输出，实现运动模拟。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机构控制方法，其特征是，所述平台机构包括静平台(8)和设在静平台(8)上方的动平台(1)，静平台(8)和动平台(1)均为圆形，动平台(1)和静平台(8)之间通过三条支链连接，每个支链(14)主要由球副(11)、移动副(12)和转动副(13)组成，球副(11)连接移动副(12)和动平台(1)，转动副(13)连接移动副(12)和静平台(8)，所述球副用于实现动平台在任意方向摆动，所述移动副是整个机器人的主动件，也是控制系统的控制对象，所述转动副用于限制电动缸只能沿垂直于转动副转轴方向的摆动。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度并联机构控制方法，其特征是，所述球副采用球铰(3)，所述移动副(12)主要由一个电动缸(4)、用于驱动电动缸运动的伺服电机(5)以及用于降低伺服电机速度的减速器(6)组成，所述转动副(13)采用铰链(7)，所述动平台(1)上设有三个固定点，每个固定点(2)均通过球铰(3)连接电动缸(4)，所述铰链(7)在静平台(8)上铰接，铰链(7)的活动端与移动副(12)连接；
所述静平台上三个转动副(13)的铰接点A1、A2、A3组成一个正三角形，其外接圆半径设为R，所述固定坐标系(10)建立在静平台上，三角形A1A2A3的中心O为固定坐标系(10)的坐标原点，OA1为坐标系的x轴，正方向由O指向A1；Z轴为过O点垂直于静平台的直线，向上为正方向；根据右手法则确定y轴及其方向；
所述动平台上三个球副(11)的固定点B1、B2、B3组成一个正三角形，其外接圆半径设为r，所述动坐标系(9)建立在动平台上，动坐标系(9)的坐标原点在以球铰的铰支点B1、B2、B3为顶点的正三角形的中心C，x轴为CB1且正方向由C到B1，z轴过C且垂直于动平台向上，由右手法则确定y轴及其方向。
4.根据权利要求3所述的一种三自由度并联机构控制方法，其特征是，所述机械参数包括动平台直径、动平台铰接圆直径即三角形B1B2B3的外接圆直径、静平台直径、静平台铰接圆直径即三角形A1A2A3的外接圆直径、电动缸运动最大行程、电动缸丝杠导程。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机构控制方法，其特征是，所述工作要求依据用户输入参数设定。
6.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机构控制方法，其特征是，所述运动学反解包括建立支链铰点在动坐标系和固定坐标系下的坐标，推导动坐标系相对于固定坐标系的旋转矩阵，通过坐标转换和矢量计算求出各分支杆长。
7.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机构控制方法，其特征是，所述多轴运动控制器采用嵌入式多轴运动控制器，控制程序运行于所述嵌入式多轴运动控制器，所述嵌入式多轴运动控制器分别连接三个伺服驱动器，每个所述伺服驱动器依次连接有伺服电机和电动缸，电动缸再连接动平台；
所述嵌入式多轴运动控制器用于接收和处理控制信号，将处理后的控制信号传输给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机，伺服电机再通过减速器连接电动缸，电机转动带动电动缸伸缩，实现动平台运动模拟。
8.根据权利要求7所述的一种三自由度并联机构控制方法，其特征是，所述控制程序包括如下工作过程：
1)将回零标志置为假，动平台开始回零运动，到达原点并触发Home信号，回零运动结束；
2)接下来从用户界面中读取三个周期运动的幅值，周期参数和刷新I/O模块中按钮状态；
3)根据根据按钮状态调用相应的三个周期运动功能块，完成周期运动；所述相应功能块包括Xswing即横摇、Yswing即纵摇和往复运动功能块，其中Xswing用于实现动平台绕x轴摆动，Yswing用于用于实现动平台绕y轴摆动，往复运动功能块实现动平台沿z轴的升沉运动；
调用相应功能块包括如下步骤：
31)判断x轴摆动按钮是否为真，若是，则调用Xswing，实现单周期绕x轴摆动，若否则进入下一步骤；
32)判断y轴摆动按钮是否为真，若是，则调用Yswing，实现单周期绕y轴摆动，若否则进入下一步骤；
32)往复运动按钮是否为真，若是，则调用往复运动功能块，实现一次沿z轴往复运动，若否，返回主程序。
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