CN109434837B - 一种并联机器人初始位置标定装置 - Google Patents

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Abstract

一种并联机器人初始位置标定装置，涉及机器人精确控制的技术领域。本发明包括静平台、初始位置标定装置、电机、减速机、主动臂、从动臂、球铰链机构，静平台的一侧设置初始位置标定装置，电机输出轴与减速机连接，减速机穿置在初始位置标定装置上，减速机与主动臂的一端连接，主动臂的另一端通过球铰链机构与从动臂连接，实现并联机器人的运动控制。本发明提高并联机器人的初始位置标定精度，减少并联机器人控制系统硬件，提高了控制系统的可靠性。

Description

一种并联机器人初始位置标定装置
技术领域
本发明涉及机器人精确控制的技术领域，尤其涉及并联机器人初始位置标定装置的技术领域。
背景技术
在机器人、数控等系统中，采用电机作为动力部件，利用电机驱动器控制机器人、数控系统各轴运动，电机轴上安装有测量电机轴位置的增量编码器或绝对值编码器，由于电机后端通常连接减速机构，对于位置半闭环系统，即采用电机轴上安装的编码器作为位置传感器，通过记录电机转动的圈数和电机轴单圈编码器值，推算负载端的实际位置是机器人、数控系统广泛采用的一种方式。
控制系统开机加电时，由于无法确定负载端停止的位置，因此一般采用在负载端增加零位开关的方式，用于确定机器人、数控系统各轴的初始位置。如文献“基于ATMEG16A的位移台绝对位置寻址系统设计”(光电技术应用， 2017年第5期)中，以微动开关作为寻零开关，系统上电后，上位机完成初始化，控制步进电机向寻零开关处移动，检测到微动开关信号后，可以确定位移台初始位置。
Delta型并联机器人在静平台上安装有三个电机，通常采用伺服驱动器控制这三个电机，在初始上电时，需要确定这三个电机轴的初始位置，通常以三个主动臂处于水平位置时作为每个轴的初始位置。一般并联机器人和其他设备相似，在每个主动臂的水平位置都安装一个初始位置开关，用于检测每个主动臂的初始位置。在如文献“3自由度Delta型并联机器人控制系统设计”(组合机床与自动化加工技术，2015年第9期)中，通过安装3个接近开关用于Delta型并联机器人的初始位置检测。
这种方法的不足在于初始位置开关用于检测负载端的初始位置通常精度不高，原因在于初始位置开关动作点存在一定范围及上位控制器初始位置开关存在检测的时间误差，另外不足之处在于初始位置开关在需要额外安装初始位置开关，需要进行硬件连接及控制系统具备端口检测接口等，尤其在实际系统中限位开关及连线也存在一定的可靠性问题，故障时可能会对负载端的极限位置产生撞击等不安全情况。
发明内容
本发明提供了一种并联机器人初始位置标定装置，实现并联机器人的初始位置标定。
本发明所采取的技术方案是：
一种并联机器人初始位置标定装置，包括静平台、初始位置标定装置、电机、减速机、主动臂、从动臂、球铰链机构，静平台的一侧设置初始位置标定装置，电机输出轴与减速机连接，减速机穿置在初始位置标定装置上，减速机与主动臂的一端连接，主动臂的另一端通过球铰链机构与从动臂连接，实现并联机器人的运动控制。
本发明的初始位置标定装置包括固定板、螺杆、动挡块、垫圈、弹簧、螺母，固定板与静平台连接，固定板伸出端上设置用于安装螺杆的孔；螺杆上套置弹簧；螺杆上端与固定板伸出端的下端面连接，螺杆下端与动挡块接触；动挡块上设置与螺杆相匹配的圆形安装通孔，螺杆穿置在圆形安装通孔内，螺杆的下端设置下螺纹及下螺母，动挡块被夹持在弹簧与下螺母之间；动挡块下端面设置与主动臂相匹配的U型凹槽，当主动臂向上运动时，通过与动挡块的U型凹槽接触，并通过动挡块压缩弹簧。
本发明的螺杆两端分别设置螺纹，中间部分是光杆。
本发明螺杆上端螺纹与固定板螺纹连接，并通过螺母与垫圈的配合实现固定。
本发明所达到的有益效果：
1、本发明通过设置弹簧，可以避免主动臂在初始位置标定过程中的冲击。
2、本发明通过机器人控制系统自身具备的硬件系统，完成对初始位置的高精度标定。
3、本发明的并联机器人初始位置标定方法，通过在并联机器人每个运动支链设置弹簧作为缓冲，在并联机器人主动臂完成初始位置标定过程中，避免了对主动臂、减速机构、并联机器人平台等的冲击。
4、本发明的方法利用机器人控制系统每个支臂具备的伺服驱动器，完成在每个支臂进行初始位置检测时的实际转矩检测功能；利用伺服驱动器的位置检测功能，在初始位置标定过程中对位置检测的判断，不增加并联机器人控制系统的硬件配置，完成并联机器人的初始位置标定，相比较零位开关等传统方法，提高并联机器人的初始位置标定精度，减少并联机器人控制系统硬件，提高了控制系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明中的并联机器人初始位置标定装置组成框图。
图2为本发明的组成框图。
图3为本发明中的并联机器人主动臂到达初始位置示意图。
图4为本发明中的并联机器人初始位置标定方法涉及的并联机器人控制功能组成框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
本发明的一种并联机器人初始位置标定装置，以Delta型并联机器人为实施例进行说明(以下简称并联机器人)。并联机器人具有三条运动支链，在三条运动支链的共同驱使下可以实现并联机器人动平台的空间运动。并联机器人初始位置标定装置相对应地附属于三条运动支链，标定装置和标定方法完全相同，且三个主动臂的初始位置标定同时进行，因此本发明以一条主动臂运动支链的初始位置标定装置及标定方法来说明并联机器人初始位置标定过程。
图2为并联机器人的一条运动支链初始位置标定的组成框图，主要包括静平台101、初始位置标定装置102、电机103、减速机104、主动臂105、从动臂106、球铰链机构107等，电机103通过减速机104驱动主动臂105，主动臂105的另一端通过球铰链机构107连接并带动从动臂106运动，实现并联机器人的运动控制。
图1为并联机器人初始位置标定装置102组成框图，包括固定板201、螺杆202、动挡块203、垫圈204、弹簧205、螺母206等。固定板201安装在并联机器人的静平台101上，固定板201伸出端定制有安装螺杆202用的螺纹孔，用于与螺杆202的固定连接；螺杆202两端加工适当长度的螺纹，中间部分是光杆，螺杆202上端螺纹与固定板201螺纹连接，并通过螺母206 与垫圈204的配合实现固定；弹簧205套接在螺杆202的光杆部分，上端与固定板201下端面接触，弹簧205的下端与套接在螺杆202光杆部分的动挡块203上端面接触；动挡块203定制有圆形安装通孔，用于将动挡块203套接在螺杆202的光杆部分，且通过螺杆202的下端螺纹及螺母206将动挡块 203限制在螺杆202的光杆部分，动挡块203可以沿着螺杆202光杆部分向上运动，最大行程由与螺杆202下端配合的螺母206限制，动挡块203下端面定制有U型凹槽，用于实现与主动臂的接触配合，当主动臂向上运动时，通过与动挡块203的U型凹槽接触，并通过动挡块203压缩弹簧205。
图3为并联机器人主动臂到达初始位置示意图。电机103通过减速机104 驱动主动臂105，主动臂105通过球铰链机构107带动从动臂106运动向上运动，主动臂106通过动挡块203压缩弹簧205，合理设计相关控制参数，使主动臂105停止在水平位置，此时达到并联的初始位置标定的目的。
图4为一种并联机器人初始位置标定方法涉及的并联机器人控制功能组成框图，包括机器人控制器、伺服驱动器；所述的伺服驱动器具备现场总线接口，且具备电机速度控制、电机实际转矩检测及电机角度检测等功能；所述的机器人控制器与伺服驱动器具备相同现场总线接口，实现机器人控制器和伺服驱动器之间采用现场总线实现信息交换。
基于本发明并联机器人初始位置标定装置的标定方法，所述的机器人控制器中设计相关初始位置标定控制功能，包括速度给定、转矩系数、初始位置判断、低通滤波器、速度实际设定等。
本发明的进一步改进在于：给定电机转速设为Vin，电机转矩系数设为 K1，电机应设定实际速度设为Vout，电机实际转矩值设为Mact，
Vout＝Vin-K1×Mact (1)
伺服驱动器控制电机以Vout速度运行，机器人主动臂向上运行，当机器人主动臂运行一段时间后，则Mact逐渐增大，直到满足式(2)时，此时，实际速度设定Vout＝0时，电机停止转动，机器人主动臂停止运动，首次调试标定并联机器人初始位置，适当设计参数Vin、K1、Mact，控制机器人主动臂停止在水平位置，即并联机器人的初始位置，在以后的使用过程中，当主动臂停止运动即表明并联机器人到达初始位置，进而实现并联机器人初始位置标定的目的；
Vout＝Vin-K1×Mact＝0 (2)
得到式(3)，
Figure GDA0002947196330000061
式(3)中，电机给定速度Vin的大小影响初始位置标定时间，Vin越大，则初始位置标定时间短，但对主动臂传动链冲击较大。
上述式(3)中的Vin∈(10％-50％)的电机额定转速中取值；式(3)中的Mact在20％-50％电机额定转速中取值。
本发明的一种并联机器人初始位置标定装置，所述弹簧205的弹性系数设为Kx、弹簧205从自由状态到主动臂初始位置(即主动臂处于水平位置) 时的压缩量设为x、主动臂作用到动挡块203的力臂长度L取值按满足式(4) 进行设计。
Kx×|x×L＝Mact×i Kx×|x×L＝Mact×i
(4)
式(4)中i为减速机的速比。
本发明的一种并联机器人初始位置标定方法，所述的机器人控制器中的初始位置判断、低通滤波器，在主动臂运动过程中，机器人控制器通过现场总线不断读取实际角度值，当实际角度值经过低通滤波器滤波后不再变化时，判断主动臂到达初始位置，设置低通滤波器的目的是防止实际角度值存在扰动时，导致长时间不能实现初始位置标定。
本发明的一种并联机器人初始位置标定方法，虽然按式(3)设计转矩系数K1的值，但由于实际系统中存在多种影响因素，因此，首次需要对转矩系数K1进行实际系统整定，需要说明的是由于并联机器人三个主动臂运动支链不可能完全一样，因此实际整定过程中，三个主动臂的转矩系数可能不同，分别进行整定并记录，转矩系数K1整定过程如下：
1)在Vin和Mact的取值范围内确定Vin和Mact的值后，依据式(3)求取K1；
2)机器人控制器同时控制各主动臂以Vin设定值向初始位置运行；
3)当初始位置判断每个主动臂都停止转动后；
4)通过检测水平的仪器，检测每个主动臂是否都处于水平的初始位置；若每个主动臂都处于水平位置时，则跳至步骤6)，否则进行步骤5)；
5)依据主动臂水平检测结果，对不处于水平位置的主动臂，适当调整转矩系数大小，然后控制动平台向下运动到任一位置，跳至步骤2)；
6)记录每个主动臂的转矩系数；
完成首次转矩系数的整定后，在以后的使用中，初始上电进行初始位置检测可直接进行初始位置标定，当每个主动臂停止运行后，当前位置即为初始位置。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种并联机器人初始位置标定装置，其特征在于：包括静平台、初始位置标定装置、电机、减速机、主动臂、从动臂、球铰链机构，静平台的一侧设置初始位置标定装置，电机输出轴与减速机连接，减速机穿置在初始位置标定装置上，减速机与主动臂的一端连接，主动臂的另一端通过球铰链机构与从动臂连接，实现并联机器人的运动控制；初始位置标定装置包括固定板、螺杆、动挡块、垫圈、弹簧、螺母，固定板与静平台连接，固定板伸出端上设置用于安装螺杆的孔；螺杆上套置弹簧；螺杆上端与固定板伸出端的下端面连接，螺杆下端与动挡块接触；动挡块上设置与螺杆相匹配的圆形安装通孔，螺杆穿置在圆形安装通孔内，螺杆的下端设置下螺纹及下螺母，动挡块被夹持在弹簧与下螺母之间；动挡块下端面设置与主动臂相匹配的U型凹槽，当主动臂向上运动时，通过与动挡块的U型凹槽接触，并通过动挡块压缩弹簧。
2.根据权利要求1所述的并联机器人初始位置标定装置，其特征在于：上述螺杆两端分别设置螺纹，中间部分是光杆。
3.根据权利要求2所述的并联机器人初始位置标定装置，其特征在于：上述螺杆上端螺纹与固定板螺纹连接，并通过螺母与垫圈的配合实现固定。
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