CN109947139B - 一种高精密并联平台及其控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精密并联平台及其控制器，该控制器包括通讯模块、数据解析模块、运动学反解模型模块、运动学修正模型模块、轨迹插补模块；通讯模块用于与并联平台的上位机进行通讯，获得动平台的当前位置和目标位置；数据解析模块用于将接收到的动平台的当前位置和目标位置进行数据解析，将字符串转换为浮点数；运动学反解模型模块用于利用运动学反解模型求得每个电机轴的理论进给量；运动学修正模型模块用于利用运动学修正模型求得每个电机轴进给量的修正量；轨迹插补模块用于根据每个电机轴的理论进给量和每个电机轴进给量的修正量得到每个电机轴的实际进给量来驱动每个电机动作。本发明控制器可大大提高高精密并联平台的定位精度。

Description

一种高精密并联平台及其控制器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种高精密并联平台及其控制器。

背景技术

IC行业的高速发展对高精度高分辨率的定位系统开发提出了迫切的需求。该系统需要满足微米级甚至是纳米级的定位精度，传统的串联机构难以胜任。平面并联机构由于其自身的优点逐渐成为高精密定位平台的主流，但是控制较复杂。究其原因，主要是因为该类机构从加工到装配等环节都存在各种误差，目前仍然没有一套成熟的简便方法对这些误差进行标定和补偿。

并联定位平台相较于传统的串联定位平台具有高速、高精度、高负载等优势，使其在精密装配、精密测量等微纳操作领域获得越来越广泛的应用。三自由度或更少自由度的并联机构能解决工程应用中大多数的问题，且驱动元件更少、结构更加紧凑，显然在工业生产中更具有实际应用价值。但是并联机构属于非线性强耦合系统，在实际应用中存在模型不精准、误差难以消除、运动学标定困难等问题，严重影响最终的使用效果。

目前市场上的定位平台的控制器只是根据理想的平台结构建立运动学反解模型，实现平台的动作，没有考虑各种误差因素，对平台的精度提高更多依赖于加工装配的水平，限制了平台精度的进一步提高。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种高精密并联平台及其控制器，该控制器能够对平台不可避免的制造安装误差进行自补偿，最终可实现平台的高速高精度定位。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种高精密并联平台，包括底座，底座上设置有X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组，X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组与底座连接，X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组上设置有动平台，X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组与动平台连接，底座上靠近动平台的两侧设置有第一相机、第二相机。

进一步地，所述X1驱动模组包括X1电机、X1轴柔性联轴器、X1轴丝杆、X1连接装置、第一X1导轨、第二X1导轨、X1交叉滚柱轴环，X1电机的电机轴通过X1轴柔性联轴器连接X1轴丝杆，X1连接装置将X1轴丝杆、第一X1导轨和第二X1导轨相连，第二X1导轨又与X1交叉滚柱轴环的内圈相连，X1交叉滚柱轴环的外圈与动平台相连接。

进一步地，所述X2驱动模组包括X2电机、X2轴柔性联轴器、X2轴丝杆、X2连接装置、第一X2导轨、第二X2导轨、X2交叉滚柱轴环，X2电机的电机轴通过X2轴柔性联轴器连接X2轴丝杆，X2连接装置将X2轴丝杆、第一X2导轨和第二X2导轨相连，第二X2导轨又与X2交叉滚柱轴环的内圈相连，X2交叉滚柱轴环的外圈与动平台相连接。

进一步地，所述Y驱动模组包括Y电机、Y轴柔性联轴器、Y轴丝杆、Y连接装置、第一Y导轨、第二Y导轨、Y交叉滚柱轴环，Y电机的电机轴通过Y轴柔性联轴器连接Y轴丝杆，Y连接装置将Y轴丝杆、第一Y导轨和第二Y导轨相连，第二Y导轨又与Y交叉滚柱轴环的内圈相连，Y交叉滚柱轴环的外圈与动平台相连接。

进一步地，所述X1电机、X2电机、Y电机都采用伺服电机。

进一步地，所述高精密并联平台在X1轴、X2轴、Y轴方向上都设置有限位开关。

一种高精密并联平台控制器，包括通讯模块、数据解析模块、运动学反解模型模块、运动学修正模型模块、轨迹插补模块；

数据解析模块分别与通讯模块、运动学反解模型模块、运动学修正模型模块连接；轨迹插补模块分别与运动学反解模型模块、运动学修正模型模块连接；

所述通讯模块用于与并联平台的上位机进行通讯，获得动平台的当前位置和目标位置；

所述数据解析模块用于将接收到的动平台的当前位置和目标位置进行数据解析，将字符串转换为浮点数；

所述运动学反解模型模块用于利用运动学反解模型求得每个电机轴的理论进给量；

所述运动学修正模型模块用于利用运动学修正模型求得每个电机轴进给量的修正量；

所述轨迹插补模块用于根据每个电机轴的理论进给量和每个电机轴进给量的修正量得到每个电机轴的实际进给量来驱动每个电机动作。

进一步地，所述控制器还包括IO模块和逻辑模块，逻辑模块分别与数据解析模块和IO模块连接；

所述IO模块用于接收并联平台在每个运动方向上设置的限位开关的信号；

所述逻辑模块用于判断并联平台在每个运动方向上是否达到运动极限位置或分析并联平台是否满足精度要求来判断要不要继续动作。

进一步地，所述运动学反解模型计算方法如下：

当动平台旋转的角度为δθ时

δX₁＝R cos(δθ+θX₁+θ₀)-R cos(θX₁+θ₀)

δX₂＝R cos(δθ+θX₂+θ₀)-R cos(θX₂+θ₀)

δY＝R sin(δθ+θY+θ₀)-R sin(θY+θ₀)

故从A1点(x₁，y₁，θ₀)运动至A2(x₂，y₂，θ₀+δθ)点，各电机的运动情况如下：

δX₁＝R cos(δθ+θX₁+θ₀)-R cos(θX₁+θ₀)+(x₂-x₁)

δX₂＝R cos(δθ+θX₂+θ₀)-R cos(θX₂+θ₀)+(x₂-x₁)

δY＝R sin(δθ+θY+θ₀)-R sin(θX₂+θ₀)+(y₂-y₁)

即为该平台的反解模型；

其中，

δX₁：X1电机的相对进给量；

δX₂：X2电机的相对进给量；

δY：Y电机的相对进给量；

θX₁：X1交叉滚柱轴环中心的角度位置；

θX₂：X2交叉滚柱轴环中心的角度位置；

θY：Y交叉滚柱轴环中心的角度位置；

θ₀：计算前高精密并联平台的角度。

进一步地，所述运动学修正模型计算方法如下：

在标定之前，首先将动平台运动到原点位置，此时的原点默认为精确的原点位置，也是视觉系统里的原点位置，接下来指定动平台运行到目标点位置，根据理想的运动学反解模型，可计算出理论上的X1电机、X2电机和Y电机的进给量；当电机执行完该进给量后，利用双目摄像机去采集图像，得到动平台的实际位置；上述流程执行不小于9次，即可得到不小于9组电机的实际进给量和平台的实际位置，再利用这不小于9组数据，基于最小二乘法，即可得到运动学修正模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的并联平台结合精度和成本要求，采用伺服驱动的方式，为了进一步提高定位系统的精度，本发明的控制器充分考虑了那些不可避免的加工装备误差，在建立运动学模型的基础上，结合双目相机组成闭环反馈系统，再反过来对该模型参数进行自整定，从而大大提高该模型的准确度，可以满足绝大多数的工业要求。

本发明的控制器在不明显提高成本的前提下，通过简单操作即可大大提高高精密并联平台的定位精度，可实现0.1um级重复定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明高精密并联平台的结构示意图；

图2是本发明高精密并联平台的简化图；

图3是本发明运动学自整定流程图；

图4是本发明高精密并联平台控制器的内部架构图；

附图标记说明：

1、动平台；2、第一相机；3、X2驱动模组；4、底座；5、X1驱动模组；6、Y驱动模组；7、第二相机。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明控制器针对的高精密并联平台的结构如图1所示。

一种高精密并联平台，包括底座4，底座4上设置有X1驱动模组5、X2驱动模组3、Y驱动模组6，X1驱动模组5、X2驱动模组3、Y驱动模组6与底座4连接，X1驱动模组5、X2驱动模组3、Y驱动模组6上设置有动平台1，X1驱动模组5、X2驱动模组3、Y驱动模组6与动平台1连接，底座4上靠近动平台1的两侧设置有第一相机2、第二相机7。

所述X1驱动模组5包括X1电机、X1轴柔性联轴器、X1轴丝杆、X1连接装置、第一X1导轨(P：移动副)、第二X1导轨(P：移动副)、X1交叉滚柱轴环(R：旋转副)，X1电机的电机轴通过X1轴柔性联轴器连接X1轴丝杆，X1连接装置将X1轴丝杆、第一X1导轨和第二X1导轨相连，第二X1导轨又与X1交叉滚柱轴环的内圈相连，X1交叉滚柱轴环的外圈与动平台1相连接。

所述X2驱动模组3包括X2电机、X2轴柔性联轴器、X2轴丝杆、X2连接装置、第一X2导轨(P：移动副)、第二X2导轨(P：移动副)、X2交叉滚柱轴环(R：旋转副)，X2电机的电机轴通过X2轴柔性联轴器连接X2轴丝杆，X2连接装置将X2轴丝杆、第一X2导轨和第二X2导轨相连，第二X2导轨又与X2交叉滚柱轴环的内圈相连，X2交叉滚柱轴环的外圈与动平台1相连接。

所述Y驱动模组6包括Y电机、Y轴柔性联轴器、Y轴丝杆、Y连接装置、第一Y导轨(P：移动副)、第二Y导轨(P：移动副)、Y交叉滚柱轴环(R：旋转副)，Y电机的电机轴通过Y轴柔性联轴器连接Y轴丝杆，Y连接装置将Y轴丝杆、第一Y导轨和第二Y导轨相连，第二Y导轨又与Y交叉滚柱轴环的内圈相连，Y交叉滚柱轴环的外圈与动平台1相连接。

所述高精密并联平台在X1轴、X2轴、Y轴方向上都设置有限位开关。

目前市场上的定位平台大多采用步进电机驱动，考虑到步进电机本身分辨率就很低，目前该类定位平台只能应用于较低端对定位精度要求不高的场合。另有一些定位平台采用直线超声电机或压电陶瓷电机等，控制复杂，成本较高。本发明高精密并联平台的X1电机、X2电机、Y电机都采用伺服电机，进一步提高定位的精度。

控制器一方面与上位机(视觉系统)进行通讯，获得平台当前的位姿(x,y,θ)，另一方面通过指令脉冲控制3个伺服电机的协同动作，从而控制平台运行到指定位置。

控制器的首要任务是根据平台结构建立运动学正反解模型。

运动学正反解模型的建立

简化平台可得到平台的机构如图2所示。

当平台旋转的角度为δθ时

δX₁＝R cos(δθ+θX₁+θ₀)-R cos(θX₁+θ₀)

δX₂＝R cos(δθ+θX₂+θ₀)-R cos(θX₂+θ₀)

δY＝R sin(δθ+θY+θ₀)-R sin(θY+θ₀)

故从A1点(x₁，y₁，θ₀)运动至A2(x₂，y₂，θ₀+δθ)点，各电机的运动情况如下：

δX₁＝R cos(δθ+θX₁+θ₀)-R cos(θX₁+θ₀)+(x₂-x₁)

δX₂＝R cos(δθ+θX₂+θ₀)-R cos(θX₂+θ₀)+(x₂-x₁)

δY＝R sin(δθ+θY+θ₀)-R sin(θX₂+θ₀)+(y₂-y₁)

即为该平台的反解方程。

其中，

δX₁：X1电机的相对进给量[mm]；

δX₂：X2电机的相对进给量[mm]；

δY：Y电机的相对进给量[mm]；

θX₁：X1交叉滚柱轴环中心的角度位置，3π/2；

θX₂：X2交叉滚柱轴环中心的角度位置，π/2；

θY：Y交叉滚柱轴环中心的角度位置，0；

θ₀：计算前高精密并联平台的角度；

将上面的等式转换成矩阵形式,再对转换矩阵进行求逆,即可得到运动学正解模型。

参数自动标定

根据上述方法求得的运动学模型只是理想情况下的模型，但是在实际应用中，考虑到系统存在各种潜在误差，依赖该模型的控制效果并不理想，尤其是对定位精度要求高的场合，该类控制器很难满足应用要求。

本控制器充分考虑了这些误差来源，提出了一种利用双目摄像头进行模型自整定的方法。具体的自整定流程如图3所示。

结合图3，具体的流程可以表述为：在标定之前，首先将平台运动到原点位置，此时的原点默认为精确的原点位置，也是视觉系统里的原点位置。接下来指定平台运行到目标点位置，根据理想的运动学反解模型，可计算出理论上的X1电机、X2电机和Y电机的进给量。当电机执行完该进给量后，利用双目摄像机去采集图像，得到平台的实际位置。上述流程执行9次，即可得到9组电机的实际进给量和平台的实际位置，再利用这9组数据，基于最小二乘法，即可得到修正后的参数模型。

控制器利用修正后的参数模型可得到更理想的控制效果。

高精密并联平台控制器设计

在完成了控制器核心内容—运动学修正模型之后，接下来即可设计整个控制器的内部架构了。

本发明高精密并联平台控制器，包括通讯模块、数据解析模块、运动学反解模型模块、运动学修正模型模块、轨迹插补模块；

数据解析模块分别与通讯模块、运动学反解模型模块、运动学修正模型模块连接；轨迹插补模块分别与运动学反解模型模块、运动学修正模型模块连接；

所述通讯模块用于与并联平台的上位机进行通讯，获得动平台的当前位置和目标位置；

所述数据解析模块用于将接收到的动平台的当前位置和目标位置进行数据解析，将字符串转换为浮点数；

所述运动学反解模型模块用于利用运动学反解模型求得每个电机轴的理论进给量；

所述运动学修正模型模块用于利用运动学修正模型求得每个电机轴进给量的修正量；

所述轨迹插补模块用于根据每个电机轴的理论进给量和每个电机轴进给量的修正量得到每个电机轴的实际进给量来驱动每个电机动作。

所述控制器还包括IO模块和逻辑模块，逻辑模块分别与数据解析模块和IO模块连接；

所述IO模块用于接收并联平台在每个运动方向上设置的限位开关的信号；

所述逻辑模块用于判断并联平台在每个运动方向上是否达到运动极限位置或分析并联平台是否满足精度要求来判断要不要继续动作。

本控制器一方面通过RS232串口或TCP/IP网口等通讯方式与上位机进行通讯，获得平台的当前位置和目标位置。在得到这些数据后，需要对这些数据进行解析(将字符串转换为浮点数)，然后利用运动学修正模型求得每个电机轴的进给量，最后驱动3个电机的动作。

控制器内部还设置了IO模块和逻辑模块，在每个运动方向上都设置有限位开关，可进一步保护平台。同时还可以分析平台是否满足精度要求来判断要不要继续动作。

当整个平台的环境未发生改变的前提下，只需要一次运动学参数整定即可大大提高平台的定位精度。当然，如果改变了平台的环境，只需要重新一次参数自整定，更新修正模型即可保证平台的定位精度。

本发明的并联平台结合精度和成本要求，采用伺服驱动的方式，为了进一步提高定位系统的精度，本发明的控制器充分考虑了那些不可避免的加工装备误差，在建立运动学模型的基础上，结合双目相机组成闭环反馈系统，再反过来对该模型参数进行自整定，从而大大提高该模型的准确度，可以满足绝大多数的工业要求。

本发明的控制器在不明显提高成本的前提下，通过简单操作即可大大提高高精密并联平台的定位精度，可实现0.1um级重复定位。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种高精密并联平台控制器，其特征在于，包括通讯模块、数据解析模块、运动学反解模型模块、运动学修正模型模块、轨迹插补模块；

数据解析模块分别与通讯模块、运动学反解模型模块、运动学修正模型模块连接；轨迹插补模块分别与运动学反解模型模块、运动学修正模型模块连接；

所述通讯模块用于与并联平台的上位机进行通讯，获得动平台的当前位置和目标位置；

所述数据解析模块用于将接收到的动平台的当前位置和目标位置进行数据解析，将字符串转换为浮点数；

所述运动学反解模型模块用于利用运动学反解模型求得每个电机轴的理论进给量；

所述运动学修正模型模块用于利用运动学修正模型求得每个电机轴进给量的修正量；

所述轨迹插补模块用于根据每个电机轴的理论进给量和每个电机轴进给量的修正量得到每个电机轴的实际进给量来驱动每个电机动作；

所述运动学反解模型计算方法如下：

当动平台旋转的角度为δθ时

δX₁＝Rcos(δθ+θX₁+θ₀)-Rcos(θX₁+θ₀)

δX₂＝Rcos(δθ+θX₂+θ₀)-Rcos(θX₂+θ₀)

δY＝Rsin(δθ+θY+θ₀)-Rsin(θY+θ₀)

故从A1点(x₁，y₁，θ₀)运动至A2(x₂，y₂，θ₀+δθ)点，各电机的运动情况如下：

δX₁＝Rcos(δθ+θX₁+θ₀)-Rcos(θX₁+θ₀)+(x₂-x₁)

δX₂＝Rcos(δθ+θX₂+θ₀)-Rcos(θX₂+θ₀)+(x₂-x₁)

δY＝Rsin(δθ+θY+θ₀)-Rsin(θX₂+θ₀)+(y₂-y₁)

即为该平台的反解模型；

其中，

δX₁：X1电机的相对进给量；

δX₂：X2电机的相对进给量；

δY：Y电机的相对进给量；

θX₁：X1交叉滚柱轴环中心的角度位置；

θX₂：X2交叉滚柱轴环中心的角度位置；

θY：Y交叉滚柱轴环中心的角度位置；

θ₀：计算前高精密并联平台的角度；

所述高精密并联平台控制器还包括IO模块和逻辑模块，逻辑模块分别与数据解析模块和IO模块连接；

所述IO模块用于接收并联平台在每个运动方向上设置的限位开关的信号；

所述逻辑模块用于判断并联平台在每个运动方向上是否达到运动极限位置或分析并联平台是否满足精度要求来判断要不要继续动作。

2.根据权利要求1所述的高精密并联平台控制器，其特征在于，高精密并联平台包括底座，底座上设置有X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组，X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组与底座连接，X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组上设置有动平台，X1驱动模组、X2驱动模组、Y驱动模组与动平台连接，底座上靠近动平台的两侧设置有第一相机、第二相机。

3.根据权利要求2所述的高精密并联平台控制器，其特征在于，所述X1驱动模组包括X1电机、X1轴柔性联轴器、X1轴丝杆、X1连接装置、第一X1导轨、第二X1导轨、X1交叉滚柱轴环，X1电机的电机轴通过X1轴柔性联轴器连接X1轴丝杆，X1连接装置将X1轴丝杆、第一X1导轨和第二X1导轨相连，第二X1导轨又与X1交叉滚柱轴环的内圈相连，X1交叉滚柱轴环的外圈与动平台相连接。

4.根据权利要求2所述的高精密并联平台控制器，其特征在于，所述X2驱动模组包括X2电机、X2轴柔性联轴器、X2轴丝杆、X2连接装置、第一X2导轨、第二X2导轨、X2交叉滚柱轴环，X2电机的电机轴通过X2轴柔性联轴器连接X2轴丝杆，X2连接装置将X2轴丝杆、第一X2导轨和第二X2导轨相连，第二X2导轨又与X2交叉滚柱轴环的内圈相连，X2交叉滚柱轴环的外圈与动平台相连接。

5.根据权利要求2所述的高精密并联平台控制器，其特征在于，所述Y驱动模组包括Y电机、Y轴柔性联轴器、Y轴丝杆、Y连接装置、第一Y导轨、第二Y导轨、Y交叉滚柱轴环，Y电机的电机轴通过Y轴柔性联轴器连接Y轴丝杆，Y连接装置将Y轴丝杆、第一Y导轨和第二Y导轨相连，第二Y导轨又与Y交叉滚柱轴环的内圈相连，Y交叉滚柱轴环的外圈与动平台相连接。

6.根据权利要求2所述的高精密并联平台控制器，其特征在于，所述X1电机、X2电机、Y电机都采用伺服电机。

7.根据权利要求2所述的高精密并联平台控制器，其特征在于，高精密并联平台在X1轴、X2轴、Y轴方向上都设置有限位开关。

8.根据权利要求1所述的高精密并联平台控制器，其特征在于，所述运动学修正模型计算方法如下：

在标定之前，首先将动平台运动到原点位置，此时的原点默认为精确的原点位置，也是视觉系统里的原点位置，接下来指定动平台运行到目标点位置，根据理想的运动学反解模型，可计算出理论上的X1电机、X2电机和Y电机的进给量；当电机执行完该进给量后，利用双目摄像机去采集图像，得到动平台的实际位置；上述流程执行不小于9次，即可得到不小于9组电机的实际进给量和平台的实际位置，再利用这不小于9组数据，基于最小二乘法，即可得到运动学修正模型。