CN114012707A - 一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，属于机器人技术领域，建系模块用于对机器主体建立总坐标系和对三自由度结构建立分坐标系；定位模块用于对机器主体以及三自由度结构分别进行定位；监测模块用于对机器主体以及三自由度结构的运行进行监测统计；跟踪模块用于根据监测统计的结果来对三自由度并联机器的轨迹进行跟踪；本发明用于解决现有方案中没有从不同方面对三自由度并联机器的移动和运行进行监测分析，并跟踪提示异常的初步情况以及异常程度的技术问题。

Description

一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统。

背景技术

现有的三自由度并联机器轨迹跟踪系统在跟踪时，基于各项传感器来对三自由度并联机器的运行进行监测分析，只能发现并提示出现的异常，无法更深入的监测分析异常的初步原因以及程度，并不能根据不同的异常进行不同方式的控制，导致三自由度并联机器的运行效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，用于解决现有方案中没有从不同方面对三自由度并联机器的移动和运行进行监测分析，并跟踪提示异常的初步情况以及异常程度的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，包括建系模块、定位模块、监测模块和跟踪模块；

建系模块用于对机器主体建立总坐标系和对三自由度结构建立分坐标系；

定位模块用于对机器主体以及三自由度结构分别进行定位；

监测模块用于对机器主体以及三自由度结构的运行进行监测统计；

跟踪模块用于根据监测统计的结果来对三自由度并联机器的轨迹进行跟踪。

进一步地，还包括处理模块和预警模块，处理模块包含处理器，用于对采集的各项数据进行处理，预警模块用于对监测跟踪的结果进行预警提示。

进一步地，对机器主体建立总坐标系的具体步骤包括：

获取移动范围的中点并将其设定为原点，将机器主体上端的中点设定为第一监测点，将机器主体前进的方向设定为x0轴，根据x0轴分别建立y0轴和z0轴，根据预设的第一距离和原点建立总坐标系。

进一步地，对三自由度结构建立分坐标系的具体步骤包括：

将三自由度结构分别设定为第一结构、第二结构和第三结构；分别将第一结构、第二结构和第三结构的下端点设定为第二监测点、第三监测点和第四监测点，将机器主体下端的中点设定为第二原点，设定的分坐标轴方向与总坐标系的坐标轴方向相同，根据预设的第二距离和第二原点建立分坐标系。

进一步地，对机器主体以及三自由度结构分别进行定位的具体步骤包括：

获取机器主体移动范围的长度和宽度，将机器主体的起始点设定为监测原点，对机器主体的实时位置以及第一结构、第二结构和第三结构的实时位置进行定位，得到机器位置集和机构位置集，将机器位置集中机器主体的实时位置与数据库中机器位置表进行匹配；

若机器主体的实时位置与机器位置表进行匹配时存在相同的位置，则判定机器主体的位置没有发生偏移；

若机器主体的实时位置在机器位置表进行匹配时存在不相同的位置，则判定机器主体的位置发生偏移，并生成第一调控信号，根据第一调控信号控制机器主体暂停运行；

将机构位置集中的不同机构的位置分别与数据库中机构位置表进行匹配；若第一结构、第二结构和第三结构的实时位置与机构位置表进行匹配时存在相同的位置，则判定第一结构、第二结构和第三结构的位置没有发生偏移；若第一结构、第二结构和第三结构的实时位置与机构位置表进行匹配时存在不相同的位置，则判定第一结构、第二结构和第三结构的位置存在偏移的情况，并生成第二调控信号，根据第二调控信号控制第一结构、第二结构和第三结构暂停运行；

根据机器位置集和机构位置集分析判断机器主体以及三自由度结构的运行位置是否正常。

进一步地，进行监测统计的具体步骤包括：

获取机器主体、第一结构、第二结构和第三结构的实时移动速度、实时转动角度和实时移动距离并设定为FSik、FPik和FGik，i＝1，2，3，...，n；k＝0，1，2，3；对机器主体以及第一结构、第二结构和第三结构的运行进行分析。

进一步地，进行分析的具体步骤包括：

获取机器主体、第一结构、第二结构和第三结构预设的移动速度、转动角度和移动距离，将预设的移动速度设定为YYSik；将预设的转动角度设定为ZYJik；将预设的移动距离设定为YYGik；对标记的各项数据进行归一化处理并取值，通过公式

计算获取偏移度，a1、a2和a3为不同的比例系数且均大于零,μ为补偿因子，取值范围为(0,5)；将偏移度与预设的偏移阈值进行匹配，若偏移度不大于偏移阈值，则判定对应结构的运行正常，并生成第一匹配信号；若偏移度大于偏移阈值，则判定对应结构的运行异常，并生成第二匹配信号，根据第二匹配信号将该结构的运行数据进行标记，运行数据包括运行时间、运行速度和运行位置，根据第二匹配信号计算获取偏移度与偏移阈值之间的比值，根据该比值跟踪对应结构异常的情况。

进一步地，根据该比值跟踪对应结构异常的情况的具体步骤包括：

将第一次出现异常的时间点设为时间基点并进行标记，获取比值的整数部分并分析，若属于[0，m],则生成第一异常指令，若整数部分属于(m,+∞)，则生成第二异常指令，m为正整数；在监测时间段内统计第一异常指令和第二异常指令出现的次数，根据第一异常指令和第二异常指令出现的次数进行不同程度的预警提示。

进一步地，进行不同程度的预警提示的具体步骤包括：

统计第一异常指令出现的次数并标记为YC；统计第一异常指令出现并持续的累计时长并标记为YS；统计第二异常指令出现的次数并标记为EC；统计第二异常指令出现并持续的累计时长并标记为ES；对各项数据进行归一化处理并取值，通过公式TS＝b1×YC×YS+b2×EC×ES计算获取提示值,b1和b2为不同的比例系数且均大于零；根据提示值进行提示。

进一步地，根据提示值进行提示的具体步骤包括：

将提示值与预设的预警等级范围进行匹配并获取对应的预警级别，根据预警级别生成不同的预警提示；其中，预警等级范围包括(0，n)、[n，2n)、[2n,3n)和[3n,+∞)，n为大于零的有理数，对应的预警级别为初级风险，低级风险、中级风险和高级风险。

本发明的有益效果：

1、本发明中，通过建立总坐标系和分坐标系，可以分别对机器主体和三自由度对应结构的运行进行监测，通过定位分析判断机器主体以及第一结构、第二结构和第三结构的移动是否正常，避免发生位置偏移时影响三自由度并联机器整体的运行。

2、本发明中，受网络以及控制程序的影响，会使得机器主体和三自由度对应结构的运行速度、转动角度和移动距离出现偏差，对运行速度、转动角度和移动距离进行联立计算，通过获取的实时偏移度从局部进行监测，判断机器主体和三自由度对应结构的运行是否异常，可以提高三自由度并联机器运行监测的准确性。

3、本发明中，通过对出现的异常情况进一步进行跟踪并分析，判定异常情况是偶然出现还是持续出现，并且可以根据出现的次数和持续的时长来进行联立计算，通过提示值初步判定异常的严重性，以便更及时的对三自由度并联机器的运行进行不同方式的处理。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统的模块框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明为一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，包括建系模块、定位模块、监测模块、跟踪模块、处理模块、预警模块和数据库，处理模块包含处理器，用于对采集的各项数据进行处理，数据库用于对存储机器位置表、机构位置表和预警等级范围；

本实施例中，三自由度并联机器包含机器主体和三个可同时进行自由活动的结构，该结构可以为机械臂，通过对机器主体和三自由度对应的结构分别进行监测分析，首先根据实时的定位判断三自由度并联机器的位置是否正常，然后根据实时的运行情况判断操作是否正常，通过对异常的状态进行跟踪，及时发现并提示不同程度的预警和提示，可以更精准的对三自由度并联机器进行监测维护，提高了三自由度并联机器的运行效果；

建系模块用于对机器主体建立总坐标系和对三自由度结构建立分坐标系；具体的步骤包括：

获取移动范围的中点并将其设定为原点，其中，移动范围为三自由度并联机器操作的范围，将机器主体上端的中点设定为第一监测点，将机器主体前进的方向设定为x0轴，根据x0轴分别建立y0轴和z0轴，根据预设的第一距离和原点建立总坐标系；

将三自由度结构分别设定为第一结构、第二结构和第三结构；分别将第一结构、第二结构和第三结构的下端点设定为第二监测点、第三监测点和第四监测点，将机器主体下端的中点设定为第二原点，设定的分坐标轴方向与总坐标系的坐标轴方向相同，根据预设的第二距离和第二原点建立分坐标系；

本实施例中，通过建立总坐标系和分坐标系，可以分别对机器主体和三自由度对应结构的运行进行监测，可以提高异常追踪的准确性，并且可以快速分析判断异常的原因，在对机器主体和三自由度对应结构进行监测时，首先进行定位来从整体进行监测，然后根据运行速度和转动角度从局部进行监测，判断机器主体和三自由度对应结构的运行是否异常，机器主体和三自由度对应结构的运行通过预先设定的程度自动进行运行，但运行速度、偏移角度以及移动距离不一致的情况下，会影响三自由度并联机器整体的运行效果；

定位模块用于对机器主体以及三自由度结构分别进行定位；具体的步骤包括：

获取机器主体移动范围的长度和宽度，将机器主体的起始点设定为监测原点，对机器主体的实时位置以及第一结构、第二结构和第三结构的实时位置进行定位，得到机器位置集和机构位置集；其中，定位可以通过公开号CN100566189C的发明公开的技术方案实现；

将机器位置集中机器主体的实时位置与数据库中机器位置表进行匹配；

若机器主体的实时位置与机器位置表进行匹配时存在相同的位置，则判定机器主体的位置没有发生偏移；

若机器主体的实时位置在机器位置表进行匹配时存在不相同的位置，则判定机器主体的位置发生偏移，并生成第一调控信号，根据第一调控信号控制机器主体暂停运行；

将机构位置集中的不同机构的位置分别与数据库中机构位置表进行匹配；若第一结构、第二结构和第三结构的实时位置与机构位置表进行匹配时存在相同的位置，则判定第一结构、第二结构和第三结构的位置没有发生偏移；若第一结构、第二结构和第三结构的实时位置与机构位置表进行匹配时存在不相同的位置，则判定第一结构、第二结构和第三结构的位置存在偏移的情况，并生成第二调控信号，根据第二调控信号控制第一结构、第二结构和第三结构暂停运行；

根据机器位置集和机构位置集分析判断机器主体以及三自由度结构的运行位置是否正常；

本实施例中，在第一结构、第二结构和第三结构不工作的情况，通过定位分析判断机器主体以及第一结构、第二结构和第三结构的移动是否正常，避免位置偏移时影响三自由度并联机器整体的运行；

监测模块用于对机器主体以及三自由度结构的运行进行监测统计；具体的步骤包括：

获取机器主体、第一结构、第二结构和第三结构的实时移动速度、实时转动角度和实时移动距离并设定为FSik、FPik和FGik，i＝1，2，3，...，n；k＝0，1，2，3；对机器主体以及第一结构、第二结构和第三结构的运行进行分析；其中，FSi0为机器主体的实时移动速度，FSi 1为第一结构的实时移动速度，FSi2为第二机构的实时移动速度，FSi3为第三机构的实时移动速度，FPik和FGik同理；实时移动距离根据实时移动速度来获取，根据实时移动速度变化的起点和终点来进行统计，比如第一结构从A点移动到B点并停顿，移动过程中的速度从0开始最后以0结束，A点与到B点之间的直线距离为实时移动距离，可以通过位置传感器监测获取；

获取机器主体、第一结构、第二结构和第三结构预设的移动速度、转动角度和移动距离，将预设的移动速度设定为YYSik；将预设的转动角度设定为ZYJik；将预设的移动距离设定为YYGik；对标记的各项数据进行归一化处理并取值，通过公式

计算获取偏移度，a1、a2和a3为不同的比例系数且均大于零,μ为补偿因子，取值范围为(0,5)，取值可以为0.75284；其中，公式中各项的比值基于实时的坐标来实现，机器主体、第一结构、第二结构和第三结构在不同位置的移动速度、转动角度和移动距离均已预先设定好；

将偏移度与预设的偏移阈值进行匹配，若偏移度不大于偏移阈值，则判定对应结构的运行正常，并生成第一匹配信号；若偏移度大于偏移阈值，则判定对应结构的运行异常，并生成第二匹配信号，根据第二匹配信号将该结构的运行数据进行标记，标记用于显示三自由度并联机器的异常情况，运行数据包括运行时间、运行速度和运行位置，根据第二匹配信号计算获取偏移度与偏移阈值之间的比值，根据该比值跟踪对应结构异常的情况；

本实施例中，通过将机器主体、第一结构、第二结构和第三结构的实时运行情况与预设的标准情况进行匹配，判断机器主体以及第一结构、第二结构和第三结构的运行是否正常，其中，预设的移动速度和转动角度通过预先编码的程序自动控制实现，机器主体以及第一结构、第二结构和第三结构在实际运行过程中，受网络或者程序的影响，会存在与程序不相同的运行，因此对三自由度并联机器实时的运行进行监测分析并跟踪，可以获取到异常的具体情况；机器主体、第一结构、第二结构和第三结构的实时移动速度和实时转动角度可以通过总坐标系和分坐标系配合速度传感器和角度传感器获取；

跟踪模块用于根据监测统计的结果来对三自由度并联机器的轨迹进行跟踪，具体的步骤包括：

将第一次出现异常的时间点设为时间基点并进行标记，获取比值的整数部分并分析，若属于[0，m],则生成第一异常指令，若整数部分属于(m,+∞)，则生成第二异常指令，m为正整数，m可以取值为2；在监测时间段内统计第一异常指令和第二异常指令出现的次数，根据第一异常指令和第二异常指令出现的次数进行不同程度的预警提示；第一异常指令可以表示异常的程度轻微，比如由于网络造成的异常，第二异常指令可以表示异常的程度严重，比如程序造成的异常；监测时间段可以以时间基点为起点，3分钟后结束这一时间段；

统计第一异常指令出现的次数并标记为YC；统计第一异常指令出现并持续的累计时长并标记为YS；统计第二异常指令出现的次数并标记为EC；统计第二异常指令出现并持续的累计时长并标记为ES；对各项数据进行归一化处理并取值，通过公式TS＝b1×YC×YS+b2×EC×ES计算获取提示值,b1和b2为不同的比例系数且均大于零；根据提示值进行提示；

将提示值与预设的预警等级范围进行匹配并获取对应的预警级别，预警模块根据预警级别生成不同的预警提示；其中，预警等级范围包括(0，n)、[n，2n)、[2n,3n)和[3n,+∞)，n为大于零的有理数，对应的预警级别为初级风险，低级风险、中级风险和高级风险；

本实施例中，通过对出现的异常情况进一步进行跟踪并分析，判定异常情况是偶然出现还是持续出现，并且可以根据出现的次数和持续的时长来初步判定异常的严重性，以便更及时的进行不同方式的处理；相比于现有方案中单一的预警和提示，本实施例中可以实现更高效的跟踪效果。

上述的公式均是去除量纲取其数值计算，通过采集大量的数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设比例系数以及相关的阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获取。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，包括建系模块、定位模块、监测模块和跟踪模块；建系模块用于对机器主体建立总坐标系和对三自由度结构建立分坐标系；

定位模块用于对机器主体以及三自由度结构分别进行定位；

监测模块用于对机器主体以及三自由度结构的运行进行监测统计；

跟踪模块用于根据监测统计的结果来对三自由度并联机器的轨迹进行跟踪，在监测时间段内根据异常出现的次数以及出现并持续的累计时长计算获取提示值，并根据提示值对异常的状态进行提示。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，对机器主体建立总坐标系的具体步骤包括：

获取移动范围的中点并将其设定为原点，将机器主体上端的中点设定为第一监测点，将机器主体前进的方向设定为x0轴，根据x0轴分别建立y0轴和z0轴，根据预设的第一距离和原点建立总坐标系。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，将三自由度结构分别设定为第一结构、第二结构和第三结构；分别将第一结构、第二结构和第三结构的下端点设定为第二监测点、第三监测点和第四监测点，将机器主体下端的中点设定为第二原点，设定的分坐标轴方向与总坐标系的坐标轴方向相同，根据预设的第二距离和第二原点建立分坐标系。

4.根据权利要求3所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，对机器主体以及三自由度结构分别进行定位的具体步骤包括：

获取机器主体移动范围的长度和宽度，将机器主体的起始点设定为监测原点，对机器主体、第一结构、第二结构和第三结构的实时位置进行定位，得到机器位置集和机构位置集，根据机器位置集和机构位置集分析判断机器主体以及三自由度结构的运行位置是否正常。

5.根据权利要求3所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，进行监测统计的具体步骤包括：

获取机器主体、第一结构、第二结构和第三结构的实时移动速度FSik、实时转动角度FPik和实时移动距离FGik；获取机器主体、第一结构、第二结构和第三结构预设的移动速度YYSik、转动角度ZYJik和移动距离YYGik；对各项数据进行归一化处理并取值，通过公式

计算获取偏移度，a1、a2和a3为不同的比例系数且均大于零,μ为补偿因子，取值范围为(0,5)；将偏移度与预设的偏移阈值进行匹配，若偏移度大于偏移阈值，则生成第二匹配信号，根据第二匹配信号计算获取偏移度与偏移阈值之间的比值，根据该比值跟踪对应结构异常的情况。

6.根据权利要求5所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，根据该比值跟踪对应结构异常的情况的具体步骤包括：

将第一次出现异常的时间点设为时间基点并进行标记，获取比值的整数部分并分析，若属于[0，m],则生成第一异常指令，若整数部分属于(m,+∞)，则生成第二异常指令，m为正整数；在监测时间段内统计第一异常指令和第二异常指令出现的次数，根据第一异常指令和第二异常指令出现的次数进行不同程度的预警提示。

7.根据权利要求6所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，统计第一异常指令出现的次数YC和出现并持续的累计时长YS；统计第二异常指令出现的次数EC和出现并持续的累计时长ES；对各项数据进行归一化处理并取值，通过公式TS＝b1×YC×YS+b2×EC×ES计算获取提示值,b1和b2为不同的比例系数且均大于零。

8.根据权利要求7所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，将提示值与预设的预警等级范围进行匹配并获取对应的预警级别，根据预警级别生成不同的预警提示。

9.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机器轨迹跟踪系统，其特征在于，还包括处理模块和预警模块，处理模块包含处理器，预警模块用于对监测跟踪的结果进行预警提示。

Images