CN116092571B - 一种三自由度柔性并联运动平台及系统 - Google Patents

一种三自由度柔性并联运动平台及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三自由度柔性并联运动平台及系统,涉及微运动平台技术领域,采用微型直线伺服驱动器配合变直径螺旋型柔性铰链驱动动平台,能够实现动平台可在大行程运动范围的同时保证其运动精度,并进一步增加了视觉检测系统,对动平台的位姿进行在线高精度测量,形成闭环反馈控制,解决开环带来的运动误差;具体方案如下:一种三自由度柔性并联运动平台,包括固定平台,固定平台上设有三条支链和动平台,三条支链呈120°旋转对称均匀分布在动平台外围,每条支链一端连接动平台,另一端连接微型直线伺服驱动器,所述支链包括至少两个串联的变直径螺旋型柔性铰链,微型直线伺服驱动器驱动支链位移以实现动平台水平和竖直方向的位移。

Description

一种三自由度柔性并联运动平台及系统
技术领域
本发明涉及微运动平台技术领域,尤其是一种三自由度柔性并联运动平台及系统。
背景技术
关于近年来前沿的柔性铰链机构的研究中,因铰链转动范围和行程的限制,大多采用压电陶瓷驱动,通过杠杆放大机构驱动簧片型柔性铰链来实现平面内XY方向的平动及绕Z向的转动,由于压电陶瓷自身的特性,导致其产生位移在毫米级别范围,所以需要引入杠杆放大机构来输出其位移,所以会产生较大的耦合误差。宏微复合驱动/传动方案能够实现“大范围-高精度”的性能要求,但是存在着系统复杂、宏微运动转换下的运动不确定性等实际工程技术难题。
随着柔性铰链的引入,柔性并联平台的工作空间受限于柔性铰链的弹性变形范围,一般的柔性并联运动平台无法同时满足大变形与小轴漂的特点,这就使得柔性并联平台的工作空间和精度没办法得到提高。同时现有3-PRR运动平台仅有驱动器及平台只能进行开环运动,开环运动时由于输入精度、平台加工误差、装配误差造成的运动精度差,轴漂难以被测量保证,造成应用受限。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的是提供一种三自由度柔性并联运动平台及系统,采用微型直线伺服驱动器配合变直径螺旋型柔性铰链驱动动平台,能够实现动平台可在大行程运动范围的同时保证其运动精度,并进一步增加了视觉检测系统,对动平台的位姿进行在线高精度测量,形成了闭环反馈控制来解决开环带来的运动误差,从而提升精度。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:
第一方面,一种三自由度柔性并联运动平台,包括固定平台,固定平台上设有三条支链和动平台,三条支链呈120°旋转对称均匀分布在动平台外围,每条支链一端连接动平台,另一端连接微型直线伺服驱动器,所述支链包括至少两个串联的变直径螺旋型柔性铰链,微型直线伺服驱动器驱动支链位移以实现动平台水平和竖直方向的位移。
作为进一步的实现方式,所述固定平台上设有三个固定座,所述微型直线伺服驱动器与固定座固定连接。
作为进一步的实现方式,所述支链一端通过固定螺栓与动平台固定连接,另一端通过固定螺栓与微型直线伺服驱动器连接。
作为进一步的实现方式,所述动平台内部为三角形结构。
作为进一步的实现方式,所述变直径螺旋型柔性铰链包括两端的连接块,两个连接块之间为螺旋型结构。
第二方面,一种三自由度柔性并联运动系统,包括一种三自由度柔性并联运动平台,还包括视觉检测机构;
所述视觉检测机构固定于动平台顶部,视觉检测机构连接微型直线伺服驱动器以实现动平台的闭环控制。
作为进一步的实现方式,所述固定平台位于底板上,底板上的固定平台两侧设有龙门架,龙门架通过固定角件与底板固定连接。
作为进一步的实现方式,所述视觉检测机构位于龙门架顶部横梁上,视觉检测机构包括工业相机,工业相机位于动平台顶部十字标记点的正上方。
作为进一步的实现方式,所述龙门架上还设有LED灯,工业相机连接计算机,计算机连接驱动控制器,驱动控制器连接微型直线伺服驱动器。
作为进一步的实现方式,所述龙门架横梁上设有夹紧件,所述工业相机通过夹紧件固定。
上述本发明的有益效果如下:
1.本发明采用微型直线伺服驱动器配合变直径螺旋型柔性铰链驱动动平台,能够实现动平台可在大行程运动范围的同时保证其运动精度,仿生变直径螺簧型柔性铰链,可以在保证高精度的同时有效的增大微动平台的运动输出范围,保证了运动平台具有高精度、大行程、小轴漂的特点。
2.本发明的运动平台结合视觉检测机构,能够对动平台的位姿进行在线高精度测量,引入闭环反馈控制来解决开环带来的动平台运动误差,从而提升精度。可以进行对多输入多输出机构的运动标定,通过感知微型直线伺服驱动器在不同输入下得到的动平台轴漂值与输出值,进行开环运动的手动标定与补偿轴漂量,从而提升开环定位精度以及轴漂情况,保证开环运动时的小轴漂与高精度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例中三自由度柔性并联运动平台的整体结构示意图。
图2是本发明实施例中三自由度柔性并联运动平台的俯视图。
图3是本发明实施例中变直径螺簧型柔性铰链的主视图。
图4是本发明实施例中变直径螺簧型柔性铰链的结构示意图。
图5是本发明实施例中三自由度柔性并联运动系统的结构示意图。
图6是本发明实施例中视觉检测机构示意图。
图7是本发明实施例中三自由度柔性并联运动平台的运动原理图。
图8是本发明实施例中三自由度柔性并联运动平台输入三个位移得到的位姿三维图。
图中:为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸,示意图仅作示意。
其中:200-固定座;201-微型直线伺服驱动器;202-变直径螺簧型柔性铰链;203-固定螺栓;204-动平台;205-LED灯;206-工业相机;207-夹紧件;208-龙门架;209-固定角件;210-固定平台;211-固定螺栓;212-固定螺钉,213-计算机,214-驱动控制器,215-十字标记点。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例一
本发明的一种典型的实施方式中,参考图1-图8所示,一种三自由度柔性并联运动平台,包括固定平台210,固定平台210上设有三条支链和动平台204,三条支链呈120°旋转对称均匀分布在动平台204外围,每条支链一端连接动平台204,另一端连接微型直线伺服驱动器201,所述支链包括至少两个串联的变直径螺旋型柔性铰链202,微型直线伺服驱动器201驱动支链位移以实现动平台水平和竖直方向的位移。
固定平台210上通过固定螺钉212固定有三个固定座200,微型直线伺服驱动器201与固定座200通过固定螺栓211固定连接,每个支链一端通过固定螺栓203与动平台204固定连接,另一端通过固定螺栓与微型直线伺服驱动器连接,所述动平台204内部为三角形结构。
变直径螺旋型柔性铰链202包括两端的连接块,两个连接块之间为螺旋型结构,本实施例的支链包括两个串联的变直径螺旋型柔性铰链,相邻两个变直径螺旋型柔性铰链之间通过连接块与固定螺栓连接。
具体的,本实施例的三自由度柔性并联运动平台整体结构采用三个3-PRR柔性支链沿动平台中心呈旋转对称分布,互相间隔120°。每个PRR柔性支链包含2个柔性转动副(变直径螺旋型柔性铰链设计为R关节),1个柔性移动副,柔性支链采用增材方式制造。
变直径螺旋型柔性铰链202的使用使其转角更大,便于动平台实现大行程。通过微型直线伺服驱动器201输出水平方向的力,推动带有两个仿生变直径螺旋型柔性铰链202的支链进行位移,输入的直线位移通过两个仿生变直径螺旋型柔性铰链202转化为x和y方向的位移分量,并作用于动平台204,推动动平台204产生位移,在三个微型直线伺服驱动器201发生直线微位移的同时,运动平台可以实现平面三自由度运动。
本实施例采用微型直线伺服驱动器配合变直径螺旋型柔性铰链202驱动动平台,能够实现动平台204可在大行程运动范围的同时保证其运动精度。通过微型直线伺服驱动器驱动两个串联的变直径螺旋型柔性铰链,解决了现有的柔性并联运动平台行程偏小,转角过小;普通设计的铰链行程不足,转动角度较小的问题。
实施例二
一种三自由度柔性并联运动系统,包括一种三自由度柔性并联运动平台和视觉检测机构;视觉检测机构固定于动平台顶部,视觉检测机构连接微型直线伺服驱动器以实现动平台的闭环控制。
如图5和图6所示,固定平台210位于底板上,底板上的固定平台210两侧设有龙门架208,龙门架208的顶部横梁位于运动平台的正上方,龙门架208两侧的纵梁通过固定角件209与底板固定连接。
视觉检测机构位于龙门架208顶部横梁上,本实施例的视觉检测机构包括工业相机206,龙门架208横梁上设有夹紧件207,所述工业相机206通过夹紧件207固定。
如图6所示,龙门架上还固定有LED灯205,工业相机206与计算机213线性连接,计算机213连接驱动控制器214,驱动控制器214连接微型直线伺服驱动器201,计算机发送信号给驱动控制器214,驱动控制器214控制微型直线伺服驱动器201动作,进而实现了对动平台204控制,达到实现动平台204的闭环控制的目的。
可以理解的是,动平台顶部设有十字标记,作为十字标记点215,工业相机位于动平台顶部十字标记点215的正上方,以便于采集十字标记点215的运动轨迹,并通过计算机进行计算。
LED灯205也可以固定在工业相机206底部,工业相机206采用Genie Nano工业相机,通过Genie Nano工业相机206把动平台204位移的图像成像在Genie Nano工业相机的光学敏感面并且转换为可处理的数字信号传输到计算机,通过计算机对其进行相关的处理与分析进而得到特定时间间隔的动平台的位移。
通过调整驱动机构(微型直线伺服驱动器201)的输入,使其产生水平轴方向的位移。该位移通过移动副P作用于两个串联的变直径螺旋型柔性铰链上,该两个单元将水平轴向位移转化为x和y方向的位移分量,并作用于动平台,推动动平台实现水平和竖直方向的位移。
Genie Nano工业相机下的LED灯发射出稳定均匀的光照射到动平台上。在动平台上放置十字标记作为十字标记点,动平台的运动使得Genie Nano工业相机下的十字标记产生了微小的位移,此时十字标记的位移量就是微动平台的位移量。十字标记在Genie Nano工业相机下形成一个放大清晰的指针显微图像,并且把十字标记产生的微小位移即微动平台的位移进行放大。利用Genie Nano工业相机对十字标记的移动进行视频的录入,并提取视频中有效的显微图片,并对其中相邻的两帧图片进行处理。
首先对十字标记显微图像进行图像预处理与分割滤去背景图像的影响,寻找十字标记移动前后角点的位置并计算出相对应像素点的变化。
通过比较前后显微图像中十字标记角点像素点的变化,再定标实际位移量与单位像素点的比例关系可得出物体实际位移量与单位像素点变化量的比例系数,从而可以计算出十字标记的位移量即动平台的位移量。动平台的位移量的实际测量是利用十字标记角点像素点的变化量乘以物体实际位移量与单位像素点的变化量的比例系数。
运动平台受到三条相同结构的支链约束,能够实现平面x、y两个互相垂直方向上的平动和绕z轴的转动。由于采用了完全相同的运动链,因此具有良好的各向同性度;同时由于采用了仿生变直径螺簧型柔性铰链,可以在保证高精度的同时有效的增大微动平台的运动输出范围。
如图7所示,通过A1、A2、A3把平台固定,A1B1、A2B2、A3B3是相对应的移动副,作为机构的输入端,Bi(i=1,2,3)与Ci(i=1,2,3)是相应的转动副,杆B1 C1、B2 C2、B3 C3通过柔性铰链C1、C2、C3与动平台相连,动平台为内部三角形结构(边长为b),为了方便分析,将该三角形的几何中心点D的初始位置与定义的坐标原点O重合,整个机构包含3个间隔120°布置的PRR柔性支链。Bi(i=1,2,3)各点的初始位置坐标XBi与YBi(i=1,2,3)可依次表示为:
杆A1B1、A2B2、A3B3的微位移量(d1、d2、d3)为输入量,D点的坐标及其动平台的转角(XD、YD、φ)为输出量。
由于杆BiCi(i=1,2,3)被视为刚性构件,受载后的形变极其微小,可以忽略,所以运动前后满足杆长约束条件。
(XCi'-XB1')2+(YCi'-YB1')2=ai2
将上式进行改写,可以得到
XD 2+YD 2+a11XD+a12YD+a13=0
XD 2+YD 2+a21XD+a22YD+a23=0
XD 2+YD 2+a31XD+a32YD+a33=0
其中:
同理对另外两条支链可得:
其中:
上述式子可以共同构成一个非线性方程组,解上面方程组可以得到XD、YD
其中:
b1=(a11-a21)(a12-a32)-(a11-a31)(a12-a22)
b2=(a13-a33)(a12-a22)-(a13-a23)(a12-a32)
b3=(a11-a22)(a11-a31)-(a12-a32)(a11-a21)
b4=(a13-a33)(a11-a21)-(a13-a23)(a11-a31)
将上式带入改写的方程式中可以解得:
在求得之后代回到式中可以求出XD、YD值。
通过上面的公式,知道运动平台三轴的输入位移,通过相应的约束关系公式,得到动平台的最终位置,这就是位姿的正解。如图7所示,通过Genie Nano工业相机拍取给平台输入三个位移得到的位置图计算出动平台的末端位姿。如图8所示为在ANSYS中进行正解仿真得到的三维图。
由于现有3-PRR运动平台仅有驱动器及平台只能进行开环运动,开环运动时由于输入精度、平台加工误差、装配误差造成的运动精度差,轴漂难以被测量保证,造成应用受限。本实施例的三自由度柔性并联运动系统增加了视觉检测系统,对动平台204的位姿进行在线高精度测量,形成了闭环反馈控制来解决开环带来的运动误差,从而提升精度。
视觉检测系统可以进行对多输入多输出机构的运动标定,通过感知微型直线伺服驱动器在不同输入下得到的动平台轴漂值与输出值,进行开环运动的手动标定与补偿轴漂量,从而提升开环定位精度以及轴漂情况,保证开环运动时的小轴漂与高精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三自由度柔性并联运动系统,其特征在于,包括视觉检测机构和三自由度柔性并联运动平台,所述三自由度柔性并联运动平台包括固定平台,固定平台上设有三条支链和动平台,三条支链呈120°旋转对称均匀分布在动平台外围,每条支链一端连接动平台,另一端连接微型直线伺服驱动器,所述固定平台上设有三个固定座,所述微型直线伺服驱动器与固定座固定连接,所述支链包括至少两个串联的变直径螺旋型柔性铰链,微型直线伺服驱动器驱动支链位移以实现动平台水平和竖直方向的位移;
所述视觉检测机构固定于动平台顶部,视觉检测机构连接微型直线伺服驱动器以实现动平台的闭环控制;所述固定平台位于底板上,底板上的固定平台两侧设有龙门架,龙门架通过固定角件与底板固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度柔性并联运动系统,其特征在于,所述支链一端通过固定螺栓与动平台固定连接,另一端通过固定螺栓与微型直线伺服驱动器连接。
3.根据权利要求1所述的一种三自由度柔性并联运动系统,其特征在于,所述动平台内部为三角形结构。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度柔性并联运动系统,其特征在于,所述变直径螺旋型柔性铰链包括两端的连接块,两个连接块之间为螺旋型结构。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度柔性并联运动系统,其特征在于,所述视觉检测机构位于龙门架顶部横梁上,视觉检测机构包括工业相机,工业相机位于动平台顶部十字标记点的正上方。
6.根据权利要求5所述的一种三自由度柔性并联运动系统,其特征在于,所述龙门架上还设有LED灯,工业相机连接计算机,计算机连接驱动控制器,驱动控制器连接微型直线伺服驱动器。
7.根据权利要求6所述的一种三自由度柔性并联运动系统,其特征在于,龙门架横梁上设有夹紧件,所述工业相机通过夹紧件固定。
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