CN207027521U - 双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，所述装置包括平面并联机构本体和控制单元，平面并联机构本体包括动平台、被动运动支链和两个平面五杆机构；动平台上设有三轴加速度传感器；每个平面五杆机构包括两个直接驱动旋转电机、两个主动杆和两个从动杆；被动运动支链包括轴承组件和两个被动杆；控制单元分别与三轴加速度传感器、直接驱动旋转电机连接。本实用新型将两个平面五杆机构作为主动运动支链，通过直接驱动转动电机进行驱动，以及利用加速度传感器进行闭环反馈，因此具有控制精度高、闭环控制响应快、消除并联机构奇异性等优点。

Description

双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置

技术领域

本发明涉及一种平面并联机构控制装置，尤其是一种双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，属于平面并联机构设计及控制领域。

背景技术

并联机器人是若干个自由度的末端执行器与固定地基通过两个或两个以上的独立运动支链相连，并联机器人相比串联机器人具有高速度、高精度、高承载能力的应用优势，并联机器人的末端动平台可以实现高速运动、精确定位、承载大质量负载，但并联机构也由于其结构特点，造成工作空间小，存在奇异位形，且在运动过程中存在振动等缺点，极大的影响了并联机构的性能。

冗余驱动方法是目前提出的减少或消除奇异的一种有效方法，该方法有两种实现方式：1)在正常机构的基础上将一部分被动关节变为主动关节，2)在保证机构自由度不变的前提下增加新的支链，并在该支链上引入冗余驱动。前一种方式虽然简单，但由于在被动关节上添加驱动器会增大系统的惯性，从而影响机构动力学性能；后一种方式由于引入新的支链，无疑也增加了机构的复杂性，但该方法可以较容易地将驱动器安装在固定基座上，可保机构的对称性，并且还能解决运动学正解复杂和多解的问题，所以引入新支链的冗余驱动方法相比较来说更具优越性。对于如何引入新的支链，引入何种支链，是消除奇异等问题的关键。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，该装置将两个平面五杆机构作为主动运动支链，通过直接驱动转动电机进行驱动，以及利用加速度传感器进行闭环反馈，因此具有控制精度高、闭环控制响应快、消除并联机构奇异性等优点。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，包括平面并联机构本体和控制单元，所述平面并联机构本体包括动平台、被动运动支链和两个平面五杆机构；

所述动平台为三角形平板，其设有两个三轴加速度传感器；

每个平面五杆机构包括两个直接驱动旋转电机、两个主动杆和两个从动杆，所述两个直接驱动旋转电机的内部均带有增量式编码器，所述两个主动杆的一端分别与两个直接驱动旋转电机连接，两个主动杆的另一端分别与两个从动杆的一端转动连接，所述两个从动杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接；

所述被动运动支链包括轴承组件和两个被动杆，一个被动杆的一端与轴承组件固定连接，另一端与另一个被动杆的一端转动连接，另一个被动杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接；

所述控制单元分别与三轴加速度传感器、直接驱动旋转电机连接。

进一步的，所述两个三轴加速度传感器分别为第一三轴加速度传感器和第二三轴加速度传感器，所述第一三轴加速度传感器安装在动平台的中心处，所述第二三轴加速度传感器安装在距离动平台中心30mm～50mm处，且第一三轴加速度传感器和第二三轴加速度传感器位于水平状态。

进一步的，所述每个平面五杆机构中，所述两个主动杆分别为第一主动杆和第二主动杆，所述两个从动杆分别为第一从动杆和第二从动杆；

所述第一主动杆和第二主动杆位于同一平面，所述第一从动杆位于第一主动杆的上方，所述第二从动杆位于第二主动杆的下方，所述动平台位于第一从动杆和第二从动杆的中间。

进一步的，所述被动运动支链中，所述两个被动杆分别为被动一级杆和被动二级杆；

所述被动一级杆与第一主动杆、第二主动杆位于同一平面，所述被动二级杆与第一从动杆位于同一平面，被动一级杆的一端与轴承组件固定连接，被动一级杆的另一端与被动二级杆的一端转动连接，被动二级杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接。

进一步的，所述被动运动支链中，所述轴承组件包括轴承套筒和轴承座；

所述轴承套筒的转轴端插入到轴承座内，所述被动一级杆的一端与轴承套筒固定连接，被动一级杆的另一端通过转轴与被动二级杆的一端铰接在一起，被动二级杆的另一端通过转轴与动平台的一个边角处铰接在一起。

进一步的，所述每个平面五杆机构还包括两个法兰盘连接件，两个直接驱动旋转电机分别与两个法兰盘连接件连接，所述两个主动杆的一端分别通过螺钉固定在两个法兰盘连接件上，两个主动杆的另一端分别通过转轴与两个从动杆的一端铰接在一起，所述两个从动杆的另一端通过转轴与动平台的一个边角处转动铰接在一起。

进一步的，所述控制单元包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、A/D转换电路和直接驱动旋转电机伺服单元，所述计算机分别与数据采集卡、运动控制卡连接，所述数据采集卡通过A/D转换电路与三轴加速度传感器连接，所述运动控制卡通过直接驱动旋转电机伺服单元与直接驱动旋转电机连接；

两个三轴加速度传感器检测出动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，经过A/D转换电路进行A/D转换，保存在数据采集卡中，由计算机进行调用和处理；

直接驱动旋转电机内部的增量式编码器检测出电机轴的位置信息，经过直接驱动旋转电机伺服单元和运动控制卡进行相关处理，并反馈给计算机，由计算机进行控制量的计算。

进一步的，所述平面并联机构本体还包括静平台，所述静平台为方形型材座，底部具有四个支撑脚，每两个相邻的支撑脚之间安装一横向支架；

一个平面五杆机构的两个直接驱动旋转电机与另一个平面五杆机构的两个直接驱动旋转电机关于静平台顶部平面的中心线对称，每个平面五杆机构还包括两个电机底座，每个直接驱动旋转电机通过一个电机底座固定在静平台上；

所述被动运动支链的轴承组件固定在静平台上。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明在平面3-RRR(旋转-旋转-旋转分支)并联机构的基础上，在其中两个并联支链中分别引入新的支链构成平面五杆机构，作为主动运动支链，第三个并联支链作为被动运动支链，由于平面五杆机构的结构特点，它们对动平台的的驱动力不会同时与两个复合铰点的连线平行，所以可消除平面并联机构的奇异性问题；平面五杆机构的主动杆采用直接驱动旋转电机进行驱动，不含减速器，可以消除传动机构的影响，直接驱动旋转电机在驱动过程中摩擦很小、运动平稳，所以驱动和控制效果更好；动平台上设置了两个三轴加速度传感器，采用两个三轴加速度传感器在末端测量动平台的运动信息，形成一个全闭环反馈电路，根据反馈的信息可以实现对动平台运动的精准控制，从而稳定、准确、快速的到达指定位置。

2、本发明的平面五杆机构，使得整个平面并联机构的运动学正逆解更加简单，提高了整个平面并联机构的操作性能，但不会损失末端动平台的自由度。

3、本发明的两个平面五杆机构都采用两个直接驱动旋转电机，结合控制单元，即有四套电机系统，而末端平台只有三个自由度，形成驱动冗余，可以使得控制更加灵活。

4、本发明可以根据实际需要，合理设计平面五杆机构的主动杆和从动杆的长度，避免出现两杆平行的情况，导致平面并联机构的奇异构型。

附图说明

图1为本发明实施例1的平面并联机构控制装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的平面并联机构控制装置中平面并联机构本体的俯视图。

图3为本发明实施例1的平面并联机构控制装置中平面并联机构本体的左视图。

图4为本发明实施例1的平面并联机构控制装置中动平台安装三轴加速度传感器的结构示意图。

图5为本发明实施例1的平面并联机构控制装置中平面五杆机构的结构示意图。

图6为本发明实施例1的平面并联机构控制装置中被动运动支链的结构示意图。

图7为本发明实施例1的平面并联机构控制装置中动平台的加速度求解图。

其中，1-动平台，2-静平台，3-第一三轴加速度传感器，4-第二三轴加速度传感器，5-支撑脚，6-横向支架，7-第一直接驱动旋转电机，8-第二直接驱动旋转电机，9-第一电机底座，10-第二电机底座，11-第一主动杆，12-第二主动杆，13-第一法兰盘连接件，14-第二法兰盘连接件，15-第一从动杆，16-第二从动杆，17-被动一级杆，18-被动二级杆，19-轴承套筒，20-轴承座，21-计算机，22-数据采集卡，23-运动控制卡，24-A/D转换电路，25-直接驱动旋转电机伺服单元。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，该装置包括平面并联机构本体和控制单元，所述平面并联机构本体包括动平台1、静平台2、被动运动支链和两个平面五杆机构，图1中的虚线连接表示电信号与平面并联机构本体的连接图，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向；

如图1～图4所示，所述动平台1为三角形平板，本实施例优选采用等边三角形平板，在三个边角处有三个孔，三个边角处分别通过转轴与被动运动支链、两个平面五杆机构连接，在动平台1上安装有第一三轴加速度传感器3和第二三轴加速度传感器4，第一三轴加速度传感器3安装在动平台1的中心处，第二三轴加速度传感器4安装在距离动平台1中心40mm处，且第一三轴加速度传感器3和第二三轴加速度传感器4位于水平状态，第一三轴加速度传感器3和第二三轴加速度传感器4用于检测动平台1的平动加速度信息和转动加速度信息；

在本实施例中，第一三轴加速度传感器3和第二三轴加速度传感器4均采用Kistler公司的电容式传感器，其型号为8395A010AT，灵敏度为400mV/g，量程为±10g，因为其内部有放大电路，需要外接电源供电。

所述静平台2为方形型材座，用于支撑整个平面并联机构本体，底部具有四个支撑脚5，每两个相邻的支撑脚5之间安装一横向支架6；

如图1～图3、图5所示，每个平面五杆机构包括第一直接驱动旋转电机7、第二直接驱动旋转电机8、第一电机底座9、第二电机底座10、第一主动杆11、第二主动杆12、第一法兰盘连接件13、第二法兰盘连接件14、第一从动杆15和第二从动杆16，第一直接驱动旋转电机7通过第一电机底座9固定在静平台2上，并与第一法兰盘连接件13连接，第一主动杆11的一端通过螺钉固定在第一法兰盘连接件13上，另一端通过转轴与第一从动杆15的一端铰接在一起；同理，第二直接驱动旋转电机8通过第二电机底座10固定在静平台2上，并与第二法兰盘连接件14连接，第二主动杆12的一端通过螺钉固定在第二法兰盘连接件14上，另一端通过转轴与第二从动杆16的一端铰接在一起；第一主动杆11、第二从动杆16的另一端通过转轴与动平台1的一个边角处铰接在一起，构成复合铰链结构；第一直接驱动旋转电机7驱动，依次带动第一主动杆11和第一从动杆15运动，同时第二直接驱动旋转电机5驱动，依次带动第二主动杆9和第二从动杆16运动，进而使动平台1运动，而被动运动支链则是动平台1的运动下被迫运动，起到约束和承载的作用。

在本实施例中，第一主动杆11和第二主动杆12位于同一平面，第一从动杆15位于第一主动杆11的上方，第二从动杆16位于第二主动杆12的下方，动平台1位于第一从动杆15和第二从动杆16的中间；第一直接驱动旋转电机7和第二直接驱动旋转电机8采用的是新加坡的雅科贝思生产的电机，型号为ADR135-A90，额定转矩5.2Nm，额定转速147rpm，直接驱动旋转电机除延续了伺服电机的特性外，因为其低速大扭矩、高精度定位、高响应速度、结构简单，减小机械损耗、低噪声、少维护等独有的特点，被广泛应用于各行各业；一个平面五杆机构的两个直接驱动旋转电机与另一个平面五杆机构的两个直接驱动旋转电机关于静平台2顶部平面的中心线对称。

如图1～图3、图6所示，所述被动运动支链包括轴承组件、被动一级杆17和被动二级杆18，所述轴承组件包括轴承套筒19和轴承座20，轴承套筒19的转轴端插入到轴承座20内，被动一级杆17的一端与轴承套筒19固定连接，另一端通过转轴与被动二级杆18的一端铰接在一起，被动二级杆18的另一端通过转轴与动平台1的一个边角处铰接在一起。

在本实施例中，被动一级杆17与第一主动杆11、第二主动杆12位于同一平面，所述被动二级杆18与第一从动杆15位于同一平面，在动平台1运动时，依次带动被动二级杆18、被动一级杆17运动。

所述控制单元包括计算机21、数据采集卡22、运动控制卡23、A/D转换电路24和直接驱动旋转电机伺服单元25，计算机21分别与数据采集卡22、运动控制卡23连接，所述数据采集卡22通过A/D转换电路24与第一三轴加速度传感器3、第二三轴加速度传感器4连接，所述运动控制卡23通过直接驱动旋转电机伺服单元25与每个平面五杆机构的第一直接驱动旋转电机7、第二直接驱动旋转电机8连接。

第一三轴加速度传感器3、第二三轴加速度传感器4检测出动平台1的平动加速度信息和转动加速度信息，经过A/D转换电路24进行A/D转换，保存在数据采集卡中，由计算机进行调用和处理；每个平面五杆机构的第一直接驱动旋转电机7、第二直接驱动旋转电机8内部的增量式编码器检测出电机轴的位置信息，经过直接驱动旋转电机伺服单元25和运动控制卡23进行相关处理，并反馈给计算机21，由计算机21进行控制量的计算。

在本实施例中，数据采集卡22的型号为北京阿尔泰科技有限公司生产的PCI－8193；计算机21选用CPU型号为intel-Core i74790，频率为3.6Hz，内存4G的计算机；运动控制卡23为美国DELTA TAU公司PMAC卡系列的PMAC2，首先对驱动器模式、电子齿轮比，还有PMAC2卡I变量进行配置，所采用的运动模式为位置控制模式，驱动器负载设为中，对应值为1，刚度为中性，值为3，电子齿轮比设为每一个脉冲对应电机转动0.04°。

本实施例的平面并联机构控制装置，相比于平面3-RRR并联机构，它在其中两个并联支链中分别引入新的支链，构成平面五杆机构，第三个并联支链由主动变成被动(被动运动支链)，但并没有改变机构的自由度，仍然具有三个自由度，即两个水平方向自由度和一个转动方向自由度，而驱动电机有四个(每个平面五杆机构各有两个)，所以形成了驱动冗余，使该机构冗余度增加，控制更加灵活；采用平面五杆机构，由于平面五杆机构本身的特点，使得整个装置的运动学正解和反解都较为容易，所以整个装置的可操作性更高；另外，由于平面五杆机构的结构特点，它们对动平台的的驱动力不会同时跟两个复合铰点的连线平行，所以可消除并联机构的奇异性问题；同时，平面五杆机构的主动杆利用直接驱动旋转电机作为驱动器，不需要经过减速器等中间传动机构，减少了摩擦力、间隙、非线性等问题，极大地提升了机构的运动控制精度和响应速度。

如图1～图6所示，本实施例还提供了一种平面并联机构控制方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、根据给定的轨迹、目标位置以及动平台位姿，在计算机29内进行运动学逆解，得到每个电机轴的输出量，计算机21通过运动控制卡23将控制量输出到直接驱动旋转电机伺服单元25，控制直接驱动旋转电机转动，从而使动平台1运动；

步骤二、在动平台1的运动过程中，动平台1上的第一三轴加速度传感器3、第二三轴加速度传感器4实时测得动平台1的平动加速度信息和转动加速度信息，这些运动信息经过A/D转换电路24进行A/D转换，保存在数据采集卡22中，由计算机21进行调用和处理；

同时，直接驱动旋转电机内部的增量式编码器检测出电机轴的位置信息，经过直接驱动旋转电机伺服单元25和运动控制卡23进行相关处理，并反馈给计算机21；

步骤三、计算机根据步骤二获得的动平台1的运动信息和电机轴的位置信息，通过控制算法计算出控制信号，控制信号首先通过运动控制卡20，然后输出到直接驱动旋转电机伺服单元25，驱动直接驱动旋转电机的转动，进而控制动平台1按期望轨迹运动到指定位置；

步骤四、反复试验，修改控制参数，使得控制精度达到预期的要求。

如图7所示，上述步骤二中，所述动平台上的两个三轴加速度传感器实时测得动平台的平动加速度信息和转动加速度信息，具体如下：

动平台1的三个边角位C₁、C₂和C₃，第一三轴加速度传感器3测得x方向加速度a_x1和y方向加速度a_y1，第二三轴加速度传感器4测得x方向加速度a_x2和y方向加速度a_y2，则动平台1中心处x方向的加速度动平台1中心处y方向的加速度动平台1中心处的转动加速度为其中d为第二三轴加速度传感器4与动平台中心之间的距离，即40mm。

实施例2：

本实施例的主要特点是：第二三轴加速度传感器4安装在距离动平台1中心30mm或50mm处。其余同实施例1。

综上所述，本发明在平面3-RRR(旋转-旋转-旋转分支)并联机构的基础上，在其中两个并联支链中分别引入新的支链构成平面五杆机构，作为主动运动支链，第三个并联支链作为被动运动支链，由于平面五杆机构的结构特点，它们对动平台的的驱动力不会同时与两个复合铰点的连线平行，所以可消除平面并联机构的奇异性问题；平面五杆机构的主动杆采用直接驱动旋转电机进行驱动，不含减速器，可以消除传动机构的影响，直接驱动旋转电机在驱动过程中摩擦很小、运动平稳，所以驱动和控制效果更好；动平台上设置了两个三轴加速度传感器，采用两个三轴加速度传感器在末端测量动平台的运动信息，形成一个全闭环反馈电路，根据反馈的信息可以实现对动平台运动的精准控制，从而稳定、准确、快速的到达指定位置。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：包括平面并联机构本体和控制单元，所述平面并联机构本体包括动平台、被动运动支链和两个平面五杆机构；

所述动平台为三角形平板，其设有两个三轴加速度传感器；

每个平面五杆机构包括两个直接驱动旋转电机、两个主动杆和两个从动杆，所述两个直接驱动旋转电机的内部均带有增量式编码器，所述两个主动杆的一端分别与两个直接驱动旋转电机连接，两个主动杆的另一端分别与两个从动杆的一端转动连接，所述两个从动杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接；

所述被动运动支链包括轴承组件和两个被动杆，一个被动杆的一端与轴承组件固定连接，另一端与另一个被动杆的一端转动连接，另一个被动杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接；

所述控制单元分别与三轴加速度传感器、直接驱动旋转电机连接。

2.根据权利要求1所述的双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：所述两个三轴加速度传感器分别为第一三轴加速度传感器和第二三轴加速度传感器，所述第一三轴加速度传感器安装在动平台的中心处，所述第二三轴加速度传感器安装在距离动平台中心30mm～50mm处，且第一三轴加速度传感器和第二三轴加速度传感器位于水平状态。

3.根据权利要求1所述的双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：所述每个平面五杆机构中，所述两个主动杆分别为第一主动杆和第二主动杆，所述两个从动杆分别为第一从动杆和第二从动杆；

所述第一主动杆和第二主动杆位于同一平面，所述第一从动杆位于第一主动杆的上方，所述第二从动杆位于第二主动杆的下方，所述动平台位于第一从动杆和第二从动杆的中间。

4.根据权利要求3所述的双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：所述被动运动支链中，所述两个被动杆分别为被动一级杆和被动二级杆；

所述被动一级杆与第一主动杆、第二主动杆位于同一平面，所述被动二级杆与第一从动杆位于同一平面，被动一级杆的一端与轴承组件固定连接，被动一级杆的另一端与被动二级杆的一端转动连接，被动二级杆的另一端与动平台的一个边角处转动连接。

5.根据权利要求4所述的双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：所述被动运动支链中，所述轴承组件包括轴承套筒和轴承座；

所述轴承套筒的转轴端插入到轴承座内，所述被动一级杆的一端与轴承套筒固定连接，被动一级杆的另一端通过转轴与被动二级杆的一端铰接在一起，被动二级杆的另一端通过转轴与动平台的一个边角处铰接在一起。

6.根据权利要求1所述的双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：所述每个平面五杆机构还包括两个法兰盘连接件，两个直接驱动旋转电机分别与两个法兰盘连接件连接，所述两个主动杆的一端分别通过螺钉固定在两个法兰盘连接件上，两个主动杆的另一端分别通过转轴与两个从动杆的一端铰接在一起，所述两个从动杆的另一端通过转轴与动平台的一个边角处转动铰接在一起。

7.根据权利要求1所述的双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：所述控制单元包括计算机、数据采集卡、运动控制卡、A/D转换电路和直接驱动旋转电机伺服单元，所述计算机分别与数据采集卡、运动控制卡连接，所述数据采集卡通过A/D转换电路与三轴加速度传感器连接，所述运动控制卡通过直接驱动旋转电机伺服单元与直接驱动旋转电机连接。

8.根据权利要求1所述的双五杆机构驱动的平面并联机构控制装置，其特征在于：所述平面并联机构本体还包括静平台，所述静平台为方形型材座，底部具有四个支撑脚，每两个相邻的支撑脚之间安装一横向支架；

一个平面五杆机构的两个直接驱动旋转电机与另一个平面五杆机构的两个直接驱动旋转电机关于静平台顶部平面的中心线对称，每个平面五杆机构还包括两个电机底座，每个直接驱动旋转电机通过一个电机底座固定在静平台上；

所述被动运动支链的轴承组件固定在静平台上。