CN208992704U - 一种双五杆机构驱动的平面并联机构装置 - 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装置，包括并联机构本体部分、检测部分及控制部分；所述并联机构本体部分包括两个平面五杆机构、动平台及静平台，静平台上安装的激光位移传感器，用来测量动平台的位移以及姿态信息；磁栅尺传感器用来测量电机的位置信息；经过计算机处理后输出控制信号，控制直线电机的运动，进而控制动平台的运动。本实用新型装置把两个五杆机构作为驱动支链，消除了间隙给系统带来的影响，并利用激光位移传感器进行位置闭环反馈，因此具有定位精度高、闭环控制响应快、控制性能好等优点。

Description

一种双五杆机构驱动的平面并联机构装置

技术领域

本实用新型涉及平面并联机构控制领域，具体涉及一种双五杆机构驱动的平面并联机构装置。

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大刚度、高精度、高承载能力等优点,主要应用在强刚度、精度高、运动速度快、动态特性好、操作灵巧、对工作空间要求不大的场合,如航空航天、制造装备、精密测量与精密定位领域。为了提高工业生产力、节约能源,现代机械不断地向轻量化、低能耗和高效率等方向发展,轻型、高速、高加速度、高精度的并联机器人开始得到许多研究者和工程师的关注。

目前并联机构的驱动方式主要有直接驱动电机直接驱动、伺服电机驱动、液压驱动、气压驱动和新型驱动装置等。随着技术的进步，对机构的速度和精度提出了越来越高的要求，传统的电机加减速器的驱动方式因减速器的质量一般较大而增加机构的运动惯量，降低机构的响应速度。减速器往往还存在难以消除的齿侧间隙，对机构的传动精度有很大的影响，减速器中存在的摩擦还会带来能量的损失。

直线电机结构简单，无需运动转换机构，运动惯量小，动态响应性能和定位精度高；直线电机运动时无机械接触，无摩擦和噪声，能实现非常高速和非常低速的运动；相比于其它丝杠、同步带和齿轮齿条驱动，直线电机驱动能够获得高加速度。

实用新型内容

为了克服现有技术存在缺点与不足，本实用新型提供一种双五杆机构驱动的平面并联机构装置，使得平面三自由度并联机构运动更加灵活和快速，并实现其精密定位。

本实用新型采用如下技术方案：

一种双五杆机构驱动的平面并联机构装置，包括并联机构本体部分、检测部分及控制部分；

所述并联机构本体部分包括两个平面五杆机构、动平台及静平台，所述动平台设置在静平台上，所述动平台包括等边三角形平台及平行四边形平台，所述平行四边形平台设置在静平台上，等边三角形平台设置在平行四边形平台的上方，所述两个平面五杆机构的结构相同，均包括两个刚性从动杆本体单元，两个刚性从动杆本体单元结构相同，均包括刚性从动杆、直线电机及直线移动单元，所述刚性从动杆一端设置在直线移动单元，其另一端与平行四边形平台的一个角通过转轴连接构成复合铰链，直线电机带动直线移动单元移动；

所述检测部分包括激光探测头及磁栅尺位移传感器，激光探测头为三个，固定在静平台上，且激光探测头的激光打到等边三角形平台上；

所述磁栅尺位移传感器设置在刚性从动杆本体单元，测量直线电机的位置信息；

所述控制部分包括直线电机伺服单元、运动控制卡、激光位移传感器控制器、数据采集卡及计算机；

所述直线电机和磁栅尺位移传感器采用速度控制或位置控制的方式连接直线电机伺服单元，所述直线电机伺服单元与运动控制卡相互连接，运动控制卡与计算机连接，激光位移传感器检测动平台的位移信息及姿态信息通过激光位移传感器控制器输出到数据采集卡后，输入计算机，计算机得到控制量经过运动控制卡、直线电机伺服单元进一步驱动直线电机的移动，控制动平台按照期望轨迹运动到指定位置。

本实用新型三个激光探测头中两个激光探测头位于动平台的右边，第三个激光探测头设置在动平台的上方，右边的两个激光探测头平行放置。

所述直线移动单元包括直线导轨、滑块及连接板，所述直线导轨与直线电机的定子设置在电机底座上，连接板固定在滑块上，滑块在直线导轨上移动。

本实用新型两个刚性从动杆本体单元中的一个刚性从动杆设置在平行四边形平台的上方，另一个设置在平行四边形平台的下方。

所述磁栅尺位移传感器包括拾磁磁头及磁性标尺，拾磁磁头固定在连接板上，磁性标尺安装在电机底座上。

本装置具有三个自由度，具体为两个水平方向自由度及一个转动方向自由度。

本实用新型的工作过程:

计算机根据给定的轨迹、目标位置以及动平台姿态，进行运动学逆解，得到每个直线电机的输出量，计算机通过运动控制卡将输出量输出到直线电机伺服单元，控制直线电机动子移动，从而带动平台运动；

在动平台运动过程中，设置在动平台周围的激光探测头，实时测得动平台的位置信息和姿态信息，通过激光位移传感器控制器输出到数据采集卡，进行A/D转换后传输给计算机；

磁栅尺位置传感器实时测得直线电机动子的位置信息，并将信息传输到直线电机伺服单元，再通过运动控制卡传输给计算机；

计算机根据步骤二获得的反馈信息，计算出控制信号，控制信号首先通过运动控制卡，然后输出到直线电机伺服单元，驱动直线电机动子运动，进而控制动平台按期望轨迹运动、以期望的姿态运动到指定位置。

所述获得动平台的位置信息和姿态信息，具体为：

设第一激光探测头的坐标为P₁(x₁,y₁)，第二激光探测头的坐标为P₂(x₂,y₂),第一激光探测头的坐标为P₃(x₃,y₃)，动平台12上部分三角形边长为a，

则动平台的转角为：

动平台中心沿x方向的位置为：

动平台中心沿y方向的位置为：

其中

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型采用了直线电机进行驱动，不含减速器，消除传动机构的影响，它在驱动过程中摩擦很小、运动平稳且快速，而且它采用高精度磁栅尺作为位置反馈单元，所以驱动和控制效果会更好；

(2)本实用新型采用三个激光位移传感器测量动平台的位置信息和姿态信息，是一种非接触式测量方式，不会改变装置结构，不增加附加质量，测量精度高，响应快速，且整个系统形成一个全闭环反馈电路，反馈的信息用来设计控制算法，可以实现对平台的精密定位控制；

(3)本实用新型采用了两个五杆机构作为驱动支链，它也可称为平面两自由度并联机构，它的运动学正解和逆解都相对容易，所以使得整个平面并联机构的运动学正逆解更加简单，提高了该机构的操作性能，但不会损失末端平台的自由度；

(4)本实用新型具有三个自由度，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，所以形成了驱动冗余，使该机构冗余度增加，控制更加灵活；

(5)本实用新型装置采用了两个复合铰链，安装难度会增加，所造成的误差会使精度会有所减少；

(6)本实用新型采用了四套伺服电机系统，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，但也会增加整个机构的成本。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的右视图；

图4是本实施例中五杆机构驱动支链的结构示意图

图5是本实施例动平台位置求解图；

图6是本实施例中激光位移传感器的结构示意图；

图7是本实施例中动平台位置和姿态信息求解示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图6所示，一种双五杆机构驱动的平面并联机构装置，其硬件设备包括并联机构本体部分、检测部分及控制部分；

所述并联机构本体部分包括两个平面五杆机构、动平台12及静平台1，静平台1为方形型材座，作为实验台，用于支撑整个装置。所述动平台12分为两部分，下面部分为平行四边形平台，其中上下对角处开有两个轴承孔，通过转轴与各驱动支链连接，上面部分为等边三角形平台。

所述两个平面五杆机构的结构相同，均包括两个刚性从动杆本体单元，两个刚性从动杆本体单元结构相同，均包括刚性从动杆、直线电机、直线导轨4、滑块6及连接板，直线电机固定在电机底座2上，直线电机的定子3和直线导轨4通过螺栓固定在电机底座2上，直线导轨上的滑块的上表面与直线电机的动子5处于同一平面，并分别通过螺钉与连接板7固定，这样可以保证直线电机动子5、滑块6和连接板7成为一体，一起移动；在每个连接板7中心处，通过螺栓固定安装着轴承座8，轴套筒9的转轴端插入到轴承座8内，两个刚性从动杆的一端通过螺钉与套筒端固定在一起，而另一端则与动平台12的平行四边形平台的一个底角通过转轴构成复合铰链，两个刚性从动杆10、11分别位于平行四边形平台的上方及下方，两个刚性从动杆本体单元分别位于平行四边形平台的两个对角上。每个平面五杆机构由两个直线电机进行驱动，直线电机的动子5带动滑块6、连接板7整体移动，从而促使动刚性从动杆运动，最终使动平台12运动到指定位置。

所述检测部分包括激光探测头16及磁栅尺位移传感器，所述激光探测头为三个，固定在调节支架17上，调节支架17可以调整激光探测头16的高度，保证激光可以打到动平台12的上面三角形部分；调节支架固定在静平台上，其中两个激光探测头16位于动平台12的右边，第三个位于动平台12的前方，右边的两个调节支架17平行且水平放置，前方的调节支架垂直17放置；激光位移传感器可以准确测得动平台12的位移信息以及姿态信息。

静平台中心为坐标原点，建立XY轴坐标系，右边为X轴正方向，前方为Y轴正方向。

磁栅尺位移传感器包括拾磁磁头及磁性标尺，所述拾磁磁头14通过连接块15与连接板7固定在一起，而磁性标尺13则安装在电机底座2上，在拾磁磁头14随着直线电机动子5运动的过程中，磁栅尺可以准确测得直线电机动子的位置信息。

所述控制部分包括直线电机伺服单元18、运动控制卡19、激光位移传感器控制器20、数据采集卡21及计算机22；

直线电机和磁栅尺和采用速度控制或者位置控制的方式连接至直线电机伺服单元18，直线电机伺服单元18与运动控制卡19相互连接，磁栅尺将位置信息反馈给直线电机伺服单元18，进而通过运动控制卡19传输给计算机22；激光探测头检测的动平台12的位移信息以及姿态信息则通过激光位移传感器控制器20输出到数据采集卡21，进行A/D转换后传输给计算机22；计算机22根据前面的反馈信息运行相应算法后发出相应控制量，经过运动控制卡19、传给直线电机伺服单元18，驱动直线电机动子的移动，从而控制动平台按期望轨迹运动到指定位置。

相比于平面3-RRR并联机构，它用两个五杆机构取代了三条并联支链，但并没有改变机构的自由度；本装置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，所以形成了驱动冗余，使该机构冗余度增加，控制更加灵活。

利用直线电机作为驱动器，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。

本实用新型的工作过程：

步骤一，计算机根据给定的轨迹、目标位置以及动平台姿态，进行运动学逆解，得到每个直线电机的输出量，计算机通过运动控制卡将输出量输出到直线电机伺服单元，控制直线电机动子移动，从而带动平台运动；

步骤二，在动平台运动过程中，设置在动平台周围的激光探测头，实时测得动平台的位置信息和姿态信息，通过激光位移传感器控制器输出到数据采集卡，进行A/D转换后传输给计算机；

磁栅尺位置传感器实时测得直线电机动子的位置信息，并将信息传输到直线电机伺服单元，再通过运动控制卡传输给计算机；

步骤三，计算机根据步骤二获得的反馈信息，计算出控制信号，控制信号首先通过运动控制卡，然后输出到直线电机伺服单元，驱动直线电机动子运动，进而控制动平台按期望轨迹运动、以期望的姿态运动到指定位置。

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。

步骤二中获得动平台的位置信息和姿态信息，如图7所示，具体为：

设第一激光探测头的坐标为P₁(x₁,y₁)，第二激光探测头的坐标为P₂(x₂,y₂),第一激光探测头的坐标为P₃(x₃,y₃)，动平台12上部分三角形边长为a，

则动平台的转角为：

动平台中心沿x方向的位置为：

动平台中心沿y方向的位置为：

其中

所述姿态信息即中心点坐标(x_G,y_G)和转角α。

图1中的虚线连接表示电信号与检测驱动控制装置的连接图，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

在本实施例中：

静平台由三种长度分别为1200mm、1200mm、1000mm的铝型材组装而成，台面为一块1320mm×1320mm×10mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

磁栅尺选用的是意大利GIVI磁栅尺，拾磁磁头型号为MTSH2C0528VL，标尺磁栅型号为MP200，磁栅尺的精度为士40μm，供电电压5～28V，输出为LINE-DRIVER。

直线电机采用的可选用由郑州微纳科技有限公司生产的WMU系列U型立式直线电机，额定输出力为90N，最大运行速度为2.5m/s。

采用的运动控制卡为美国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°。

激光探测头和激光位移传感控制器选用日本基恩士公司生产的一系列激光位移传感器，激光探测头型号为LK-G500，三角测量法的漫反射型安装,可见红色半导体激光，波长为655mm，参考距离是500mm，测量范围是士100mm到测量再现性为4μm,直线性为士0.05％的FS(FS＝士100mm)，取样周期为可在个等级中选择。激光位移传感控制器型号为LK-G300lV，模拟电压输出范围是－10V到10V，具有两个激光探测头同步测量功能、操作功能、平均功能、过滤功能,校准功能、自动归零功能、取样率设置等功能

数据采集卡的型号为北京阿尔泰科技有限公司生产的PCI－8193，模拟量输入范围—10V～+10V。

选用的计算机的CPU型号为intel-Core i74790，频率为3.6Hz，内存4G。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双五杆机构驱动的平面并联机构装置，其特征在于，包括并联机构本体部分、检测部分及控制部分；

所述并联机构本体部分包括两个平面五杆机构、动平台及静平台，所述动平台设置在静平台上，所述动平台包括等边三角形平台及平行四边形平台，所述平行四边形平台设置在静平台上，等边三角形平台设置在平行四边形平台的上方，所述两个平面五杆机构的结构相同，均包括两个刚性从动杆本体单元，两个刚性从动杆本体单元结构相同，均包括刚性从动杆、直线电机及直线移动单元，所述刚性从动杆一端设置在直线移动单元，其另一端与平行四边形平台的一个角通过转轴连接构成复合铰链，直线电机带动直线移动单元移动；

所述检测部分包括激光探测头及磁栅尺位移传感器，激光探测头为三个，固定在静平台上，且激光探测头的激光打到等边三角形平台上；

所述磁栅尺位移传感器设置在刚性从动杆本体单元，测量直线电机的位置信息；

所述控制部分包括直线电机伺服单元、运动控制卡、激光位移传感器控制器、数据采集卡及计算机；

所述直线电机和磁栅尺位移传感器采用速度控制或位置控制的方式连接直线电机伺服单元，所述直线电机伺服单元与运动控制卡相互连接，运动控制卡与计算机连接，激光位移传感器检测动平台的位移信息及姿态信息通过激光位移传感器控制器输出到数据采集卡后，输入计算机，计算机得到控制量经过运动控制卡、直线电机伺服单元进一步驱动直线电机的移动，控制动平台按照期望轨迹运动到指定位置。

2.根据权利要求1所述的平面并联机构装置，其特征在于，三个激光探测头中两个激光探测头位于动平台的右边，第三个激光探测头设置在动平台的上方，右边的两个激光探测头平行放置。

3.根据权利要求1所述的平面并联机构装置，其特征在于，所述直线移动单元包括直线导轨、滑块及连接板，所述直线导轨与直线电机的定子设置在电机底座上，连接板固定在滑块上，滑块在直线导轨上移动。

4.根据权利要求1所述的平面并联机构装置，其特征在于，两个刚性从动杆本体单元中的一个刚性从动杆设置在平行四边形平台的上方，另一个设置在平行四边形平台的下方。

5.根据权利要求1所述的平面并联机构装置，其特征在于，磁栅尺位移传感器包括拾磁磁头及磁性标尺，拾磁磁头固定在连接板上，磁性标尺安装在电机底座上。

6.根据权利要求1所述的平面并联机构装置，其特征在于，本装置具有三个自由度，具体为两个水平方向自由度及一个转动方向自由度。