专利名称：平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置及方法
技术领域：
本发明公开了一种机器人控制装置及方法，特别是一种平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置及方法，属于机器人技术领域。
背景技术：
机器人技术的发展与应用极大地改变了人类的生产和生活方式。利用机器人不仅能够迅速而准确地完成枯燥的重复性工作，而且能够在危险、恶劣环境下安全可靠地完成许多复杂操作，可以大大减轻人们的劳动强度，提高劳动生产率，改善产品质量。作为一种具有闭链结构的先进机器人，并联机器人在机构学上具有运动惯量低、负载能力强、刚度大等优点，弥补了传统工业机器人的不足，使得并联机器人成为一种潜在的闻速、闻精度运末端执行器。柔顺机构是一种利用机构中构件自身的柔性变形来完成运动、力和能量的传递和转换的新型机构，在结构上它减少了甚至没有了运动副。与传统的刚性机构相比，它的优越性主要表现在两个方面:降低成本(减少零件数目，减少装配时间，简化制造过程)和提高性能(提高精度，增加可靠性，减少磨损，减轻重量，减少维护)。并联机器人是一个结构复杂、多变量、多自由度、多参数耦合的非线性系统，其控制方法的研究非常复杂。最初设计控制系统时，常常把并联机器人的各个分支当作完全独立的系统，使用一些常规控制方法进行控制，在实际中难以实现或得不到令人满意的控制效果。最近几年，国内外学者对并联机器人控制的研究才有了一定进展。柔顺机构和并联机器人有着密切的联系，“微/纳米并联微操作机器人”是综合并联机器人、柔性铰链和微/纳米技术迅速发展而形成的一个新研究方向，广泛应用于生物医学领域中的细胞与基因操作、精密外科手术、微电子装配、微细加工、光纤对接等微操作领域，引起国内外许多科研机构的重视。带有柔顺关节的并联机器人是带有分布参数的强耦合、非线性、时变、多输入、多输出系统，且具有逆动力学的不确定性，国内外对于这个领域的研究很少。柔性铰链并联机器人是将柔性铰链与并联机器人相结合，构建成一种新型高性能并联机器人，为柔性并联机器人开拓了新方向。柔性铰链并联机器人将柔顺机构中的柔性铰链应用到并联机器人中，取代传统运动副，消除了由于运动副所带来的间隙、摩擦、冲击等问题，能够实现高性能的运动输出。尽管柔性铰链并联机器人具有提供比传统并联机器人更高运动性能的潜能，但由于柔性铰链并联机器人系统具有强耦合和强非线性等特点，并且柔性铰链的使用，使得机器人系统的刚性降低，更易受到外界环境的干扰，系统的稳定性和精确性还不够完善。
发明内容
针对柔性铰链并联机器人多闭环、多输入、多输出、非线性、易受外界环境干扰等问题，本发明提供了一种能够完善机器人稳定性和精确性的平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置及方法。本发明的平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，包括三自由度柔性铰链平面并联机器人、主控工控机、驱动模块、限位模块和测量模块。主控工控机与可编程多轴运动控制器连接，可编程多轴运动运动控制器与驱动模块和限位模块连接，驱动模块的输出端与柔性铰链并联机器人连接，柔性铰链并联机器人通过测量模块与主控工控机连接。所述的平面三自由度柔性铰链并联机器人的机械结构包括:末端执行器1、基座2和与末端执行器I和基座2相连接的三条结构相同的运动支链和三组结构相同的驱动部分；所述运动支链中，主动杆4 一端与驱动副3连接，另一端通过柔性铰链5与从动杆6连接，从动杆6与末端执行器I通过转动副7连接；所述驱动部分中，伺服电机9 一端固定在基座2上，另一端与减速器8相连，减速器8的另一端与驱动副3连接；主动杆4输出端两侧对称安装一组限位接近传感器10，主动杆4输出端下方安装一个回零接近传感器11。所述的驱动模块共有三组，分别控制机器人的三个运动支链，每组驱动模块结构相同，包括伺服驱动器、伺服电机、旋转编码器和减速器。所述的限位模块由回零接近传感器和限位接近传感器组成。所述的测量模块由红外传感器、视觉测量仪和视觉测量工控机组成。所述装置的控制方法包括如下步骤:1.主控工控机根据需要完成的工作任务，完成人机交互功能，机器人的动力学计算，控制系统解算，形成控制指令传送给可编程多轴运动控制器；2.可编程多轴运动控制器对接收的控制指令进行分析，计算出控制信号输出给驱动模块；3.可编程多轴运动控制器接收主控工控机的回零指令，将控制信号输出给限位模块，执行回零操作；当机器人主动杆运动到极限位置时，限位模块向可编程多轴运动控制器发出信号，可编程多轴运动控制器上的限位端口被触发，执行限位操作；4.驱动模块驱动机器人的主动杆，三条运动支链协调运动，使机器人执行给定的工作任务；5.机器人运行中，测量模块将机器人末端执行器的位置信息发送给主控工控机；6.主控工控机对接收到的信号进行分析处理，形成控制误差信号传送给可编程多轴运动控制器，按步骤2到步骤6的顺序重复完成控制任务，直到机器人到达给定位置或者完成给定动作任务，实现平面三自由度柔性铰链并联机器人的高精度运动。本发明的积极效果:(I)控制装置能够有效控制三组驱动模块实现机器人三条运动支链的协调运动，完成柔性铰链并联机器人的平面三自由度高精度运动；(2)各功能模块布局合理，采用由主控工控机、可编程多轴运动控制器、控制模块、限位模块和测量模块组成的分离式控制模式，具有系统响应快、信息处理能力强、可靠性高等特点；(3)驱动模块采用旋转编码器反馈电机的位置和速度信息，限位模块采用接近传感器保证主动杆的回零位置、极限位置，测量模块采用红外传感器反馈末端执行器的位置信息，各模块的共同作用提高了柔性铰链并联机器人的运动稳定性、安全性和精确性；(4)主控工控机具有人机交互功能，实验过程简单，易于操作；
(5)控制装置采用模块化设计和安装，维护成本低。
图1为本发明所述的平面三自由度柔性铰链并联机器人机械结构俯视图。图2为本发明所述的平面三自由度柔性铰链并联机器人机械结构主视图。图3为本发明所述的平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置示意框图。 图中:1、末端执行器，2、基座，3、驱动副，4、主动杆，5、柔性铰链，6、从动杆，7、转动畐IJ，8、减速器，9、伺服电机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细说明。图1、2中，平面三自由度柔性铰链并联机器人的机械结构包括:末端执行器1、基座2和与末端执行器I和基座2相连接的三条结构相同的运动支链和三组结构相同的驱动部分；所述运动支链中，主动杆4 一端与驱动副3连接，另一端通过柔性铰链5与从动杆6连接，从动杆6与末端执行器I通过转动副7连接；所述驱动部分中，伺服电机9 一端固定在基座2上，另一端与减速器8相连，减速器8的另一端与驱动副3连接；主动杆4输出端两侧对称安装一组限位接近传感器10，主动杆4输出端下方安装一个回零接近传感器11。图3中，机器人控制装置包括:平面三自由度柔性铰链并联机器人、主控工控机、驱动模块、限位模块和测量模块。驱动模块由伺服控制器、伺服电机、旋转编码器、减速器组成；限位模块由三组回零接近传感器和三组限位接近传感器组成；测量模块由红外传感器、视觉测量仪和视觉测量工控机组成。主控工控机与可编程多轴运动控制器连接，可编程多轴运动运动控制器与驱动模块和限位模块连接，驱动模块的输出端通过驱动副与柔性铰链并联机器人的主动杆连接，柔性铰链并联机器人通过测量模块与主控工控机连接。所述的驱动模块共有三组，分别控制机器人的三个支链，每组结构相同，包括伺服驱动器、伺服电机、旋转编码器和减速器；可编程多轴运动控制器的输出端与伺服驱动器的输入端连接，伺服驱动器的输出端与伺服电机的输入端连接，伺服电机的输出端分别与旋转编码器的输入端和减速器的输入端连接，旋转编码器的输出端分别与伺服驱动器和可编程多轴运动控制器连接，减速器的输出端通过驱动副与机器人的主动杆连接。所述的限位模块由回零接近传感器和限位接近传感器组成；在机器人三个主动杆的回零位置处安装三组接近传感器，在机器人三个主动杆的运动极限位置处安装三组接近传感器；限位模块与可编程多轴运动控制器连接。所述的测量模块采用非接触的测量方法，由红外传感器、视觉测量仪和视觉测量工控机组成；红外传感器固定于机器人末端执行器的几何中心；红外传感器发出的红外光被视觉测量仪接收，视觉测量仪将机器人末端执行器的位置信息传送给视觉测量工控机，视觉测量工控机将信息处理后传送给主控工控机。所述的主控工控机提供用户与系统的交互平台，负责机器人动力学计算，运动轨迹规划，系统维护，数据的保存、处理、显示等功能，通过PCI总线与可编程多轴运动控制器进行通信；所述可编程多轴运动控制器具有实时性、高精度和高可靠性等特点，与各驱动模块和限位模块连接，负责各运动支链的协调控制；所述的视觉测量工控机负责对测量数据进行分析处理，并传送给主控工控机。机器人的控制方法，特点是所述方法按照如下步骤进行:1.主控工控机根据需要完成的工作任务，完成人机交互功能，机器人的动力学计算，运动轨迹规划，控制系统解算，形成控制指令传送给可编程多轴运动控制器；2.可编程多轴运动控制器对接收的控制指令进行分析，计算出控制信号输出给伺服驱动器；3.可编程多轴运动控制器接收主控工控机的回零指令，机器人将参照回零接近传感器的位置执行回零操作；当机器人主动杆运动到极限位置时，限位接近传感器向可编程多轴运动控制器发出信号，可编程多轴运动控制器上的限位端口被触发，伺服电机停止工作；4.旋转编码器将测得的伺服电机转角信号反馈给可编程多轴运动控制器，构成位置反馈控制；同时旋转编码器将测得的伺服电机速度信息反馈给伺服驱动器，构成速度反馈控制；5.伺服驱动器将控制信号发送给伺服电机，伺服电机通过减速器驱动机器人的主动杆，三条运动支链协调运动，使机器人执行给定的工作任务；6.机器人运行中，末端执行器上的红外传感器发出的红外光，被视觉测量仪接收，视觉测量仪将机器人的位置信息发送给视觉测量工控机；7.视觉测量工控机处理测量数据并发送给主控工控机；8.主控工控机对接收到的数据进行分析处理，形成控制误差信号传送给可编程多轴运动控制器，按步骤2到步骤8的顺序重复完成控制任务，直到机器人到达给定位置或者完成给定工作任务，实现平面三自由度柔性铰链并联机器人的高精度运动。本发明公开的平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置及方法，通过平面三自由度柔性铰链并联机器人平台、主控工控机、驱动模块、限位模块和测量模块的共同作用，有效降低了柔性铰链的柔性对系统运行精度的影响，提高了机器人在工作中对外界环境的适应能力，保证了稳定性、安全性和精确性，同时操作简单，维护成本低，为柔性铰链并联机器人的性能提高和实际应用提供了保障。
权利要求
1.一种平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征是:包括可编程多轴运动控制器、柔性铰链并联机器人、主控工控机、驱动模块、限位模块和测量模块；主控工控机与可编程多轴运动控制器连接，可编程多轴运动控制器分别与驱动模块和限位模块连接，驱动模块的输出端通过驱动副与柔性铰链并联机器人的主动杆连接，柔性铰链并联机器人通过测量模块与主控工控机连接。
2.根据权利要求1所述的一种平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征在于:平面三自由度柔性铰链并联机器人的机械结构包括:末端执行器(I)、基座(2)和与末端执行器(I)和基座(2)相连接的三条结构相同的运动支链和三组结构相同的驱动部分；所述运动支链中，主动杆(4)一端与驱动副(3)连接，另一端通过柔性铰链(5)与从动杆(6)连接，从动杆(6 )与末端执行器(I)通过转动副(7 )连接；所述驱动部分中，伺服电机(9 ) 一端固定在基座(2)上，另一端与减速器(8)相连，减速器(8)的另一端与驱动副(3)连接；主动杆(4)输出端两侧对称安装一组限位接近传感器(10)，主动杆(4)输出端下方安装一个回零接近传感器(11);所述的基座(2 )均匀的布置在末端执行器(I)的周向，且末端执行器(O的周向均匀布置转动副(7)。
3.根据权利要求1所述的一种平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征在于:驱动模块共有三组，分别控制机器人的三个运动支链，每组结构相同，包括伺服驱动器、伺服电机、旋转编码器和减速器；可编程多轴运动控制器的输出端与伺服驱动器的输入端连接，伺服驱动器的输出端与伺服电机的输入端连接，伺服电机的输出端分别与旋转编码器的输入端和减速器的输入端连接，旋转编码器的输出端分别与伺服驱动器和可编程多轴运动控制器连接，减速器的输出端通过驱动副与机器人的主动杆连接。
4.根据权利要求1所述的一种平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征在于:限位模块由回零接近传感器和限位接近传感器组成；在机器人主动杆的回零位置处安装三组接近传感器，在机器人三个主动杆的运动极限位置处安装三组接近传感器；限位模块与可编程多轴运动控制器 连接。
5.根据权利要求1所述的一种平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征在于:测量模块由红外传感器、视觉测量仪和视觉测量工控机组成；红外传感器固定于机器人末端执行器的几何中心；红外传感器发出的红外光被视觉测量仪接收，视觉测量仪将机器人末端执行器的位置信息传送给视觉测量工控机，视觉测量工控机将信息处理后传送给主控工控机。
6.权利要求1至6任一权利要求所述的一种平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置的控制方法，其特征是:所述的控制方法包括如下步骤: (1)主控工控机完成机器人的动力学计算，运动轨迹规划，控制系统解算，形成控制指令传送给可编程多轴运动控制器； (2)可编程多轴运动控制器对接收的控制指令进行分析，计算出控制信号输出给驱动模块； (3)可编程多轴运动控制器接收主控工控机的回零指令，将控制信号输出给限位模块，执行回零操作；当机器人主动杆运动到极限位置时，限位模块向可编程多轴运动控制器发出信号，可编程多轴运动控制器上的限位端口被触发，执行限位操作； (4)驱动模块驱动机器人的主动杆，三条运动支链协调运动，使机器人执行给定的工作任务； (5)机器人运行中，测量模块将末端执行器的位置信息发送给主控工控机； (6)主控工控机对接收到的信号进行分析处理，形成控制误差信号传送给可编程多轴运动控制器，按步骤(2)到步骤(6)的顺序重复完成控制任务，直到机器人到达给定位置或者完成给定工作任务，实现平 面三自由度柔性铰链并联机器人的高精度运动。
全文摘要
平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置及方法，属于机器人及其控制技术领域。其包括可编程多轴运动控制器、柔性铰链并联机器人、主控工控机、驱动模块、限位模块和测量模块；主控工控机与可编程多轴运动控制器连接，可编程多轴运动控制器分别与驱动模块和限位模块连接，驱动模块的输出端通过驱动副与柔性铰链并联机器人的主动杆连接，柔性铰链并联机器人通过测量模块与主控工控机连接。本发明能够有效控制三组驱动模块实现机器人三条运动支链的协调运动，完成柔性铰链并联机器人的平面三自由度高精度运动，具有系统响应快、信息处理能力强、可靠性高等特点。
文档编号B25J13/08GK103192363SQ20131010093
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者
田 浩, 余跃庆 申请人:北京工业大学