本發(fā)明涉及平面三自由度并聯(lián)機器人裝置及控制研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置和控制方法。

背景技術(shù)：

并聯(lián)機器人的末端動平臺可以實現(xiàn)高速運動、精確定位、承載大質(zhì)量負(fù)載。選擇并聯(lián)機器人作為精密定位平臺，實現(xiàn)高速、高精度、高效率定位。目前并聯(lián)機器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和新型驅(qū)動裝置等。

采用伺服電機驅(qū)動，一般需要減速器，會帶來間隙和摩擦等非線性現(xiàn)象，并且隨著減速器精度的提高，成本會大大增加。并且，采用伺服電機驅(qū)動，如發(fā)生末端負(fù)載瞬時過大或者末端瞬間卡死意外，會導(dǎo)致電機的瞬時電流過大，進一步導(dǎo)致燒毀電機。另外，電機驅(qū)動還具有一些缺點，主要表現(xiàn)在柔性和退讓性相對不足。

相比之下，氣動驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單、輕便、價格相對低廉、安裝維護簡單、無污染、高速高效等優(yōu)點，同時，本申請更具有負(fù)載較小、所需氣動壓力較小、使用氣動即可滿足驅(qū)動轉(zhuǎn)矩要求等優(yōu)點。而且，與伺服電機驅(qū)動相比，在氣動控制擺動氣缸時不需要減速器。這樣，氣動驅(qū)動既降低了成本，又不會因為傳動間隙等影響精度的因素。而氣壓驅(qū)動的優(yōu)勢還在于氣源方便、廢氣可直接排入大氣且不會造成污染、可實現(xiàn)無級變速、具有較好的緩沖作用等，既節(jié)省了很大的空間，也使得整個機器也變得美觀。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置和控制方法，通過設(shè)計雙剛性臂連接帶動三角盤運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究純剛性的驅(qū)動臂對于整個機構(gòu)運行的影響；與此同時，選擇應(yīng)用合適的擺動氣缸及機械臂設(shè)計使其達到自身相應(yīng)的最優(yōu)工作空間和工作軌跡，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自身運動的反饋控制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置，包括：固定平臺、動平臺、三個并聯(lián)驅(qū)動控制分支、氣動單元、信號檢測模塊以及控制單元，其中：

每個并聯(lián)驅(qū)動控制分支包括依次相連的擺動氣缸、主動桿以及從動桿，所述擺動氣缸固定連接在所述固定平臺上，且所述擺動氣缸與所述氣動單元連接，所述從動桿固定連接所述動平臺；

所述信號檢測模塊包括加速度傳感器、角速度傳感器以及角位移編碼器，所述加速度傳感器和角速度傳感器均安裝于所述動平臺上，所述加速度傳感器用于測量所述動平臺在水平面沿x軸以及y軸的兩個垂直方向上的加速度信號，所述角速度傳感器用于測量所述動平臺的旋轉(zhuǎn)角速度信號，所述角位移編碼器通過聯(lián)軸器連接在所述擺動氣缸底部，用于檢測檢測擺動氣缸轉(zhuǎn)軸的運動角位移信號；

所述控制單元分別與氣動單元和信號檢測模塊連接。

進一步地，所述動平臺為正三角形動平臺，所述每個并聯(lián)驅(qū)動控制分支分別通過轉(zhuǎn)軸固定連接所述正三角形動平臺的每個頂角。

進一步地，所述擺動氣缸通過螺紋固定連接在所述固定平臺上,所述主動桿通過轉(zhuǎn)動法蘭連接盤與所述擺動氣缸固定相連，所述主動桿通過轉(zhuǎn)軸與所述從動桿相連，所述從動桿通過轉(zhuǎn)軸與所述動平臺固定連接。

進一步地，所述三個并聯(lián)驅(qū)動控制分支的結(jié)構(gòu)一致，每個并聯(lián)驅(qū)動控制分支的主動桿和從動桿的尺寸相同且均為剛性材質(zhì)。

進一步地，所述氣動單元包括依次相連的氣泵、氣動三聯(lián)件以及氣動比例方向控制閥，所述氣動比例方向控制閥與所述擺動氣缸連接。

進一步地，所述氣動比例方向控制閥包括兩個輸出端，所述擺動氣缸包括兩個氣腔，所述各個輸出端分別對應(yīng)連接所述各個氣腔。

進一步地，所述裝置還包括控制單元，所述控制單元包括計算機和運動控制器，所述運動控制器插入到所述計算機的PCI插槽中，所述運動控制器通過接線端子連接所述信號檢測模塊。

進一步地，所述運動控制器包括D/A轉(zhuǎn)換卡、A/D轉(zhuǎn)換卡、積分編碼和計數(shù)卡。

本發(fā)明的再一目的是提供一種基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置的控制方法，包括如下步驟：

S1、在動平臺運動情況下，使用動平臺上相應(yīng)的加速度傳感器、角速度傳感器分別測量在水平面沿x軸以及y軸的兩個垂直方向上的加速度信號、繞垂直于平面軸線旋轉(zhuǎn)的角速度信號，對測量的信號經(jīng)過運動學(xué)逆解處理后分別得到對應(yīng)的擺動氣缸的角速度模擬量信號；

S2、將步驟S1中的得到模擬量信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為在控制器量程范圍內(nèi)的數(shù)字信號，且輸入到計算機，進一步通過運行控制算法以及濾波處理后，得到控制動平臺的反饋信號；

S3、使用角位移編碼器檢測擺動氣缸轉(zhuǎn)軸的運動角位移，然后將檢測信號經(jīng)過積分編碼和記數(shù)卡處理得到數(shù)字信號，將數(shù)字信號輸入到計算機且通過運行控制算法以及濾波處理后，得到控制動平臺的反饋信號；

S4、將步驟S2以及S3中得到的反饋信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出到氣動比例方向控制閥，控制擺動氣缸的轉(zhuǎn)動方向以及位移，通過調(diào)節(jié)氣動比例方向控制閥的換向和進排氣流量，控制擺動氣缸的擺動方向和速度，從而控制動平臺的運動以達到期望的位置和姿態(tài)。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明采用雙剛性機械臂(剛性的主動桿和從動桿)，系統(tǒng)的質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)簡單、剛性高，對比雙柔性機械臂或柔性-剛性結(jié)合系統(tǒng)具有系統(tǒng)剛性大、力矩傳遞穩(wěn)定和柔性變形對運動軌跡影響小等優(yōu)點，同時由于高剛性和低變形等優(yōu)點，力矩傳遞損耗更小，運動參數(shù)采集更加準(zhǔn)確。

(2)本發(fā)明采用氣動控制回路，使之系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)相對簡單、效率較高、污染小的優(yōu)點。

(3)本發(fā)明的擺動氣缸氣動回路，采用氣動比例閥進行控制，而氣動回路結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，且擺動氣缸具有擺動迅速，角度選擇大等優(yōu)勢。

(4)本發(fā)明采用單一驅(qū)動元件，即僅通過三個擁有相同氣動回路的擺動氣缸輸入力矩，控制回路較為簡單，三者同時控制，可以避免多回路干涉，提高控制精度，降低控制難度。

(5)本發(fā)明的加速度傳感器以及角速度傳感器，用以檢測動平臺三個自由度的信號，對動平臺的動態(tài)特性分析和反饋控制提供較好的測量手段。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置的機械示意結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本申請作進一步詳細(xì)說明。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置，包括固定平臺、動平臺4、三個并聯(lián)驅(qū)動控制分支、氣動單元、信號檢測模塊以及控制單元，圖1中隱藏了固定平臺的結(jié)構(gòu)，目的在于更加清晰地描述裝置的控制單元，圖2中將固定平臺詳細(xì)地表達了出來，圖1中的虛線連接表示電信號與控制單元的連接，實線連接表示氣動單元連接，控制單元包括計算機8和運動控制器，運動控制器插入到所述計算機8的PCI插槽中，運動控制器通過接線端子連接信號檢測模塊，動平臺4為正三角形動平臺，每個并聯(lián)驅(qū)動控制分支分別通過轉(zhuǎn)軸固定連接正三角形動平臺4的每個頂角。運動控制器也包括D/A轉(zhuǎn)換卡9、A/D轉(zhuǎn)換卡6、積分編碼和計數(shù)卡7。

其中，每個并聯(lián)驅(qū)動控制分支包括依次相連的擺動氣缸14、主動桿4以及從動桿5，且三個并聯(lián)驅(qū)動控制分支的結(jié)構(gòu)一致，每個并聯(lián)驅(qū)動控制分支的主動桿1和從動桿5的尺寸相同且均為剛性材質(zhì)，擺動氣缸14通過螺紋固定連接在固定平臺上，且擺動氣缸14與氣動單元連接，主動桿1通過轉(zhuǎn)動法蘭連接盤與擺動氣缸14固定相連，主動桿1通過轉(zhuǎn)軸與從動桿5相連，從動桿5通過轉(zhuǎn)軸與動平臺4固定連接；信號檢測模塊包括加速度傳感器3、角速度傳感器2以及角位移編碼器15，加速度傳感器3和角速度傳感器2均安裝于動平臺上，加速度傳感器3用于測量動平臺在水平面沿x軸以及y軸的兩個垂直方向上的加速度信號，角速度傳感器2用于測量動平臺的旋轉(zhuǎn)角速度信號，角位移編碼器15通過聯(lián)軸器連接在所述擺動氣缸14底部，用于檢測檢測擺動氣缸14轉(zhuǎn)軸的運動角位移信號。

另外，氣動單元包括依次相連的氣泵10、氣動三聯(lián)件11以及氣動比例方向控制閥12，氣動比例方向控制閥12與擺動氣缸14連接。更詳細(xì)地，氣動比例方向控制閥12包括兩個輸出端，擺動氣缸14包括兩個氣腔，各個輸出端分別對應(yīng)連接各個氣腔。

固定平臺由若干長度不一的鋁型材和基板組成。

并聯(lián)驅(qū)動控制分支有三個分支，現(xiàn)在就介紹一個分支，其它兩個分支類似。如圖所示，剛性主動桿1一端通過法蘭連接擺動氣缸14通過法蘭連接盤13與擺動氣缸14相連，另一端通過轉(zhuǎn)軸與剛性從動桿5相連，負(fù)責(zé)將擺動氣缸的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出角位移傳遞給動平臺4。動平臺4上放置加速度傳感器3用以檢測平面方向上的加速度以及角速度傳感器2用以檢測動平臺4的繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)的角速度。擺動氣缸14的轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器16連接角位移編碼器15，用以檢測擺動氣缸14擺動轉(zhuǎn)動角位移信號。

氣動單元中，氣動元件氣泵10作為能量源負(fù)責(zé)向整個系統(tǒng)提供能量，其產(chǎn)生的高壓氣體通過氣動三聯(lián)件11后，與氣動比例方向控制閥12的一個輸入端口相連接，氣動比例閥12的兩個輸出端口與擺動氣缸14的左氣腔和右氣腔連接，構(gòu)成擺動氣缸14的氣動通路，氣動比例閥12的另外兩個端口連接消聲器。而氣動比例閥12的氣動控制由整個系統(tǒng)的控制機構(gòu)實現(xiàn)。

在擺動氣缸14的控制系統(tǒng)中，利用角位移編碼器15可以檢測擺動氣缸14主軸與剛性主動桿1的轉(zhuǎn)動角位移信號，將角位移編碼器15輸出信號經(jīng)過辨向脈沖計數(shù)電路后輸入計算機8，得到各個擺動氣缸14的轉(zhuǎn)動角位移信號，作為擺動氣缸14的反饋信號。而在另一控制電路中，將動平臺4上安裝的加速度傳感器3和角速度傳感器2采集到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后一同輸入到計算機8進行處理，最終將上述兩種信號進行分析處理后，并與所需達到位置參數(shù)對比，運行控制算法后得到相應(yīng)的控制信號，并通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號輸入至氣動比例方向控制閥12中，完成對該平臺的控制。

本實施示例是一種基于擺動氣缸驅(qū)動的并聯(lián)三自由度機構(gòu)裝置的控制方法，包括如下步驟：

S1、在動平臺4運動情況下，使用動平臺4上相應(yīng)的加速度傳感器3、角速度傳感器2分別測量在水平面沿x軸以及y軸的兩個垂直方向上的加速度信號、繞垂直于平面軸線旋轉(zhuǎn)的角速度信號，對測量的信號經(jīng)過運動學(xué)逆解處理后分別得到對應(yīng)的擺動氣缸14的角速度模擬量信號；

S2、將步驟S1中的得到模擬量信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡6轉(zhuǎn)換為在控制器量程范圍內(nèi)的數(shù)字信號，且輸入到計算機，進一步通過運行控制算法以及濾波處理后，得到控制動平臺的反饋信號；

S3、使用角位移編碼器15檢測擺動氣缸14轉(zhuǎn)軸的運動角位移，然后將檢測信號經(jīng)過積分編碼和記數(shù)卡7處理得到數(shù)字信號，將數(shù)字信號輸入到計算機8且通過運行控制算法以及濾波處理后，得到控制動平臺4的反饋信號；

S4、將步驟S2以及S3中得到的反饋信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡9轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出到氣動比例方向控制閥12，控制擺動氣缸14的轉(zhuǎn)動方向以及位移，通過調(diào)節(jié)氣動比例方向控制閥12的換向和進排氣流量，控制擺動氣缸的14擺動方向和速度，從而控制動平臺4的運動以達到期望的位置和姿態(tài)。

本實施示例中，選擇的擺動氣缸14為日本SMC公司生產(chǎn)的型號為MSQB50R的大擺角擺動平臺型擺動氣缸；氣泵10由上海捷豹壓縮機制造有限公司生產(chǎn)的型號為FB-0.017/7的靜音空氣壓縮機；氣動三聯(lián)件11由空氣過濾器(型號選用AF30-03)、氣動減壓閥(型號選用AR25-03)和油霧分離器(型號選用AFM30-03)組成，并帶有一個壓力表(型號選用G36-10-01)，氣動比例方向控制閥12選用日本SMC氣動公司生產(chǎn)的型號為VER2000-02比例閥。

傳感器選型：加速度傳感器3選用瑞士Kistler公司2012系列；角速度傳感器2選用瑞士Kistler公司CS-ARS-04單軸陀螺儀；聯(lián)軸器16選美國Ruland公司生產(chǎn)的PCMR29-12-6-A型，角速度編碼器15選擇Hengstler公司生產(chǎn)的絕對值式AC36型。

本實施示例中，根據(jù)以上裝置的振動檢測控制方法，選擇集成有多通道A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和碼盤計數(shù)功能的固高運動控制器。要求具有三路模擬量輸入模塊和三路模擬量輸出模塊，以及三路碼盤計數(shù)模塊，因此固高運動控制器選用固高公司生產(chǎn)的GTS-400-PV-PCI系列運動控制器，該運動控制器具有四路軸資源通道(各軸信號帶有一路模擬量輸出，增量式編碼器輸入，電機控制輸出及報警復(fù)位功能)，光耦隔離通用數(shù)字信號輸入和輸出各有16路，2路四倍頻增量式輔助編碼器輸入，8路A/D模擬量采樣輸入，模擬量輸入輸出的電壓范圍是：10V～+10V。計算機12選用CPU型號I7的計算機。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。