專利名稱：三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種機器人控制裝置及方法，特別是一種三自由度混合驅(qū)動柔索 并聯(lián)機器人控制裝置。
背景技術(shù)：
三自由度柔索并聯(lián)機器人具有重要的應(yīng)用價值，可用于起重、加工、檢測、裝配、搬 運等操作任務(wù)。在專利申請?zhí)枮?00910233341. 2的專利文獻中，公開了《空間三維平動自 由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機構(gòu)》，該混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人機構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡單，能夠完成 大負載運轉(zhuǎn)、復(fù)雜運動規(guī)律，實現(xiàn)高性能運動輸出的新型空間三維平動自由度柔索并聯(lián)機 器人。盡管該混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人機構(gòu)可以完成機器人重物塊的運動，但由于該機器 人系統(tǒng)具有大慣性、多輸入多輸出、非線性等特點，并且受系統(tǒng)模型的參數(shù)攝動以及重物塊 在運動中隨機風(fēng)等外界干擾的影響，使得混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人運動靈活性、穩(wěn)定性和 精確性還不夠完善。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是要克服已有技術(shù)中的不足，提供一種能夠完善機器人運動靈 活性、穩(wěn)定性和精確性的三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的并聯(lián)機器人控制裝置包括柔索并聯(lián)機器人、主控 工控機、測量工控機、通信裝置、可編程邏輯控制器、傳感器和混合驅(qū)動控制器，主控工控 機通過通信裝置與可編程邏輯控制器連接，混合驅(qū)動控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機器人連 接，柔索并聯(lián)機器人通過傳感器與測量工控機連接，測量工控機通過通信裝置與主控工控 機連接。所述的混合驅(qū)動控制器共有四組，每一組結(jié)構(gòu)相同，包括混合驅(qū)動機構(gòu)、光電編碼 器、變頻器和驅(qū)動器，可編程邏輯控制器的輸出端與變頻器和驅(qū)動器的輸入端連接，變頻器 和驅(qū)動器的輸出端與混合驅(qū)動機構(gòu)連接，光電編碼器的輸出端與可編程邏輯控制器的輸入 端連接。所述的混合驅(qū)動機構(gòu)包括交流三相異步電機、交流伺服電機和雙曲柄五連桿機 構(gòu)，交流三相異步電機和交流伺服電機分別與雙曲柄五連桿機構(gòu)的兩個曲柄相連接，交流 三相異步電機、交流伺服電機兩種類型的輸入通過連桿鉸接合成；交流三相異步電機與變 頻器連接，交流伺服電機與驅(qū)動器連接，四根柔索的末端與柔索并聯(lián)機器人的重物塊連接， 四組混合驅(qū)動機構(gòu)均與一臺可編程邏輯控制器連接，四組變頻器、四組伺服驅(qū)動器、四組混 合驅(qū)動機構(gòu)硬件布置及連線均相同。所述的傳感器包括光電編碼器、光柵位移傳感器、測力傳感器、稱重傳感器和接近 傳感器；光電編碼器分別安裝在混合驅(qū)動機構(gòu)中的交流伺服電機和交流三相異步電機上， 在柔索并聯(lián)機器人的重物塊上安裝3個光柵位移傳感器，稱重傳感器安裝在重物塊上，同 時在重物塊上安裝有接近傳感器，在四根柔索上各安裝一個相同的測力傳感器。[0008]所述的柔索并聯(lián)機器人是由四根相連成十字形對稱設(shè)置的索塔支架、導(dǎo)向滑輪、 四根柔索、重物塊組成，每根索塔支架之上均設(shè)有柔索導(dǎo)向滑輪，四根柔索通過導(dǎo)向滑輪在 索塔支架上的支撐與重物塊連接。有益效果由于采用了上述方案，能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維平動自由度運動的混合驅(qū)動 柔索并聯(lián)機器人控制裝置；混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置采用分布式結(jié)構(gòu)，由操作管 理級主控工控機、重物塊控制級可編程邏輯控制器，以及負責(zé)實時測量并進行反饋信號的 測量工控機、混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人、通信裝置構(gòu)成，這種控制模式綜合了可編程邏輯控 制器控制精度高、抗干擾能力強、可靠性好和工控機開放性程度高、信息處理能力強、實時 調(diào)整優(yōu)點突出、通用性好的特點；以測量工控機為中心的測量系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)采集與傳感器 相結(jié)合的方式，最大限度地完成測試工作的全過程，既能實現(xiàn)對信號的檢測，又能對所獲信 號進行分析處理；通過測力傳感器、稱重傳感器和接近傳感器還可以確定牽引混合驅(qū)動柔 索并聯(lián)機器人重物塊的柔索張力、重物塊的重量，以及用于重物塊運動的避障和防止沖擊 以實現(xiàn)柔性輸出運動；從而能夠完善混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人運動靈活性、穩(wěn)定性和精確 性，達到了本實用新型的目的。優(yōu)點該混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置及方法能夠有效控制四組混合驅(qū)動控 制器實現(xiàn)四根柔索的協(xié)調(diào)收放完成混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人空間三維平動自由度的高精 度運動；采用由主控工控機、測量工控機、可編程邏輯控制器和通信裝置組成的分布式控制 模式，具有系統(tǒng)響應(yīng)快速、信息處理能力強、可靠性好；系統(tǒng)中采用測力傳感器、稱重傳感器 和接近傳感器可以監(jiān)測柔索張力、所載工件的重量，以及重物塊運動的避障和防止沖擊，從 而大大提高了混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人的運動靈活性、穩(wěn)定性和精確性。

圖1為本實用新型所述的混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置示意框圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的一個實施例作進一步的描述本實用新型的機器人控制裝置包括柔索并聯(lián)機器人、混合驅(qū)動控制器、傳感器、主 控工控機、測量工控機、通信裝置和可編程邏輯控制器，主控工控機通過通信裝置與可編程 邏輯控制器連接，混合驅(qū)動控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機器人連接，柔索并聯(lián)機器人通過 傳感器與測量工控機連接，測量工控機通過通信裝置與主控工控機連接。所述的混合驅(qū)動機構(gòu)包括交流三相異步電機、交流伺服電機和雙曲柄五連桿機 構(gòu)，交流三相異步電機和交流伺服電機分別與雙曲柄五連桿機構(gòu)的兩個曲柄相連接，交流 三相異步電機為雙曲柄五連桿機構(gòu)提供主要的動力功率，交流伺服電機控制雙曲柄五連桿 機構(gòu)的柔性輸出，而這兩種類型的輸入運動通過連桿鉸接合成，這樣使混合驅(qū)動機構(gòu)在保 證輸出運動的同時，混合驅(qū)動機構(gòu)的動力分配等特性也得到改善?；旌向?qū)動機構(gòu)由做常速 運動的交流三相異步電機和做變速運動的交流伺服電機的兩個電機共同驅(qū)動，交流三相異 步電機提供主要功率并通過變頻器進行調(diào)速以保證交流三相異步電機轉(zhuǎn)速恒定，交流伺服 電機主要對柔索并聯(lián)機器人運動提供控制調(diào)節(jié)作用，通過四根柔索協(xié)同牽引控制柔索并聯(lián) 機器人的重物塊高精度運動，而四組混合驅(qū)動機構(gòu)的聯(lián)動是通過一臺可編程邏輯控制器來控制實現(xiàn)，四組變頻器、四組伺服驅(qū)動器、四組混合驅(qū)動機構(gòu)硬件布置及連線均相同。所述的柔索并聯(lián)機器人是由四根相連成十字形對稱設(shè)置的索塔支架、導(dǎo)向滑輪、 四根柔索、重物塊等組成，每根索塔支架之上均設(shè)有柔索導(dǎo)向滑輪，四根柔索通過導(dǎo)向滑輪 在索塔支架上支撐、牽弓I重物塊運動。所述的傳感器包括光電編碼器、光柵位移傳感器、測力傳感器、稱重傳感器和接近 傳感器；光電編碼器分別安裝在交流伺服電機和交流三相異步電機上，在柔索并聯(lián)機器人 的重物塊上安裝3個光柵位移傳感器，稱重傳感器安裝在重物塊上，同時在重物塊上安裝 有接近傳感器，在四根柔索上各安裝一個相同的測力傳感器。所述的通信裝置選用專用通信RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器用于主控工控機、可編程邏 輯控制器和測量工控機之間的通信。所述主控工控機負責(zé)機器人系統(tǒng)軌跡規(guī)劃、人機交互、 系統(tǒng)維護，數(shù)據(jù)的保存、處理、顯示、優(yōu)化等多方面的功能。所述可編程邏輯控制器負責(zé)互聯(lián) 的四組混合驅(qū)動柔索牽引系統(tǒng)的位置協(xié)調(diào)控制。所述測量工控機負責(zé)對測量數(shù)據(jù)的采集、 處理、運行狀態(tài)信息實時傳送至主控工控機，主控工控機、測量工控機與可編程邏輯控制器 之間采用ISA總線相連，用于設(shè)備的設(shè)置、程序下載和運行中的數(shù)據(jù)傳遞。所述的傳感器測得混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人所需的信號，并將信號傳送到測量工 控機，測量工控機實時處理測量數(shù)據(jù)并通過通信裝置把測量數(shù)據(jù)發(fā)送給主控工控機，主控 工控機對接收到的信號進行分析處理，形成控制誤差信號通過通信裝置傳送給可編程邏輯 控制器，可編程邏輯控制器對控制指令進行分析，計算出控制信號下發(fā)給混合驅(qū)動控制器， 混合驅(qū)動控制器驅(qū)動四根柔索的協(xié)調(diào)收放實現(xiàn)柔索并聯(lián)機器人的運動，進而構(gòu)成一個大的 閉環(huán)傳遞過程。工作過程，混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人牽引重物塊運動時，安裝在混合驅(qū)動柔索并 聯(lián)機器人重物塊上的3個光柵位移傳感器測得重物塊的三維平動自由度位移、稱重傳感器 測得重物塊的重量，接近傳感器測得重物塊的極限位移，安裝在四根柔索上四個相同測力 傳感器測得柔索的張力，將傳感器測得所需的信號傳送到測量工控機；測量工控機實時處 理測量數(shù)據(jù)并通過通信裝置把測量數(shù)據(jù)發(fā)送給主控工控機；主控工控機對接收到的信號進 行分析處理并完成人機交互功能、混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人力學(xué)計算，控制系統(tǒng)解算，形成 控制誤差信號通過通信裝置傳送給可編程邏輯控制器；可編程邏輯控制器還接受來自與交流伺服驅(qū)動器、交流伺服電機相配套的光電編 碼器測得交流伺服電機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速信號，并與反饋給可編程邏輯控制器的光電編碼器接 口構(gòu)成位置反饋控制；此外，在運動控制過程中，可編程邏輯控制器同時還對連接在交流三 相異步電機上的光電編碼器測得的啟動轉(zhuǎn)速和速度變化信號進行處理，并與變頻器接口構(gòu) 成速度反饋控制以保證交流三相異步電機轉(zhuǎn)速恒定；可編程邏輯控制器對接受的控制指令 進行分析，計算出控制信號同時輸出給交流伺服驅(qū)動器和變頻器；交流伺服驅(qū)動器和變頻 器分別將信號發(fā)送給交流伺服電機和交流三相異步電機完成同時協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)共同驅(qū)動雙曲 柄五連桿機構(gòu)，雙曲柄五連桿機構(gòu)實時控制四根柔索進行收索與放索協(xié)調(diào)動作，進而提高 混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人完成重物塊運動的靈活性、穩(wěn)定性和精確性；主控工控機、可編程 邏輯控制器、測量工控機之間以串行總線方式進行通信，構(gòu)成一個通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置，其特征是三自由度混合驅(qū)動柔 索并聯(lián)機器人控制裝置，包括柔索并聯(lián)機器人、主控工控機、測量工控機、通信裝置、可編程 邏輯控制器、傳感器和混合驅(qū)動控制器，主控工控機通過通信裝置與可編程邏輯控制器連 接，混合驅(qū)動控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機器人連接，柔索并聯(lián)機器人通過傳感器與測量 工控機連接，測量工控機通過通信裝置與主控工控機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置，其特征是所 述的混合驅(qū)動控制器共有四組，每一組結(jié)構(gòu)相同，包括混合驅(qū)動機構(gòu)、光電編碼器、變頻器 和驅(qū)動器，可編程邏輯控制器的輸出端與變頻器和驅(qū)動器的輸入端連接，變頻器和驅(qū)動器 的輸出端與混合驅(qū)動機構(gòu)連接，光電編碼器的輸出端與可編程邏輯控制器的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置，其特征是所 述的混合驅(qū)動機構(gòu)包括交流三相異步電機、交流伺服電機和雙曲柄五連桿機構(gòu)，交流三相 異步電機和交流伺服電機分別與雙曲柄五連桿機構(gòu)的兩個曲柄相連接，交流三相異步電 機、交流伺服電機兩種類型的輸入通過連桿鉸接合成；交流三相異步電機與變頻器連接，交 流伺服電機與驅(qū)動器連接，四根柔索的末端與柔索并聯(lián)機器人的重物塊連接，四組混合驅(qū) 動機構(gòu)均與一臺可編程邏輯控制器連接，四組變頻器、四組伺服驅(qū)動器、四組混合驅(qū)動機構(gòu) 硬件布置及連線均相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置，其特征是所 述的傳感器包括光電編碼器、光柵位移傳感器、測力傳感器、稱重傳感器和接近傳感器；光 電編碼器分別安裝在混合驅(qū)動機構(gòu)中的交流伺服電機和交流三相異步電機上，在柔索并聯(lián) 機器人的重物塊上安裝3個光柵位移傳感器，稱重傳感器安裝在重物塊上，同時在重物塊 上安裝有接近傳感器，在四根柔索上各安裝一個相同的測力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置，其特征是所 述的柔索并聯(lián)機器人是由四根相連成十字形對稱設(shè)置的索塔支架、導(dǎo)向滑輪、四根柔索、重 物塊組成，每根索塔支架之上均設(shè)有柔索導(dǎo)向滑輪，四根柔索通過導(dǎo)向滑輪在索塔支架上 的支撐與重物塊連接。
專利摘要一種三自由度混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人控制裝置，包括柔索并聯(lián)機器人、主控工控機、測量工控機、通信裝置、可編程邏輯控制器、傳感器和混合驅(qū)動控制器，主控工控機通過通信裝置與可編程邏輯控制器連接，混合驅(qū)動控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機器人連接，柔索并聯(lián)機器人通過傳感器與測量工控機連接，測量工控機通過通信裝置與主控工控機連接。通過測量工控機實時處理測量數(shù)據(jù)并通過通信裝置把測量數(shù)據(jù)發(fā)送給主控工控機，經(jīng)主控工控機、可編程邏輯控制器、測量工控機之間以串行總線方式進行通信，可控制四組混合驅(qū)動控制器實現(xiàn)四根柔索的協(xié)調(diào)收放，完成混合驅(qū)動柔索并聯(lián)機器人空間三維平動自由度的高精度運動；系統(tǒng)響應(yīng)快速、穩(wěn)定性和精確性強。
文檔編號B25J9/16GK201922446SQ201020649299
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者曹建斌, 朱真才, 訾斌, 魏明生 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)