本發(fā)明涉及一種平面并聯機構控制裝置，尤其是一種直接驅動的冗余平面并聯機構控制裝置及方法，屬于平面三自由度并聯機器人裝置及控制研究領域。

背景技術：

目前，并聯機構的驅動方式主要有直接驅動電機直接驅動、伺服電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動和新型驅動裝置等。隨著技術的進步，對機構的速度和精度提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的電機加減速器的驅動方式因減速器的質量一般較大而增加機構的運動慣量，降低機構的響應速度。減速器往往還存在難以消除的齒側間隙，對機構的傳動精度有很大的影響，減速器中存在的摩擦還會帶來能量的損失。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種直接驅動的冗余平面并聯機構控制裝置，該裝置通過直線電機和旋轉電機混合驅動增大了并聯機構工作空間，采用多個傳感器測量動平臺的運動參數作為反饋信號，使并聯機構的運動控制精度達到了較高的水平。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述裝置的冗余平面并聯機構控制方法。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

直接驅動的冗余平面并聯機構控制裝置，包括并聯機構本體和控制單元，所述并聯機構本體包括動平臺和三個并聯分支；

所述動平臺外形為等邊三角形，其設有角加速度傳感器和加速度傳感器；

每個并聯分支包括帶位移傳感器的直線電機模組、帶編碼器的旋轉電機模組、剛性主動桿和剛性從動桿，所述直線電機模組帶動旋轉電機模組直線移動，所述剛性主動桿的一端與旋轉電機模組連接，剛性主動桿的另一端與剛性從動桿的一端轉動連接，所述剛性從動桿的另一端與動平臺的一個邊角處轉動連接；

所述控制單元分別與角加速度傳感器、加速度傳感器、直線電機模組和旋轉電機模組連接。

進一步的，所述每個并聯分支中，直線電機模組包括直線電機、導軌、連接塊和位移傳感器，所述直線電機與導軌平行布置，直線電機的動子與導軌的滑塊位于同一水平面上，所述連接塊固定在導軌的滑塊上，并與直線電機的動子固定連接，所述旋轉電機模組固定在連接塊的上表面中央，所述位移傳感器包括磁柵尺和磁柵讀數頭，所述磁柵尺貼在直線電機的定子側邊，所述磁柵讀數頭安裝在連接塊上。

進一步的，所述連接塊通過螺釘固定在導軌的滑塊上，并通過螺釘與直線電機的動子固定連接，所述旋轉電機模組通過螺釘固定在連接塊的上表面中央。

進一步的，所述每個并聯分支中，旋轉電機模組包括旋轉電機、法蘭和編碼器，所述法蘭固定在旋轉電機的轉子上，并與剛性主動桿的一端固定連接，所述編碼器安裝在旋轉電機的內部。

進一步的，所述法蘭通過螺釘固定在旋轉電機的轉子上，并通過螺釘與剛性主動桿的一端固定連接，所述剛性主動桿的另一端設有套筒，套筒內安裝有相連接的第一軸承和第一轉軸，所述動平臺的每個邊角處設有一個孔，孔內安裝有相連接的第二軸承和第二轉軸，所述剛性從動桿的兩端分別設有通過螺栓固定的第一連桿接頭和第二連桿接頭，所述第一連桿接頭與第一轉軸鉸接，所述第二連桿接頭與第二轉軸鉸接。

進一步的，所述并聯機構本體還包括靜平臺，所述靜平臺包括基板，所述基板底部設有四個支撐腳，每兩個相鄰的支撐腳之間安裝一橫向支架；

所述每個并聯分支中，直線電機模組還包括支撐架，所述直線電機和支撐架平行安裝在靜平臺的基板上，所述導軌固定在支撐架上，并與直線電機平行。

進一步的，所述直線電機和支撐架通過螺栓與靜平臺的基板固定連接，所述導軌通過螺栓固定在支撐架上。

進一步的，所述每個并聯分支的直線電機模組和旋轉電機模組構成一個驅動機構，三個并聯分支的驅動機構在靜平臺的基板上呈星型布置，任意兩個驅動機構之間成120度。

進一步的，所述控制單元包括計算機、運動控制卡、端子板、直線電機伺服驅動單元和旋轉電機伺服驅動單元，所述計算機與運動控制卡連接，所述運動控制卡集成了a/d轉換和脈沖計數功能，并與端子板連接，所述端子板分別與角加速度傳感器、加速度傳感器、磁柵尺、編碼器、直線電機伺服驅動單元和旋轉電機伺服驅動單元連接，所述直線電機伺服驅動單元與直線電機連接，所述旋轉電機伺服驅動單元與旋轉電機連接；

所述角加速度傳感器測量動平臺在豎直方向上的角加速度信號，所述加速傳感器測量動平臺在水平面上兩個方向的加速度信號，這些信號通過端子板輸入到運動控制卡進行a/d轉換得到數字信號，由計算機對數字信號進行處理得到動平臺的反饋信號；

所述磁柵尺測量直線電機動子的位移信號，所述編碼器測量旋轉電機轉動的角位移信號，這些信號通過端子板輸入到運動控制卡進行脈沖計數得到數字信號，由計算機對數字信號進行處理得到直線電機和旋轉電機的輸出信號；

計算機根據動平臺的反饋信號、直線電機和旋轉電機的輸出信號，得到控制信號，控制信號通過運動控制卡、端子板輸入到直線電機伺服驅動單元和旋轉電機伺服驅動單元，控制直線電機和旋轉電機的輸出，實現對動平臺的運動控制。

本發(fā)明的另一目的可以通過采取如下技術方案達到：

基于上述裝置的冗余平面并聯機構控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、利用動平臺上的角加速度傳感器測量出動平臺運動時在豎直方向的角加速度信號，利用動平臺上的加速度傳感器測量出動平臺運動時在水平面上x、y兩個方向上的加速度信號，對這些信號通過運動學逆解后分別得到直線電機的速度分量信號和旋轉電機的角速度分量信號；

步驟二、將步驟一測量的模擬信號通過端子板輸入到運動控制卡進行a/d轉換得到數字信號，由計算機對數字信號進行處理得到動平臺的反饋信號；

步驟三、利用磁柵尺測量出直線電機的位移信號，利用編碼器測量出旋轉電機的角位移信號，直線電機的位移信號和旋轉電機的角位移信號通過端子板輸入到運動控制卡進行脈沖計數得到數字信號，由計算機對數字信號進行處理得到直線電機和旋轉電機的輸出信號；

步驟四、計算機對動平臺的反饋信號、直線電機和旋轉電機的輸出信號進行對比分析處理后，并與所需達到的位置參數對比，運行相應的控制算法計算得到控制信號，控制信號通過運動控制卡、端子板輸入到直線電機伺服驅動單元和旋轉電機伺服驅動單元，直線電機伺服單元驅動直線電機移動，旋轉電機伺服單元驅動旋轉電機轉動，使動平臺達到預期的位置和姿態(tài)。

本發(fā)明相對于現有技術具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明的每個并聯分支采用直線電機模組和旋轉電機模組進行驅動，直線電機模組直接驅動旋轉電機模組，旋轉電機模組直接驅動剛性主動桿來帶動剛性從動桿，進而使動平臺運動，由于采用直接驅動方式，沒有采取任何中間傳動機構，無因引入傳動機構而帶來的磨擦問題、齒側間隙問題，驅動精度高、響應快，還能簡化結構，減小質量，降低并聯機構工作時的噪音，并聯機構的維護保養(yǎng)也更加方便；同時，在動平臺上設有角加速度傳感器和加速度傳感器，可測量動平臺在沿垂直方向的角加速度，以及在水平面上x方向和y方向的加速度，直線電機模組帶有位移傳感器，可測量旋轉電機模組的位移信號，旋轉電機模組帶有編碼器，可測量旋轉電機的角位移信號，根據各傳感器測得的運動參數，實現對動平臺的控制。

2、本發(fā)明采用直線電機和旋轉電機共同驅動的驅動方式，旋轉電機驅動機械臂結構(剛性主動桿和剛性從動桿)的同時，其自身的位置也可以在直線電機的驅動下移動，相對于旋轉電機位置固定的設計，旋轉電機的位置可調節(jié)設計可以大幅度提高動平臺的工作空間，從而使并聯機構成為驅動冗余，即增大了并聯機構的工作空間，可以適應更多的工作場景，實用性更高，也極大地改善了并聯機構存在奇異位形的問題，提高了并聯機構運動的靈活性，采用直接驅動方式，省略中間的傳動機構，就可以從根本上消除上述的減速器帶來的負面效果，直接驅動方式具有高速、高精度、重量輕、剛性高、噪音小、維護簡便、速度調控性好、機械結構設計簡單等優(yōu)點，其優(yōu)勢是傳統(tǒng)的電機加減速器的驅動方式無法比擬的，相對于液壓驅動方式和氣壓驅動方式，直接驅動方式在精度、速度、控制的便利性等方面也具有很大的優(yōu)勢。

3、本發(fā)明采用多個傳感器(角加速度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、編碼器)采集各個部件的運動參數反饋控制的信號，各個傳感器測得的運動參數通過端子板輸入到運動控制卡處理得到數字信號，由計算機對數字信號進行處理得到控制信號，控制信號通過運動控制卡、端子板輸入到直線電機伺服驅動單元和旋轉電機伺服驅動單元，控制直線電機和旋轉電機的輸出，進而實現對動平臺的運動控制。

4、本發(fā)明采用雙剛性桿(剛性主動桿和剛性從動桿)鉸接的機械臂結構，使得整個并聯分支結構簡單、質量大、剛性高，與雙柔性機械臂或柔性-剛性結合相比，具有力矩傳遞穩(wěn)定、系統(tǒng)剛性大和柔性變形對運動軌跡影響小等優(yōu)點，同時高剛性具有變形小的特點，力矩傳遞損耗更小，運動參數采集和并聯機構的運動控制更加準確。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1的冗余平面并聯機構控制裝置總體結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1的冗余平面并聯機構控制裝置中并聯機構本體的俯視圖。

圖3為本發(fā)明實施例1的冗余平面并聯機構控制裝置中并聯機構本體的其中一個并聯分支結構示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例1的冗余平面并聯機構控制裝置中直線電機模組的結構示意圖。

其中，1-動平臺，2-靜平臺，3-角加速度傳感器，4-加速度傳感器，5-基板，6-支撐腳，7-橫向支架，8-剛性主動桿，9-剛性從動桿，10-直線電機，11-導軌，12-支撐架，13-連接塊，14-磁柵尺，15-磁柵讀數頭，16-旋轉電機，17-法蘭，18-第一連桿接頭，19-第二連桿接頭，20-計算機，21-運動控制卡，22-端子板，23-直線電機伺服驅動單元，24-旋轉電機伺服驅動單元。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1：

如圖1和圖2所示，本實施例提供了一種直接驅動的冗余平面并聯機構控制裝置，該裝置包括并聯機構本體和控制單元，所述并聯機構本體包括動平臺1、靜平臺2和三個并聯分支；圖1中的虛線連接表示電信號與并聯機構本體的連接圖，方向箭頭表明了檢測和控制信號流的傳遞方向。

所述動平臺1外形為等邊三角形，動平臺1的每個邊角處設有一個孔，孔內安裝有相連接的第二軸承和第二轉軸，通過第二轉軸與三個并聯分支鉸接；動平臺1上設有角加速度傳感器3和加速度傳感器4，具體地，角加速度傳感器3安裝在偏離動平臺1中心的位置上，加速度傳感器4安裝在動平臺1的中心處，角加速度傳感器3用于測量動平臺1在豎直方向上的角加速度信號，所述加速傳感器4用于測量動平臺1在水平面上兩個方向(x向、y向)的加速度信號。

在本實施例中，角加速度傳感器3選用瑞士kistler公司8838型角加速度計，加速度傳感器4選用瑞士kistler公司的電容式、低頻加速度計，型號為8395a010。

所述靜平臺2用于支撐動平臺1和三個并聯分支，包括基板5，基板5為方形基板，其底部設有四個支撐腳6，每兩個相鄰的支撐腳6之間安裝一橫向支架7，起到穩(wěn)固的作用，基板5、支撐腳6和橫向支架7均采用鋁型材構成。

如圖1～圖3所示，三個并聯分支的結構相同，以其中一個并聯分支為例，包括直線電機模組、旋轉電機模組、剛性主動桿8和剛性從動桿9，直線電機模組和旋轉電機模組構成一個驅動機構，三個并聯分支的驅動機構在靜平臺2的基板5上呈星型布置，任意兩個驅動機構之間成120度。

如圖1～圖4所示，所述直線電機模組包括直線電機10、導軌11、支撐架12、連接塊13和位移傳感器，直線電機10和支撐架12平行安裝在靜平臺2的基板5上，并通過螺栓與靜平臺2的基板5固定連接，導軌11通過螺栓固定在支撐架12上，并與直線電機10平行，直線電機10的動子與導軌11的滑塊位于同一水平面上，連接塊13通過螺釘固定在導軌11的滑塊上，并通過螺釘與直線電機10的動子固定連接，位移傳感器包括磁柵尺14和磁柵讀數頭15，磁柵尺14貼在直線電機10的定子側邊，磁柵讀數頭15安裝在連接塊13上，可隨著連接塊13一起移動。

所述旋轉電機模組包括旋轉電機16、法蘭17和編碼器，旋轉電機16通過螺釘固定在連接塊13的上表面中央，在直線電機10的驅動下，旋轉電機16可以沿著導軌11在一定的范圍內移動，使得旋轉電機16的位置可調節(jié)，磁柵讀數頭15隨著旋轉電機16一起移動，可通過磁柵尺14測量旋轉電機16的位移信號，即直線電機10動子的位移信號(運動參數)；法蘭17通過螺釘固定在旋轉電機16的轉子上，編碼器安裝在旋轉電機16的內部，可測量旋轉電機16轉動的角位移信號(轉動參數)。

所述剛性主動桿8和剛性從動桿9構成并聯分支的機械臂結構，剛性主動桿8的一端通過螺釘與法蘭17固定連接，剛性主動桿8的另一端設有帶階梯孔的套筒，套筒內安裝有相連接的第一軸承和第一轉軸，剛性從動桿9的兩端分別設有通過螺栓固定的第一連桿接頭18和第二連桿接頭19，第一連桿接頭18與第一轉軸鉸接，第二連桿接頭19與第二轉軸鉸接，在旋轉電機16驅動后，依次帶動剛性主動桿8和剛性從動桿9，從而使動平臺1運動；采用雙剛性桿鉸接的機械臂結構，使得整個并聯分支結構簡單、質量大、剛性高，與雙柔性機械臂或柔性-剛性結合相比，具有力矩傳遞穩(wěn)定、系統(tǒng)剛性大和柔性變形對運動軌跡影響小等優(yōu)點，同時高剛性具有變形小的特點，力矩傳遞損耗更小，運動參數采集和系統(tǒng)的運動控制更加準確。

在本實施例中，直線電機10選用美國rockwell公司生產的lz-030-0-120型直線電機；旋轉電機16選用新加坡akribis公司生產的adr175-b143型直接驅動旋轉電機，其內部的編碼器型號為ms-20250；磁柵尺14采用寧波埃伯格測控技術有限公司生產的型型號為msr50h的磁柵尺；通過選用合適的直線電機10和旋轉電機16，在旋轉電機16驅動機械臂結構(剛性主動桿8和剛性從動桿9)的同時，其自身的位置也可以在直線電機10的驅動下移動，再搭建合理的結構，從而使并聯機構成為驅動冗余，即增大了并聯機構的工作空間，也極大地改善了并聯機構存在奇異位形的問題，提高了并聯機構運動的靈活性，并且采用直接驅動方式(直線電機10直接驅動旋轉電機16，旋轉電機16直接驅動機械臂結構)，省略中間的傳動機構，可以從根本上消除減速器帶來的負面效果，直接驅動方式具有高速、高精度、重量輕、剛性高、噪音小、維護簡便、速度調控性好、機械結構設計簡單等優(yōu)點，其優(yōu)勢是傳統(tǒng)的電機加減速器的驅動方式無法比擬的，而相對于液壓驅動方式和氣壓驅動方式，直接驅動方式在精度、速度、控制的便利性等方面也具有很大的優(yōu)勢。

所述控制單元包括計算機20、運動控制卡21、端子板22、直線電機伺服驅動單元23和旋轉電機伺服驅動單元24，計算機與20運動控制卡21連接，運動控制卡21與端子板22連接，端子板22分別與角加速度傳感器3、加速度傳感器4、磁柵尺14、編碼器、直線電機伺服驅動單元23和旋轉電機伺服驅動單元24連接，直線電機伺服驅動單元23與直線電機10連接，旋轉電機伺服驅動單元24與旋轉電機16連接；

角加速度傳感器3測量動平臺1在豎直方向上的角加速度信號，加速傳感器4測量動平臺1在水平面上兩個方向的加速度信號，這些信號通過端子板22輸入到運動控制卡21進行a/d轉換得到數字信號，由計算機20對數字信號進行處理得到動平臺1的反饋信號(即動平臺1在三個自由度上的位移信息和角位移信息)；

磁柵尺14測量直線電機動子的位移信號，即旋轉電機16整體的位移信號，編碼器測量旋轉電機16轉動的角位移信號，這些信號通過端子板22輸入到運動控制卡21進行脈沖計數得到數字信號，由計算機20對數字信號進行處理得到直線電機10和旋轉電機16的輸出信號；

計算機20根據動平臺1的反饋信號、直線電機10和旋轉電機16的輸出信號，得到控制信號，控制信號通過運動控制卡21、端子板22輸入到直線電機伺服驅動單元23和旋轉電機伺服驅動單元24，控制直線電機10和旋轉電機16的輸出，實現對動平臺1的運動控制。

在本實施例中，計算機20選用的cpu型號為corei77700k，內存為8gb，主板有pci-e卡槽，可插運動控制卡21；運動控制卡21選用美國固高公司生產的gts-400-pv-pci系列運動控制器，該運動控制卡集成了多通道a/d轉換、d/a轉換和脈沖計數功能，具有4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位功能)，光耦隔離通用數字信號輸入和輸出各有16路，四倍頻增量式輔助編碼器輸入2路，a/d模擬量采樣輸入8路，模擬量輸入輸出的電壓范圍是：-10v～+10v。

如圖1～圖4所示，本實施例還提供了一種冗余平面并聯機構控制方法，所述方法基于上述裝置實現，包括以下步驟：

步驟一、利用動平臺1上的角加速度傳感器3測量出動平臺1運動時在豎直方向的角加速度信號，利用動平臺1上的加速度傳感器4測量出動平臺1運動時在水平面上x、y兩個方向上的加速度信號，對這些信號通過運動學逆解后分別得到直線電機10的速度分量信號和旋轉電機16的角速度分量信號；

步驟二、將步驟一測量的模擬信號通過端子板22輸入到運動控制卡21進行a/d轉換得到數字信號，由計算機20對數字信號進行處理，具體地，由計算機20運行控制算法和進行濾波處理后，得到動平臺1的反饋信號；

步驟三、利用磁柵尺14測量出直線電機10的位移信號，利用編碼器測量出旋轉電機16的角位移信號，直線電機10的位移信號和旋轉電機16的角位移信號通過端子板22輸入到運動控制卡21進行脈沖計數得到數字信號，由計算機20對數字信號進行處理得到直線電機10和旋轉電機16的輸出信號；

步驟四、計算機20對動平臺1的反饋信號、直線電機10和旋轉電機16的輸出信號進行對比分析處理后，并與所需達到的位置參數對比，運行相應的控制算法計算得到控制信號，控制信號通過運動控制卡21、端子板22輸入到直線電機伺服驅動單元23和旋轉電機伺服驅動單元24，直線電機伺服單元23驅動直線電機10移動，旋轉電機伺服單元24驅動旋轉電機16轉動，使動平臺1達到預期的位置和姿態(tài)。

綜上所述，本發(fā)明的每個并聯分支采用直線電機模組和旋轉電機模組進行驅動，直線電機模組直接驅動旋轉電機模組，旋轉電機模組直接驅動剛性主動桿來帶動剛性從動桿，進而使動平臺運動，由于采用直接驅動方式，沒有采取任何中間傳動機構，無因引入傳動機構而帶來的磨擦問題、齒側間隙問題，驅動精度高、響應快，還能簡化結構，減小質量，降低并聯機構工作時的噪音，并聯機構的維護保養(yǎng)也更加方便；同時，在動平臺上設有角加速度傳感器和加速度傳感器，可測量動平臺在沿垂直方向的角加速度，以及在水平面上x方向和y方向的加速度，直線電機模組帶有位移傳感器，可測量旋轉電機模組的位移信號，旋轉電機模組帶有編碼器，可測量旋轉電機的角位移信號，根據各傳感器測得的運動參數，實現對動平臺的控制。

以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的實施例，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明專利所公開的范圍內，根據本發(fā)明專利的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明專利的保護范圍。