[发明专利]三自由度球面并联机构姿态闭环控制方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种三自由度球面并联机构姿态闭环控制方法，具体的说是基于姿态反馈实现球面并联机构的闭环控制方法，该方法有效地解决了该机构输入与输出之间复杂的三维非线性强耦合映射关系给构建闭环控制系统带来的诸多问题。

背景技术

并联机器人机构属于空间多自由度多闭环机构，和串联机构相比，并联机构具有刚度大、承载能力大、积累误差大、动态特性好、结构紧凑等特点。其中球面并联机构是一种可实现三自由度转动的并联机构，近年来在机床、摄像机定位、机器人关节等方面得到了广泛应用。

但是球面并联机构各零件结构复杂，加工难度较大，零件的加工精度和装配精度等很难符合设计要求，导致球面并联机构有一定的姿态定位误差，尤其是在大角度定位时，误差较大，影响了该机构的实际应用。针对该问题，以往的球面并联机构多采用半姿态闭环的控制方法，在电机输出端加编码器进行电机转角反馈，而没有实现全闭环的控制方法。本发明提出一种球面并联机构的姿态闭环控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三自由度球面并联机构姿态闭环控制方法。在球面并联机构上平台上安装姿态传感器（图1）对上平台姿态的实时测量与反馈，采用（图2所示）姿态闭环控制算法，分3步对姿态进行闭环控制。

为达到上述目的，本发明的构思是：本三自由度球面并联机构姿态闭环控制操作步骤：

（1）、输入上平台的目标姿态                                                ，通过逆解模型可以得到三个电机转角，三个电机转动到相应位置；

（2）、姿态传感器测得的实际的姿态与目标姿态进行比较得到姿态偏差，通过姿态偏差补偿函数得到偏差补偿值。另一方面实际姿态对系统也有一定的补偿作用，通过当前姿态补偿函数得到当前姿态补偿值。最后将目标姿态、偏差补偿值和当前姿态补偿值相加，得到姿态校正值，并将该值代入逆解模型中，重新计算三个电机转角，电机转动到补偿后位置；

（3）、如果姿态传感器检测姿态误差在允许范围以内，闭环控制完成，如果不在允许范围内，重复步骤（2），直至误差在允许范围内。

由于系统非线性强耦合特征，单方向偏差补偿跟三个方向姿态误差以及其他因素都有密切关系，因此很难总结出一个准确的偏差补偿函数。为简化系统设计难度，假设单方向偏差补偿函数只由该方向的误差决定，采用二次项方程近似表示两者关系：

式中，为常数，为一次项系数，为二次项系数。

同样假设单方向姿态实测值补偿函数只由该方向姿态实测值决定，采用二次项方程近似表示两者关系：

式中，为常数，为一次项系数，为二次项系数。

在调试过程中，针对不同系统，根据实际效果，对上两式中各常数和系数进行调整，以达到最佳效果。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种三自由度球面并联机构姿态闭环控制方法，控制对象为三自由度球面并联机构，该机构由上平台、三组上连杆、三组下连杆、三组伺服电机、三组支架组成下平台，其特征在于：在所述三自由度球面并联机构前端安装一个姿态传感器实现并联机构姿态闭环控制；在不断检测球面并联机构上平台位姿与目标位姿的偏差下，通过下平台三个伺服电机运动去纠正偏差，直到偏差小于精度要求，闭环控制结束；实现对球面并联机构上平台姿态的精准控制，包括球面并联机构上平台上安装姿态传感器对上平台姿态的实时测量与反馈，采用上平台姿态闭环控制算法对上平台姿态进行闭环控制；

其控制步骤如下：

1)   输入上平台将要运动的目标姿态；

2)   将上平台目标姿态代入逆解模型得到下平台三个伺服电机转角；

3)   电机控制器控制三个伺服电机转动到相应位置；

4)   安装在上平台的姿态传感器检测到实际的姿态；

5)   将实际姿态与目标姿态进行比较得到姿态偏差；

6)   判断姿态偏差是否满足精度指标要求；

7)   如果偏差满足精度要求，闭环控制结束；如果不满足要求通过姿态偏差补偿函数得到偏差补偿值；另一方面实际姿态对系统也有一定的补偿作用，通过当前姿态补偿函数得到当前姿态补偿值；最后将目标姿态、偏差补偿值和当前姿态补偿值相加，得到姿态校正值，重复步骤2到步骤6，将该值代入逆解模型中，重新计算三个伺服电机转角，伺服电机转动到补偿后位置，直至误差在允许范围内。

所述偏差补偿函数为