[发明专利]一种基于接触式传感器的柔性铰链并联机器人控制装置

权利要求书

1.一种基于接触式传感器的平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征在于：整个装置包括平面三自由度柔性铰链并联机器人、可编程多轴运动控制器、主控工控机、驱动模块、限位模块和测量模块；其中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；测量模块由线尺传感器和线尺传感器数据采集板组成；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；驱动模块共有三组分别控制机器人的三个支链且每组结构相同，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；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机构零点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；测量模块采用接触式测量方法，由线尺传感器和线尺传感器数据采集板组成；三个线尺传感器均匀布置在基座周向，三条拉线端分别铰接于末端执行器中心处的相异两点及末端执行器的一个端点；中心点处的拉线用于测量末端执行器的实际位置，末端执行器端点处的拉线用于测量末端执行器的实际姿态；当末端执行器运动时，与末端执行器相铰接的拉线伸缩，经换算可以得到末端执行器的实际位姿；线尺传感器数据采集板插在主控工控机的插槽上，通过ISA总线与主控工控机进行通讯，线尺传感器数据采集板与线尺传感器之间通过接线板连接，线尺传感器数据采集板将线尺传感器测得的末端执行器位姿信息经过处理后通过ISA总线传送给主控工控机；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、显示功能，可编程多轴运动控制器插在主控工控机的PCI插槽上，通过PCI总线与主控工控机进行通讯；可编程多轴运动控制器具有实时性、高精度和高可靠性特点，通过数据电缆和转接板与各驱动模块和限位模块进行通讯，负责各运动支链的协调控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于接触式传感器的平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征在于：该装置的机械结构包括：末端执行器（1）、基座（2）、驱动副（3）、主动杆（4）、柔性铰链（5）、从动杆（6）、转动副（7）、减速器（8）、伺服电机（9）、限位接近传感器（10）、回零接近传感器（11）、线尺传感器（12）、拉线（13）；其中，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）连接构成运动支链；从动杆（6）与末端执行器（1）通过转动副（7）连接；主动杆（4）与驱动副（3）、柔性铰链（5）与主动杆（4）和从动杆（6）、从动杆（6）与转动副（7）之间为螺栓连接；驱动部分均匀分布在基座（2）周向，伺服电机（9）一端通过螺栓连接固定在基座（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）；线尺传感器（12）均匀布置在基座（2）周向，每个线尺传感器（12）有一条拉线（13），三条拉线（13）分别铰接于末端执行器（1）中心处的相异两点及末端执行器（1）的一个端点。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于接触式传感器的平面三自由度柔性铰链并联机器人控制装置，其特征在于：该装置通过以下步骤实现控制过程：

a、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；

b、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；

c、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；

d、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；

e、伺服驱动器将控制信号发送给伺服电机，伺服电机将控制力矩经过减速器传递给驱动副，驱动副带动主动杆，主动杆通过柔性铰链带动从动杆，使得末端执行器可以进行给定的工作任务；

f、机器人运行中，线尺传感器测量末端执行器的位姿信息，线尺传感器数据采集板对位姿信息进行处理，并发送给主控工控机；

g、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b到步骤g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。