[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

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于接触式传感器的控制装置，涉及并联机器人控制技术领域，尤其涉及一种基于接触式传感器的柔性铰链并联机器人控制装置。

背景技术

并联机器人是一种具有闭链结构的先进机器人，在机构学上具有运动惯量低、负载能力强、刚度大等优点，弥补了传统工业机器人的不足。柔顺机构是一种利用机构中构件自身的柔性变形来完成运动、力和能量的传递和转换的新型机构，由于没有运动副，避免了运动副所带来的摩擦、磨损和润滑等问题。与传统的刚性机构相比，它的优越性主要表现为降低成本和提高性能两方面。柔顺机构和并联机器人有着密切的联系。由并联机器人技术、柔性铰链技术和微/纳米技术的发展而形成的微/纳米并联微操作机器人应用广泛。在设计并联机器人控制系统时，常把各运动支链当作完全独立的系统进行分析，由于其忽略了各支链的耦合效应，同时无法建立准确的动力学模型，控制精度难以保证。

柔性铰链并联机器人是具有分布参数的强耦合、非线性、时变、多输入、多输出系统，且具有逆动力学的不确定性，其在运动过程中利用柔性铰链进行传动，与使用传统运动副相比，系统刚度发生改变，会引起机器人末端执行器的运动误差及系统整体的弹性震动。在对柔性串联机器人的研究中，为了减低关节柔性和杆件柔性对系统运行精度的影响，使用闭环控制策略实现关节空间和操作空间的误差补偿，并取得了不错的效果。开展柔性并联机器人的闭环控制研究成为提高机器人系统运行精度的关键，而实现闭环控制首先需要实现机器人末端执行器运动数据的实时采集。通常的方法是采用线位移或角位移传感器测量末端执行器的实际位姿。这类传感器大致可以分为接触式和非接触式两种，其中非接触式传感器有激光干涉仪、经纬仪、三坐标视觉测量仪等测量设备，尽管精度高，但成本高且数据处理过程复杂，在实际测量中实用性受到限制。接触式传感器虽然精度较非接触传感器低，但在精度要求不高的场合，其相对简单的测量原理和较低的成本更适合于数据采集系统的开发。

针对柔性铰链并联机器人多闭环、多输入、多输出、非线性、易受外界环境干扰等问题，同时考虑柔性铰链对系统运行精度的影响以及操作复杂程度和成本等内容，本发明提出了一种基于接触式传感器的柔性铰链并联机器人控制装置，该装置采用模块化控制模式，具有响应速度快、信息处理能力强、可靠性高等特点。

发明内容

发明的目的在于提出了一种基于接触式传感器的柔性铰链并联机器人控制装置，该装置由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组成。该装置实现了对机器人的闭环控制，降低了柔性铰链的弹性变形对系统运行精度的影响，提高了机器人的实用性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于接触式传感器的柔性铰链并联机器人控制装置，该装置的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；驱动模块的输出端与柔性铰链并联机器人的驱动副连接；柔性铰链并联机器人通过测量模块与主控工控机连接；其中，平面三自由度柔性铰链并联机器人的机械结构包括末端执行器、基座、与末端执行器和基座相连接的三条结构相同的运动支链、三组结构相同的驱动部分和三个线尺传感器；运动支链中，主动杆一端与驱动副连接，另一端通过柔性铰链与从动杆连接；从动杆与末端执行器通过转动副连接；主动杆与驱动副，柔性铰链与主动杆和从动杆，从动杆与转动副之间为螺栓连接；驱动部分中，伺服电机一端通过螺栓连接固定在基座上，另一端与减速器相连；减速器的另一端与驱动副连接；主动杆输出端两侧对称安装一组限位接近传感器，主动杆输出端下方安装一个回零接近传感器；线尺传感器均匀布置在基座周向，每个线尺传感器有一条拉线，三条拉线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；驱动模块共有三组，分别控制机器人的三个运动支链，每组驱动模块结构相同，包括伺服驱动器、伺服电机、旋转编码器和减速器；限位模块由回零接近传感器和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；各功能模块与主控工控机和可编程多轴运动控制器之间使用数据电缆进行通讯。