[发明专利]冗余驱动并联机构驱动力优化方法及轴组控制验证平台

说明书

技术领域

本发明属于冗余驱动并联机构运动控制技术领域，涉及一种冗余驱动并联机构的驱动力优化分配方法及轴组控制验证平台。

背景技术

仿生咀嚼机器人可以模拟人类下颌运动行为、再现其生物力学环境，其研究成果在口腔医学和食品科学等领域具有广阔应用前景。人体口颌系统下颌驱动肌肉数目明显多于下颌运动的自由度，所以口颌系统具有冗余驱动的特性。在颞下颌关节及关节盘等组织的约束下，左右两侧颞下颌各约束两个自由度，下颌运动只具有四个自由度。冗余驱动的特性具有许多优势，可以改善工作空间中的奇异位形，解决奇异点导致的运动精度降低、刚度减小和驱动关节无法实施控制等问题。但由于冗余驱动力的存在，使得逆动力学方程不存在唯一解，这增大了并联机构控制的难度，因此，需要找到一种适合冗余驱动并联机构力控制的方法。

冗余驱动并联机构的控制方法一般有两种，即运动学控制与动力学控制。运动学控制比较简单，一般应用在精度不高，速度较慢的场合。冗余驱动并联机构控制中易存在的位置误差以及瞬时反向驱动，使得机构中各个支链间容易产生较大的内力，过大的内力在高速和大负载的情况下会造成杆件的严重破坏。针对冗余驱动并联机构的研究主要集中在机构设计、奇异性分析等方面，通过机构优化来提高性能。然而，针对运动性能起关键作用的动力学控制研究较少，从某种程度上限制了冗余驱动并联机构的性能提升及推广应用。本发明旨在提出一种冗余驱动并联机构驱动力优化分配方法，解决机构内力分配不均的问题。

发明内容

本发明是为了解决冗余驱动并联机构普遍存在的驱动力分配不均，机构内力过大，运动控制难等问题，提出了一种冗余驱动并联机构驱动力优化分配方法及对此方法的轴组控制验证平台。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种冗余驱动并联机构驱动力优化分配方法，包括以下步骤：

第一步，建立机器人坐标系描述机器人的运动，建立3个坐标系描述冗余驱动并联机构的运动，如图7所示。含有点接触高副的冗余驱动并联机构具有4个自由度，广义坐标只有4个，采用四个独立位置参数X_L,Y_L,β_L,γ_L描述动平台的位姿。

第二步，建立运动学方程；建立并联6PUS机构支链及点接触高副约束方程，并完成冗余驱动并联机构的运动学计算。

第三步，建立动力学方程；在运动学方程的基础上，求解机器人的动能与势能，建立冗余驱动并联机构的动力学模型。

第四步，建立拉格朗日方程；采用第一组与第二组第一类拉格朗日方程，通过引入6个拉格朗日算子求解驱动力/力矩，由于冗余驱动并联机构特性，由四个方程求解6个未知数，驱动力/力矩有无限组解。

第五步，伪逆优化方法求解驱动力；采用伪逆矩阵对六个拉格朗日算子λ_i(i＝1,2,…,6)进行优化，通过联立方程消除拉格朗日算子，求得驱动力/力矩的最小二范数解，得到最优驱动力。六个拉格朗日算子λ_i(i＝1,2,…,6)由公式(26)获得，但是很明显只有四个方程，因此，采用伪逆矩阵进行优化，得到六个拉格朗日算子的数值解。

求得冗余驱动并联机构的最优化驱动力，同时该方法可以推广用在其他冗余驱动并联机构的驱动力优化分配问题。

一种运行上述方法的冗余驱动并联机构轴组控制验证平台，包括冗余驱动控制模块、轴组运动控制模块、伺服驱动、传感系统及冗余驱动并联机构本体，如图3所示；所述冗余驱动控制模块位于上位机PC中，冗余驱动控制模块运行上述方法进行驱动力优化分配，发出控制指令；轴组运动控制模块位于下位机轴组运动控制器中，轴组运动控制器与伺服驱动位于控制柜中，轴组运动控制器接收冗余驱动控制模块发出的控制指令，并将控制指令通信至伺服驱动；传感系统与轴组运动控制模块相连，传感系统采集冗余驱动并联机构本体的数据，并将采集的数据反馈给轴组运动控制模块，实现对伺服电机的闭环控制，保证冗余驱动并联机构电机的驱动力矩；所述的采集的数据包括冗余驱动并联机构的受力、速度、位置等信息。

所述冗余驱动并联机构本体采用专利“一种具有仿生颞下颌关节的冗余驱动咀嚼机器人”，专利号：ZL201310602874.X。

所述的冗余驱动并联机构本体包括6条PUS并联支链和2个点接触高副HKP(Higher Kinematic Pair)，机构形式为6PUS-2HKP，如图1所示。