[发明专利]基于虚拟模型的六自由度并联平台运动控制方法

说明书

一种基于虚拟模型的六自由度并联平台运动控制方法，对动平台进行静力分析，在动平台的实际位置和期望位置之间，增加虚拟的弹簧刚度‑阻尼模型，构建动平台的六维受力模型；对平台模型进行必要的简化，推导平台驱动杆件驱动力同作用在动平台质心点上的虚拟力的映射关系；根据运动需求，规划基于五次曲线的动平台运动轨迹；利用建立的六自由度并联平台的虚拟力模型、虚拟力映射关系以及动平台的期望运动轨迹即可求出所需虚拟力的大小，并进而计算得到各个驱动杆件的输出推力，进而驱动六自由度并联平台按照规划的运动轨迹完成期望的运动。该方法有效地保证平台运动的稳定性，运动误差较小，运动稳定性较高。

技术领域

本发明涉及一种六自由度并联平台基于虚拟模型的力控制方法，使用该方法，可使六自由度并联平台通过力控制方式按规划完成期望运动，且能够有效地保证其运动过程的连续性，属于六自由度并联平台运动控制领域。

背景技术

并联机构与串联形式构成的机构相比，具有许多无与伦比的优势：首先，并联机构的动平台和静平台之间通过驱动杆件模块相连接，其工作平台由多个杆件支撑，结构刚度大，负重能力强；第二，串联形式的机构在末端位置的控制误差是各个关节误差的累积，末端误差较大，而并联机构末端位置没有各个驱动杆件误差的累积，精度较高；第三，串联机构关节的动力系统通常置于关节位置，而并联机构更容易将其动力系统置于机构静平台基座上，这样可以降低各个驱动杆件的惯性，提高机构的动力学性能。并联机构与目前广泛应用于工业机器人的串联机构相比，在特点上具有互补关系，有效扩大了机器人的使用范围。

并联平台采用刚性的运动副传递运动和力，由于平台机械结构的误差，驱动杆件运动的摩擦以及铰链的间隙等因素的影响，导致实际机构构型同理想状态存在差距。并联平台通过位置控制的方式进行控制时，存在以下的不足：首先，由于平台机构构型误差，位置控制也相应的存在误差，甚至会损害并联平台的机构；第二，采用位置控制的并联平台无法获得良好的柔顺性能。因而必须实现六自由度并联平台的力控制以克服位置控制的不足。

然而，现有的并联平台力控制方法基本上都是基于动力学模型提出的。由于六自由度并联平台的动力学建立方法较为复杂，因而，这些算法均具有较高的复杂度。另外，现有的对六自由度并联平台轨迹的规划方法大多是基于三次样条曲线进行的，无法同时满足对并联平台运动过程中位置、速度以及加速度的要求。

发明内容

针对六自由度并联平台现有力控制方法的不足与运动轨迹规划方法的缺陷，本发明提供一种基于虚拟模型的六自由度并联平台运动控制方法。使用该方法，在不需要建立精确动力学模型的情况下，即可实现六自由度并联平台的动力学控制，且能够通过阻尼和刚度参数有效地调节平台的柔顺特性。另外，给出了基于五次曲线的运动轨迹规划方法，能够使并联平台在满足运动需求的前提下，有效地保证整个运动过程的连续性。

本发明的基于虚拟模型的六自由度并联平台运动控制方法，是基于平台的虚拟模型给出的。结合六自由度并联平台的结构与运动特点，对动平台进行静力分析，在动平台的实际位置和期望位置之间，增加虚拟的弹簧刚度-阻尼模型，构建动平台的六维受力模型；对平台模型进行必要的简化，推导平台驱动杆件驱动力同作用在动平台质心点上的虚拟力的映射关系；根据运动需求，规划基于五次曲线的动平台运动轨迹；利用建立的六自由度并联平台的虚拟力模型、虚拟力映射关系以及动平台的期望运动轨迹即可求出所需虚拟力的大小，并进而计算得到各个驱动杆件的输出推力，进而驱动六自由度并联平台按照规划的运动轨迹完成期望的运动。

具体包括以下步骤：

(1)对动平台进行静力分析，并将动平台受到的驱动杆推力在其质心处进行分解；

(2)在动平台的实际位置和期望位置之间，增加虚拟的弹簧刚度-阻尼模型，建立六自由度并联平台的虚拟弹簧刚度-阻尼模型；

(3)忽略动平台所受重力，只考虑动平台受外力的影响，由此求出动平台弹簧刚度-阻尼虚拟模型的数学表达式；