[发明专利]稳定性训练用模块化组合式运动平台及其限幅随机运动规划与控制方法

说明书

稳定性训练用模块化组合式运动平台及其限幅随机运动规划与控制方法，它涉及一种机器人及其控制方法。本发明为解决现有的串并联机构运动平台无法重组为不同自由度的机构构型，和未提供以平台的限幅随机运动模拟环境扰动的运动生成及控制方法的问题。设计了中心支撑模块、立柱模块、球铰连杆模块、二自由度动平台模块、单自由度动平台模块、无自由度动平台模块，应用此六种模块能组合出自由度数在二至六个的六种不同机构构型，并提供了一种动平台限幅随机运动的实时规划和控制方法。以所设计运动平台的二自由度组合形式进行了加载条件下的运动测试实验，验证了所提供的组合方法和控制方法的有效性。本发明应用于串/并联机器人领域。

技术领域

本发明涉及一种串并联运动平台及其运动规划与控制方法，具体涉及一种稳定性训练用的模块化组合式串并联机构运动平台及其限幅随机运动的规划与控制方法。

背景技术

在飞行员/宇航员训练、脑卒中复健、生物平衡机制研究和足/腿式机器人自稳定能力获得等众多实际应用和科学研究中，多自由度运动平台均被作为人、动物、机器人的平衡感训练或测试的硬件环境，因此运动平台本身及以其模拟环境中的各类扰动所需的限幅随机运动规划与控制方法均有广泛的应用前景。

目前的应用中所使用的运动平台多为6自由度Stewart平台，其由6个并联的液压缸驱动，Stewart平台及其它并联机构运动平台在稳定训练的应用中表现出了运动范围小、速度慢、台面较高不易上下的缺点。

在足式/腿式机器人的自稳定能力获得方面，也有研究者开始使用串/并联机构的6自由度运动平台模拟工作环境中的各种扰动。2014年发表于哈尔滨工业大学学报(英文版)第2期75-82页的论文提供了一种腿式机器人稳定性训练用的6自由度串并联机构平台，并进行了该平台的运动学、动力学分析，文中所述的运动平台具有4个并联自由度和2个串联自由度，同时具有并联机构承载能力强和串联机构运动范围大、速度快的优点，且通过机构设计使动平台台面高度降低，方便上下。解决了传统并联运动平台在稳定性训练应用中暴露的问题，但此论文未涉及串并联机构平台的具体机械结构设计和实现。

公开日为2013年10月9日，公开号为CN103345858A，专利号为ZL201310250326.5的发明专利提供了一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置。文中所述的运动平台具有四根并联支撑脚，支撑脚的滑块通过两端带有球铰的连杆与下平台相连，上下层间采用两根串联滑轨组成的串联机构并添加了垂直沟槽结构的滚动支撑。此发明专利提供了6自由度串并联运动平台的机械结构设计方案，但没有涉及方便变形、组合成具有不同扰动自由度的模块化组合式设计方案，也没有涉及以训练平台模拟环境扰动的限幅随机运动规划与运动控制的具体方法。

综上，现有专利文献、学术论文中设计或应用的多自由度运动平台存在的问题与不足可总结为：传统的并联平台由于台面高、运动范围小、速度慢等缺陷不适合稳定性训练的应用；现有的6自由度串并联平台未进行模块化组合式设计，无法根据稳定性训练的需要变形重组为具有特定扰动自由度数的不同机构构型。且现有文献中均未给出根据所要训练的生物或机器人运动能力上限，模拟生成与环境扰动相对应的限幅随机运动的运动规划与控制方法。

发明内容

本发明的目的是在一种步行机器人稳定性训练用六自由度串并联机构平台装置(公开号CN103345858A，专利号ZL201310250326.5)的基础上，提供上述稳定性训练用运动平台的一种模块化组合式设计方案，及具有不同运动自由度的运动平台组合方法，并提供以平台限幅随机运动模拟环境扰动的运动规划与实时控制方法，以解决现有的多自由度运动平台在需要不同运动自由度的应用场景中难以快速变构型重组，和现有运动平台缺乏限幅随机运动的实时规划与控制方法的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

技术方案一：一种稳定性训练用的模块化组合式串并联机构运动平台：