[發明專利]三自由度球面并聯機構姿態閉環控制方法

無效

• 申請號: 201210062832.7
• 申請日: 2012-03-12
• 公開（公告）號: CN102566466A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 繆金松;謝少榮;徐元玉;郭其明;羅均
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05B19/04
• 分類號: G05B19/04
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

????本發明涉及一種三自由度球面并聯機構姿態閉環控制方法，具體的說是基于姿態反饋實現球面并聯機構的閉環控制方法，該方法有效地解決了該機構輸入與輸出之間復雜的三維非線性強耦合映射關系給構建閉環控制系統帶來的諸多問題。

背景技術

并聯機器人機構屬于空間多自由度多閉環機構，和串聯機構相比，并聯機構具有剛度大、承載能力大、積累誤差大、動態特性好、結構緊湊等特點。其中球面并聯機構是一種可實現三自由度轉動的并聯機構，近年來在機床、攝像機定位、機器人關節等方面得到了廣泛應用。

但是球面并聯機構各零件結構復雜，加工難度較大，零件的加工精度和裝配精度等很難符合設計要求，導致球面并聯機構有一定的姿態定位誤差，尤其是在大角度定位時，誤差較大，影響了該機構的實際應用。針對該問題，以往的球面并聯機構多采用半姿態閉環的控制方法，在電機輸出端加編碼器進行電機轉角反饋，而沒有實現全閉環的控制方法。本發明提出一種球面并聯機構的姿態閉環控制方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種三自由度球面并聯機構姿態閉環控制方法。在球面并聯機構上平臺上安裝姿態傳感器（圖1）對上平臺姿態的實時測量與反饋，采用（圖2所示）姿態閉環控制算法，分3步對姿態進行閉環控制。

為達到上述目的，本發明的構思是：本三自由度球面并聯機構姿態閉環控制操作步驟：

（1）、輸入上平臺的目標姿態????????????????????????????????????????????????，通過逆解模型可以得到三個電機轉角，三個電機轉動到相應位置；

（2）、姿態傳感器測得的實際的姿態與目標姿態進行比較得到姿態偏差，通過姿態偏差補償函數得到偏差補償值。另一方面實際姿態對系統也有一定的補償作用，通過當前姿態補償函數得到當前姿態補償值。最后將目標姿態、偏差補償值和當前姿態補償值相加，得到姿態校正值，并將該值代入逆解模型中，重新計算三個電機轉角，電機轉動到補償后位置；

（3）、如果姿態傳感器檢測姿態誤差在允許范圍以內，閉環控制完成，如果不在允許范圍內，重復步驟（2），直至誤差在允許范圍內。

由于系統非線性強耦合特征，單方向偏差補償跟三個方向姿態誤差以及其他因素都有密切關系，因此很難總結出一個準確的偏差補償函數。為簡化系統設計難度，假設單方向偏差補償函數只由該方向的誤差決定，采用二次項方程近似表示兩者關系：

式中，為常數，為一次項系數，為二次項系數。

同樣假設單方向姿態實測值補償函數只由該方向姿態實測值決定，采用二次項方程近似表示兩者關系：

式中，為常數，為一次項系數，為二次項系數。

在調試過程中，針對不同系統，根據實際效果，對上兩式中各常數和系數進行調整，以達到最佳效果。

根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案：

一種三自由度球面并聯機構姿態閉環控制方法，控制對象為三自由度球面并聯機構，該機構由上平臺、三組上連桿、三組下連桿、三組伺服電機、三組支架組成下平臺，其特征在于：在所述三自由度球面并聯機構前端安裝一個姿態傳感器實現并聯機構姿態閉環控制；在不斷檢測球面并聯機構上平臺位姿與目標位姿的偏差下，通過下平臺三個伺服電機運動去糾正偏差，直到偏差小于精度要求，閉環控制結束；實現對球面并聯機構上平臺姿態的精準控制，包括球面并聯機構上平臺上安裝姿態傳感器對上平臺姿態的實時測量與反饋，采用上平臺姿態閉環控制算法對上平臺姿態進行閉環控制；

其控制步驟如下：

1)???輸入上平臺將要運動的目標姿態；

2)???將上平臺目標姿態代入逆解模型得到下平臺三個伺服電機轉角；

3)???電機控制器控制三個伺服電機轉動到相應位置；

4)???安裝在上平臺的姿態傳感器檢測到實際的姿態；

5)???將實際姿態與目標姿態進行比較得到姿態偏差；

6)???判斷姿態偏差是否滿足精度指標要求；

7)???如果偏差滿足精度要求，閉環控制結束；如果不滿足要求通過姿態偏差補償函數得到偏差補償值；另一方面實際姿態對系統也有一定的補償作用，通過當前姿態補償函數得到當前姿態補償值；最后將目標姿態、偏差補償值和當前姿態補償值相加，得到姿態校正值，重復步驟2到步驟6，將該值代入逆解模型中，重新計算三個伺服電機轉角，伺服電機轉動到補償后位置，直至誤差在允許范圍內。

所述偏差補償函數為