[發明專利]可變結構參數柔索并聯機器人系統及控制方法

有效

• 申請號: 201410571166.9
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104440870A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 訾斌;錢森;劉浩;王道明
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/20
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

1.可變結構參數柔索并聯機器人系統，其特征在于：包括柔索并聯機器人、柔索并聯機器人的液路系統、柔索并聯機器人控制電路、柔索并聯機器人控制系統，其中：

所述柔索并聯機器人包括有水平設置的環形導軌，導軌上滑動安裝有多個基座，所述基座上分別設置有伺服電機、雙向液壓馬達，其中伺服電機傳動連接有變速箱，每個基座中分別轉動安裝有與變速箱傳動連接的驅動輪，各個基座分別通過驅動輪滑動安裝在導軌上，雙向液壓馬達傳動連接有減速機，減速機傳動連接有卷揚機，每個基座上還豎向安裝有液電混合驅動的雙向液壓缸，雙向液壓缸伸縮部頂端分別轉動安裝有導向定滑輪，導向定滑輪上分別繞過有柔索，每個柔索一端分別多圈纏繞在各自對應的基座上的卷揚機上，多個柔索另一端分別伸向環形導軌中心上方并共同連接有末端執行器；

所述柔索并聯機器人的液路系統包括液壓泵，液壓泵的輸入與外部液壓油源連接，液壓泵有兩路輸出，其中一路輸出通過一個電磁比例換向閥供油至各個雙向液壓缸，另一路輸出通過另一個電磁比例換向閥供油至各個雙向液壓馬達；

所述柔索并聯機器人控制電路包括柔索驅動機構控制電路、伸縮式柔索支柱控制電路、可移動基座控制電路，可移動基座控制電路由伺服電機數量相同的伺服電機驅動器構成，柔索驅動機構控制電路由與雙向液壓馬達數量相同的比例放大器一構成，伸縮式柔索支柱控制電路由與雙向液壓缸數量相同的比例放大器二構成，其中伺服電機驅動器的輸出端一一對應與各個伺服電機連接，比例放大器一的輸出端分別與供油至各個雙向液壓馬達的電磁比例換向閥連接，比例放大器二的輸出端分別與供油至各個雙向液壓缸的電磁比例換向閥連接，各個伺服電機驅動器、比例放大器的輸入端分別接入柔索并聯機器人控制系統；

所述柔索并聯機器人控制系統包括帶通信接口的主控工控機、帶通訊模塊的運動控制板卡、人機交互界面、反饋模塊，所述人機交互界面接入主控工控機，主控工控機與運動控制板卡通訊連接，各個伺服電機驅動器、比例放大器的輸入端分別通過CAN總線接入運動控制板卡，所述反饋模塊包括多組一一對應安裝在伺服電機上的光電編碼器、多組一一對應安裝在雙向液壓缸上的光柵位移傳感器、多組共同安裝在末端執行器上的激光測距傳感器、接近傳感器、重力傳感器，以及多組一一對應安裝在柔索上的測力傳感器和拉線位移傳感器，所述光電編碼器、光柵位移傳感、激光測距傳感器、接近傳感器、重力傳感器、測力傳感器、拉線位移傳感器的數據輸出端分別接入運動控制板卡反饋輸入端。

2.根據權利要求1所述的可變結構參數柔索并聯機器人系統，其特征在于：所述液路系統中，液壓泵與輸入接入有過濾器，液壓泵上還接入有溢流閥。

3.根據權利要求1所述的可變結構參數柔索并聯機器人系統，其特征在于：主控工控機、運動控制板卡、伺服電機驅動器、比例放大器以及反饋模塊之間以串行總線方式進行通信，構成一個通信網絡系統。

4.一種可變結構參數柔索并聯機器人系統的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）、進行系統的初始化，檢測各個模塊之間網絡通訊狀態是否良好，人工輸入末端執行器的初始位置坐標，根據設定的目的地坐標進行全局路徑規劃；

（2）、開啟各個傳感器單元，檢測安裝在可變結構參數柔索并聯機器人上各傳感器輸入和反饋各類信號的實時狀態，生成能實際運行的現場軌跡路線，末端執行器的軌跡運行路線和騎上傳感器的反饋信號均通過通訊裝置在人機交互式界面上實時更新和顯示，便于監控和調試；

（3）、可變結構參數柔索并聯機器人牽引被控對象末端執行器運動時，安裝在末端執行器上的個激光測距傳感器、重力傳感器和接近傳感器，以及分別安裝在四根柔索上的測力傳感器，將測得的對應數據傳送到運動控制板卡的反饋輸入端，運動控制板卡實時處理測量數據并通過通訊模塊把測量數據發送給主控工控機，主控工控機及時的把各類傳感器信號的數據顯示在人機交互式界面上，便于監控和調試；

（4）、主控工控機對接收到的信號進行分析處理，完成人機交互功能和柔索并聯機器人力學計算，控制系統解算，獲得控制指令，控制指令通過通信接口傳送給運動控制板卡；

（5）、運動控制板卡對接受的各類控制指令進行綜合分析，計算出控制信號，分別將信號發送給柔索并聯機器人的控制電路中柔索驅動機構控制電路、伸縮式柔索支柱控制電路和可移動基座控制電路，完成實時控制柔索并聯機器人進行雙向液壓缸的伸縮、基座在圓形導軌上的移動和四根柔索的收索與放索協調動作，進而實現被控對象末端執行器空間三維平動自由度的高精度運動，其中：

安裝在柔索上的拉線位移傳感器用于測量柔索的位移和速度信號，運動控制板卡對該信號進行控制處理，發出的指令經過比例放大器一放大用來控制對應的電磁比例換向閥，外部液壓泵通過過濾器抽取液壓油經過電磁比例換向閥為雙向液壓馬達提供原動力，電磁比例換向閥通過調節流經雙向液壓馬達的流體流量進而控制雙向液壓馬達的轉速，從拉線位移傳感器的反饋到調節雙向液壓馬達的轉速，構成一個速度反饋機制保證雙向液壓馬達轉速恒定，雙向液壓馬達帶動卷揚機進而得以保證柔索速度的恒定；

安裝在雙向液壓缸上的光柵位移傳感器測得液壓缸的伸縮位移與速度信號，運動控制板卡對該信號進行控制處理，發出的指令經過比例放大器二放大用來控制對應的電磁比例換向閥，外部液壓泵通過過濾器抽取液壓油經過電磁比例換向閥為雙向液壓缸提供原動力，電磁比例換向閥通過調節流經雙向液壓缸的流體流量進而控制雙向液壓缸的伸縮位移和速度信號，從光柵位移傳感器的反饋到控制雙向液壓缸的伸縮位移和速度，構成速度反饋控制從而保證液壓缸速度恒定；

安裝在伺服電機上的光電編碼器測得轉角與轉速信號，運動控制板卡對該信號進行控制處理，并與反饋給運動控制板卡的光電編碼器接口構成速度反饋控制以保證伺服電機轉速恒定；

（6）、安裝在末端執行器上的激光測距傳感器、重力傳感器和接近傳感器，以及分別安裝在四根柔索上的測力傳感器，將進一步的檢測末端執行器位置、重力以及接近狀態和柔索應力狀態并及時傳送到運動控制板卡的反饋輸入端，運動控制板卡實時處理測量數據并通過通信裝置把測量數據發送給主控工控機；通過人機交互式界面能夠實時觀測到末端執行器的位姿和三維空間運動圖像信息，并可以進行相應的操作實現末端執行器的暫停和繼續執行任務。