[發(fā)明專(zhuān)利]基于虛擬模型的六自由度并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710386034.2
• 申請(qǐng)日: 2017-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107121930B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張帥帥;樊銘渠;唐興鵬;劉明;朱志強(qiáng);李貽斌
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 分類(lèi)號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 37224 濟(jì)南日新專(zhuān)利代理事務(wù)所
• 代理人: 王書(shū)剛<國(guó)際申請(qǐng)>=<國(guó)際公布>=<進(jìn)入

一種基于虛擬模型的六自由度并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制方法，對(duì)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行靜力分析，在動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置和期望位置之間，增加虛擬的彈簧剛度?阻尼模型，構(gòu)建動(dòng)平臺(tái)的六維受力模型；對(duì)平臺(tái)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，推導(dǎo)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)桿件驅(qū)動(dòng)力同作用在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心點(diǎn)上的虛擬力的映射關(guān)系；根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求，規(guī)劃基于五次曲線的動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡；利用建立的六自由度并聯(lián)平臺(tái)的虛擬力模型、虛擬力映射關(guān)系以及動(dòng)平臺(tái)的期望運(yùn)動(dòng)軌跡即可求出所需虛擬力的大小，并進(jìn)而計(jì)算得到各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿件的輸出推力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)六自由度并聯(lián)平臺(tái)按照規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡完成期望的運(yùn)動(dòng)。該方法有效地保證平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，運(yùn)動(dòng)誤差較小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種六自由度并聯(lián)平臺(tái)基于虛擬模型的力控制方法，使用該方法，可使六自由度并聯(lián)平臺(tái)通過(guò)力控制方式按規(guī)劃完成期望運(yùn)動(dòng)，且能夠有效地保證其運(yùn)動(dòng)過(guò)程的連續(xù)性，屬于六自由度并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)形式構(gòu)成的機(jī)構(gòu)相比，具有許多無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)：首先，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)之間通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿件模塊相連接，其工作平臺(tái)由多個(gè)桿件支撐，結(jié)構(gòu)剛度大，負(fù)重能力強(qiáng)；第二，串聯(lián)形式的機(jī)構(gòu)在末端位置的控制誤差是各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的累積，末端誤差較大，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端位置沒(méi)有各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿件誤差的累積，精度較高；第三，串聯(lián)機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)的動(dòng)力系統(tǒng)通常置于關(guān)節(jié)位置，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)更容易將其動(dòng)力系統(tǒng)置于機(jī)構(gòu)靜平臺(tái)基座上，這樣可以降低各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿件的慣性，提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能。并聯(lián)機(jī)構(gòu)與目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，在特點(diǎn)上具有互補(bǔ)關(guān)系，有效擴(kuò)大了機(jī)器人的使用范圍。

并聯(lián)平臺(tái)采用剛性的運(yùn)動(dòng)副傳遞運(yùn)動(dòng)和力，由于平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的誤差，驅(qū)動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)的摩擦以及鉸鏈的間隙等因素的影響，導(dǎo)致實(shí)際機(jī)構(gòu)構(gòu)型同理想狀態(tài)存在差距。并聯(lián)平臺(tái)通過(guò)位置控制的方式進(jìn)行控制時(shí)，存在以下的不足：首先，由于平臺(tái)機(jī)構(gòu)構(gòu)型誤差，位置控制也相應(yīng)的存在誤差，甚至?xí)p害并聯(lián)平臺(tái)的機(jī)構(gòu)；第二，采用位置控制的并聯(lián)平臺(tái)無(wú)法獲得良好的柔順性能。因而必須實(shí)現(xiàn)六自由度并聯(lián)平臺(tái)的力控制以克服位置控制的不足。

然而，現(xiàn)有的并聯(lián)平臺(tái)力控制方法基本上都是基于動(dòng)力學(xué)模型提出的。由于六自由度并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)建立方法較為復(fù)雜，因而，這些算法均具有較高的復(fù)雜度。另外，現(xiàn)有的對(duì)六自由度并聯(lián)平臺(tái)軌跡的規(guī)劃方法大多是基于三次樣條曲線進(jìn)行的，無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位置、速度以及加速度的要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)六自由度并聯(lián)平臺(tái)現(xiàn)有力控制方法的不足與運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方法的缺陷，本發(fā)明提供一種基于虛擬模型的六自由度并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制方法。使用該方法，在不需要建立精確動(dòng)力學(xué)模型的情況下，即可實(shí)現(xiàn)六自由度并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)控制，且能夠通過(guò)阻尼和剛度參數(shù)有效地調(diào)節(jié)平臺(tái)的柔順特性。另外，給出了基于五次曲線的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方法，能夠使并聯(lián)平臺(tái)在滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)需求的前提下，有效地保證整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的連續(xù)性。

本發(fā)明的基于虛擬模型的六自由度并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制方法，是基于平臺(tái)的虛擬模型給出的。結(jié)合六自由度并聯(lián)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行靜力分析，在動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置和期望位置之間，增加虛擬的彈簧剛度-阻尼模型，構(gòu)建動(dòng)平臺(tái)的六維受力模型；對(duì)平臺(tái)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，推導(dǎo)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)桿件驅(qū)動(dòng)力同作用在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心點(diǎn)上的虛擬力的映射關(guān)系；根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求，規(guī)劃基于五次曲線的動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡；利用建立的六自由度并聯(lián)平臺(tái)的虛擬力模型、虛擬力映射關(guān)系以及動(dòng)平臺(tái)的期望運(yùn)動(dòng)軌跡即可求出所需虛擬力的大小，并進(jìn)而計(jì)算得到各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿件的輸出推力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)六自由度并聯(lián)平臺(tái)按照規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡完成期望的運(yùn)動(dòng)。

具體包括以下步驟：

(1)對(duì)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行靜力分析，并將動(dòng)平臺(tái)受到的驅(qū)動(dòng)桿推力在其質(zhì)心處進(jìn)行分解；

(2)在動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位置和期望位置之間，增加虛擬的彈簧剛度-阻尼模型，建立六自由度并聯(lián)平臺(tái)的虛擬彈簧剛度-阻尼模型；

(3)忽略動(dòng)平臺(tái)所受重力，只考慮動(dòng)平臺(tái)受外力的影響，由此求出動(dòng)平臺(tái)彈簧剛度-阻尼虛擬模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式；