專利名稱：三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人控制裝置及方法，特別是一種三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索 并聯(lián)機(jī)器人控制裝置。
背景技術(shù)：
三自由度柔索并聯(lián)機(jī)器人具有重要的應(yīng)用價(jià)值，可用于起重、加工、檢測(cè)、裝配、搬 運(yùn)等操作任務(wù)。在專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910233341. 2的專利文獻(xiàn)中，公開了《空間三維平動(dòng)自 由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)構(gòu)》，該混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠完成 大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)輸出的新型空間三維平動(dòng)自由度柔索并聯(lián)機(jī) 器人。盡管該混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以完成機(jī)器人重物塊的運(yùn)動(dòng)，但由于該機(jī)器 人系統(tǒng)具有大慣性、多輸入多輸出、非線性等特點(diǎn)，并且受系統(tǒng)模型的參數(shù)攝動(dòng)以及重物塊 在運(yùn)動(dòng)中隨機(jī)風(fēng)等外界干擾的影響，使得混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性、穩(wěn)定性和 精確性還不夠完善。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是要克服已有技術(shù)中的不足，提供一種能夠完善機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈 活性、穩(wěn)定性和精確性的三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的并聯(lián)機(jī)器人控制裝置包括柔索并聯(lián)機(jī)器人、主控 工控機(jī)、測(cè)量工控機(jī)、通信裝置、可編程邏輯控制器、傳感器和混合驅(qū)動(dòng)控制器，主控工控 機(jī)通過通信裝置與可編程邏輯控制器連接，混合驅(qū)動(dòng)控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機(jī)器人連 接，柔索并聯(lián)機(jī)器人通過傳感器與測(cè)量工控機(jī)連接，測(cè)量工控機(jī)通過通信裝置與主控工控 機(jī)連接。所述的混合驅(qū)動(dòng)控制器共有四組，每一組結(jié)構(gòu)相同，包括混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電編碼 器、變頻器和驅(qū)動(dòng)器，可編程邏輯控制器的輸出端與變頻器和驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接，變頻器 和驅(qū)動(dòng)器的輸出端與混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，光電編碼器的輸出端與可編程邏輯控制器的輸入 端連接。所述的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括交流三相異步電機(jī)、交流伺服電機(jī)和雙曲柄五連桿機(jī) 構(gòu)，交流三相異步電機(jī)和交流伺服電機(jī)分別與雙曲柄五連桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)曲柄相連接，交流 三相異步電機(jī)、交流伺服電機(jī)兩種類型的輸入通過連桿鉸接合成；交流三相異步電機(jī)與變 頻器連接，交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接，四根柔索的末端與柔索并聯(lián)機(jī)器人的重物塊連接， 四組混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均與一臺(tái)可編程邏輯控制器連接，四組變頻器、四組伺服驅(qū)動(dòng)器、四組混 合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)硬件布置及連線均相同。所述的傳感器包括光電編碼器、光柵位移傳感器、測(cè)力傳感器、稱重傳感器和接近 傳感器；光電編碼器分別安裝在混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的交流伺服電機(jī)和交流三相異步電機(jī)上， 在柔索并聯(lián)機(jī)器人的重物塊上安裝3個(gè)光柵位移傳感器，稱重傳感器安裝在重物塊上，同 時(shí)在重物塊上安裝有接近傳感器，在四根柔索上各安裝一個(gè)相同的測(cè)力傳感器。[0008]所述的柔索并聯(lián)機(jī)器人是由四根相連成十字形對(duì)稱設(shè)置的索塔支架、導(dǎo)向滑輪、 四根柔索、重物塊組成，每根索塔支架之上均設(shè)有柔索導(dǎo)向滑輪，四根柔索通過導(dǎo)向滑輪在 索塔支架上的支撐與重物塊連接。有益效果由于采用了上述方案，能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維平動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)的混合驅(qū)動(dòng) 柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置；混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置采用分布式結(jié)構(gòu)，由操作管 理級(jí)主控工控機(jī)、重物塊控制級(jí)可編程邏輯控制器，以及負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)測(cè)量并進(jìn)行反饋信號(hào)的 測(cè)量工控機(jī)、混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人、通信裝置構(gòu)成，這種控制模式綜合了可編程邏輯控 制器控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好和工控機(jī)開放性程度高、信息處理能力強(qiáng)、實(shí)時(shí) 調(diào)整優(yōu)點(diǎn)突出、通用性好的特點(diǎn)；以測(cè)量工控機(jī)為中心的測(cè)量系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)采集與傳感器 相結(jié)合的方式，最大限度地完成測(cè)試工作的全過程，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，又能對(duì)所獲信 號(hào)進(jìn)行分析處理；通過測(cè)力傳感器、稱重傳感器和接近傳感器還可以確定牽引混合驅(qū)動(dòng)柔 索并聯(lián)機(jī)器人重物塊的柔索張力、重物塊的重量，以及用于重物塊運(yùn)動(dòng)的避障和防止沖擊 以實(shí)現(xiàn)柔性輸出運(yùn)動(dòng)；從而能夠完善混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性、穩(wěn)定性和精確 性，達(dá)到了本實(shí)用新型的目的。優(yōu)點(diǎn)該混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置及方法能夠有效控制四組混合驅(qū)動(dòng)控 制器實(shí)現(xiàn)四根柔索的協(xié)調(diào)收放完成混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人空間三維平動(dòng)自由度的高精 度運(yùn)動(dòng)；采用由主控工控機(jī)、測(cè)量工控機(jī)、可編程邏輯控制器和通信裝置組成的分布式控制 模式，具有系統(tǒng)響應(yīng)快速、信息處理能力強(qiáng)、可靠性好；系統(tǒng)中采用測(cè)力傳感器、稱重傳感器 和接近傳感器可以監(jiān)測(cè)柔索張力、所載工件的重量，以及重物塊運(yùn)動(dòng)的避障和防止沖擊，從 而大大提高了混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性、穩(wěn)定性和精確性。

圖1為本實(shí)用新型所述的混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置示意框圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述本實(shí)用新型的機(jī)器人控制裝置包括柔索并聯(lián)機(jī)器人、混合驅(qū)動(dòng)控制器、傳感器、主 控工控機(jī)、測(cè)量工控機(jī)、通信裝置和可編程邏輯控制器，主控工控機(jī)通過通信裝置與可編程 邏輯控制器連接，混合驅(qū)動(dòng)控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機(jī)器人連接，柔索并聯(lián)機(jī)器人通過 傳感器與測(cè)量工控機(jī)連接，測(cè)量工控機(jī)通過通信裝置與主控工控機(jī)連接。所述的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括交流三相異步電機(jī)、交流伺服電機(jī)和雙曲柄五連桿機(jī) 構(gòu)，交流三相異步電機(jī)和交流伺服電機(jī)分別與雙曲柄五連桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)曲柄相連接，交流 三相異步電機(jī)為雙曲柄五連桿機(jī)構(gòu)提供主要的動(dòng)力功率，交流伺服電機(jī)控制雙曲柄五連桿 機(jī)構(gòu)的柔性輸出，而這兩種類型的輸入運(yùn)動(dòng)通過連桿鉸接合成，這樣使混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在保 證輸出運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分配等特性也得到改善?；旌向?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由做常速 運(yùn)動(dòng)的交流三相異步電機(jī)和做變速運(yùn)動(dòng)的交流伺服電機(jī)的兩個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，交流三相異 步電機(jī)提供主要功率并通過變頻器進(jìn)行調(diào)速以保證交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，交流伺服 電機(jī)主要對(duì)柔索并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供控制調(diào)節(jié)作用，通過四根柔索協(xié)同牽引控制柔索并聯(lián) 機(jī)器人的重物塊高精度運(yùn)動(dòng)，而四組混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)是通過一臺(tái)可編程邏輯控制器來控制實(shí)現(xiàn)，四組變頻器、四組伺服驅(qū)動(dòng)器、四組混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)硬件布置及連線均相同。所述的柔索并聯(lián)機(jī)器人是由四根相連成十字形對(duì)稱設(shè)置的索塔支架、導(dǎo)向滑輪、 四根柔索、重物塊等組成，每根索塔支架之上均設(shè)有柔索導(dǎo)向滑輪，四根柔索通過導(dǎo)向滑輪 在索塔支架上支撐、牽弓I重物塊運(yùn)動(dòng)。所述的傳感器包括光電編碼器、光柵位移傳感器、測(cè)力傳感器、稱重傳感器和接近 傳感器；光電編碼器分別安裝在交流伺服電機(jī)和交流三相異步電機(jī)上，在柔索并聯(lián)機(jī)器人 的重物塊上安裝3個(gè)光柵位移傳感器，稱重傳感器安裝在重物塊上，同時(shí)在重物塊上安裝 有接近傳感器，在四根柔索上各安裝一個(gè)相同的測(cè)力傳感器。所述的通信裝置選用專用通信RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器用于主控工控機(jī)、可編程邏 輯控制器和測(cè)量工控機(jī)之間的通信。所述主控工控機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)器人系統(tǒng)軌跡規(guī)劃、人機(jī)交互、 系統(tǒng)維護(hù)，數(shù)據(jù)的保存、處理、顯示、優(yōu)化等多方面的功能。所述可編程邏輯控制器負(fù)責(zé)互聯(lián) 的四組混合驅(qū)動(dòng)柔索牽引系統(tǒng)的位置協(xié)調(diào)控制。所述測(cè)量工控機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、 處理、運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳送至主控工控機(jī)，主控工控機(jī)、測(cè)量工控機(jī)與可編程邏輯控制器 之間采用ISA總線相連，用于設(shè)備的設(shè)置、程序下載和運(yùn)行中的數(shù)據(jù)傳遞。所述的傳感器測(cè)得混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人所需的信號(hào)，并將信號(hào)傳送到測(cè)量工 控機(jī)，測(cè)量工控機(jī)實(shí)時(shí)處理測(cè)量數(shù)據(jù)并通過通信裝置把測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給主控工控機(jī)，主控 工控機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，形成控制誤差信號(hào)通過通信裝置傳送給可編程邏輯 控制器，可編程邏輯控制器對(duì)控制指令進(jìn)行分析，計(jì)算出控制信號(hào)下發(fā)給混合驅(qū)動(dòng)控制器， 混合驅(qū)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)四根柔索的協(xié)調(diào)收放實(shí)現(xiàn)柔索并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)大的 閉環(huán)傳遞過程。工作過程，混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人牽引重物塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，安裝在混合驅(qū)動(dòng)柔索并 聯(lián)機(jī)器人重物塊上的3個(gè)光柵位移傳感器測(cè)得重物塊的三維平動(dòng)自由度位移、稱重傳感器 測(cè)得重物塊的重量，接近傳感器測(cè)得重物塊的極限位移，安裝在四根柔索上四個(gè)相同測(cè)力 傳感器測(cè)得柔索的張力，將傳感器測(cè)得所需的信號(hào)傳送到測(cè)量工控機(jī)；測(cè)量工控機(jī)實(shí)時(shí)處 理測(cè)量數(shù)據(jù)并通過通信裝置把測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給主控工控機(jī)；主控工控機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn) 行分析處理并完成人機(jī)交互功能、混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人力學(xué)計(jì)算，控制系統(tǒng)解算，形成 控制誤差信號(hào)通過通信裝置傳送給可編程邏輯控制器；可編程邏輯控制器還接受來自與交流伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)相配套的光電編 碼器測(cè)得交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速信號(hào)，并與反饋給可編程邏輯控制器的光電編碼器接 口構(gòu)成位置反饋控制；此外，在運(yùn)動(dòng)控制過程中，可編程邏輯控制器同時(shí)還對(duì)連接在交流三 相異步電機(jī)上的光電編碼器測(cè)得的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和速度變化信號(hào)進(jìn)行處理，并與變頻器接口構(gòu) 成速度反饋控制以保證交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定；可編程邏輯控制器對(duì)接受的控制指令 進(jìn)行分析，計(jì)算出控制信號(hào)同時(shí)輸出給交流伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻器；交流伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻 器分別將信號(hào)發(fā)送給交流伺服電機(jī)和交流三相異步電機(jī)完成同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)共同驅(qū)動(dòng)雙曲 柄五連桿機(jī)構(gòu)，雙曲柄五連桿機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制四根柔索進(jìn)行收索與放索協(xié)調(diào)動(dòng)作，進(jìn)而提高 混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人完成重物塊運(yùn)動(dòng)的靈活性、穩(wěn)定性和精確性；主控工控機(jī)、可編程 邏輯控制器、測(cè)量工控機(jī)之間以串行總線方式進(jìn)行通信，構(gòu)成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
權(quán)利要求1.一種三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置，其特征是三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔 索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置，包括柔索并聯(lián)機(jī)器人、主控工控機(jī)、測(cè)量工控機(jī)、通信裝置、可編程 邏輯控制器、傳感器和混合驅(qū)動(dòng)控制器，主控工控機(jī)通過通信裝置與可編程邏輯控制器連 接，混合驅(qū)動(dòng)控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機(jī)器人連接，柔索并聯(lián)機(jī)器人通過傳感器與測(cè)量 工控機(jī)連接，測(cè)量工控機(jī)通過通信裝置與主控工控機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置，其特征是所 述的混合驅(qū)動(dòng)控制器共有四組，每一組結(jié)構(gòu)相同，包括混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電編碼器、變頻器 和驅(qū)動(dòng)器，可編程邏輯控制器的輸出端與變頻器和驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接，變頻器和驅(qū)動(dòng)器 的輸出端與混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，光電編碼器的輸出端與可編程邏輯控制器的輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置，其特征是所 述的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括交流三相異步電機(jī)、交流伺服電機(jī)和雙曲柄五連桿機(jī)構(gòu)，交流三相 異步電機(jī)和交流伺服電機(jī)分別與雙曲柄五連桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)曲柄相連接，交流三相異步電 機(jī)、交流伺服電機(jī)兩種類型的輸入通過連桿鉸接合成；交流三相異步電機(jī)與變頻器連接，交 流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接，四根柔索的末端與柔索并聯(lián)機(jī)器人的重物塊連接，四組混合驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)均與一臺(tái)可編程邏輯控制器連接，四組變頻器、四組伺服驅(qū)動(dòng)器、四組混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 硬件布置及連線均相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置，其特征是所 述的傳感器包括光電編碼器、光柵位移傳感器、測(cè)力傳感器、稱重傳感器和接近傳感器；光 電編碼器分別安裝在混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的交流伺服電機(jī)和交流三相異步電機(jī)上，在柔索并聯(lián) 機(jī)器人的重物塊上安裝3個(gè)光柵位移傳感器，稱重傳感器安裝在重物塊上，同時(shí)在重物塊 上安裝有接近傳感器，在四根柔索上各安裝一個(gè)相同的測(cè)力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置，其特征是所 述的柔索并聯(lián)機(jī)器人是由四根相連成十字形對(duì)稱設(shè)置的索塔支架、導(dǎo)向滑輪、四根柔索、重 物塊組成，每根索塔支架之上均設(shè)有柔索導(dǎo)向滑輪，四根柔索通過導(dǎo)向滑輪在索塔支架上 的支撐與重物塊連接。
專利摘要一種三自由度混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人控制裝置，包括柔索并聯(lián)機(jī)器人、主控工控機(jī)、測(cè)量工控機(jī)、通信裝置、可編程邏輯控制器、傳感器和混合驅(qū)動(dòng)控制器，主控工控機(jī)通過通信裝置與可編程邏輯控制器連接，混合驅(qū)動(dòng)控制器的輸出端與柔索并聯(lián)機(jī)器人連接，柔索并聯(lián)機(jī)器人通過傳感器與測(cè)量工控機(jī)連接，測(cè)量工控機(jī)通過通信裝置與主控工控機(jī)連接。通過測(cè)量工控機(jī)實(shí)時(shí)處理測(cè)量數(shù)據(jù)并通過通信裝置把測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給主控工控機(jī)，經(jīng)主控工控機(jī)、可編程邏輯控制器、測(cè)量工控機(jī)之間以串行總線方式進(jìn)行通信，可控制四組混合驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)四根柔索的協(xié)調(diào)收放，完成混合驅(qū)動(dòng)柔索并聯(lián)機(jī)器人空間三維平動(dòng)自由度的高精度運(yùn)動(dòng)；系統(tǒng)響應(yīng)快速、穩(wěn)定性和精確性強(qiáng)。
文檔編號(hào)B25J9/16GK201922446SQ201020649299
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者曹建斌, 朱真才, 訾斌, 魏明生 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)