一种五轴混联机器人振动控制装置与方法与流程

1.本发明涉及串并混联机器人控制研究领域，具体而言，涉及一种五轴混联机器人振动控制装置与方法。


背景技术：

2.串并混联机器人包括串联机构和并联机构，串联机构是由杆件和运动副采用串联方式进行连接，具有结构简单、工作空间大等优点；并联机构是若干个自由度末端执行器与固定基座通过两条或两条以上的独立运动支链相连，具有整体刚度大、误差小、承载能力强等优点；而串并混联机构综合串联和并联的优点，应用在如航空航天、制造装备、测量与定位等精密领域。当串并混联机构高速运动时，由于惯性力等因素的影响导致低刚度的柔性构件发生弹性变形，弹性变形严重影响着机械的性能，并且在机构运动定位之后还有残余振动，振动会影响系统的运动定位精确度以及延长定位时间。


技术实现要素：

3.基于此，为了解决串并混联机器人残余振动的问题，本发明提供了一种五轴混联机器人振动控制装置与方法，该装置结合平面并联平台和空间串并联机械臂，以达到整体刚度大，承载能力强和动作灵活的目的；
4.本发明的另一目的在于提供一种基于加速度传感的串并混联五自由度平台控制方法。该方法利用多加速度检测模块和差分运算准确采集仿肩关节立方的残余振动并进行主动控制，具有设备简单，测量精度高，动态响应快的优点，使串并混联五自由度平台运动准确；
5.其具体技术方案如下：
6.一种五轴混联机器人振动控制装置，包括三自由度平面并联平台、两自由度仿肩关节运动平台和振动检测控制系统，其中：所述三自由度平面并联平台包括静平台、动平台和三个并联分支；所述动平台为正六边形，所述动平台上装有三个动平台端连接块；每个并联分支包括导轨、伺服电机、丝杆、滑块以及弹性连杆，其中三个导轨等间距120
°
安装在静平台上，伺服电机通过联轴器与丝杆相连，带动滑块在导轨上移动，各个动平台端连接块分别与各个滑块通过对应连接的弹性连杆相连；伺服电机驱动滑块和弹性连杆使动平台移动定位到平面目标位置；
7.所述两自由度仿肩关节运动平台包括底板、肩关节立方和两个运动分支；底板安装在所述动平台上；每个仿肩关节分支包括依次相连肩关节驱动组、关节大臂、关节小臂，其中肩关节驱动组相隔90
°
装在底板上；肩关节驱动组包括伺服电机、减速器以及驱动组底座；电机驱动关节大臂和关节小臂使肩关节立方旋转定位到目标角度；
8.所述振动检测控制系统包括数据处理单元，振动检测单元和振动控制单元；所述振动检测单元包括多加速度检测模块和a/d数据采集卡；所述多加速度检测模块安装在肩关节立方上；a/d数据采集卡分别与多加速度检测模块和数据处理单元相连；所述振动检测
单元包括运动控制卡和伺服驱动器；运动控制卡分别与数据处理单元和伺服驱动器相连。
9.一种五轴混联机器人振动控制方法，包括步骤：
10.(1)多加速度检测模块采用多个加速度传感器检测仿肩关节立方移动到目标位置后的残余振动；
11.(2)多加速度检测模块将残余振动模拟信号通过a/d数据采集卡转换为数字信号，输入到数据处理单元；
12.(3)数据处理单元根据仿肩关节立方的残余振动信号计算出三自由度平面并联平台的主动控制加速度；
13.(4)数据处理单元通过运动控制卡和伺服驱动器使伺服电机带动滑块运动，滑块带动弹性连杆运动，使三自由度平面并联平台产生所需要的主动控制加速度，抵消仿肩关节立方的残余振动，实现对仿肩关节立方的实时振动主动控制。
14.进一步的，多加速度检测模块检测仿肩关节立方的残余振动，方法为：
15.多加速度检测模块有五个加速度传感器，检测出仿肩关节除了底面的五个面带有噪声的加速度，分别为a1、a2、a3、a4和a5，其中a1和a2、a3和a4检测的方向相反；利用差分运算得到仿肩关节立方在x和y方向去除部分噪声后的加速度a
x
和ay，提高检测加速度的精度，公式为：
[0016][0017]
其中，a
x
和ay为多加速度传感集成块在x和y方向的加速度。
[0018]
进一步的，数据处理单元根据仿肩关节立方的残余振动信号计算出三自由度平面并联平台的主动控制加速度，方法为：
[0019]
当检测出仿肩关节立方存在x正方向或者x负方向的加速度时候，数据处理单元根据仿肩关节立方加速度计算出仿肩关节立方所需要x负方向或者x正方向的主动控制加速度，所述主动控制加速度能够抑制仿肩关节立方的残余振动。由于残余振动主要由弹性连杆引起的，因此通过仿肩关节立方的主动控制加速度和两自由度仿肩关节运动平台理论加速度进行运算可得三自由度平面并联平台的主动控制加速度。
[0020]
进一步的，三自由度平面并联平台的主动控制加速度的计算方法为：
[0021][0022]
其中，α
′
x
和α
′y分别为仿肩关节运动平台绕x轴和y轴旋转的理论角加速度；l
′
x
和l
′y分别为仿肩关节运动平台中心在x和y方向与加速度传感器的距离；a
′
x
和a
′y分别为仿肩关节运动平台引起仿肩关节立方的x和y方向的加速度；
[0023]
三自由度平面并联平台的主动控制加速度公式为：
[0024]
[0025]
其中，α
″
x
和α
″y分别为三自由度平面并联平台的主动控制加速度在x和y方向上的分量。
[0026]
进一步的，根据动平台所需的加速度得到滑块的主动控制加速度，方法为：
[0027]
建立支链的运动学方程
[0028][0029]
其中，li为滑块到减速器的长度；αi为导轨与x轴正方向的夹角；si为弹性连杆的长度；θi为弹性连杆与x轴正方向的夹角；ax
ai
和ay
ai
为动平台端连接块的位置；ax
ai
和ay
ai
为减速器的位置；q
xi
和q
yi
分别为减速度到动平台端连接块的距离；根据运动学方程可以求出各支链滑块到减速器的长度，公式为：
[0030][0031]
对滑块到减速器的长度公式求两次导数，可得到滑块的加速度，公式为：
[0032][0033]
；其中，ai为每个滑块的运动加速度。
[0034]
与现有技术相比，本技术的有益效果如下：
[0035]
本技术公开了一种基于加速度检测的五轴混联机器人振动控制装置与方法，具有整体刚度大，承载能力强和动作灵活的优点；以多加速度检测模块和差分运算准确检测仿肩关节立方的残余振动，并通过数据处理单元产生控制信号抑制仿肩关节立方的残余振动，该检测方法具有结构简单，检测迅速，控制效果好等优点。
附图说明
[0036]
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
[0037]
图1是本发明实施例中一种基于加速度检测的五轴混联机器人振动控制装置整体结构示意图。
[0038]
图2是本发明实施例中一种仿肩关节立方和多加速度检测模块装配示意图。
[0039]
图3是本发明实施例中一种单个加速度传感器检测的加速度时间与频谱信号。
[0040]
图4是本发明实施例中一种利用双加速度传感器和差分运算检测的加速度时间与频谱信号。
[0041]
图5是本发明实施例中一种基于加速度检测的五轴混联机器人振动控制方法流程图。
[0042]
图6是本发明实施例中一种单个并联分支结构示意图。
[0043]
附图标记说明：
[0044]
1、静平台；2、动平台；3、动平台端连接块；4、导轨；5、第一伺服电机；6、丝杆；7、滑块；8、弹性连杆；9、底板；10、肩关节立方；11、肩关节驱动组；12、关节大臂；13、关节小臂；14、多加速度检测模块。
具体实施方式
[0045]
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
[0046]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0047]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0048]
本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
[0049]
如图所示，本发明一实施例中的一种五轴混联机器人振动控制装置，包括三自由度平面并联平台、两自由度仿肩关节运动平台和振动检测控制系统，其中：所述三自由度平面并联平台包括静平台1、动平台2和三个并联分支；所述动平台2为正六边形，所述动平台2上装有三个动平台端连接块3；每个并联分支包括导轨4、第一伺服电机5、丝杆6、滑块7以及弹性连杆8，其中三个导轨4等间距120
°
安装在静平台1上，第一伺服电机5通过联轴器与丝杆6相连，带动滑块7在导轨4上移动，各个动平台端连接块3分别与各个滑块7通过对应连接的弹性连杆8相连；第一伺服电机5驱动滑块7和弹性连杆8使动平台2移动定位到平面目标位置；
[0050]
所述两自由度仿肩关节运动平台包括底板9、肩关节立方10和两个运动分支；底板9安装在所述动平台2上；每个仿肩关节分支包括依次相连肩关节驱动组11、关节大臂12、关节小臂13，其中肩关节驱动组相隔90
°
装在底板上；肩关节驱动组包括第二伺服电机、减速器以及驱动组底座；电机驱动关节大臂12和关节小臂13使肩关节立方旋转定位到目标角度；
[0051]
所述振动检测控制系统包括数据处理单元，振动检测单元和振动控制单元；所述振动检测单元包括多加速度检测模块14和a/d数据采集卡；所述多加速度检测模块14安装在肩关节立方10上；a/d数据采集卡分别与多加速度检测模块和数据处理单元相连；所述振动检测单元包括运动控制卡和伺服驱动器；运动控制卡分别与数据处理单元和伺服驱动器相连。
[0052]
一种五轴混联机器人振动控制方法，包括步骤：
[0053]
(1)多加速度检测模块采用多个加速度传感器检测仿肩关节立方移动到目标位置后的残余振动；
[0054]
(2)多加速度检测模块将残余振动模拟信号通过a/d数据采集卡转换为数字信号，输入到数据处理单元；
[0055]
(3)数据处理单元根据仿肩关节立方的残余振动信号计算出三自由度平面并联平台的主动控制加速度；
[0056]
(4)数据处理单元通过运动控制卡和伺服驱动器使伺服电机带动滑块运动，滑块
带动弹性连杆运动，使三自由度平面并联平台产生所需要的主动控制加速度，抵消仿肩关节立方的残余振动，实现对仿肩关节立方的实时振动主动控制。
[0057]
进一步的，多加速度检测模块检测仿肩关节立方的残余振动，方法为：
[0058]
多加速度检测模块有五个加速度传感器，检测出仿肩关节除了底面的五个面带有噪声的加速度，分别为a1、a2、a3、a4和a5，其中a1和a2、a3和a4检测的方向相反如图3所示，从频谱图可以看出，主要频率是1.636hz，与理论的1.5hz接近，有效能量为1139；利用差分运算得到仿肩关节立方在x和y方向去除部分噪声后的加速度a
x
和ay，如图4所示，从频谱图可以看出，主要频率是1.636hz，与理论的1.5hz接近，但是有效能量从1139变为了1342。同时，信号未失真，有效能量提升了，提高检测加速度的精度，体现了差分计算消除部分噪声的优点，公式为：
[0059][0060]
其中，a
x
和ay为多加速度传感集成块在x和y方向的加速度。
[0061]
进一步的，数据处理单元根据仿肩关节立方的残余振动信号计算出三自由度平面并联平台的主动控制加速度，方法为：
[0062]
当检测出仿肩关节立方存在x正方向或者x负方向的加速度时候，数据处理单元根据仿肩关节立方加速度计算出仿肩关节立方所需要x负方向或者x正方向的主动控制加速度，所述主动控制加速度能够抑制仿肩关节立方的残余振动。由于残余振动主要由弹性连杆引起的，因此通过仿肩关节立方的主动控制加速度和两自由度仿肩关节运动平台理论加速度进行运算可得三自由度平面并联平台的主动控制加速度。
[0063]
进一步的，三自由度平面并联平台的主动控制加速度的计算方法为：
[0064][0065]
其中，α
′
x
和α
′y分别为仿肩关节运动平台绕x轴和y轴旋转的理论角加速度；l
′
x
和l
′y分别为仿肩关节运动平台中心在x和y方向与加速度传感器的距离；a
′
x
和a
′y分别为仿肩关节运动平台引起仿肩关节立方的x和y方向的加速度；
[0066]
三自由度平面并联平台的主动控制加速度公式为：
[0067][0068]
其中，α
″
x
和α
″y分别为三自由度平面并联平台的主动控制加速度在x和y方向上的分量。
[0069]
进一步的，根据动平台所需的加速度得到滑块的主动控制加速度，方法为：
[0070]
建立支链的运动学方程
[0071][0072]
其中，li为滑块到减速器的长度；αi为导轨与x轴正方向的夹角；si为弹性连杆的长度；θi为弹性连杆与x轴正方向的夹角；ax
ai
和ay
ai
为动平台端连接块的位置；ax
ai
和ay
ai
为减速器的位置；q
xi
和q
yi
分别为减速度到动平台端连接块的距离；根据运动学方程可以求出各支链滑块到减速器的长度，公式为：
[0073][0074]
对滑块到减速器的长度公式求两次导数，可得到滑块的加速度，公式为：
[0075][0076]
；其中，ai为每个滑块的运动加速度。
[0077]
在其中一个实施例中，运动控制卡的型号为dmc 4183；并联分支采用sgm7a-10afa61作为伺服电机，sgd7s-120a00a作为伺服驱动器；运动分支采用sgm7a-08afa61作为伺服电机，sgd7s-5r5a00a作为伺服驱动器，fb90-30-sgm7a-08afa61作为减速器；电荷放大器的型号为ye5850；数据采集卡的型号为ni 6218。
[0078]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0079]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种五轴混联机器人振动控制装置，其特征在于，包括三自由度平面并联平台、两自由度仿肩关节运动平台和振动检测控制系统，其中：所述三自由度平面并联平台包括静平台、动平台和三个并联分支；所述动平台为正六边形，所述动平台上装有三个动平台端连接块；每个并联分支包括导轨、伺服电机、丝杆、滑块以及弹性连杆，其中三个导轨等间距120
°
安装在静平台上，伺服电机通过联轴器与丝杆相连，带动滑块在导轨上移动，各个动平台端连接块分别与各个滑块通过对应连接的弹性连杆相连；伺服电机驱动滑块和弹性连杆使动平台移动定位到平面目标位置；所述两自由度仿肩关节运动平台包括底板、肩关节立方和两个运动分支；底板安装在所述动平台上；每个仿肩关节分支包括依次相连肩关节驱动组、关节大臂、关节小臂，其中肩关节驱动组相隔90
°
装在底板上；肩关节驱动组包括伺服电机、减速器以及驱动组底座；电机驱动关节大臂和关节小臂使肩关节立方旋转定位到目标角度；所述振动检测控制系统包括数据处理单元，振动检测单元和振动控制单元；所述振动检测单元包括多加速度检测模块和a/d数据采集卡；所述多加速度检测模块安装在肩关节立方上；a/d数据采集卡分别与多加速度检测模块和数据处理单元相连；所述振动检测单元包括运动控制卡和伺服驱动器；运动控制卡分别与数据处理单元和伺服驱动器相连。2.一种五轴混联机器人振动控制方法，其特征在于，包括步骤：(1)多加速度检测模块采用多个加速度传感器检测仿肩关节立方移动到目标位置后的残余振动；(2)多加速度检测模块将残余振动模拟信号通过a/d数据采集卡转换为数字信号，输入到数据处理单元；(3)数据处理单元根据仿肩关节立方的残余振动信号计算出三自由度平面并联平台的主动控制加速度；(4)数据处理单元通过运动控制卡和伺服驱动器使伺服电机带动滑块运动，滑块带动弹性连杆运动，使三自由度平面并联平台产生所需要的主动控制加速度，抵消仿肩关节立方的残余振动，实现对仿肩关节立方的实时振动主动控制。3.如权利要求2所述的一种五轴混联机器人振动控制方法，其特征在于，多加速度检测模块检测仿肩关节立方的残余振动，方法为：多加速度检测模块有五个加速度传感器，检测出仿肩关节除了底面的五个面带有噪声的加速度，分别为a1、a2、a3、a4和a5，其中a1和a2、a3和a4检测的方向相反；利用差分运算得到仿肩关节立方在x和y方向去除部分噪声后的加速度a
x
和a
y
，提高检测加速度的精度，公式为：其中，a
x
和a
y
为多加速度传感集成块在x和y方向的加速度。4.如权利要求3所述的一种五轴混联机器人振动控制方法，其特征在于，数据处理单元根据仿肩关节立方的残余振动信号计算出三自由度平面并联平台的主动控制加速度，方法为：
当检测出仿肩关节立方存在x正方向或者x负方向的加速度时候，数据处理单元根据仿肩关节立方加速度计算出仿肩关节立方所需要x负方向或者x正方向的主动控制加速度，所述主动控制加速度能够抑制仿肩关节立方的残余振动。由于残余振动主要由弹性连杆引起的，因此通过仿肩关节立方的主动控制加速度和两自由度仿肩关节运动平台理论加速度进行运算可得三自由度平面并联平台的主动控制加速度。5.如权利要求4所述的一种五轴混联机器人振动控制方法，其特征在于，三自由度平面并联平台的主动控制加速度的计算方法为：其中，α
′
x
和α
′
y
分别为仿肩关节运动平台绕x轴和y轴旋转的理论角加速度；l
′
x
和l
′
y
分别为仿肩关节运动平台中心在x和y方向与加速度传感器的距离；a
′
x
和a
′
y
分别为仿肩关节运动平台引起仿肩关节立方的x和y方向的加速度；三自由度平面并联平台的主动控制加速度公式为：其中，α
″
x
和α
″
y
分别为三自由度平面并联平台的主动控制加速度在x和y方向上的分量。6.如权利要求2所述的一种五轴混联机器人振动控制装置与方法，其特征在于，根据动平台所需的加速度得到滑块的主动控制加速度，方法为：建立支链的运动学方程其中，l
i
为滑块到减速器的长度；α
i
为导轨与x轴正方向的夹角；s
i
为弹性连杆的长度；θ
i
为弹性连杆与x轴正方向的夹角；
a
x
ai
和
a
y
ai
为动平台端连接块的位置；
a
x
ai
和
a
y
ai
为减速器的位置；q
xi
和q
yi
分别为减速度到动平台端连接块的距离；根据运动学方程可以求出各支链滑块到减速器的长度，公式为：对滑块到减速器的长度公式求两次导数，可得到滑块的加速度，公式为：；其中，a
i
为每个滑块的运动加速度。

技术总结
本发明提供了一种五轴混联机器人振动控制装置与方法，装置包括三自由度平面并联平台、两自由度仿肩关节运动平台和检测控制系统。三自由度平面并联平台包括静平台、动平台和三个并联分支；两自由度仿肩关节运动平台包括底板、仿肩关节立方和两个运动分支；振动检测控制系统包括数据处理单元，振动检测单元和振动控制单元。利用多个加速度检测和差分运算，准确检测仿肩关节立方的残余加速度，通过数据处理单元计算主动控制加速度信号，将信号输入到伺服电机带动滑块运动，使仿肩关节立方产生相反的加速度，从而抑制仿肩关节立方的残余振动。余振动。余振动。


技术研发人员：谢凌波 代毅 吴立华 梁嘉琪 江恺珂 童俊
受保护的技术使用者：苏州艾博卡智能装备有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/22