本發(fā)明涉及3-rrr并聯(lián)平臺的控制領域，具體涉及一種剛柔桿型平面并聯(lián)平臺的振動測量控制裝置及方法。

背景技術：

并聯(lián)機器人是若干個自由度的末端執(zhí)行器與固定地基通過兩個或兩個以上的獨立運動支鏈相連。3-rrr并聯(lián)平臺具有三個獨立運動支鏈，每條支鏈有三個轉(zhuǎn)動副，動平臺和靜平臺通過三條支鏈相連。并聯(lián)機器人相比串聯(lián)機器人具有高速度、高精度、高承載能力的應用優(yōu)勢，并聯(lián)機器人的末端動平臺可以實現(xiàn)高速運動、精確定位、承載大質(zhì)量負載。

選擇并聯(lián)機器人作為精密定位平臺，實現(xiàn)高速、高精度和高效率定位。并聯(lián)平臺在實際運動時，由于柔性桿的彈性變形、減速器的間隙和摩擦、關節(jié)間隙以及并聯(lián)平臺非線性誤差等影響，并聯(lián)機器人在運動過程會有振動，在運動定位時也會有殘余振動。系統(tǒng)振動會影響運動的精準度，所以需要設計振動控制方法來抑制并聯(lián)平臺的振動。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種剛柔桿型平面并聯(lián)平臺的振動測量控制裝置及方法。

本發(fā)明采用如下技術方案：

一種剛柔桿型平面并聯(lián)平臺的振動測量控制裝置，包括并聯(lián)平臺本體單元、檢測單元及振動控制單元；

所述并聯(lián)平臺本體單元，包括一個動平臺、一個靜平臺及三個并聯(lián)分支，所述動平臺為三角形，所述三個并聯(lián)分支安裝在動平臺的三個角上，三個并聯(lián)分支的結構相同，每個并聯(lián)分支包括一個主動剛性桿和一個從動柔性桿，所述主動剛性桿的一端與從動柔性桿的一端連接，從動柔性桿的另一端與動平臺連接；

所述檢測單元，包括單自由度加速度傳感器、壓電陶瓷傳感器、單點激光測振儀及三自由度加速度傳感器；

所述主動剛性桿及從動柔性桿分別安裝單自由度加速度傳感器，所述壓電陶瓷傳感器安裝在從動柔性桿上，所述三自由度加速度傳感器具體為兩個，安裝在動平臺上，所述單點激光測振儀具體為三個，均勻設置在靜平臺的周圍；

所述三自由度加速度傳感器及從動柔性桿安裝的單自由度加速度傳感器檢測的信號通過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

所述主動剛性桿上安裝的單自由度加速度傳感器檢測主動剛性桿的加速度信號，通過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

所述壓電陶瓷傳感器檢測振動信號經(jīng)過電荷放大器放大，然后通過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

所述單點激光測振儀檢測動平臺的振動位移信號，通過激光測振儀控制箱輸入到計算機；

所述控制單元包括壓電陶瓷驅(qū)動器、伺服電機及減速器，所述伺服電機與減速器連接，分別固定在靜平臺上，所述減速器的主動軸與剛性主動桿的另一端鉸接，所述壓電陶瓷驅(qū)動器安裝在從動柔性桿上，所述計算機接收從動柔性桿上的單軸加速度傳感器的加速度信號、三自由度加速度傳感器及單點激光測振儀檢測的振動位移信號后得到控制信號，通過d/a轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出到壓電放大電路上，進一步作用到壓電陶瓷驅(qū)動器；

所述計算機接收主動剛性桿上的單軸加速度傳感器的檢測信號后得到控制信號，通過運動控制卡pmac傳輸?shù)剿欧姍C驅(qū)動器，伺服電機將控制信號作用到主動剛性桿上，抑制主動剛性桿的振動。

所述單自由度加速度傳感器具體為六個，其中三個單自由度加速度傳感器分別安裝在三個主動剛性桿上，具體在距離主動剛性桿轉(zhuǎn)動軸心150mm的中心位置；

另外三個單自由度加速度傳感器分別安裝在三個從動柔性桿上，具體在距離從動柔性桿轉(zhuǎn)動軸心130mm的中心位置；

所述壓電陶瓷傳感器具體為三個，分別粘貼在三個從動柔性桿上，位于從動柔性桿的中心位置，姿態(tài)角為0°。

一只三自由度加速度傳感器水平安裝在動平臺的中心，另一只三自由度加速度傳感器安裝在動平臺y軸正方向距離動平臺中心45mm處，且傾斜角為其中在0°和90°之間。

所述壓電陶瓷驅(qū)動器由多個壓電陶瓷片構成，對稱設置在每個從動柔性桿的兩端，正反兩面粘貼，姿態(tài)角為0°。

所述三個單點激光測振儀分別跟動平臺的三個側面垂直，且當動平臺在初始位置時，與相垂直的側面距離是相等的，其三條中心線相交于動平臺的中心點。

所述主動剛性桿的一端具體通過轉(zhuǎn)軸與從動柔性桿連接，所述從動柔性桿具體通過轉(zhuǎn)軸與動平臺連接。

所述裝置的測量控制方法，包括如下步驟：

步驟一運動控制卡pmac發(fā)送控制信號給伺服驅(qū)動器，交流伺服電機接收伺服驅(qū)動器輸出的驅(qū)動信號，帶動減速器轉(zhuǎn)動，使剛性主動桿及柔性從動桿帶動平臺由初始位置運動到目標位置；

步驟二動平臺上的兩個三自由度加速度傳感器實時測得動平臺的平動加速度和轉(zhuǎn)動加速度信息，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

主動剛性桿和從動柔性桿上的單自由度加速度傳感器分別測得主動剛性桿和從動柔性桿的加速度信息，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

從動柔性桿上的壓電陶瓷傳感器測得振動信息，經(jīng)過電荷放大器放大，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

三個單點激光測振儀測量動平臺的振動位移信息，經(jīng)過激光測振儀控制箱輸入到計算機中；

步驟三計算機接收三自由度加速度傳感器的振動信號、單點激光測振儀的振動位移信號及從動柔性桿上的單自由度加速度傳感器測得的桿的加速度信號，得到控制信號，輸出到d/a轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出到壓電放大電路上，壓電陶瓷驅(qū)動器作用到從動柔性桿上，抑制柔性桿的振動，從而抑制動平臺振動；

計算機接收主動剛性桿上的單自由度加速度傳感器測得的桿的加速度信號經(jīng)過處理得到控制信號通過pmac運動控制卡傳輸?shù)剿欧?qū)動器，伺服電機將控制量以轉(zhuǎn)動力矩的方式作用到主動剛性桿上，抑制主動剛性桿的振動，最終達到控制動平臺振動的目的。

所述動平臺上的兩個三自由度加速度傳感器實時測得動平臺的平動加速度和轉(zhuǎn)動加速度信息，具體為：

安裝在動平臺中心位置的三自由度加速度傳感器測得動平臺x方向加速度ax1和y方向加速度ay1；

另外一只三自由度加速度傳感器測得動平臺x方向加速度ax2和y方向加速度ay2；

則動平臺中心點處x方向的加速度ax＝ax1，動平臺y方向的加速度ay＝ay1，動平臺中心點處的旋轉(zhuǎn)角加速度為

其中d代表兩個三自由度加速度傳感器的中心距離。

所述三個單點激光測振儀測量動平臺的振動位移信息，具體為：

所述三個單點激光測振儀具體為第一、第二及第三單點激光測振儀，所述三臺單點激光測振儀分別測得動平臺發(fā)生振動前后，打在動平臺上的激光點沿各個單點激光測振儀方向的距離a1，a2和a3，則根據(jù)幾何關系可得：

其中：聯(lián)立上述方程求得：

△x，△y分別是動平臺在水平方向及豎直方向的平動位移，α是動平臺的轉(zhuǎn)動角度，β表示動平臺初始位置與目標位置中心點的連線與x軸的夾角。

計算機得到單點激光測振儀反饋的動平臺振動位移信號，所述三個單點激光測振儀反饋的動平臺振動位移信號，當目標位置的中心點與實際到達位置的中心點偏離最小時動平臺停止運動。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明采用兩個安裝在動平臺上的三自由度加速度傳感器，能夠解算出動平臺2個平動自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度加速度，機構簡單，質(zhì)量輕，體積小，不影響并聯(lián)平臺的特性。

(2)本發(fā)明采用6個單自由度加速度傳感器，分別安裝在3個主動剛性桿和3個從動柔性桿上，可以檢測出主動桿和從動桿加速度信息，結合動平臺的加速度信息，這些信號經(jīng)過計算機處理后作為控制信號作用在壓電陶瓷傳感器，可以很好的達到抑制并聯(lián)平臺運動中的振動和定位時的自激振動的目的；

(3)本發(fā)明采用3個壓電陶瓷傳感器，分別對稱粘貼于柔性桿上，可以檢測柔性桿的振動信息，作為并聯(lián)平臺振動控制效果的評價參考。

(4)本裝置采用多傳感器融合系統(tǒng)，既有單自由度加速度傳感器、三自由度加速度傳感器以及壓電陶瓷傳感器，可以通過多傳感器信息融合對并聯(lián)平臺振動進行辨識研究。

(5)本裝置采用了單點激光測振儀測量動平臺的振動，這種非接觸式測量方法測量的精度更高，與加速度傳感器測振信號的互相參考，這樣由控制算法計算出來的控制量更為精準。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種剛柔桿型平面并聯(lián)平臺的振動測量控制裝置的總體結構示意圖；

圖2是圖1裝置的俯視圖；

圖3是圖1裝置的前視圖；

圖4是本實施例中動平臺的加速度傳感器布置結構示意圖；

圖5是本實施例中主動剛性桿的傳感器/驅(qū)動器布置結構示意圖；

圖6是本實施例中從動柔性桿的傳感器/驅(qū)動器布置結構示意圖；

圖7是本實施例中動平臺三自由度加速度傳感器得到動平臺的平動加速度計轉(zhuǎn)動加速度的計算原理圖；

圖8是本實施例中單點激光測振儀的計算原理圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1-圖6所示，一種剛柔性桿型平面并聯(lián)平臺的振動測量控制裝置，包括一個動平臺9、一個靜平臺12和三個并聯(lián)分支，所述動平臺9為等邊三角形，所述三個并聯(lián)分支的結構相同及安裝的傳感器與驅(qū)動器的位置相同，所述三個并聯(lián)分支安裝在動平臺的三個角上，每個并聯(lián)分支包括一個主動剛性桿3和一個從動柔性桿5，所述主動剛性桿3一端與從動柔性桿5的一端通過轉(zhuǎn)軸連接，所述主動剛性桿的另一端與減速器2的轉(zhuǎn)動軸鉸接，帶動主動剛性桿的轉(zhuǎn)動，所述減速器2與伺服電機1分別安裝在靜平臺的上，所述從動柔性桿的另一端與動平臺通過轉(zhuǎn)軸連接，主動剛性桿帶動從動柔性桿的轉(zhuǎn)動和移動，從動柔性桿的轉(zhuǎn)動和移動使動平臺以定姿態(tài)運動到目標位置。

還包括單自由度加速度傳感器、壓電陶瓷傳感器、三自由度加速度傳感器及單點激光測振儀，所述單自由度加速度傳感器4、7具體為六個，其中三個分別安裝在主動剛性桿上，具體位于距離主動剛性桿轉(zhuǎn)動軸心150mm的位置，另外三個單自由度加速度傳感器分別安裝在三個從動柔性桿上，具體在距離從動柔性桿轉(zhuǎn)動軸心130mm的中心位置。

所述壓電陶瓷傳感器6具體為三個，分別粘貼在三個從動柔性桿上，位于從動柔性桿的中心位置，姿態(tài)角為0°。

所述三自由度加速度傳感器具體為兩只，通過加速度傳感器支架11固定在動平臺上，具體為第一及第二三自由度加速度傳感器10-1,10-2，其中第一三自由度加速度傳感器10-1安裝在動平臺的中心，第二三自由度加速度傳感器10-2安裝在動平臺y軸正方向距離動平臺中心45mm處，且傾斜角為其中在0°和90°之間。

所述三個單點激光測振儀20安裝在靜平臺的周圍，初始位置時，分別跟相對應的動平臺的三個側面垂直，與相垂直的側面距離相等，三個單點激光測振儀的三條中心線的相交于動平臺的中心點。

所述壓電陶瓷驅(qū)動器8由多個壓電陶瓷片構成，對稱設置在每個從動柔性桿的兩端，姿態(tài)角為0°。

檢測信號的傳輸路徑如下：

三自由度加速度傳感器和單自由度加速度傳感器檢測的相應的動平臺的平動加速度和轉(zhuǎn)動加速度，以及主動從動桿的加速度信號，通過a/d轉(zhuǎn)換電路16輸入到計算機中；

所述從動柔性桿的壓電陶瓷傳感器測得柔性桿的振動信息首先經(jīng)過電荷放大器15放大，然后進行a/d轉(zhuǎn)換電路到計算機，其檢測的信息可用于振動分析和反饋控制。

所述三個單點激光測振儀檢測的動平臺的振動位移信號，輸入到激光測振儀控制箱21，進一步輸入到計算機中。

計算機接收動平臺三自由度加速度傳感器、單點激光測振儀的振動位移信號及從動柔性桿的單自由度加速度傳感器的振動信號，利用控制算法計算得到控制量，進行d/a轉(zhuǎn)換電路18轉(zhuǎn)換后輸出到壓電放大電路17上，壓電電源驅(qū)動壓電陶瓷片作用力到柔性桿上，抑制柔性桿的振動，從而抑制動平臺振動；

計算機接收主動剛性桿的單自由度加速度傳感器的振動信號，利用控制算法得到控制信號，通過運動控制卡pmac14傳輸?shù)剿欧?qū)動器13上，伺服電機將控制量以轉(zhuǎn)動力矩的方式作用到主動剛性桿上，抑制剛性桿的振動，最終達到控制動平臺振動的目的。

本裝置具體的控制方法，包括如下步驟：

步驟一運動控制卡pmac14發(fā)送控制控制信號給伺服驅(qū)動器13，伺服電機1接收到伺服驅(qū)動器輸出的驅(qū)動信號后，帶動減速器2轉(zhuǎn)動，通過主動剛性桿3和從動柔性桿5使平臺運動到目標位置；

步驟二動平臺上的兩個三自由度加速度傳感器實時測得動平臺的平動加速度和轉(zhuǎn)動加速度信息，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機19；

主動剛性桿和從動柔性桿上的單自由度加速度傳感器分別測得主動剛性桿和從動柔性桿的加速度信息，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

從動柔性桿上的壓電陶瓷傳感器測得振動信息，經(jīng)過電荷放大器放大，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換電路后輸入到計算機；

三個單點激光測振儀測量動平臺的振動信息，經(jīng)過激光測振儀控制箱輸入到計算機中；

步驟三計算機接收三自由度加速度傳感器的振動信號、單點激光測振儀的振動位移信號及從動柔性桿上的單自由度加速度傳感器測得的桿的加速度信號，得到控制信號，輸出到d/a轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后輸出到壓電放大電路上，壓電陶瓷驅(qū)動器作用到從動柔性桿上，抑制柔性桿的振動，從而抑制動平臺振動；

計算機接收主動剛性桿上的單自由度加速度傳感器測得的桿的加速度信號經(jīng)過處理得到控制信號通過pmac運動控制卡14傳輸?shù)剿欧?qū)動器13，伺服電機將控制量以轉(zhuǎn)動力矩的方式作用到主動剛性桿上，抑制主動剛性桿的振動，最終達到控制動平臺振動的目的。

所述動平臺上的兩個三自由度加速度傳感器實時測得動平臺的平動加速度和轉(zhuǎn)動加速度信息，具體為：

如圖7所示，安裝在動平臺中心位置的三自由度加速度傳感器測得動平臺x方向加速度ax1和y方向加速度ay1；

另外一只三自由度加速度傳感器測得動平臺x方向加速度ax2和y方向加速度ay2；

則動平臺中心點處x方向的加速度ax＝ax1，動平臺y方向的加速度ay＝ay1，動平臺中心點處的旋轉(zhuǎn)角加速度為

其中d代表兩個三自由度加速度傳感器的中心距離。

如圖8所示，所述均勻分布在靜平臺周圍的三個單點激光測振儀具體為第一、第二及第三單點激光測振儀，其中每個單點激光測振儀分別跟動平臺的三邊垂直，三個中心線相交于動平臺的中心，動平臺由初始位置a發(fā)生振動，運動到目標位置b，其過程分為先平動，再轉(zhuǎn)動，最后經(jīng)過平動到目標位置，所述三臺單點激光測振儀分別測得動平臺發(fā)生振動前后，打在動平臺上的激光點沿各個單點激光測振儀方向的距離a1，a2和a3，則根據(jù)幾何關系可得：

其中：聯(lián)立上述方程求得：

△x，△y分別是動平臺在水平方向及豎直方向的平動位移，α是動平臺的轉(zhuǎn)動角度，β表示動平臺初始位置與目標位置中心點的連線與x軸的夾角。

計算機得到單點激光測振儀反饋的動平臺振動位移信號，所述三個單點激光測振儀反饋的動平臺振動位移信號，當目標位置的中心點與實際到達位置的中心點偏離最小時動平臺停止運動。

圖1中的虛線連接表示電信號與檢測驅(qū)動控制裝置的連接圖，其中三個并聯(lián)支鏈的連線一樣，圖1中只表示出一條支鏈的連線關系。

在本實施例中剛性主動桿的尺寸參數(shù)：214mm×25mm×10mm；從動柔性桿桿5的尺寸參數(shù)為：214mm×25mm×3mm；所有材料均為鋁合金，構件表面進行氧化處理，能夠絕緣。

固定靜平臺11由正方形鋼板、鋼架結構以及大理石組成，伺服電機和減速器與正方形鋼板固定安裝，整個靜平臺穩(wěn)定性強，隔振效果良好。

每條支鏈有一個主動關節(jié)和兩個被動關節(jié)，均為轉(zhuǎn)動關節(jié)；轉(zhuǎn)動軸和軸承連接材料為45號鋼。

伺服電機選用三相交流伺服電機屬于安川電機有限公司，型號為：sgmav-08ada61，額定功率750w，工作電壓為200v，增量式編碼器精度是20位。

與三相交流伺服電機配套使用的伺服驅(qū)動器13型號為：sgdv-5r5a01a，最大適用容量為1000w，工作電壓200v。

減速器采用的是廣東新寶電器股份有限公司生產(chǎn)的減速器，型號為：vrb-090-5-k3-18dc18，減速比為1:5。

加速度傳感器均采用kistler公司的電容式傳感器，單自由度加速度傳感器型號為8310b25，測量頻率范圍0-300hz，靈敏度為80mv/g，量程±25g；三自由度加速度傳感器型號為8393b10，靈敏度為200mv/g，量程為±10g。

壓電陶瓷傳感器6的幾何尺寸為10mm×5mm×1mm，壓電陶瓷材料的彈性模量為ep＝63gpa，d＝-166pm/v，位于柔性桿中心位置，姿態(tài)角為0°。

壓電陶瓷驅(qū)動器8為壓電陶瓷片，幾何尺寸為50mm×25mm×3mm，壓電陶瓷材料的彈性模量為ep＝63gpa，d＝-166pm/v；

電荷放大器15選用江蘇聯(lián)能電子有限公司的ye5850型電荷放大器；

壓電放大電路17可選用型號為apex-pa241dw或apex-pa240cx的壓電放大器等零件組成，其研制單位為華南理工大學，在申請人申請的名稱為“太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置與方法”，申請?zhí)枮?00810027186.4的專利中有詳細介紹。放大倍數(shù)可達到52倍，即將-5v～+5v放大到-260～+260v。

單點激光測振儀20采用的是舜宇光學科技有限公司的單點激光測振儀，型號為lv-s01(法向)，工作距離0.35～50m，位移分辨率(@500hz)為0.32nm，最大線性誤差是1％。單點激光測振儀控制箱21與單點激光測振儀相匹配。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。