管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂及其控制方法，该并联机器臂包括静平台、动平台、上限位光电传感器、下限位光电传感器、光栅尺传感器和并联控制器，在静平台和动平台之间均布有多个管式直线电机，每个管式直线电机均包括外圆管和驱动轴，外圆管内沿轴向设有相连通的运动腔和驱动腔，运动腔的直径大于驱动腔的直径，驱动轴伸入运动腔的上端设有限位块，上限位光电传感器、下限位光电传感器分别对应设于驱动腔的两端，光栅尺传感器设于电机定子绕组与驱动轴之间，并联控制器分别连接上限位光电传感器、下限位光电传感器和光栅尺传感器，并经电机驱动器连接电机定子绕组。与现有技术相比，本发明专利技术具有重量轻、体积小、运动速度快、效率高等优点。

Six degree of freedom parallel manipulator driven by tubular linear motor and its control method

The invention relates to a six degree of freedom parallel manipulator driven by a tubular linear motor and its control method. The parallel manipulator includes a static platform, a moving platform, a upper limit optoelectronic sensor, a lower limit photoelectric sensor, a grating ruler sensor and a parallel controller. There are several tubular linear electric lines between the static platform and the moving platform. Each tube type linear motor includes the outer tube and the driving shaft. The outer tube has a moving cavity and a driving chamber along the axial direction. The diameter of the motion cavity is larger than the diameter of the driving chamber. The driving shaft is extended into the upper end of the motion cavity and the limited bit is set. The upper limit photoelectric sensor and the lower limit photoelectric sensor are respectively placed on the drive. At both ends of the cavity, the grating ruler sensor is located between the motor stator winding and the driving shaft, and the parallel controller connects the upper limit photoelectric sensor, the lower limit photoelectric sensor and the grating ruler sensor respectively, and connects the motor stator winding through the motor driver. Compared with the prior art, the invention has the advantages of light weight, small volume, fast movement speed and high efficiency.

【技术实现步骤摘要】
管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂及其控制方法
本专利技术涉及工业机器臂领域，尤其是涉及一种管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂及其控制方法，特别适用于食品、药品和电子产品等轻工业领域自动化生产线。
技术介绍
现有工业领域应用的并联机器臂主要有旋转伺服电机驱动动的DELTA并联机器人和由液压缸直接驱动或电动推杆驱动的Stewart并联机器人。Stewart并联机器臂刚度大、承载能力强，机械结构复杂，体型笨重，主要应用于重工业领域，相比Stewart并联机器臂，DELTA机器臂属于高速、轻载的并联机器人，主要应用于食品、药品和电子产品等加工、装配。但DELTA机器臂除了伺服电机和减速器输出驱动源，还需3组或6组的主动臂、从动臂组成的两连杆运动，才能实现运动平台三自由度或六自由度运动，体型较大且机械结构复杂，因此不适合用于空间狭小的自动化生产流水线。管式直线同步伺服电机具有额外损耗低、结构简单、体积小以及快速响应能力好等特点。本专利技术所设计六自由度并联机器臂，由新型一体化管式直线同步伺服电机、静平台和动平台组成，其结构简单，重量轻、运动惯量小、响应速度快和安装方便。因此本专利技术所设计的管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂可应用于高精密加工和装配工业领域，而简化的三自由度并联机器臂广泛应用于食品、药品和电子产品加工等工业生产自动化领域。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有轻工业领域应用的并联机器臂的不足而提供一种管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂及其控制方法，具有重量轻、体积小、运动速度快、效率高等优点。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂，包括静平台、动平台、上限位光电传感器、下限位光电传感器、光栅尺传感器和并联控制器，在静平台和动平台之间均布有多个管式直线电机，每个管式直线电机均包括外圆管和驱动轴，所述外圆管内沿轴向设有相连通的运动腔和驱动腔，所述运动腔的直径大于驱动腔的直径，所述驱动腔内沿轴向设有多个带有电机定子绕组的电机定子铁芯，所述驱动轴穿过驱动腔，驱动轴伸入运动腔的上端设有限位块，驱动轴位于外圆管外的下端通过一球面运动副连接动平台的顶面，驱动轴上沿轴向上内嵌有多个与电机定子绕组相配合的永磁体，外圆管位于运动腔一侧的端部通过一球面运动副连接静平台的底面，所述上限位光电传感器、下限位光电传感器分别对应设于驱动腔的两端，所述光栅尺传感器设于电机定子绕组与驱动轴之间，所述并联控制器分别连接上限位光电传感器、下限位光电传感器和光栅尺传感器，并经电机驱动器连接电机定子绕组。所述静平台的顶面上设有多个用于安装的Z形支架，所述Z形支架包括两个呈中心对称设置的直角支架，每个直角支架均包括两个底面板和两个三角形固定板，所述两个底面板相垂直，两个底面板上均设有多个用于安装的固定过孔，每个三角形固定板的一直角边与一底面板连接，每个三角形固定板的另一直角边与另一底面板连接，两个直角支架的一底面板背对背设置且两个直角支架的三角形固定板的斜边相平行。所述光栅尺传感器包括相配合的指示光栅和标尺光栅，所述标尺光栅固定在电机定子铁芯上，所述指示光栅固定在驱动轴上。所述动平台的中心处设有圆形过孔，所述动平台和静平台上分别均布有多个用于安装的螺纹孔。一种上述管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂的控制方法，包括以下步骤：1)根据运动轨迹规划算法得到每个位置控制周期的动平台中心点的六自由度目标位置，通过六自由度并联机器臂空间运动数学模型得到每个管式直线电机的驱动轴的长度位置给定信号，同时根据规划的运动轨迹和六自由度并联机器臂动力学模型，计算出每个位置控制周期的对应六自由度目标位置的每个管式直线电机输出的参考直线推力；2)实时采集驱动轴的位置实时信号，步骤1)得到的长度位置给定信号与位置实时信号的差值以及步骤1)得到的参考直线推力输入位置控制单元，位置控制单元通过前馈补偿得到电机推力电流给定信号；3)实时采集管式直线电机的三相电流信号，步骤2)得到的电机推力电流给定信号与三相电流信号的差值输入电流控制单元，电流控制单元通过电流内环控制向管式直线电机输出电机电流控制信号。所述每个管式直线电机的驱动轴的长度位置给定信号(l1,...,li,...,ln)满足以下公式：式中，以静平台的中心点为原点建立静坐标系OXYZ，以动平台的中心点为原点建立动坐标系OpXpYpZp，q表示静坐标系下动平台中心点的六自由度目标位置，q＝[xyzφθψ]，li表示第i个管式直线电机的驱动轴的长度位置给定信号，lA为管式直线同步伺服电机外圆管的长度，n表示管式直线电机的个数，ARB为动坐标系到静坐标系的旋转顺序ZYZ的变换矩阵，该矩阵ARB的变量为位姿欧拉角(φ,θ,ψ)，Bbi为动坐标系下动平台与第i个管式直线电机连接处的坐标位置，(x,y,z)表示动平台中心点在静坐标系下的坐标位置，Aai为静坐标系下静平台与第i个管式直线电机连接处的坐标位置。所述每个管式直线电机输出的参考直线推力(f1,...,fi,...,fn)满足以下公式：E＝T+P+∑(Ti+Pi+Tci+Pei)式中，fi表示第i个管式直线电机输出的参考直线推力，为q对时间t的求导，T表示动平台的总动能，P表示动平台的势能，Ti表示第i个管式直线电机的驱动轴的动能，Pi表示第i个管式直线电机的驱动轴的势能，Tci表示第i个管式直线电机的外圆管的动能，Pei表示第i个管式直线电机的外圆管的势能。动平台的总动能T满足以下公式：式中，mp表示动平台的质量，表示Q对时间t的求导，分别表示动平台绕动坐标系Xp、Yp、Zp轴的惯量矩阵；动平台的势能P满足以下公式：P＝[00mpg000]Tq式中，g表示重力加速度；第i个管式直线电机的驱动轴的动能Ti满足以下公式：式中，mi表示第i个管式直线电机的驱动轴质量，vai表示第i个管式直线电机的驱动轴下端速度，vbi表示第i个管式直线电机的驱动轴上端速度，lB表示管式直线电机的驱动轴长度，J表示雅克比矩阵；第i个管式直线电机的驱动轴的势能Pi满足以下公式：Pi＝migzi第i个管式直线电机的外圆管的动能Tci满足以下公式：式中，mci表示第i个管式直线电机的外圆管质量；第i个管式直线电机的外圆管的势能Pei满足以下公式：Pei＝mcigzei所述位置控制单元的前馈补偿具体为：将由参考直线推力fi计算出的前馈补偿电机推力电流信号与由长度位置给定信号与位置实时信号的差值计算出的位置电机推力电流信号相加，得到电机推力电流给定信号所述电流控制单元的电流内环控制中，将电机电流控制信号的三相电流矢量分解成两个互相垂直、彼此独立的电流分量，即产生磁通的励磁电流分量和产生直线推力的电流分量，然后分别进行调节控制。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)管式直线电机具有额外损耗低、结构简单、体积小以及快速响应能力好等特点，本专利技术六自由度并联机器臂由新型一体化管式直线电机、静平台和动平台组成，新型一体化管式直线电机中设置光栅尺传感器，提高管式直线电机位置检测的精度，同时还设置了上下限位光电传感器和限位块，保证直线运动的驱动轴的运动范围在运动腔的起点和终点之间，避免驱动轴位置过冲而导致机械构件损坏，整体结构简单，重量轻、运动惯量小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂，其特征在于，包括静平台、动平台、上限位光电传感器、下限位光电传感器、光栅尺传感器和并联控制器，在静平台和动平台之间均布有多个管式直线电机，每个管式直线电机均包括外圆管和驱动轴，所述外圆管内沿轴向设有相连通的运动腔和驱动腔，所述运动腔的直径大于驱动腔的直径，所述驱动腔内沿轴向设有多个带有电机定子绕组的电机定子铁芯，所述驱动轴穿过驱动腔，驱动轴伸入运动腔的上端设有限位块，驱动轴位于外圆管外的下端通过一球面运动副连接动平台的顶面，驱动轴上沿轴向上内嵌有多个与电机定子绕组相配合的永磁体，外圆管位于运动腔一侧的端部通过一球面运动副连接静平台的底面，所述上限位光电传感器、下限位光电传感器分别对应设于驱动腔的两端，所述光栅尺传感器设于电机定子绕组与驱动轴之间，所述并联控制器分别连接上限位光电传感器、下限位光电传感器和光栅尺传感器，并经电机驱动器连接电机定子绕组。

【技术特征摘要】
1.一种管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂，其特征在于，包括静平台、动平台、上限位光电传感器、下限位光电传感器、光栅尺传感器和并联控制器，在静平台和动平台之间均布有多个管式直线电机，每个管式直线电机均包括外圆管和驱动轴，所述外圆管内沿轴向设有相连通的运动腔和驱动腔，所述运动腔的直径大于驱动腔的直径，所述驱动腔内沿轴向设有多个带有电机定子绕组的电机定子铁芯，所述驱动轴穿过驱动腔，驱动轴伸入运动腔的上端设有限位块，驱动轴位于外圆管外的下端通过一球面运动副连接动平台的顶面，驱动轴上沿轴向上内嵌有多个与电机定子绕组相配合的永磁体，外圆管位于运动腔一侧的端部通过一球面运动副连接静平台的底面，所述上限位光电传感器、下限位光电传感器分别对应设于驱动腔的两端，所述光栅尺传感器设于电机定子绕组与驱动轴之间，所述并联控制器分别连接上限位光电传感器、下限位光电传感器和光栅尺传感器，并经电机驱动器连接电机定子绕组。2.根据权利要求1所述的管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂，其特征在于，所述静平台的顶面上设有多个用于安装的Z形支架，所述Z形支架包括两个呈中心对称设置的直角支架，每个直角支架均包括两个底面板和两个三角形固定板，所述两个底面板相垂直，两个底面板上均设有多个用于安装的固定过孔，每个三角形固定板的一直角边与一底面板连接，每个三角形固定板的另一直角边与另一底面板连接，两个直角支架的一底面板背对背设置且两个直角支架的三角形固定板的斜边相平行。3.根据权利要求1所述的管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂，其特征在于，所述光栅尺传感器包括相配合的指示光栅和标尺光栅，所述标尺光栅固定在电机定子铁芯上，所述指示光栅固定在驱动轴上。4.根据权利要求1所述的管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂，其特征在于，所述动平台的中心处设有圆形过孔，所述动平台和静平台上分别均布有多个用于安装的螺纹孔。5.一种如权利要求1所述管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据运动轨迹规划算法得到每个位置控制周期的动平台中心点的六自由度目标位置，通过六自由度并联机器臂空间运动数学模型得到每个管式直线电机的驱动轴的长度位置给定信号，同时根据规划的运动轨迹和六自由度并联机器臂动力学模型，计算出每个位置控制周期的对应六自由度目标位置的每个管式直线电机输出的参考直线推力；2)实时采集驱动轴的位置实时信号，步骤1)得到的长度位置给定信号与位置实时信号的差值以及步骤1)得到的参考直线推力输入位置控制单元，位置控制单元通过前馈补偿得到电机推力电流给定信号；3)实时采集管式直线电机的三相电流信号，步骤2)得到的电机推力电流给定信号与三相电流信号的差值输入电流控制单元，电流控制单元通过电流内环控制向管式直线电机输出电机电流控制信号。6.根据权利要求5所述的管式直线电机驱动的六自由度并联机器臂的控制方法，其特征在于，所述每个管式直线电机的驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋学程，
申请(专利权)人：闽江学院，
类型：发明
国别省市：福建,35