一种Stewart平台启动与停机过程的平滑控制方法技术

本发明专利技术公开一种Stewart平台开启和停机过程的轨线平滑控制方法：对于开启阶段的平滑过程，首先，选择双曲线作为开机启动平滑轨线；其次，根据平台的运动任务轨线和启动平滑轨线在相切点数值和斜率相等条件，计算出相切点角度ξ；最后，根据选定的设计参数α计算出启动平滑轨线的特征参数，从而获得描述启动平滑轨线的数学方程；对于停机阶段的平滑过程，首先，选择两条双曲型曲线的叠加作为停机平滑轨线；其次，给定停机时间T以及轨线设计参数ρ1和ρ2；最后，根据所选参数计算出停机平滑轨线的特征参数，获得停机平滑轨线的数学方程。本发明专利技术可以在Stewart平台开启和停机时进行运动轨线平滑控制，显著减小平台自身以及所承载的精密仪器设备受到的冲击。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
本专利技术属于自动化领域，涉及一种Stewart六自由度并联运动平台启动与停机过 程的运动轨线平滑控制方法。 【
技术介绍
】 Stewart平台为一封闭式并联机构，通常由一个固定平台，一个运动平台，以及以 并行方式连接在两个平台之间的6根伸缩杆组成。Stewart平台具有运动精度高，刚度重量 比大，响应速度快，环境适应性强等特点，因此适用于机械加工与制造领域的并联机床、航 空航天测控以及运动模拟领域中精密测量设备的支撑平台。 Stewart平台在启动和停机过程中如果加速和减速相对较快，将会导致平台自身 以及所承载的仪器设备产生震动。在一些要求高精度和高平稳性的工作场合，用户期望实 现Stewart平台启停平稳，位姿变化平滑而柔和，避免发生剧烈的加速或者减速运动；同时 期望驱动电机工作状态稳定，电机的输出功率无急剧变化，因此需要对Stewart平台的启 动和停机过程的运动轨迹进行平滑。如果平滑效果不好，则Stewart平台的运动平台极有 可能在极短时间内出现速度或者是运动方向的急剧变化，使得其所承载的精密测量设备无 法正常工作。由于Stewart平台的运动平台是由6个电机分别带动6根伸缩杆进行驱动的， 在这种情况下电机的工作状态也将不稳定，电机及减速器等机械部件容易遭受严重的磨损 和冲击，从而影响电机的使用寿命。此外，这种运动方式也将会给Stewart平台的各个铰链 关节造成剧烈的冲击，从而影响到Stewart平台机械部件的寿命和运动精度。综合以上因 素，对Stewart平台的开启和停机运动轨迹进行平滑控制具有十分重要的意义。 Stewart平台需要进行轨迹平滑的情况通常出现在以下两种情况：1)平台启动 时，速度从无到有，加速度从零变化到一个较大的值，会使电机运动出现剧烈变化；2)平台 停机时，速度会很快降到零，也会产生较大的加速度。因此，对用户设定的任务轨迹在其 启始和停止阶段进行平滑处理，使其在上述两种情况下均能获得良好的运动性能，就成为 Stewart平台运动轨线控制中需要重点考虑的问题，具有迫切的实际应用需求。目前，国内 外对于Stewart平台开启和停机过程中运动轨迹平滑控制方面的研究尚不充分，尚无专门 的控制措施来避免启停状态转换对于Stewart平台及其所承载设备造成的冲击效应。 【
技术实现思路
】 本专利技术的目的在于提供，以解 决上述技术问题。 本专利技术分析了 Stewart平台需要进行运动轨迹平滑的两种情况：即平台启动过程 和平台停机过程。平台启动时，速度从无到有，而平台停机时，速度快速降至零，在这两种情 况下，电机的运动都会发生剧烈变化。本专利技术提出了利用双曲线进行启停轨迹平滑的方法， 针对Stewart平台的启动和停机过程进行运动轨迹平滑过渡，使得平台的运动更加平稳安 全。该方法针对开启和停机分别采用了不同的平滑轨线，可以保证平台的运动不会出现剧 烈改变，具有计算简单、效率高的优点，经过理论验算和实践证明，获得了良好的效果。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： -种Stewart平台启动与停机过程的平滑控制方法，包括Stewart六自由度并联 运动平台启动过程的平滑控制，其包括以下步骤： 在Stewart平台启动时对其运动轨线寻找一个双曲线，使在其某一段上曲线段的 起点与时间轴相切，曲线段的终点又与运动轨线在到达第一个峰值点之前的某一点相切； 具体实现步骤如下： 首先，选择双曲线作为开机启动平滑 轨线，其中y为双曲轨线关于时间t的函数值，k和P为待求的双曲轨线参数，ξ为相切点 角度，P为正弦运动轨迹初相角，ω为正弦运动轨迹角速度，b为给定的提前时间；其次，根 据平台轨线和启动轨线在相切点数值和斜率相同条件，计算出相切点角度ξ ;最后，根据 给定的设计参数α和计算出的相切点角度ξ，计算出平滑启动轨线的参数k和P，从而得 到启动平滑双曲轨线的方程；其中，k，P > 0 ;1 < α < 2。 进一步的，Stewart平台启动过程将要执行的运动轨迹为正弦曲线：其中X为正弦曲线相对于时间t的函数值，妒为 正弦运动轨迹初相角，ω为正弦运动轨迹角速度，A为正弦曲线的幅值；其中，识& 〇，1>〇 ; 选用的平滑双曲线作为启动平滑轨线 控制Stewart平台启动，使得Stewart平台的启动过程更加平稳安全。 进一步的，计算得到相切点角度ξ的步骤如下： 根据相切点函数值相同可知，在切?处，有： 根据相切点斜率值相同可知，在切4处，有： 令化简以上方程，可得： 在α选定的情况下，利用迭代法完成ξ的求解。 进一步的，根据选定的设计参数α和相切点角度ξ，计算得到曲线参数P和k的 步骤如下： 迭代法解出ξ后，综合已选定的α求出平滑曲线的参数值P和k，二者表达式 为： 在计算出平滑曲线的参数值P和k之后，带入双曲线便得到启动平滑轨线的方程。 进一步的，还包括Stewart六自由度并联机器人运动平台停机过程的平滑，具体 包括以下步骤： 首先，选取两条双曲型曲线的叠加 作为停机平滑曲线，其中kJPk2为待求停机平滑曲线参数；其次，用户根据任务需 求自行设定停机时间T，并选择合适的轨线设计参数PjP P 2，它们表征了双曲线上升或者 下降的快慢，即曲线斜率；考虑到通常期望停机过程尽量平稳缓和，P :和P 2的取值不宜过 大，实际中可以按照〇 < P 〇. 1，i = 1，2的规则来选取；最后，根据所选参数求出轨线 参数4和k 2，得到停机平滑轨线。 进一步的，根据停机时间T和自行设定的轨线设计参数P JP P 2计算未知两个轨 线参数kJPk2的步骤如下： 在轨线点t = 0处满足： 则原 方程化简为： 根据p和V便可以计算出4和k 2，得到停机平滑轨线。 相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果： 采用本专利技术提出的双曲线轨迹平滑控制方法，可以针对Stewart平台在开启和停 机等运动加速度较大情况下进行运动平滑，从而极大的提高了 Stewart平台的运动性能， 使得Stewart六自由度平台运动平稳，位姿变化平滑而柔和，不会出现剧烈的改变。本专利技术 针对平台启动和停机两种情况，分别进行分析并寻找出其各自的平滑曲线，然后进行了理 论分析和计算，从而为Stewart平台在启停机过程中平稳运动提供了坚实的依据。本专利技术 可以较好的对这两种情况进行平滑控制，具有计算简单、实用价值高的显著优点，利于提高 Stewart平台的运动性能。 【【附图说明】】 为了更加清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或 现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。 图1是本专利技术提出的Stewart平台启动平滑方法的示意图，图中实线代表平滑轨 线，虚线代表任务运动轨线，二者在相切点角度ξ处进行轨迹切换。 图2是在Stewart平台启动平滑控制的具体实施例中，相切点角度ξ和自选参数 α的关系图； 图3是自选参数a = L 5时Stewart平台启动平滑的示意图。 图4a是停机动作位于第一，三象限时，Stewart平台的停机平滑过程示意图；图4b 是停机动作位于第二，四象限时，Stewart平台的停机平滑过程示意图； 图5a是在具体实施例中，停机动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Stewart平台启动与停机过程的平滑控制方法，其特征在于，包括Stewart六自由度并联运动平台启动过程的平滑控制，其包括以下步骤：在Stewart平台启动时对其运动轨线寻找一个双曲线，使在其某一段上曲线段的起点与时间轴相切，曲线段的终点又与运动轨线在到达第一个峰值点之前的某一点相切；具体实现步骤如下：首先，选择双曲线作为开机启动平滑轨线，其中y为双曲轨线关于时间t的函数值，k和ρ为待求的双曲轨线参数，ξ为相切点角度，为正弦运动轨迹初相角，ω为正弦运动轨迹角速度，b为给定的提前时间；其次，根据平台轨线和启动轨线在相切点数值和斜率相同条件，计算出相切点角度ξ；最后，根据给定的设计参数α和计算出的相切点角度ξ，计算出平滑启动轨线的参数k和ρ，从而得到启动平滑双曲轨线的方程；其中，k,ρ＞0；1＜α＜2。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓栋，冯祖仁，郑义，梁恺，杜三平，靳杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61