应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统技术方案

应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统，涉及绳驱并联机器人控制技术领域。本发明专利技术是为了解决现有绳驱机器人控制方法精度低、效率低、不方便大空间部署的问题。本发明专利技术上位机用于接收期望位置坐标，主控制器用于对上位机发送的期望位置坐标进行位置与张力转换，获得绳驱并联机器人四个绕线装置绳索的张力值，四个从控制器分别与绳驱并联机器人的四个绕线装置一一对应，从控制器用于根据对应绕线装置绳索的张力值计算张力控制指令和绳长控制指令，并分别向对应绕线装置发送张力控制指令和绳长控制指令，所述张力控制指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望张力，所述绳长控制指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望绳长。指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望绳长。指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望绳长。

【技术实现步骤摘要】
应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统


[0001]本专利技术属于绳驱并联机器人控制


技术介绍

[0002]绳驱并联机器人最大的特点以及优点就是绳索驱动，一方面相比于同等长度的刚性连杆其重量大大减少，增加其灵活性，同时相比较于刚性连杆，绳索可以部署在更大的空间内，大大增加其工作空间。因此绳驱并联机器人具有传统工业机械臂以及绳驱串联机器人无法相比的优势，现在已经在飞行器模拟，大型射电望远镜中发挥巨大的作用。
[0003]绳驱并联机器人虽有着串联机器人无法相比的优势，但是绳索柔性以及控制系统方案的设计却是一大难题。当前市面上的绳驱机器人大多采用单独位置控制、单独力控制以及切换式力位混合控制方法，这些控制方法精度低，同时控制器设计困难，具体实施时较为困难。在整体控制系统上，当前主要是集中式控制系统，这种控制系统方案控制效率低，而且不方便大空间部署，不易操控。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决现有绳驱机器人控制方法精度低、效率低、不方便大空间部署的问题，现提供应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统。
[0005]应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统，包括：上位机、主控制器和四个从控制器，上位机用于接收期望位置坐标，主控制器用于对上位机发送的期望位置坐标进行位置与张力转换，获得绳驱并联机器人四个绕线装置绳索的张力值，四个从控制器分别与绳驱并联机器人的四个绕线装置一一对应，从控制器用于根据对应绕线装置绳索的张力值计算张力控制指令和绳长控制指令，并分别向对应绕线装置发送张力控制指令和绳长控制指令，所述张力控制指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望张力，所述绳长控制指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望绳长。
[0006]进一步的，上述主控制器包括：外环PID控制模块和位置与张力转换模块，外环PID控制模块用于将位置误差E
pos
换算为外环位置控制量U
pos
，所述位置误差E
pos
为期望位置坐标与绳驱并联机器人的当前位置坐标之差，位置与张力转换模块用于利用外环位置控制量U
pos
分别计算每个绕线装置绳索的张力值。
[0007]进一步的，上述外环PID控制模块通过下式将位置误差E
pos
换算为外环位置控制量U
pos
：
[0008][0009]其中，K
p
为比例系数，T
I
为积分时间常数，T
D
为微分时间常数。
[0010]进一步的，上述位置与张力转换模块包括以下单元：
[0011]根据外环位置控制量U
p
o
s
获得第i个张力参数T
i
的单元，i＝1,2,3,4，
[0012]其中，A
i
为第i个绕线装置出绳口的坐标，P为期望位置坐标，
[0013]当T
i
≥0时，将T
i
作为第i个绕线装置绳索的张力值的单元，
[0014]当T
i
<0时，使第i个绕线装置绳索的张力值T
i
＝T
i
+M≥0的单元，其中，M为内力参数且满足u
i
M＝0。
[0015]进一步的，上述从控制器包括：内环PID控制模块、脉冲驱动模块、张力传感模块、编码器和角度绳长转换模块，内环PID控制模块用于将张力误差E
force_i
换算为内环张力控制量U
force_i
，所述张力误差为第i个绕线装置绳索的张力值T
i
与第i个绕线装置绳索的当前张力值F
i
之差，i＝1,2,3,4，脉冲驱动模块用于根据内环张力控制量U
f
orce_
i
获得第i个绕线装置电机的电压和占空比生成脉冲信号，并将该脉冲信号作为张力控制指令发送至电机驱动器，张力传感模块用于采集第i个绕线装置绳索的当前张力值F
i
，编码器用于根据当前张力值F
i
获得第i个绕线装置中电机轴旋转角度θ
i
，角度绳长转换模块用于将第i个绕线装置中电机轴旋转角度θ
i
换算为绳长控制指令L
i
。
[0016]进一步的，上述根据下式将张力误差E
force_i
换算为内环张力控制量U
force_i
：
[0017][0018]其中，K
p
为比例系数，T
I
为积分时间常数，T
D
为微分时间常数。
[0019]进一步的，上述根据下式将第i个绕线装置中电机轴旋转角度θ
i
换算为绳长控制指令L
i
：
[0020][0021]其中，Q为电机减速比，R为电机转轴半径，N为传动装置的传动比。
[0022]进一步的，上述通过下式计算第i个绕线装置电机的电压U
pwm
：
[0023][0024]其中，F为占空比为100％时电机力矩的最大值，V为占空比为100％时电机模拟输入电压的最大值，
[0025]通过下式计算第i个绕线装置电机的占空比D：
[0026][0027]其中，U
full
为占空比为100％时电机的电压值。
[0028]本专利技术的有益效果如下：
[0029](1)主从分布式控制方案：采用Jeston Nano作为主控制器，专属控制板卡作为从控制器，并分布式部署，能够使对每一套绕线装置的控制更加个性化，更加高效与迅速。分布式部署可以大大更加产品工作空间以及其安装与移动的灵活性。主从控制器能够实现精准分配任务，上层集中计算复杂控制与规划算法，下层只需执行相应的命令即可，使得整套
控制系统在工作时稳定性更好，效率更高，操控更加灵活。
[0030](2)专属控制板卡：从控制器的控制板卡能够将各个功能模块结合到一起，其包含的各个模块能够使信息传输和控制指令发布等任务更加稳定高效的运行。
[0031](3)双回路力位混合控制：相比于单独位置控制与张力控制，本专利技术以双回路的方式将位置和张力结合到一起，并应用于空间多自由度绳驱机器人上，能够大大增加其对绳索张力的控制，保证绳索在运动中始终保持绷紧状态，从而提高对末端工作平台位置的控制精度。
附图说明
[0032]图1为应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统的结构框图；
[0033]图2为具体实施方式一所述控制系统的控制示意图；
[0034]图3为位置与张力转换模块的转换流程示意图；
[0035]图4为从控制器内部控制流程示意图。
具体实施方式
[0036]具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的应用于空间多自由度绳驱并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统，其特征在于，包括：上位机、主控制器和四个从控制器，上位机用于接收期望位置坐标，主控制器用于对上位机发送的期望位置坐标进行位置与张力转换，获得绳驱并联机器人四个绕线装置绳索的张力值，四个从控制器分别与绳驱并联机器人的四个绕线装置一一对应，从控制器用于根据对应绕线装置绳索的张力值计算张力控制指令和绳长控制指令，并分别向对应绕线装置发送张力控制指令和绳长控制指令，所述张力控制指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望张力，所述绳长控制指令为绳索在运动时间内每一时刻的期望绳长。2.根据权利要求1所述的应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统，其特征在于，主控制器包括：外环PID控制模块和位置与张力转换模块，外环PID控制模块用于将位置误差E
pos
换算为外环位置控制量U
pos
，所述位置误差E
pos
为期望位置坐标与绳驱并联机器人的当前位置坐标之差，位置与张力转换模块用于利用外环位置控制量U
pos
分别计算每个绕线装置绳索的张力值。3.根据权利要求2所述的应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统，其特征在于，外环PID控制模块通过下式将位置误差E
pos
换算为外环位置控制量U
pos
：其中，K
p
为比例系数，T
I
为积分时间常数，T
D
为微分时间常数。4.根据权利要求2或3所述的应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统，其特征在于，位置与张力转换模块包括以下单元：根据外环位置控制量U
pos
获得第i个张力参数T
i
的单元，i＝1,2,3,4，其中，T
i
＝U
pos
/u
i
，A
i
为第i个绕线装置出绳口的坐标，P为期望位置坐标，当T
i
≥0时，将T
i
作为第i个绕线装置绳索的张力值的单元，当T
i
<0时，使第i个绕线装置绳索的张力值T
i
＝T
i
+M≥0的单元，其中，M为内力参数且满足u
i
M＝0。5.根据权利要求1或2所述的应用于空间多自由度绳驱并联机器人的控制系统，其特征在于，从控制器包括：内环PID控制模块、脉冲驱动模块、张力传感模块、编码器和角度绳长转换模块，内环PID控制模块用于将张力误差E
force_i
换算为内环张力控制量U
force_i
，所述张力误差为第i个绕线装置绳索的张力值T
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙光辉，卢彦岐，姚蔚然，吴立刚，刘健行，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：