一种基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统，包括IMU、PC机、运动控制器和六自由度并联平台；IMU与PC机通过串口连接，PC机与运动控制器通过普通以太网相连，运动控制器与六自由度并联平台通过工业以太网相连。本发明专利技术采用主从控制方式，以IMU作为控制主手，六自由度并联平台作为从手，通过远端机器人上搭载的IMU采集远端机器人的运动状态，并以Ethercat作为通讯协议进行运动控制器和伺服驱动模块之间的通讯，将远端机器人的运动姿态传给六自由度并联平台，完成六自由度并联平台对远端机器人的跟随运动，完成机器人在未知环境中运动姿态的复现，实现对六自由度并联平台的实时远程遥操作。的实时远程遥操作。的实时远程遥操作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，具体涉及一种基于IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)的六自由度并联平台主从控制系统。

技术介绍

[0002]六自由度并联平台是一种几何外形为八面体结构的六自由度并联机构,平台具有结构紧凑、刚度大、无累积误差、精度较高、动态响应好、承载能力大等优势,可应用于医疗、航空航天、娱乐、物流、机床设计等领域。在六自由度并联平台位置求解分析中,主要采用的方法有解析法、数值分析法、冗余传感器法和智能算法等。解析法注重得到全部正解,计算量大、运算时间长,求解过程比较复杂,不适合实际应用；冗余传感器法通过在铰接处增加传感器,通过传感器测量旋转角方式求出动平台的位置。智能算法的求解过程较复杂、运算时间较长。
[0003]六自由度并联平台具有空间内6个运动自由度，负载能力强、响应速度快、灵活，可以完成复杂的任务指令，同时其兼具高刚度、高精度、大负载的特点，被广泛应用于飞机、轮船、汽车等可靠性测试实验中以及运动模拟、装配、检测等领域。主从式机器人控制，即在机器人控制中引入主手设备，机器人作为从手，通过提取主手的运动姿态控制机器人运动的方式，这种控制方式充分利用了人的智慧，是未知环境中机器人的主要控制方式。
[0004]目前，六自由度并联平台的控制有两种方式，一种是基于离线路径规划，即机器人根据预先给定的位姿点数据提前规划出机器人位姿和运动轨迹进行运动的方式；另一种为基于在线路径规划，即机器人根据当前环境实时调整的位姿和运动轨迹进行运动的方式，这种方式当前主要通过人机交互界面或者特种运动输入设备实现。
[0005]现有技术主要有两个缺点，其一，采用离线路径规划一般只适用于已知作业环境，而对于未知环境，由于其存在很大的不确定性，该方法存在很大的局限性。其二，基于人机交互界面的在线六自由度并联平台控制存在操作不自然，响应不及时的问题，基于特种运动输入设备的六自由度并联平台在线控制存在开发难度大，成本高的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统，采用安装于远端机器人上的IMU实时采集远端机器人的位姿信息，并以Ethercat作为通讯协议传输到本地端的六自由度并联平台，从而实现六自由度并联平台的运动控制。
[0007]本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：
[0008]一种基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统，包括：
[0009]IMU，用于采集远端机器人在空间内的三个平移加速度和三个旋转的角加速度；
[0010]PC机，用于接收IMU采集的三个平移加速度和三个旋转的角加速度，对加速度进行二次积分和滤波得到X、Y、Z三个轴上的位移变化，对角加速度进行二次积分和滤波得到绕
X、Y、Z三个轴转动的角度变化，从而将IMU采集的六个自由度的运动信息转换为六自由度并联平台的位姿信息，将得到的六自由度并联平台的位姿信息进行高通滤波并发送至运动控制器；
[0011]运动控制器，用于接收PC机发送的六自由度并联平台的位姿信息，通过运动学反解将六自由度并联平台的位姿信息转换成每个电动缸的缸长变化量，并发送至六自由度并联平台；
[0012]六自由度并联平台，用于接收运动控制器发送的每个电动缸的的缸长变化量，根据每个电动缸的的缸长变化量实现前后、左右、上下的平移以及俯仰、横滚和偏航的六个自由度运动，从而实现实时跟随远端机器人的运动。
[0013]进一步地，所述PC机包括：
[0014]IMU运动数据接收模块，用于接收IMU采集的三个平移加速度和三个旋转的角加速度；
[0015]数据处理模块，用于对加速度进行二次积分和滤波得到X、Y、Z三个轴上的位移变化，对角加速度进行二次积分和滤波得到绕X、Y、Z三个轴转动的角度变化，从而将IMU采集的六个自由度的运动信息转换为六自由度并联平台的位姿信息；
[0016]第一通讯模块，用于将得到的六自由度并联平台的位姿信息进行高通滤波并发送至运动控制器。
[0017]进一步地，所述运动控制器包括：
[0018]第二通讯模块，用于接收PC机发送的六自由度并联平台的位姿信息；
[0019]运动学反解模块，用于通过运动学反解将六自由度并联平台的位姿信息转换成每个电动缸的缸长变化量；
[0020]第三通讯模块，用于将每个电动缸的缸长变化量发送至六自由度并联平台。
[0021]进一步地，通过运动学反解将六自由度并联平台的位姿信息转换成每个电动缸的缸长变化量具体如下：
[0022]如果给定坐标系B的原点P在坐标系A中的坐标向量为p＝[x
P y
P z
P
]T
,六自由度并联平台的姿态用横滚
‑
俯仰
‑
偏转欧拉角表示为(α，β，γ)，则坐标系B相对于坐标系A的旋转矩阵为：
[0023][0024]其中：
[0025][0026][0027][0028]对于每一个电动缸，建立一下闭环向量表达式：
[0029][0030]其中A
i
和B
i
表示第i个电动缸连接球副，于是有：
[0031][0032]为A
i
在坐标系A中的坐标，为B
i
在坐标系B中的坐标；
[0033]第i个电动缸的缸长变化量q
i
等于向量的模,因此，获得给定六自由度并联平台位姿相应的输入为
[0034][0035]对于给定的六自由度并联平台位姿，显然已知，而只与六自由度并联平台的设计参数有关，因此，将相关已知参数代入公式可得到相应电动缸的缸长变化量。
[0036]进一步地，所述六自由度并联平台包括动平台、静平台和六个伺服驱动模块，每个伺服驱动模块包含伺服驱动器、伺服电机和电动缸；
[0037]伺服驱动器一端连接运动控制器，另一端连接伺服电机的一端，伺服电机的另一端连接电动缸的一端，电动缸一端还与固定的静平台相连，另一端与活动的动平台相连。
[0038]进一步地，所述高通滤波的滤波器的传递函数为：
[0039][0040]序列x(n)经过滤波器后的输出数列y(n)＝H(z)x(n)，则
[0041]y(n)＝a0x(n)
‑
a1x(n
‑
1)+a2x(n
‑
2)+b1y(n
‑
1)
‑
b2y(n
‑
2)
[0042]其中a0、a1、a2、b1和b2为由设定的采样频率、系统扰动的上界作为优化目标得到的最优解的系数。
[0043]进一步地，所述IMU为含三个平移加速度和三个旋转的角加速度共六个运动自由度的惯性传感器。
[0044]进一步地，所述IMU固定在远端机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统，其特征在于，包括：IMU，用于采集远端机器人在空间内的三个平移加速度和三个旋转的角加速度；PC机，用于接收IMU采集的三个平移加速度和三个旋转的角加速度，对加速度进行二次积分和滤波得到X、Y、Z三个轴上的位移变化，对角加速度进行二次积分和滤波得到绕X、Y、Z三个轴转动的角度变化，从而将IMU采集的六个自由度的运动信息转换为六自由度并联平台的位姿信息，将得到的六自由度并联平台的位姿信息进行高通滤波并发送至运动控制器；运动控制器，用于接收PC机发送的六自由度并联平台的位姿信息，通过运动学反解将六自由度并联平台的位姿信息转换成每个电动缸的缸长变化量，并发送至六自由度并联平台；六自由度并联平台，用于接收运动控制器发送的每个电动缸的的缸长变化量，根据每个电动缸的的缸长变化量实现前后、左右、上下的平移以及俯仰、横滚和偏航的六个自由度运动，从而实现实时跟随远端机器人的运动。2.根据权利要求1所述的基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统，其特征在于，所述PC机包括：IMU运动数据接收模块，用于接收IMU采集的三个平移加速度和三个旋转的角加速度；数据处理模块，用于对加速度进行二次积分和滤波得到X、Y、Z三个轴上的位移变化，对角加速度进行二次积分和滤波得到绕X、Y、Z三个轴转动的角度变化，从而将IMU采集的六个自由度的运动信息转换为六自由度并联平台的位姿信息；第一通讯模块，用于将得到的六自由度并联平台的位姿信息进行高通滤波并发送至运动控制器。3.根据权利要求1所述的基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统，其特征在于，所述运动控制器包括：第二通讯模块，用于接收PC机发送的六自由度并联平台的位姿信息；运动学反解模块，用于通过运动学反解将六自由度并联平台的位姿信息转换成每个电动缸的缸长变化量；第三通讯模块，用于将每个电动缸的缸长变化量发送至六自由度并联平台。4.根据权利要求1所述的基于IMU的六自由度并联平台主从控制系统，其特征在于，通过运动学反解将六自由度并联平台的位姿信息转换成每个电动缸的缸长变化量具体如下：如果给定坐标系B的原点P在坐标系A中的坐标向量为p＝[x
P y
P z
P
]
T
,六自由度并联平台的姿态用横滚
‑
俯仰
‑
偏转欧拉角表示为(α，β，γ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶浩，杨文林，刘小凯，张治彪，李亚锋，吕浩亮，张弓，侯至丞，王卫军，
申请(专利权)人：广州中国科学院先进技术研究所，
类型：发明
国别省市：