一種用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法。1)以六自由度并聯(lián)機(jī)器平臺(tái)作為機(jī)載平臺(tái)，平臺(tái)的固定端的位姿是隨機(jī)體呈動(dòng)態(tài)變化的，而由六個(gè)并聯(lián)的伸縮桿以及萬向鉸鏈控制工作臺(tái)的位姿始終處于水平狀態(tài)。2)伸縮桿的實(shí)際長(zhǎng)度由傳感器測(cè)量，而平臺(tái)的位姿通過非線性觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)。3)伸縮桿長(zhǎng)度的測(cè)量誤差作為狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行位姿估計(jì)的輸入信號(hào)。4)利用微分同胚將非線性觀測(cè)器變換轉(zhuǎn)化為帶有非線性擾動(dòng)的線性觀測(cè)器形式求取，5)同時(shí)采用自動(dòng)微分技術(shù)實(shí)現(xiàn)增益矩陣的估計(jì)，大大提高了增益矩陣的求解速度。
【專利說明】一種用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種機(jī)載并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)的位姿觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]并聯(lián)機(jī)器人是由多條獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈連接末端執(zhí)行器和固定系統(tǒng)而形成的多閉環(huán)機(jī)構(gòu)。它具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功地用于加工中心、操作機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練裝置、微動(dòng)器、微型機(jī)器人以及多維傳感器等眾多領(lǐng)域，并以其特有的并聯(lián)機(jī)器人多運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)方式，成為一個(gè)潛在的高速高精度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。目前關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用正日益廣泛，應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展，這些重要應(yīng)用彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)器人的不足，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
[0003]從系統(tǒng)的總體出發(fā)，針對(duì)期望位姿直接設(shè)計(jì)控制器，該方法控制精度高，并且在分析機(jī)構(gòu)末端輸出誤差及實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡等方面都具有重要的實(shí)際意義。但是，任務(wù)空間控制需要計(jì)算并聯(lián)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)，而并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解非常復(fù)雜，一般不存在解析解，且解不唯一；而數(shù)值計(jì)算計(jì)算量很大，實(shí)時(shí)性差，且對(duì)初值依賴明顯。因此，如何提高求解效率以增加其實(shí)用性便成為并聯(lián)機(jī)器人研究的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前，通常采用在并聯(lián)機(jī)構(gòu)適當(dāng)位置增加傳感器，獲得機(jī)構(gòu)冗余信息，則可以降低機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位置和機(jī)構(gòu)位姿之間的線性解耦，但是傳感器價(jià)格昂貴，而且如何安裝傳感器本身也存在一定的問題。隨著非線性技術(shù)的不斷發(fā)展，以非線性狀態(tài)觀測(cè)器代替?zhèn)鞲衅?，獲得對(duì)位姿的估計(jì)信息，有效降低正解維數(shù)及求解過程，是提高運(yùn)算速度，增加其實(shí)用性的一種非常好的解決方案。
[0004]因此設(shè)計(jì)一種合理的用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計(jì)一種用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)姿態(tài)的快速觀測(cè)及估計(jì)。
[0006]本發(fā)明主要包括以下內(nèi)容:
[0007](I)考慮實(shí)際系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立機(jī)載平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型；
[0008](2)建立基于觀測(cè)器的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；
[0009](3)設(shè)計(jì)全維非線性狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)；
[0010](4)準(zhǔn)確地估計(jì)出平臺(tái)的位姿信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)示意圖。
[0012]圖中①鉸鏈②伸縮桿③工作臺(tái)④固定平臺(tái)[0013]圖2帶有位姿觀測(cè)器的平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]本發(fā)明以機(jī)(車)載六自由度并聯(lián)平臺(tái)為研究對(duì)象(如圖1所示)，其固定平臺(tái)④固定在機(jī)(車)體。由于機(jī)體在運(yùn)動(dòng)過程中有一定的位姿，不能始終保持水平，因而區(qū)別于以往靜止的并聯(lián)平臺(tái)，機(jī)(車)載并聯(lián)平臺(tái)的固定平臺(tái)的位姿是動(dòng)態(tài)變化的。由六個(gè)并聯(lián)的伸縮桿②以及萬向鉸鏈①控制工作臺(tái)的位置，以保證工作平臺(tái)③始終處于水平狀態(tài)，使負(fù)載位姿在運(yùn)行中保持平穩(wěn)。
[0016](I)考慮實(shí)際系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立機(jī)載平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型
[0017]a.首先充分考慮機(jī)身的擾動(dòng)以及對(duì)各支路進(jìn)行分解時(shí)，存在單支路負(fù)載變化和耦合干擾等不確定性因素，并考慮相互作用的影響，合理建立系統(tǒng)的無模型動(dòng)態(tài)，將整體問題轉(zhuǎn)化為各支路的問題考慮。
[0018]b.用并聯(lián)機(jī)器人各個(gè)部件的雅可比矩陣描述動(dòng)平臺(tái)在任務(wù)空間的速度、加速度以及兩岸和滑塊的速度、加速度之間的關(guān)系。最終得到綜合系統(tǒng)的雅可比矩陣為
【權(quán)利要求】
1.一種用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，其特征在于以六自由度并聯(lián)機(jī)器平臺(tái)作為機(jī)載平臺(tái)，以非線性觀測(cè)器作為估計(jì)、測(cè)量平臺(tái)位姿的主要手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)位姿狀態(tài)的快速、準(zhǔn)確的跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，其特征在于選取的平臺(tái)為六自由度的并聯(lián)平臺(tái)，并由六個(gè)并聯(lián)的伸縮桿以及萬向鉸鏈控制工作臺(tái)的位姿，平臺(tái)的固定端的位姿是隨機(jī)體呈動(dòng)態(tài)變化的，而工作平臺(tái)始終處于水平狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的用于機(jī)載機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，其特征在于必須利用坐標(biāo)變化將位置控制問題轉(zhuǎn)化為軌跡跟蹤控制問題。其動(dòng)力學(xué)模型為如下形式:
4.根據(jù)權(quán)利I所述的用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，其特征在于伸縮桿的實(shí)際長(zhǎng)度由傳感器測(cè)量，其測(cè)量誤差作為狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行位姿估計(jì)的輸入信號(hào)，狀態(tài)觀測(cè)器的模型為如下形式:
5.根據(jù)權(quán)利I所述的用于機(jī)載并聯(lián)平臺(tái)的位姿觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法，其特征在于利用微分同胚將非線性觀測(cè)器變換轉(zhuǎn)化為帶有非線性擾動(dòng)的線性觀測(cè)器形式求取，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，采用自動(dòng)微分技術(shù)，大大提高了增益矩陣的求解速度。
【文檔編號(hào)】B25J9/00GK103862459SQ201210533221
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月11日
【發(fā)明者】陳奕梅 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)