CN104440870A - 可变结构参数柔索并联机器人系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变结构参数柔索并联机器人系统及控制方法，系统包括柔索并联机器人、柔索并联机器人的液路系统、柔索并联机器人控制电路、柔索并联机器人控制系统，方法通过控制系统中反馈模块采集的参数，由控制系统中主控工控机控制运动控制板卡向柔索并联机器人控制电路发送控制命令。本发明能够有效控制可变机器人机构参数完成大负载运转、大范围工作空间高性能运动输出，实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动。

Description

可变结构参数柔索并联机器人系统及控制方法

技术领域

本发明涉及并联机器人控制领域，具体是一种可变结构参数柔索并联机器人系统及控制方法。

背景技术

柔索并联机器人具有结构简单、工作空间大、易拆装、可重组、模块化程度高、负载能力强、运动速度快以及价格低廉等特点。目前，各种自由度的柔索并联机器人在国内外都有广泛的研究和应用。中国专利01127939.7公开了一种柔索驱动三自由度并联机器人，中国专利200910070056.3公开了一种二自由度柔索并联机器人，中国专利200910233341.2公开了一种实现三自由度采用混合驱动五连杆机构驱动的柔索并联机器人。综合以上已经出现的柔索并联机器人，主要采用固定柔索并联构型机构，并通过电机驱动柔索实现被控对象末端执行器期望运动，限制了实现柔索并联机构完成高负载、大工作空间作业任务的能力。在这种情况下，需要借助机械和电子技术改进原有的柔索并联机器人系统，研制一种结构紧凑、操作方便、具有高负载、大工作空间作业任务能力、系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好的柔索并联机器人控制系统。

发明内容    本发明的目的是提供一种可变结构参数柔索并联机器人系统及控制方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

可变结构参数柔索并联机器人系统，其特征在于：包括柔索并联机器人、柔索并联机器人的液路系统、柔索并联机器人控制电路、柔索并联机器人控制系统，其中：

所述柔索并联机器人包括有水平设置的环形导轨，导轨上滑动安装有多个基座，所述基座上分别设置有伺服电机、双向液压马达，其中伺服电机传动连接有变速箱，每个基座中分别转动安装有与变速箱传动连接的驱动轮，各个基座分别通过驱动轮滑动安装在导轨上，双向液压马达传动连接有减速机，减速机传动连接有卷扬机，每个基座上还竖向安装有液电混合驱动的双向液压缸，双向液压缸伸缩部顶端分别转动安装有导向定滑轮，导向定滑轮上分别绕过有柔索，每个柔索一端分别多圈缠绕在各自对应的基座上的卷扬机上，多个柔索另一端分别伸向环形导轨中心上方并共同连接有末端执行器；

所述柔索并联机器人的液路系统包括液压泵，液压泵的输入与外部液压油源连接，液压泵有两路输出，其中一路输出通过一个电磁比例换向阀供油至各个双向液压缸，另一路输出通过另一个电磁比例换向阀供油至各个双向液压马达；

所述柔索并联机器人控制电路包括柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路、可移动基座控制电路，可移动基座控制电路由伺服电机数量相同的伺服电机驱动器构成，柔索驱动机构控制电路由与双向液压马达数量相同的比例放大器一构成，伸缩式柔索支柱控制电路由与双向液压缸数量相同的比例放大器二构成，其中伺服电机驱动器的输出端一一对应与各个伺服电机连接，比例放大器一的输出端分别与供油至各个双向液压马达的电磁比例换向阀连接，比例放大器二的输出端分别与供油至各个双向液压缸的电磁比例换向阀连接，各个伺服电机驱动器、比例放大器的输入端分别接入柔索并联机器人控制系统；

所述柔索并联机器人控制系统包括带通信接口的主控工控机、带通讯模块的运动控制板卡、人机交互界面、反馈模块，所述人机交互界面接入主控工控机，主控工控机与运动控制板卡通讯连接，各个伺服电机驱动器、比例放大器的输入端分别通过CAN总线接入运动控制板卡，所述反馈模块包括多组一一对应安装在伺服电机上的光电编码器、多组一一对应安装在双向液压缸上的光栅位移传感器、多组共同安装在末端执行器上的激光测距传感器、接近传感器、重力传感器，以及多组一一对应安装在柔索上的测力传感器和拉线位移传感器，所述光电编码器、光栅位移传感、激光测距传感器、接近传感器、重力传感器、测力传感器、拉线位移传感器的数据输出端分别接入运动控制板卡反馈输入端。

所述的可变结构参数柔索并联机器人系统，其特征在于：所述液路系统中，液压泵与输入接入有过滤器，液压泵上还接入有溢流阀。

所述的可变结构参数柔索并联机器人系统，其特征在于：主控工控机、运动控制板卡、伺服电机驱动器、比例放大器以及反馈模块之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。

一种可变结构参数柔索并联机器人系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好，人工输入末端执行器的初始位置坐标，根据设定的目的地坐标进行全局路径规划；

（2）、开启各个传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，生成能实际运行的现场轨迹路线，末端执行器的轨迹运行路线和骑上传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试；

（3）、可变结构参数柔索并联机器人牵引被控对象末端执行器运动时，安装在末端执行器上的个激光测距传感器、重力传感器和接近传感器，以及分别安装在四根柔索上的测力传感器，将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，主控工控机及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

（4）、主控工控机对接收到的信号进行分析处理，完成人机交互功能和柔索并联机器人力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信接口传送给运动控制板卡；

（5）、运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人的控制电路中柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行双向液压缸的伸缩、基座在圆形导轨上的移动和四根柔索的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动，其中：

安装在柔索上的拉线位移传感器用于测量柔索的位移和速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器一放大用来控制对应的电磁比例换向阀，外部液压泵通过过滤器抽取液压油经过电磁比例换向阀为双向液压马达提供原动力，电磁比例换向阀通过调节流经双向液压马达的流体流量进而控制双向液压马达的转速，从拉线位移传感器的反馈到调节双向液压马达的转速，构成一个速度反馈机制保证双向液压马达转速恒定，双向液压马达带动卷扬机进而得以保证柔索速度的恒定；

安装在双向液压缸上的光栅位移传感器测得液压缸的伸缩位移与速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器二放大用来控制对应的电磁比例换向阀，外部液压泵通过过滤器抽取液压油经过电磁比例换向阀为双向液压缸提供原动力，电磁比例换向阀通过调节流经双向液压缸的流体流量进而控制双向液压缸的伸缩位移和速度信号，从光栅位移传感器的反馈到控制双向液压缸的伸缩位移和速度，构成速度反馈控制从而保证液压缸速度恒定；

安装在伺服电机上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机转速恒定；

（6）、安装在末端执行器上的激光测距传感器、重力传感器和接近传感器，以及分别安装在四根柔索上的测力传感器，将进一步的检测末端执行器位置、重力以及接近状态和柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到末端执行器的位姿和三维空间运动图像信息，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行任务。

本发明提出了一种可变结构参数柔索并联机器人控制系统及方法，该系统能够有效控制可变机器人机构参数完成大负载运转、大范围工作空间高性能运动输出，实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动。

本发明的有益效果为：本发明可变结构参数柔索并联机器人控制系统及方法，采用电液伺服混合驱动、模块化可移动伸缩式柔索支柱，并通过对多类传感器采集信息的反馈融合，能够有效控制可变柔索并联机器人机构参数，实现四根柔索的协调收放完成大负载运转、大范围工作空间高性能运动输出，实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度、高平稳性运动；采用由主控工控机、运动控制板卡和通信装置组成的分布式控制模式，具有系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好；对系统的监控装置采用了模块化设计，可以根据负载大小，增减协同载运末端执行器的可移动伸缩式柔索支柱的数量，同时根据实际情况扩展不同的传感器模块，具有良好的可扩展性；系统中采用测力传感器、重力传感器和接近传感器可以监测柔索张力、所载工件的重量，以及重物块运动的避障和防止冲击，从而大大提高了可变结构参数柔索并联机器人的运动灵活性、稳定性和精确性；同时，通过对各末端执行器上的各传感器信息的采集、分析和处理，通过通讯装置，能够实时的将各传感器的运行状态以及监测数据和末端执行器的三维环境模型图像显示在人机交互式界面上，能够全面轻易及时的对末端执行器的状态进行实时监控、调试处理和安全操控；另外伸缩式柔索支柱的伸缩过程和柔索的驱动均是采用液压系统进行带动，结构紧凑，操作方便，具有承载能力强，运行精度高，性能稳定无噪声；本发明实现了机械、电子、液压一体化，自动化程度高，具有结构紧凑和操作方便等特点显著的提高了重型精密载运的效率。

附图说明

图1为本发明柔索并联机器人结构示意图。

图2为本发明柔索并联机器人控制系统原理框图。

图3为本发明柔索并联机器人的液路系统图。

图4为本发明控制方法流程图。

图5为本发明人机交互界面示意图。

具体实施方式

可变结构参数柔索并联机器人系统，包括柔索并联机器人、柔索并联机器人的液路系统、柔索并联机器人控制电路、柔索并联机器人控制系统，其中：

如图1所示。柔索并联机器人包括有水平设置的环形导轨8，导轨8上滑动安装有多个基座9，基座9上分别设置有伺服电机11、双向液压马达5，其中伺服电机11传动连接有变速箱12，每个基座9中分别转动安装有与变速箱12传动连接的驱动轮13，各个基座9分别通过驱动轮13滑动安装在导轨8上，双向液压马达5传动连接有减速机6，减速机6传动连接有卷扬机7，每个基座9上还竖向安装有液电混合驱动的双向液压缸3，双向液压缸3伸缩部顶端分别转动安装有导向定滑轮2，导向定滑轮2上分别绕过有柔索4，每个柔索4一端分别多圈缠绕在各自对应的基座9上的卷扬机7上，多个柔索4另一端分别伸向环形导轨8中心上方并共同连接有末端执行器1，每个基座9底部还分别设置有与驱动轮13传动连接的电磁制动器10；

如图3所示。柔索并联机器人的液路系统包括液压泵15，液压泵15的输入与外部液压油源连接，液压泵15有两路输出，其中一路输出通过一个电磁比例换向阀17供油至各个双向液压缸3，另一路输出通过另一个电磁比例换向阀供油至各个双向液压马达5；

柔索并联机器人控制电路包括柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路、可移动基座控制电路，可移动基座控制电路由伺服电机数量相同的伺服电机驱动器构成，柔索驱动机构控制电路由与双向液压马达数量相同的比例放大器一构成，伸缩式柔索支柱控制电路由与双向液压缸数量相同的比例放大器二构成，其中伺服电机驱动器的输出端一一对应与各个伺服电机连接，比例放大器一的输出端分别与供油至各个双向液压马达的电磁比例换向阀连接，比例放大器二的输出端分别与供油至各个双向液压缸的电磁比例换向阀连接，各个伺服电机驱动器、比例放大器的输入端分别接入柔索并联机器人控制系统；

如图2所示。柔索并联机器人控制系统包括带通信接口的主控工控机、带通讯模块的运动控制板卡、人机交互界面、反馈模块，人机交互界面接入主控工控机，主控工控机与运动控制板卡通讯连接，各个伺服电机驱动器、比例放大器的输入端分别通过CAN总线接入运动控制板卡，反馈模块包括多组一一对应安装在伺服电机上的光电编码器、多组一一对应安装在双向液压缸上的光栅位移传感器、多组共同安装在末端执行器上的激光测距传感器、接近传感器、重力传感器，以及多组一一对应安装在柔索上的测力传感器和拉线位移传感器，光电编码器、光栅位移传感、激光测距传感器、接近传感器、重力传感器、测力传感器、拉线位移传感器的数据输出端分别接入运动控制板卡反馈输入端。

如图3所示。液路系统中，液压泵15与输入接入有过滤器14，液压泵15上还接入有溢流阀16。

主控工控机、运动控制板卡、伺服电机驱动器、比例放大器以及反馈模块之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。

如图4所示。一种可变结构参数柔索并联机器人系统的控制方法，包括以下步骤：

（1）、进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好，人工输入末端执行器的初始位置坐标，根据设定的目的地坐标进行全局路径规划；

（2）、开启各个传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，生成能实际运行的现场轨迹路线，末端执行器的轨迹运行路线和骑上传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试；

（3）、可变结构参数柔索并联机器人牵引被控对象末端执行器运动时，安装在末端执行器上的个激光测距传感器、重力传感器和接近传感器，以及分别安装在四根柔索上的测力传感器，将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，主控工控机及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

（4）、主控工控机对接收到的信号进行分析处理，完成人机交互功能和柔索并联机器人力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信接口传送给运动控制板卡；

（5）、运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人的控制电路中柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行双向液压缸的伸缩、基座在圆形导轨上的移动和四根柔索的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动，其中：

安装在柔索上的拉线位移传感器用于测量柔索的位移和速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器一放大用来控制对应的电磁比例换向阀，外部液压泵通过过滤器抽取液压油经过电磁比例换向阀为双向液压马达提供原动力，电磁比例换向阀通过调节流经双向液压马达的流体流量进而控制双向液压马达的转速，从拉线位移传感器的反馈到调节双向液压马达的转速，构成一个速度反馈机制保证双向液压马达转速恒定，双向液压马达带动卷扬机进而得以保证柔索速度的恒定；

安装在双向液压缸上的光栅位移传感器测得液压缸的伸缩位移与速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器二放大用来控制对应的电磁比例换向阀，外部液压泵通过过滤器抽取液压油经过电磁比例换向阀为双向液压缸提供原动力，电磁比例换向阀通过调节流经双向液压缸的流体流量进而控制双向液压缸的伸缩位移和速度信号，从光栅位移传感器的反馈到控制双向液压缸的伸缩位移和速度，构成速度反馈控制从而保证液压缸速度恒定；

安装在伺服电机上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机转速恒定；

（6）、安装在末端执行器上的激光测距传感器、重力传感器和接近传感器，以及分别安装在四根柔索上的测力传感器，将进一步的检测末端执行器位置、重力以及接近状态和柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到末端执行器的位姿和三维空间运动图像信息，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行任务。

本发明包括柔索并联机器人、主控工控机、通信装置、运动控制板卡、柔索并联机器人控制器和传感器，主控工控机通过通信装置与运动控制板卡连接，运动控制板卡与各柔索并联机器人控制器连接，柔索并联机器人控制器与末端执行器连接，柔索并联机器人末端执行器安装有传感器，传感器与运动控制板卡连接，运动控制板卡通过通信装置与主控工控机连接。

参见图1、3，柔索并联机器人包括四组结构相同的可移动伸缩式柔索支柱、末端执行器1、四根柔索4和导轨8构成。可移动伸缩式柔索支柱是由定滑轮2、双向液压缸3、双向液压马达5、减速机6、卷扬机7、基座9、电磁制动器10、伺服电机11、变速箱12、驱动轮13、过滤器14、液压泵15、溢流阀16和电磁比例换向阀17等构成，可移动伸缩式柔索支柱分布在圆形导轨8上，伸缩式双向液压缸3之上设有柔索导向定滑轮2，双向液压缸3安装在基座9上，基座9是由伺服电机11通过变速箱12带动驱动轮13在圆形导轨8上移动，驱动轮13上安装有电磁制动器10进行可移动基座9的制动。双向液压缸3的上下伸缩是由液电混合驱动完成，外部液压泵15通过过滤器14抽取液压油为电磁比例换向阀17提供原动力（溢流阀16用于保证稳压溢流），运动控制板卡发出指令并由比例放大器进行放大，用于控制电磁比例换向阀17阀芯的移动从而精确控制双向液压缸3的上下伸缩。双向液压马达5（其转速大小也是由液压泵15提供动力，通过电磁比例换向阀17控制液压油流量大小进而控制双向液压马达5的转速）通过减速机6与卷扬机7相连构成柔索驱动机构，柔索驱动机构并固定在基座9上，四根柔索4一端缠绕在卷扬机7上，另一端通过双向液压缸3之上的导向定滑轮2，并与末端执行器1相连，末端执行器1上与四根柔索4连接点有4个，分别均匀分布在末端执行器1上部。

柔索并联机器人控制器共有四组，每一组结构相同，包括柔索驱动机构、伸缩式柔索支柱、可移动基座9、机器人控制电路、拉线位移传感器、光电编码器、光栅位移传感器，运动控制板卡的输出端与机器人控制电路连接，拉线位移传感器、光栅位移传感器和光电编码器的输出端与运动控制板卡的反馈输入端连接；所述的机器人控制电路包括柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座9控制电路。

传感器包括拉线位移传感器、光栅位移传感器、光电编码器、测力传感器、重力传感器、接近传感器和激光测距传感器；光电编码器有4个，分别安装在各柔索并联机器人的柔索驱动机构的可移动基座9的伺服电机11上；光栅位移传感器有4个，分别安装在柔索并联机器人的伸缩式柔索支柱的双向液压缸3上；在柔索并联机器人末端执行器1上分别安装3个激光测距传感器和重力传感器，同时在末端执行器1上安装有接近传感器，在四根柔索4上各安装一个相同的测力传感器。

参见图2、3、4、5，可变结构参数柔索并联机器人控制系统的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好，人工输入末端执行器的初始位置坐标，根据设定的目的地坐标进行全局路径规划；

步骤二：开启传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，生成能实际运行的现场轨迹路线，末端执行器的轨迹运行路线和其上传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试。

 

步骤三：可变结构参数柔索并联机器人牵引被控对象末端执行器1运动时，安装在末端执行器1上的3个激光测距传感器（用于检测末端执行器的空间位置、位移和速度信号）、重力传感器（用于检测末端执行器上加装物体的重力）和接近传感器（用于检测末端执行器距离周围障碍物的径向距离），以及分别安装在四根柔索上的测力传感器（用于检测柔索上所受到的内部拉力大小），将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；并及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

步骤四：主控工控机对接收到的信号进行分析处理，完成人机交互功能和柔索并联机器人力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信装置传送给运动控制板卡；

步骤五：运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座9控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行柔索支柱的伸缩、基座9在圆形导轨8上的移动和四根柔索4的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器1空间三维平动自由度的高精度运动，

1）柔索驱动机构控制电路：安装在柔索并联机器人柔索驱动机构的柔索4上的拉线位移传感器用于测量柔索的位移和速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器放大用来控制电磁比例换向阀17，外部液压泵15通过过滤器14抽取液压油经过电磁比例换向阀17为双向液压马达提供原动力（溢流阀16用于保证稳压溢流），电磁比例换向阀17通过调节流经双向液压马达5的流体流量进而控制双向液压马达5的转速，从拉线位移传感器的反馈到调节双向液压马达5的转速，构成一个速度反馈机制保证双向液压马达5转速恒定，双向液压马达5带动卷扬机进而得以保证柔索速度的恒定；

2）伸缩式柔索支柱控制电路：安装在柔索并联机器人伸缩式柔索支柱的双向液压缸3上的光栅位移传感器测得双向液压缸3的伸缩位移与速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器放大用来控制电磁比例换向阀17，外部液压泵15通过过滤器14抽取液压油经过电磁比例换向阀17为双向液压缸3提供原动力（溢流阀16用于保证稳压溢流），电磁比例换向阀17通过调节流经双向液压缸3的流体流量进而控制双向液压缸3的伸缩位移和速度信号，从光栅位移传感器的反馈到控制双向液压缸3的伸缩位移和速度，构成速度反馈控制从而保证双向液压缸3速度恒定；

3）可移动基座控制电路：安装在柔索并联机器人可移动基座9的伺服电机11上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机11转速恒定；

以上三个模块根据实施任务的不同，既可以分别单独运作也可以综合协同运作，根从而达到最高的效率；

步骤六：安装在末端执行器1上的激光测距传感器、重力传感器和接近传感器，以及分别安装在四根柔索上的测力传感器，将进一步的检测末端执行器位置、重力以及接近状态和柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到末端执行器的位姿和三维空间运动图像信息，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行等任务；

主控工控机、运动控制板卡、各驱动器以及末端执行器用于反馈的传感器之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。上述的控制方法包括控制系统和反馈系统均基于此网络系统而建立，此通讯网络系统为整个控制网络构建了一个不可或缺的平台；

参见图5，为了呈现出末端执行器执行器的移动过程，建立Matlab和Labview的联合仿真，将Matlab中的仿真结果能够动态地在Labview上表示，从而可以在清晰完整的呈现出末端执行器的最优移动路线，根据最优移动路线完成最终轨迹的规划和生成；由VC++编写一个能实时监控系统动态变化和静态数据的显示界面，直观形象的表示出末端执行器的轨迹规划、各传感器的工作情况和信号强度、末端执行器的空间动态移动过程和当前位姿以及能够对系统各个模块进行实时操控的操作按钮等，并可以对末端执行器路径进行检测和运动控制算法进行实时调试和改进，从而完成对整个系统的实时监控和安全操控环节。

Claims (4)

1.可变结构参数柔索并联机器人系统，其特征在于：包括柔索并联机器人、柔索并联机器人的液路系统、柔索并联机器人控制电路、柔索并联机器人控制系统，其中：

所述柔索并联机器人包括有水平设置的环形导轨，导轨上滑动安装有多个基座，所述基座上分别设置有伺服电机、双向液压马达，其中伺服电机传动连接有变速箱，每个基座中分别转动安装有与变速箱传动连接的驱动轮，各个基座分别通过驱动轮滑动安装在导轨上，双向液压马达传动连接有减速机，减速机传动连接有卷扬机，每个基座上还竖向安装有液电混合驱动的双向液压缸，双向液压缸伸缩部顶端分别转动安装有导向定滑轮，导向定滑轮上分别绕过有柔索，每个柔索一端分别多圈缠绕在各自对应的基座上的卷扬机上，多个柔索另一端分别伸向环形导轨中心上方并共同连接有末端执行器；

所述柔索并联机器人的液路系统包括液压泵，液压泵的输入与外部液压油源连接，液压泵有两路输出，其中一路输出通过一个电磁比例换向阀供油至各个双向液压缸，另一路输出通过另一个电磁比例换向阀供油至各个双向液压马达；

所述柔索并联机器人控制电路包括柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路、可移动基座控制电路，可移动基座控制电路由伺服电机数量相同的伺服电机驱动器构成，柔索驱动机构控制电路由与双向液压马达数量相同的比例放大器一构成，伸缩式柔索支柱控制电路由与双向液压缸数量相同的比例放大器二构成，其中伺服电机驱动器的输出端一一对应与各个伺服电机连接，比例放大器一的输出端分别与供油至各个双向液压马达的电磁比例换向阀连接，比例放大器二的输出端分别与供油至各个双向液压缸的电磁比例换向阀连接，各个伺服电机驱动器、比例放大器的输入端分别接入柔索并联机器人控制系统；

所述柔索并联机器人控制系统包括带通信接口的主控工控机、带通讯模块的运动控制板卡、人机交互界面、反馈模块，所述人机交互界面接入主控工控机，主控工控机与运动控制板卡通讯连接，各个伺服电机驱动器、比例放大器的输入端分别通过CAN总线接入运动控制板卡，所述反馈模块包括多组一一对应安装在伺服电机上的光电编码器、多组一一对应安装在双向液压缸上的光栅位移传感器、多组共同安装在末端执行器上的激光测距传感器、接近传感器、重力传感器，以及多组一一对应安装在柔索上的测力传感器和拉线位移传感器，所述光电编码器、光栅位移传感、激光测距传感器、接近传感器、重力传感器、测力传感器、拉线位移传感器的数据输出端分别接入运动控制板卡反馈输入端。

2.根据权利要求1所述的可变结构参数柔索并联机器人系统，其特征在于：所述液路系统中，液压泵与输入接入有过滤器，液压泵上还接入有溢流阀。

3.根据权利要求1所述的可变结构参数柔索并联机器人系统，其特征在于：主控工控机、运动控制板卡、伺服电机驱动器、比例放大器以及反馈模块之间以串行总线方式进行通信，构成一个通信网络系统。

4.一种可变结构参数柔索并联机器人系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好，人工输入末端执行器的初始位置坐标，根据设定的目的地坐标进行全局路径规划；

（2）、开启各个传感器单元，检测安装在可变结构参数柔索并联机器人上各传感器输入和反馈各类信号的实时状态，生成能实际运行的现场轨迹路线，末端执行器的轨迹运行路线和骑上传感器的反馈信号均通过通讯装置在人机交互式界面上实时更新和显示，便于监控和调试；

（3）、可变结构参数柔索并联机器人牵引被控对象末端执行器运动时，安装在末端执行器上的个激光测距传感器、重力传感器和接近传感器，以及分别安装在四根柔索上的测力传感器，将测得的对应数据传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给主控工控机，主控工控机及时的把各类传感器信号的数据显示在人机交互式界面上，便于监控和调试；

（4）、主控工控机对接收到的信号进行分析处理，完成人机交互功能和柔索并联机器人力学计算，控制系统解算，获得控制指令，控制指令通过通信接口传送给运动控制板卡；

（5）、运动控制板卡对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索并联机器人的控制电路中柔索驱动机构控制电路、伸缩式柔索支柱控制电路和可移动基座控制电路，完成实时控制柔索并联机器人进行双向液压缸的伸缩、基座在圆形导轨上的移动和四根柔索的收索与放索协调动作，进而实现被控对象末端执行器空间三维平动自由度的高精度运动，其中：

安装在柔索上的拉线位移传感器用于测量柔索的位移和速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器一放大用来控制对应的电磁比例换向阀，外部液压泵通过过滤器抽取液压油经过电磁比例换向阀为双向液压马达提供原动力，电磁比例换向阀通过调节流经双向液压马达的流体流量进而控制双向液压马达的转速，从拉线位移传感器的反馈到调节双向液压马达的转速，构成一个速度反馈机制保证双向液压马达转速恒定，双向液压马达带动卷扬机进而得以保证柔索速度的恒定；

安装在双向液压缸上的光栅位移传感器测得液压缸的伸缩位移与速度信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，发出的指令经过比例放大器二放大用来控制对应的电磁比例换向阀，外部液压泵通过过滤器抽取液压油经过电磁比例换向阀为双向液压缸提供原动力，电磁比例换向阀通过调节流经双向液压缸的流体流量进而控制双向液压缸的伸缩位移和速度信号，从光栅位移传感器的反馈到控制双向液压缸的伸缩位移和速度，构成速度反馈控制从而保证液压缸速度恒定；

安装在伺服电机上的光电编码器测得转角与转速信号，运动控制板卡对该信号进行控制处理，并与反馈给运动控制板卡的光电编码器接口构成速度反馈控制以保证伺服电机转速恒定；

（6）、安装在末端执行器上的激光测距传感器、重力传感器和接近传感器，以及分别安装在四根柔索上的测力传感器，将进一步的检测末端执行器位置、重力以及接近状态和柔索应力状态并及时传送到运动控制板卡的反馈输入端，运动控制板卡实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给主控工控机；通过人机交互式界面能够实时观测到末端执行器的位姿和三维空间运动图像信息，并可以进行相应的操作实现末端执行器的暂停和继续执行任务。