(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610257667.9
(22)申请日 2016.04.22
(71)申请人 扬州大学
地址 225009 江苏省扬州市大学南路88号
(72)发明人 莫岳平 史宏俊
(74)专利代理机构 扬州苏中专利事务所(普通
合伙) 32222
代理人 许必元
(51)Int.Cl.
B25J 9/18(2006.01)
(54)发明名称一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法(57)摘要一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法，属于并联机械手控制技术领域，正解是通过机械手每根轴的旋转角度推算出机械手的空间姿态以及工作端的空间位置，把电机转角(θ1，θ2)转化为末端位置(x，y)；反解是通过机械手末端位置推算出各个关节的位置及转动角度，把末端位置(x，y )转化为电机转角(θ1，θ2)，把平动盘的移动转化为可控的电机转角。正解有断电保持的作用，如果系统突然断电，上电后可以从伺服电机的绝对值编码器记录的电机转角推算出出末端的坐标。采用平面几何学推导，原理清晰，可以获得工作平面内满足条件的合理解，解决了目前正解多为解析解的问题。实验证明该正反解，最终得到较为理想的机械手运 动效果。权利要求书2页 说明书5页 附图4页CN 105729478 A 2016.07.06
C N 105729478
A
1.一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法，包括由平衡杆(1)、主动臂
(2)、从动臂(3)、电磁铁(5)、左电机(6)、右电机(7)和平动盘(4)构成的二自由度并联机械手控制系统；其特征在于，所述二自由度并联机械手控制系统的反解算法步骤如下：
(1)将二自由度并联机械手结构简化为平面四连杆铰链机构；
(2)在步骤(1)的平面四连杆铰链机构中，设主动臂长为Lt，从动臂长为Lb，电机转轴分别为A和E，转轴的轴间距为L1，平动盘长度为L2；
(3)建立以电机转轴为X轴，电机转轴间距中心点为原点的坐标系；
(4)设两电机转动角度分别为θ1和θ2，平动盘所在步骤(3)中坐标系的坐标为(x，y)；
(5)将主动臂和从动臂都内平移L2/2，将平动盘简化成C点，轴间距缩短至L1-L2；
(6)运用几何画板，按比例绘出机械手的简化反解数学模型；
(7)从步骤(6)中可得出A点坐标规定左轴从0°开始逆时针旋转为正角，顺时针旋转为负角；右轴则相反。
(8)设则向量A C＝(x+l,y)，与x轴正半轴夹角和模分别为：
在ΔABC中，三边长均已知，由余弦定理得：故左电机
旋转角度为：θ1＝180°-(β+α)。
同理得出右电机旋转角度：
θ2＝β'-α'
。
2.一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法，包括由平衡杆(1)、主动臂(2)、从动臂(3)、电磁铁(5)、左电机(6)、右电机(7)和平动盘(4)构成的二自由度并联机械手控制系统；其特征在于，所述二自由度并联机械手控制系统的正解算法步骤如下：
(1)运用几何画板，按比例绘出机械手的简化正解数学模型；
(2)规定左轴从0°开始逆时针旋转为正角，顺时针旋转为负角；右轴则相反；
(3)令则：
(4)在直角梯形FBDG中计算出：
若直线BD在O点下方，即α1+α2≥0，如图4所示，则在ΔABD中，由余弦定理得：
若直线BD在O点上方，即α1+α2＜0，如图5所示，则：
(5)在ΔCOB中，由余弦定理计算出：
(6)向量OC与x轴正半轴的夹角为即工作端坐标为：
一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法
技术领域
[0001]本发明属于并联机械手控制技术领域，涉及一种二自由度并联机械手的控制技术，特别是涉及一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法。
背景技术
[0002]运动学正解就是通过机械手每根轴的旋转角度推算出机械手的空间姿态以及工作端的空间位置，把电机转角(θ1，θ2)转化为末端位置(x，y)，这是在系统中实现实时监控末端执行器点位功能的理论基础。运动学反解就是通过机械手末端位置推算出各个关节的位置及转动角度，这样就能把末端位置(x，y)转化为电机转角(θ1，θ2)，把平动盘的移动转化为可控的电机转角。正解有断电保持的作用，如果系统突然断电，上电后可以从伺服电机的绝对值编码器记录的电机转角推算出出末端的坐标。并联机械手运动学正解的封闭解问题到目前为止没有得到全面解决，常用的解决方案是采用基于代数方程组的数值
解法，该方法不足之处是推导过程复杂，实际应用过程中存在多解取舍的问题，同时反解过程较为繁琐，不够直观。
发明内容
[0003]本发明针对上述采用基于代数方程组的数值解法存在的推导过程复杂、存在多解取舍的不足，提出一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法，采用平面几何学推导，直观简单，可以获得工作平面内满足条件的合理解，解决了目前正解多为解析解的问题。
[0004]本发明的技术方案是：一种二自由度并联机械手控制系统的运动学正反解算法，包括由平衡杆、主动臂、从动臂、电磁铁、左电机、右电机和平动盘构成的二自由度并联机械手控制系统；其特征在于，所述二自由度并联机械手控制系统的反解算法步骤如下：[0005](1)将二自由度并联机械手结构简化为平面四连杆铰链机构；
[0006](2)在步骤(1)的平面四连杆铰链机构中，设主动臂长为Lt，从动臂长为Lb，电机转轴分别为A和E，转轴的轴间距为L1，平动盘长度为L2；
[0007](3)建立以电机转轴为X轴，电机转轴间距中心点为原点的坐标系；
[0008](4)设两电机转动角度分别为θ1和θ2，平动盘所在步骤(3)中坐标系的坐标为(x，y)；
[0009](5)将主动臂和从动臂都内平移L2/2，将平动盘简化成C点，轴间距缩短至L1-L2；[0010](6)运用几何画板，按比例绘出机械手的简化反解数学模型；
[0011](7)从步骤(6)中可得出A点坐标规定左轴从0°开始逆时针旋
转为正角，顺时针旋转为负角；右轴则相反。
[0012](8)设则向量AC＝(x+l,y)，与x轴正半轴夹角和模分别为：
[0013]
[0014]在ΔABC中，三边长均已知，由余弦定理得：
[0015]故左电机旋转角度为：θ1＝180°-(β+α)。
[0016]同理得出右电机旋转角度：
[0017]θ2＝β'-α'
[0018]
[0019]所述二自由度并联机械手控制系统的正解算法步骤如下：
[0020](1)运用几何画板，按比例绘出机械手的简化正解数学模型；
[0021](2)规定左轴从0°开始逆时针旋转为正角，顺时针旋转为负角；右轴则相反；[0022](3)令则：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027](4)在直角梯形FBDG中计算出：
[0028]
[0029]若直线BD在O点下方，即α1+α2≥0，如图4所示，则在ΔABD中，由余弦定理得：
[0030]
[0031]若直线BD在O点上方，即α1+α2＜0，如图5所示，则：
[0032]
[0033](5)在ΔCOB中，由余弦定理计算出：
[0034]
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