一种刚柔杆型平面并联平台的振动测量控制装置及方法技术领域
本发明涉及3-RRR并联平台的控制领域，具体涉及一种刚柔杆型平面并联平台的
振动测量控制装置及方法。
背景技术
并联机器人是若干个自由度的末端执行器与固定地基通过两个或两个以上的独
立运动支链相连。3-RRR并联平台具有三个独立运动支链，每条支链有三个转动副，动平台
和静平台通过三条支链相连。并联机器人相比串联机器人具有高速度、高精度、高承载能力
的应用优势，并联机器人的末端动平台可以实现高速运动、精确定位、承载大质量负载。
选择并联机器人作为精密定位平台，实现高速、高精度和高效率定位。并联平台在
实际运动时，由于柔性杆的弹性变形、减速器的间隙和摩擦、关节间隙以及并联平台非线性
误差等影响，并联机器人在运动过程会有振动，在运动定位时也会有残余振动。系统振动会
影响运动的精准度，所以需要设计振动控制方法来抑制并联平台的振动。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种刚柔杆型平面并联平台的
振动测量控制装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种刚柔杆型平面并联平台的振动测量控制装置，包括并联平台本体单元、检测
单元及振动控制单元；
所述并联平台本体单元，包括一个动平台、一个静平台及三个并联分支，所述动平
台为三角形，所述三个并联分支安装在动平台的三个角上，三个并联分支的结构相同，每个
并联分支包括一个主动刚性杆和一个从动柔性杆，所述主动刚性杆的一端与从动柔性杆的
一端连接，从动柔性杆的另一端与动平台连接；
所述检测单元，包括单自由度加速度传感器、压电陶瓷传感器、单点激光测振仪及
三自由度加速度传感器；
所述主动刚性杆及从动柔性杆分别安装单自由度加速度传感器，所述压电陶瓷传
感器安装在从动柔性杆上，所述三自由度加速度传感器具体为两个，安装在动平台上，所述
单点激光测振仪具体为三个，均匀设置在静平台的周围；
所述三自由度加速度传感器及从动柔性杆安装的单自由度加速度传感器检测的
信号通过A/D转换电路后输入到计算机；
所述主动刚性杆上安装的单自由度加速度传感器检测主动刚性杆的加速度信号，
通过A/D转换电路后输入到计算机；
所述压电陶瓷传感器检测振动信号经过电荷放大器放大，然后通过A/D转换电路
后输入到计算机；
所述单点激光测振仪检测动平台的振动位移信号，通过激光测振仪控制箱输入到
计算机；
所述控制单元包括压电陶瓷驱动器、伺服电机及减速器，所述伺服电机与减速器
连接，分别固定在静平台上，所述减速器的主动轴与刚性主动杆的另一端铰接，所述压电陶
瓷驱动器安装在从动柔性杆上，所述计算机接收从动柔性杆上的单轴加速度传感器的加速
度信号、三自由度加速度传感器及单点激光测振仪检测的振动位移信号后得到控制信号，
通过D/A转换电路转换后输出到压电放大电路上，进一步作用到压电陶瓷驱动器；
所述计算机接收主动刚性杆上的单轴加速度传感器的检测信号后得到控制信号，
通过运动控制卡PMAC传输到伺服电机驱动器，伺服电机将控制信号作用到主动刚性杆上，
抑制主动刚性杆的振动。
所述单自由度加速度传感器具体为六个，其中三个单自由度加速度传感器分别安
装在三个主动刚性杆上，具体在距离主动刚性杆转动轴心150mm的中心位置；
另外三个单自由度加速度传感器分别安装在三个从动柔性杆上，具体在距离从动
柔性杆转动轴心130mm的中心位置；
所述压电陶瓷传感器具体为三个，分别粘贴在三个从动柔性杆上，位于从动柔性
杆的中心位置，姿态角为0°。
一只三自由度加速度传感器水平安装在动平台的中心，另一只三自由度加速度传
感器安装在动平台Y轴正方向距离动平台中心45mm处，且倾斜角为其中在0°和90°之
间。
所述压电陶瓷驱动器由多个压电陶瓷片构成，对称设置在每个从动柔性杆的两
端，正反两面粘贴，姿态角为0°。
所述三个单点激光测振仪分别跟动平台的三个侧面垂直，且当动平台在初始位置
时，与相垂直的侧面距离是相等的，其三条中心线相交于动平台的中心点。
所述主动刚性杆的一端具体通过转轴与从动柔性杆连接，所述从动柔性杆具体通
过转轴与动平台连接。
所述装置的测量控制方法，包括如下步骤：
步骤一运动控制卡PMAC发送控制信号给伺服驱动器，交流伺服电机接收伺服驱动
器输出的驱动信号，带动减速器转动，使刚性主动杆及柔性从动杆带动平台由初始位置运
动到目标位置；
步骤二动平台上的两个三自由度加速度传感器实时测得动平台的平动加速度和
转动加速度信息，经过A/D转换电路后输入到计算机；
主动刚性杆和从动柔性杆上的单自由度加速度传感器分别测得主动刚性杆和从
动柔性杆的加速度信息，经过A/D转换电路后输入到计算机；
从动柔性杆上的压电陶瓷传感器测得振动信息，经过电荷放大器放大，经过A/D转
换电路后输入到计算机；
三个单点激光测振仪测量动平台的振动位移信息，经过激光测振仪控制箱输入到
计算机中；
步骤三计算机接收三自由度加速度传感器的振动信号、单点激光测振仪的振动位
移信号及从动柔性杆上的单自由度加速度传感器测得的杆的加速度信号，得到控制信号，
输出到D/A转换电路转换后输出到压电放大电路上，压电陶瓷驱动器作用到从动柔性杆上，
抑制柔性杆的振动，从而抑制动平台振动；
计算机接收主动刚性杆上的单自由度加速度传感器测得的杆的加速度信号经过
处理得到控制信号通过PMAC运动控制卡传输到伺服驱动器，伺服电机将控制量以转动力矩
的方式作用到主动刚性杆上，抑制主动刚性杆的振动，最终达到控制动平台振动的目的。
所述动平台上的两个三自由度加速度传感器实时测得动平台的平动加速度和转
动加速度信息，具体为：
安装在动平台中心位置的三自由度加速度传感器测得动平台x方向加速度ax1和y
方向加速度ay1；
另外一只三自由度加速度传感器测得动平台x方向加速度ax2和y方向加速度ay2；
则动平台中心点处x方向的加速度ax＝ax1，动平台y方向的加速度ay＝ay1，动平台
中心点处的旋转角加速度为
其中d代表两个三自由度加速度传感器的中心距离。
所述三个单点激光测振仪测量动平台的振动位移信息，具体为：
所述三个单点激光测振仪具体为第一、第二及第三单点激光测振仪，所述三台单
点激光测振仪分别测得动平台发生振动前后，打在动平台上的激光点沿各个单点激光测振
仪方向的距离a1，a2和a3，则根据几何关系可得：
其中：联立上述方程求得：
△x，△y分别是动平台在水平方向及竖直方向的平动位移，α是动平台的转动角
度，β表示动平台初始位置与目标位置中心点的连线与X轴的夹角。
计算机得到单点激光测振仪反馈的动平台振动位移信号，所述三个单点激光测振
仪反馈的动平台振动位移信号，当目标位置的中心点与实际到达位置的中心点偏离最小时
动平台停止运动。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用两个安装在动平台上的三自由度加速度传感器，能够解算出动平
台2个平动自由度和1个转动自由度加速度，机构简单，质量轻，体积小，不影响并联平台的
特性。
(2)本发明采用6个单自由度加速度传感器，分别安装在3个主动刚性杆和3个从动
柔性杆上，可以检测出主动杆和从动杆加速度信息，结合动平台的加速度信息，这些信号经
过计算机处理后作为控制信号作用在压电陶瓷传感器，可以很好的达到抑制并联平台运动
中的振动和定位时的自激振动的目的；
(3)本发明采用3个压电陶瓷传感器，分别对称粘贴于柔性杆上，可以检测柔性杆
的振动信息，作为并联平台振动控制效果的评价参考。
(4)本装置采用多传感器融合系统，既有单自由度加速度传感器、三自由度加速度
传感器以及压电陶瓷传感器，可以通过多传感器信息融合对并联平台振动进行辨识研究。
(5)本装置采用了单点激光测振仪测量动平台的振动，这种非接触式测量方法测
量的精度更高，与加速度传感器测振信号的互相参考，这样由控制算法计算出来的控制量
更为精准。
附图说明
图1是本发明一种刚柔杆型平面并联平台的振动测量控制装置的总体结构示意
图；
图2是图1装置的俯视图；
图3是图1装置的前视图；
图4是本实施例中动平台的加速度传感器布置结构示意图；
图5是本实施例中主动刚性杆的传感器/驱动器布置结构示意图；
图6是本实施例中从动柔性杆的传感器/驱动器布置结构示意图；
图7是本实施例中动平台三自由度加速度传感器得到动平台的平动加速度计转动
加速度的计算原理图；
图8是本实施例中单点激光测振仪的计算原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不
限于此。
实施例
如图1-图6所示，一种刚柔性杆型平面并联平台的振动测量控制装置，包括一个动
平台9、一个静平台12和三个并联分支，所述动平台9为等边三角形，所述三个并联分支的结
构相同及安装的传感器与驱动器的位置相同，所述三个并联分支安装在动平台的三个角
上，每个并联分支包括一个主动刚性杆3和一个从动柔性杆5，所述主动刚性杆3一端与从动
柔性杆5的一端通过转轴连接，所述主动刚性杆的另一端与减速器2的转动轴铰接，带动主
动刚性杆的转动，所述减速器2与伺服电机1分别安装在静平台的上，所述从动柔性杆的另
一端与动平台通过转轴连接，主动刚性杆带动从动柔性杆的转动和移动，从动柔性杆的转
动和移动使动平台以定姿态运动到目标位置。
还包括单自由度加速度传感器、压电陶瓷传感器、三自由度加速度传感器及单点
激光测振仪，所述单自由度加速度传感器4、7具体为六个，其中三个分别安装在主动刚性杆
上，具体位于距离主动刚性杆转动轴心150mm的位置，另外三个单自由度加速度传感器分别
安装在三个从动柔性杆上，具体在距离从动柔性杆转动轴心130mm的中心位置。
所述压电陶瓷传感器6具体为三个，分别粘贴在三个从动柔性杆上，位于从动柔性
杆的中心位置，姿态角为0°。
所述三自由度加速度传感器具体为两只，通过加速度传感器支架11固定在动平台
上，具体为第一及第二三自由度加速度传感器10-1,10-2，其中第一三自由度加速度传感器
10-1安装在动平台的中心，第二三自由度加速度传感器10-2安装在动平台Y轴正方向距离
动平台中心45mm处，且倾斜角为其中在0°和90°之间。
所述三个单点激光测振仪20安装在静平台的周围，初始位置时，分别跟相对应的
动平台的三个侧面垂直，与相垂直的侧面距离相等，三个单点激光测振仪的三条中心线的
相交于动平台的中心点。
所述压电陶瓷驱动器8由多个压电陶瓷片构成，对称设置在每个从动柔性杆的两
端，姿态角为0°。
检测信号的传输路径如下：
三自由度加速度传感器和单自由度加速度传感器检测的相应的动平台的平动加
速度和转动加速度，以及主动从动杆的加速度信号，通过A/D转换电路16输入到计算机中；
所述从动柔性杆的压电陶瓷传感器测得柔性杆的振动信息首先经过电荷放大器
15放大，然后进行A/D转换电路到计算机，其检测的信息可用于振动分析和反馈控制。
所述三个单点激光测振仪检测的动平台的振动位移信号，输入到激光测振仪控制
箱21，进一步输入到计算机中。
计算机接收动平台三自由度加速度传感器、单点激光测振仪的振动位移信号及从
动柔性杆的单自由度加速度传感器的振动信号，利用控制算法计算得到控制量，进行D/A转
换电路18转换后输出到压电放大电路17上，压电电源驱动压电陶瓷片作用力到柔性杆上，
抑制柔性杆的振动，从而抑制动平台振动；
计算机接收主动刚性杆的单自由度加速度传感器的振动信号，利用控制算法得到
控制信号，通过运动控制卡PMAC14传输到伺服驱动器13上，伺服电机将控制量以转动力矩
的方式作用到主动刚性杆上，抑制刚性杆的振动，最终达到控制动平台振动的目的。
本装置具体的控制方法，包括如下步骤：
步骤一运动控制卡PMAC14发送控制控制信号给伺服驱动器13，伺服电机1接收到
伺服驱动器输出的驱动信号后，带动减速器2转动，通过主动刚性杆3和从动柔性杆5使平台
运动到目标位置；
步骤二动平台上的两个三自由度加速度传感器实时测得动平台的平动加速度和
转动加速度信息，经过A/D转换电路后输入到计算机19；
主动刚性杆和从动柔性杆上的单自由度加速度传感器分别测得主动刚性杆和从
动柔性杆的加速度信息，经过A/D转换电路后输入到计算机；
从动柔性杆上的压电陶瓷传感器测得振动信息，经过电荷放大器放大，经过A/D转
换电路后输入到计算机；
三个单点激光测振仪测量动平台的振动信息，经过激光测振仪控制箱输入到计算
机中；
步骤三计算机接收三自由度加速度传感器的振动信号、单点激光测振仪的振动位
移信号及从动柔性杆上的单自由度加速度传感器测得的杆的加速度信号，得到控制信号，
输出到D/A转换电路转换后输出到压电放大电路上，压电陶瓷驱动器作用到从动柔性杆上，
抑制柔性杆的振动，从而抑制动平台振动；
计算机接收主动刚性杆上的单自由度加速度传感器测得的杆的加速度信号经过
处理得到控制信号通过PMAC运动控制卡14传输到伺服驱动器13，伺服电机将控制量以转动
力矩的方式作用到主动刚性杆上，抑制主动刚性杆的振动，最终达到控制动平台振动的目
的。
所述动平台上的两个三自由度加速度传感器实时测得动平台的平动加速度和转
动加速度信息，具体为：
如图7所示，安装在动平台中心位置的三自由度加速度传感器测得动平台x方向加
速度ax1和y方向加速度ay1；
另外一只三自由度加速度传感器测得动平台x方向加速度ax2和y方向加速度ay2；
则动平台中心点处x方向的加速度ax＝ax1，动平台y方向的加速度ay＝ay1，动平台
中心点处的旋转角加速度为
其中d代表两个三自由度加速度传感器的中心距离。
如图8所示，所述均匀分布在静平台周围的三个单点激光测振仪具体为第一、第二
及第三单点激光测振仪，其中每个单点激光测振仪分别跟动平台的三边垂直，三个中心线
相交于动平台的中心，动平台由初始位置A发生振动，运动到目标位置B，其过程分为先平
动，再转动，最后经过平动到目标位置，所述三台单点激光测振仪分别测得动平台发生振动
前后，打在动平台上的激光点沿各个单点激光测振仪方向的距离a1，a2和a3，则根据几何关
系可得：
其中：联立上述方程求得：
△x，△y分别是动平台在水平方向及竖直方向的平动位移，α是动平台的转动角
度，β表示动平台初始位置与目标位置中心点的连线与X轴的夹角。
计算机得到单点激光测振仪反馈的动平台振动位移信号，所述三个单点激光测振
仪反馈的动平台振动位移信号，当目标位置的中心点与实际到达位置的中心点偏离最小时
动平台停止运动。
图1中的虚线连接表示电信号与检测驱动控制装置的连接图，其中三个并联支链
的连线一样，图1中只表示出一条支链的连线关系。
在本实施例中刚性主动杆的尺寸参数：214mm×25mm×10mm；从动柔性杆杆5的尺
寸参数为：214mm×25mm×3mm；所有材料均为铝合金，构件表面进行氧化处理，能够绝缘。
固定静平台11由正方形钢板、钢架结构以及大理石组成，伺服电机和减速器与正
方形钢板固定安装，整个静平台稳定性强，隔振效果良好。
每条支链有一个主动关节和两个被动关节，均为转动关节；转动轴和轴承连接材
料为45号钢。
伺服电机选用三相交流伺服电机属于安川电机有限公司，型号为：SGMAV-
08ADA61，额定功率750W，工作电压为200V，增量式编码器精度是20位。
与三相交流伺服电机配套使用的伺服驱动器13型号为：SGDV-5R5A01A，最大适用
容量为1000W，工作电压200V。
减速器采用的是广东新宝电器股份有限公司生产的减速器，型号为：VRB-090-5-
K3-18DC18，减速比为1:5。
加速度传感器均采用Kistler公司的电容式传感器，单自由度加速度传感器型号
为8310B25，测量频率范围0-300Hz，灵敏度为80mV/g，量程±25g；三自由度加速度传感器型
号为8393B10，灵敏度为200mV/g，量程为±10g。
压电陶瓷传感器6的几何尺寸为10mm×5mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为Ep
＝63Gpa，d＝-166pm/V，位于柔性杆中心位置，姿态角为0°。
压电陶瓷驱动器8为压电陶瓷片，几何尺寸为50mm×25mm×3mm，压电陶瓷材料的
弹性模量为Ep＝63Gpa，d＝-166pm/V；
电荷放大器15选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；
压电放大电路17可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零
件组成，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振
动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可
达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V。
单点激光测振仪20采用的是舜宇光学科技有限公司的单点激光测振仪，型号为
LV-S01(法向)，工作距离0.35～50m，位移分辨率(@500Hz)为0.32nm，最大线性误差是1％。
单点激光测振仪控制箱21与单点激光测振仪相匹配。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的
限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。