1.本发明属于机构系统驱动控制领域，尤其涉及一种面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法。
背景技术：
2.模块化操作臂系统在驱动控制时，需对操作臂所有驱动器进行协同驱动作动。对于回转驱动来说，无论是步进电机还是伺服电机，目前的技术均可实现相应的精准独立控制，从而实现多回转驱动的协同作动。但是对于直线驱动器，目前可以实现单个或数量较少的直线驱动器控制，且成本较高；而对于具备多个直线驱动器的模块化操作臂来说，协同作动实现更加困难，成本高且效果不佳。
技术实现要素：
3.本发明旨在解决上述问题，提供一种面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法。
4.本发明所述面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法，包括以下步骤：步骤1、对模块化操作臂驱动系统进行分析，获取驱动系统包括的直线驱动器数目及直线驱动器作动参数，如速度、电压、电流等；步骤2、选择直线驱动器驱动控制参量；以所选驱动控制参量作为输入，驱动单一直线驱动器，判断该直线驱动器是否可实现可控作动；若否，则重复执行步骤2；若是，则将所选直线驱动器驱动控制参量作为所有直线驱动器的驱动控制参量；步骤3、设定多个直线驱动器协同作动的下位机控制逻辑；步骤4、规划制定模块化操作臂的运动轨迹；建立操作臂运动学模型，通过运动学模型反解获取驱动控制参量与时间的函数关系；步骤5、依据步骤3所述控制逻辑及步骤4所述函数关系将运动轨迹转换成上位机驱动控制程序指令，驱动多个直线驱动器，使模块化操作臂协同作动完成预设轨迹任务。
5.进一步，本发明所述面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法，将所选直线驱动器驱动控制参量作为所有直线驱动器的驱动控制参量时，采用开发板作为驱动控制多直线驱动器的下位机；所述开发板经驱动放大器与所有直线驱动器相连接；所述控制参量包括但不限于电流、电压、速度、作动时间、作动位移；设直线驱动器数目为n个；开发板引脚数为l个；所选开发板引脚数目满足l≥ 2n。
6.更进一步，本发明所述面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法，所述设定多个直线驱动器协同作动的下位机控制逻辑具体包括以下过程：设定开发板有2n个引脚输出信号，其中n个输出高电平，n个输出低电平；每两个引脚控制一个直线驱动器；针对任意直线驱动器s，设引脚(2s-1)和2s控制直线驱动器s；设定直线驱动器s所对应的引脚(2s-1)和2s输出高、低电平与直线驱动器s控制状
态关系；定义直线驱动器s的控制状态，输入值为1时，控制直线驱动器s的两引脚(2s-1)和2s均输出低电平，直线驱动器s停止作动；输入值为0时，控制直线驱动器s的引脚(2s-1)输出高电平，引脚2s输出低电平，此时直线驱动器s电机正转，直线驱动器s推杆伸长；输入值为2时，控制直线驱动器s的引脚(2s-1)输出低电平，引脚2s输出高电平，此时直线驱动器s电机反转，直线驱动器s推杆缩短。
7.进一步，本发明所述面向具备多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法，获取驱动控制参量与时间的函数关系时，根据建立的操作臂运动学模型反解获取驱动控制参量与模块化操作臂末端姿态的函数关系；再根据模块化操作臂规划的运动轨迹，获得每一个时刻下模块化操作臂末端位姿及各模块动平台末端位姿与时间的函数关系；推导获得各直线驱动器驱动控制参量与时间的函数关系。基于上述运动学模型，结合几何关系，求模块化操作臂运动学反解，即根据已知模块化操作臂末端位姿，求各直线驱动器驱动控制参量。
8.本发明所述面向具备多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法，根据任务需求，规划制定模块化操作臂运动轨迹；将前述各直线驱动器驱动控制参量与时间的函数关系进行编程，转化为上位机驱动控制程序，将控制信号传输给下位机，下位机根据控制逻辑驱动模块化操作臂数个直线驱动器协同作动，完成预设运动轨迹。
9.本发明所述面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法，具有以下技术效果：（1）可协同驱动控制模块化操作臂的多个直线驱动器，极大的简化了控制方法和流程；（2）通过控制程序及软件编写，实施操作方便；（3）可适用于具有多直线驱动的模块化操作臂驱动控制，通用性强。
附图说明
10.图1为本发明实施例所述面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法流程图；图2本发明实施例所述四面体操作臂结构示意图；其中，1-直线驱动器。
具体实施方式
11.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图及具体实施方法，进一步阐述本发明。
12.本公开实施例所述面向多直线驱动的模块化操作臂协同驱动控制方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤1、对给定的模块化操作臂驱动系统进行分析，获取驱动系统包括的直线驱动器数目及直线驱动器作动参数。
13.步骤2、选择直线驱动器驱动控制参量；以所选驱动控制参量作为输入，驱动单一直线驱动器，判断该直线驱动器是否可实现可控作动；若否，则重复执行步骤2；若是，则将
所选直线驱动器驱动控制参量作为所有直线驱动器的驱动控制参量。
14.步骤3、设定多个直线驱动器协同作动的下位机控制逻辑；在进行下位机控制逻辑设定前，通过驱动放大器，连接开发板与多个直线驱动器。连接开发板两个引脚和驱动放大器的输入端，开发板作为驱动控制多直线驱动器的下位机；任意一个直线驱动器的正负极与驱动放大器的输出端相连接，一个开发板有l个引脚，根据需求，所选择开发板引脚数目满足l ≥ 2n；通过驱动放大器，连接开发板和n个直线驱动器。
15.在本公开实施例中，设定2n个引脚输出信号，其中n个输出高电平，n个输出低电平0v，每两个引脚可控制一个直线驱动器，故可控制n个推杆进行作动，本实施例中令引脚1和2控制第1个直线驱动器，引脚3和4控制第2个直线驱动器，同理，引脚(2n-1)和2n控制第n个直线驱动器。
16.针对任意直线驱动器s的一对引脚(2s-1)和2s，两个引脚均输出低电平，直线驱动器s停止作动；引脚(2s-1)输出高电平，引脚2s输出低电平，此时直线驱动器s电机正转，直线驱动器s推杆伸长；引脚(2s-1)输出低电平，引脚2s输出高电平，此时直线驱动器s电机反转，直线驱动器s推杆缩短。
17.根据引脚分配，定义下位机控制逻辑，具体方法如下：定义直线驱动器s的控制状态，输入值为0时，直线驱动器s电机正转，直线驱动器s推杆伸长；输入值为1时，直线驱动器s停止作动；输入值为2时，直线驱动器s电机反转，直线驱动器s推杆缩短。
18.定义直线驱动器s所对应的引脚(2s-1)和2s，设定引脚输出高、低电平与直线驱动器s作动状态、控制状态的关系；直线驱动器s根据控制状态信号实时改变作动状态。
19.步骤4、预设模块化操作臂的运动轨迹；建立操作臂运动学模型，通过运动学模型反解获取驱动控制参量与时间的函数关系。
20.获取驱动控制参量与时间的函数关系时，根据建立的操作臂运动学模型反解获取驱动控制参量与模块化操作臂末端姿态的函数关系；具体包括以下过程：设模块化操作臂第n个模块的静平台到动平台的坐标变换矩阵为tn；则模块化操作臂系统静平台到动平台的坐标变换矩阵为：
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（1.1）设模块化操作臂静平台姿态用位置矢量和方向矢量表示，模块化操作臂的旋转矩阵通过坐标变换矩阵t直接获得，用a表示，则模块化操作臂动平台位姿用位置矢量p和方向矢量d表示为：
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（1.2）
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（1.3）基于运动学模型，结合几何关系，求模块化操作臂运动学反解，即根据已知模块化操作臂末端位姿，求各直线驱动器驱动控制参量。
21.再根据模块化操作臂规划的运动轨迹，获得每一个时刻下模块化操作臂末端位姿及各模块动平台末端位姿与时间的函数关系；推导获得各直线驱动器驱动控制参量与时间
的函数关系。
22.步骤5，依据步骤3所述控制逻辑及步骤4所述函数关系驱动多个直线驱动器，使模块化操作臂协同作动完成预设轨迹任务。在具体应用中可根据需要编写软件，将各直线驱动器驱动控制参量与时间的函数关系进行编程，转化为上位机驱动控制程序，将控制信号传输给下位机，下位机根据控制逻辑指令使驱动模块化操作臂数个直线驱动器协同作动，完成预设运动轨迹。
23.本公开实施例具体以五个模块的四面体操作臂为例进行驱动控制，具体控制步骤如下：分析实施例所述操作臂，如图2所示，五个模块的四面体操作臂，模块数为5，每个模块直线由一个直线驱动器1连接，即共有4个直线驱动器1。
24.其中，本公开实施例中的直线驱动器1采用直流恒压电源供电，驱动线速度可视为恒定，可通过调节驱动时间控制伸长缩短距离，可通过输入端电压正负控制直线驱动器1伸长或缩短；基于前述分析结果，拟采用控制时间和输入电压正负的两个驱动控制参量来驱动控制单个直线驱动器1作动；驱动效果好，继续下一步；连接开发板、驱动放大器和直线驱动器1，本实施例中采用1个开发板（stm32）以及2个驱动放大器，其中一个驱动放大器连接2个直线驱动器1。
25.硬件连接方式如下：采用数据线将开发板输入接口与电脑串口相连接，定义开发板的8个引脚（分别为pb0、pb1、pa4、pa5、pa6、pa7、pb6、pb7）作为控制信号，两两一组控制一个直线驱动器1。将两个引脚（如pb0和pb1）为一组，接入一个驱动放大模块的信号输入端a和b，再将另外一组（如pa4和pa5）接入同一个驱动放大模块的信号输入端c和d。另一个驱动放大模块重复上述过程，直至八个引脚和八个信号输入端一一对应。
26.直线驱动器1的正负极与驱动放大模块的输出端相连。在本公开实施例中，驱动放大器使用5v直流电供电，接地端要与开发板的接地端相连，避免浮空信号的产生。
27.编写本实施例所述的操作臂所包括的4个直线驱动器1协同作动下位机控制逻辑程序。然后预设运动轨迹，根据建立好的五个模块的四面体操作臂样机，求解运动学反解，获得驱动控制参量与时间的函数，编写上位机驱动控制程序，输入上位机控制参数。初始状态、扭转状态、向下弯曲、向上弯曲即为预设轨迹，最终实现实施例中多个直线驱动器1协同作动，继而完成预设轨迹。
28.以上实施例所述仅是本技术的所优选的分析案例，仅使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理与方法可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中出现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
29.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。