柔性關(guān)節(jié)柔性臂桿振動特性分析與控制的方法及實驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機(jī)器人技術(shù)，特別設(shè)及機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)和柔性臂桿的振動分析和控制 技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為現(xiàn)代工業(yè)支柱性設(shè)備，機(jī)械臂未來發(fā)展的趨勢勢必是高速，高精度且重載。尤 其是在航空航天領(lǐng)域，操作靈活、性能穩(wěn)定、高精度的機(jī)械臂具有很高的應(yīng)用價值，隨著載 人航天技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械臂在空間的應(yīng)用日趨廣泛。在飛船上，利用機(jī)械臂可W捕獲衛(wèi) 星，對衛(wèi)星執(zhí)行檢修維護(hù)、更換零部件、調(diào)整太陽能電池板位姿等任務(wù)；在空間站，機(jī)械臂可 W用于搬運飛船運送的給養(yǎng)、器材，完成空間站的擴(kuò)建、維護(hù)修理等工作。
[0003] 為了克服剛性機(jī)械臂質(zhì)量大、體積大、效率低W及操作欠靈活的缺點，空間機(jī)械手 都采用體積小、操作靈活、能耗低、效率高的輕型柔性機(jī)械臂。但是柔性機(jī)械臂在引入諧波 減速器和力矩傳感器之后，機(jī)械臂關(guān)節(jié)產(chǎn)生了柔性，再加上輕型臂桿自身也具有柔性，柔性 機(jī)械臂在工作工程中將不可避免地產(chǎn)生振動。如果不能快速的抑制該些振動，將影響系統(tǒng) 的穩(wěn)定性和指向精度，從而降低相關(guān)系統(tǒng)的可靠性，甚至帶來災(zāi)難性的損失，由此進(jìn)行柔性 機(jī)械臂振動特性分析和控制研究、提高柔性機(jī)械臂的位置控制精度變得越來越重要。然而， 盡管柔性機(jī)械臂的研究受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，但是對于柔性機(jī)械臂振動抑制的研究成 果卻比較少，而其在實際的工程應(yīng)用中又必不可少，所W對柔性機(jī)械臂的振動特性分析與 控制的研究就成為了當(dāng)今世界國內(nèi)外普遍關(guān)注而富有挑戰(zhàn)的重要課題。
[0004] 目前對柔性機(jī)械臂的研究主要是針對柔性臂桿進(jìn)行振動特性分析與控制，通過在 臂桿表面粘貼多個傳感器W及作動器來檢測和抑制柔性臂桿的振動；或者通過對柔性關(guān)節(jié) 進(jìn)行復(fù)雜的動力學(xué)建模分析，然后采用多種控制策略對柔性關(guān)節(jié)進(jìn)行振動控制，方法繁瑣， 而且動力學(xué)模型精度很難保證。
[0005] 哈工大劉宏教授的博±基于他們實驗室所研制的衛(wèi)星在軌自維護(hù)機(jī)器人樣 機(jī)展開實驗研究，探討了柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動力學(xué)建模方法的分析，并基于此研究柔 性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的控制研究。他首先在充分考慮了重力W及多關(guān)節(jié)的互相禪合后，采用 Lagrange-Euler法推導(dǎo)了多柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的完整模型的動力學(xué)方程；然后深入分析 柔性對系統(tǒng)性能帶來的影響并針對柔性影響結(jié)合經(jīng)典控制理論設(shè)計方法給出了基于關(guān) 節(jié)力矩反饋的解決柔性關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)控制的可行方案；最后，為了解決柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的 跟蹤控制問題，提出了一種基于柔性補(bǔ)償?shù)钠娈悢z動新方法，解決了傳統(tǒng)的奇異攝動 方法受關(guān)節(jié)柔性大小限制的問題，將奇異攝動方法推廣應(yīng)用于更為一般的柔性關(guān)節(jié)系 統(tǒng)（劉業(yè)超，金明河，劉宏.柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人基于柔性補(bǔ)償?shù)钠娈悢z動控制[J].機(jī)器 人，2008, 05:460-466)。在柔性臂桿的振動方面，主要是通過多傳感器檢測臂桿的振動情 況，然后通過作動器進(jìn)行振動抑制。在該一方面，壓電陶瓷材料由于其良好的壓電特性，獲 得了廣泛的應(yīng)用。化Vi曲i等人通過在柔性機(jī)械臂臂桿上粘貼壓電陶瓷材料PZT進(jìn)行柔性 臂桿的振動研究。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將PZT作為傳感器，當(dāng)柔性臂桿產(chǎn)生形變時， 粘貼在臂桿表面的PZT產(chǎn)生電信號，將電信號進(jìn)行處理后可W得到臂桿的形變量，完成臂 桿的振動信號檢測；然后利用其逆壓電效應(yīng)將PZT作為作動器，通過在壓電陶瓷上施加方 向和大小合適的電壓就可W產(chǎn)生與臂桿形變方向相反的變形，從而完成臂桿的振動抑制。 (A.Davighi,M.Romano,F.Bernelli-Zazzera.Vibrationsuppressionofflexible-link manipulatorbyPZTactuatorsandsensors[C].Earth&Space;20060305-08 ;Houston)。
[0006] 在專利申請方面，申請?zhí)枮?01110301900. 6的發(fā)明公開了一種中屯、轉(zhuǎn)動的較接 柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置與控制方法。該裝置利用固定在中屯、轉(zhuǎn)動剛體的=角架連接兩組 較鏈連接的柔性板來模擬柔性機(jī)械臂進(jìn)行振動測量和控制研究。在柔性板結(jié)構(gòu)上粘貼壓電 陶瓷片致動器、電阻應(yīng)變片式傳感器，較接柔性板上還安裝加速度傳感器、壓電堆致動器和 形狀記憶合金SMA致動器；在中屯、剛體上安裝兩臺CCD相機(jī)可通過邊緣檢測柔性板的振動； 還可用電阻式應(yīng)變片傳感器或加速度傳感器可分別檢測較接柔性板的振動。將檢測的信號 反饋，運行控制算法后分別輸出信號控制壓電片致動器、壓電堆致動器和形狀記憶合金SMA 致動器的動作。該實驗裝置使用的傳感器過多、控制復(fù)雜，而且只研究了柔性臂桿的振動情 況，沒有設(shè)及到機(jī)械臂關(guān)節(jié)柔性的研究。申請?zhí)枮?01310571542.X的發(fā)明設(shè)及的機(jī)械臂振 動抑制裝置及其振動抑制方法，通過安裝在機(jī)械臂中部的電動機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，可W帶動 絲杠向兩個方向運動，絲杠的運動推動并拉緊機(jī)械臂一側(cè)的鋼索，W抵消末端載荷加速運 動在相反方向上產(chǎn)生的力矩，從而達(dá)到保證機(jī)械臂末端執(zhí)行精度的要求。該發(fā)明需要在臂 桿上安裝電機(jī)，導(dǎo)致了在實際工作環(huán)境中適用性較差，而且加大了控制難度?，F(xiàn)有技術(shù)中， 沒有同時對柔性關(guān)節(jié)柔性臂桿進(jìn)行振動特性分析和控制的實驗裝置，功能過于單一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明公開一種可用于柔性關(guān)節(jié)-柔性臂桿機(jī)械臂振動特性分析與控制的方法 及實驗裝置，同時基于微軟基礎(chǔ)類庫MFC設(shè)計了具備多種功能的上位機(jī)操作界面，解決現(xiàn) 有技術(shù)中功能過于單一的技術(shù)問題。
[000引本發(fā)明的該種柔性關(guān)節(jié)柔性臂桿振動特性分析與控制的實驗裝置，包括了依次連 接的傳感器檢測單元、數(shù)據(jù)采集及處理單元W及上位機(jī)，其中傳感器檢測單元包括連接柔 性關(guān)節(jié)輸出端的第一編碼器W及連接關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)輸出端的第二編碼器，還包括設(shè)置于柔 性臂桿上的第一傳感器，所述第一編碼器、第二編碼器W及第一傳感器分別連接所述數(shù)據(jù) 采集及處理單元。
[0009] 該實驗裝置還包括受控于上位機(jī)的振動抑制單元，所述振動抑制單元包括設(shè)置于 關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的電機(jī)致動器W及設(shè)置于柔性臂桿上的壓電陶瓷片致動器組。所述壓電陶瓷 片致動器組包括至少六個壓電陶瓷片致動器，該至少六個壓電陶瓷片致動器均分為=組， 分別設(shè)置于柔性臂桿兩端及中間位置。
[0010] 所述上位機(jī)包括了狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示單元、狀態(tài)曲線顯示單元、參數(shù)設(shè)置單元、工作模 式選擇單元W及參數(shù)辨識模塊。
[0011] 所述第一編碼器通過兩個相同齒數(shù)和模數(shù)的傳動齒輪連接柔性關(guān)節(jié)輸出端，所述 第二編碼器通過聯(lián)軸器連接關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)輸出端；所述第一編碼器和第二編碼器為光電式 旋轉(zhuǎn)編碼器。
[0012] 而利用上述實驗裝置進(jìn)行柔性關(guān)節(jié)柔性臂桿振動特性分析與控制的方法包括W 下步驟：
[0013] A.通過第一編碼器檢測關(guān)節(jié)輸出端的位置測量信號，通過第二編碼器檢測關(guān)節(jié)驅(qū) 動電機(jī)輸出端的位置測量信號，通過第一傳感器檢測柔性臂桿的彎曲振動信號；
[0014] B.數(shù)據(jù)采集及處理單元將步驟A中得到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后傳送給上位機(jī)；
[0015] C.上位機(jī)對步驟B傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分別得到柔性關(guān)節(jié)W及柔性臂桿的振 動量數(shù)據(jù)。
[0016] D.由步驟C得到柔性臂桿的振動量數(shù)據(jù)后，通過振動抑制單元抑制柔性關(guān)節(jié)和柔 性臂桿的振動。
[0017] 步驟C中進(jìn)一步還包括；上位機(jī)對關(guān)節(jié)柔性進(jìn)行參