CN102303315B - 气动驱动二自由度柔性机械臂装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动驱动二自由度柔性机械臂装置和控制方法。该装置包括柔性机械臂本体、气动驱动部分和控制部分。柔性机械臂本体一端为自由端，另一端为固定端，固定端通过摆动法兰盘机械连接装置安装在摆动气缸的摆动法兰盘上。摆动气缸的转动角度由光电编码器检测，无杆移动气缸的位移由线性光栅尺检测。在柔性机械臂固定端粘贴有多片压电陶瓷片分别作为压电片传感器和压电驱动器，自由端安装一只加速度传感器。压电传感器或加速度传感器可检测柔性机械臂的振动。气动驱动部分由两个气动通路构成，分别用于驱动无杆移动气缸的移动和摆动气缸的摆动。控制部分，用于处理检测到的柔性机械臂移动、转动、振动信号并做出相应的处理。

Description

气动驱动二自由度柔性机械臂装置和控制方法

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，特别涉及一种气动驱动二自由度柔性机械臂装置和控制方法。

背景技术

机械臂作为人类现代自动化工业的重要工具，由于它的工作空间大、灵活性好、可以在人类无法到达的环境下工作等优点，在航天、高精度机械加工及测量、医疗器械等领域得到了广泛的应用。相对于常用的刚性机械臂，柔性机械臂具有质量轻、负载大、灵巧、能耗低、效率高等优点，但由于柔性机械臂细长、质量轻、刚度低、柔性大等特点，其在工作过程中极易产生长时间持续的低频大幅值振动，严重影响机械臂的正常工作。近年来，柔性机械臂的振动主动控制研究得到了国内外的普遍关注，柔性结构的振动测量和主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题。

气动技术与其他的传动和控制方式相比，有如下优点：气动装置结构简单、轻便、安装维护简单，压力等级低，使用安全。工作介质是空气，排气处理简单，不污染环境，成本低。输出力以及工作速度的调节非常容易。可靠性高，使用寿命长。全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。气动控制回路有进口节流和出口节流的方式，系统的排气是采用伺服阀、比例阀、以及高速开关阀的控制方式来实现控制的，如PWM（脉冲宽度调制）和PCM（脉冲编码调制）控制方式。气动控制摆动气缸及移动气缸驱动时，与伺服电机驱动相比，不需要减速器等。这样，既降低了成本，又不会引入传动间隙等影响精度的因素。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于气动驱动的二自由度柔性机械臂装置和控制方法，使得柔性机械臂有较大的工作空间并使之在工作过程中能稳定、准确、快速的到达预设定的工作位置和姿态，并快速抑制振动。该发明的另一个目的是给出一种在建模及控制方面相对复杂的系统，为研究复杂控制算法提供试验装置。

为达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：

一种气动驱动二自由度柔性机械臂装置包括柔性机械臂本体、气动驱动部分和控制部分：

——柔性机械臂本体包括：

柔性机械臂6，其一端为自由端，另一端为固定端，固定端通过摆动法兰盘机械连接装置5安装在摆动气缸3的摆动法兰盘上；

摆动气缸3，其摆动法兰盘通过联轴器25与固定在基座上的光电编码器4的转轴相连，用于检测无杆摆动气缸3的转动角度；

无杆移动气缸1，其安装在固定基座上，其滑块与摆动气缸3的基座连接，且与线性光栅尺2的滑块相连，用于检测无杆移动气缸1的位移；

压电片传感器8和压电驱动器9，粘贴在柔性机械臂6的固定端；

加速度传感器7，安装在柔性机械臂6的自由端；

压电传感器8或加速度传感器7可以检测柔性机械臂振动；

——气动驱动部分，由两个气动通路构成，分别用于驱动摆动气缸3的摆动和无杆移动气缸1的移动；

——控制部分，用于处理检测到的柔性机械臂6转动、移动、振动信号并做出相应的处理。

所述压电驱动器9由4片压电片在柔性机械臂6的两面对称粘贴，每面2片，并联连接；所述压电片传感器8为1片，靠近柔性机械臂6固定端长轴方向的中间位置。

所述气动驱动部分的气泵20产生的高压气体通过气动三联件21稳压后提供气源给两个气动通路：

——气动通路I，一个气动减压阀22与气动三联件21连接后与气动比例阀23的一个端口连接，气动比例阀23的另外两个端口分别与摆动气缸3的左气腔和右气腔连接，用于驱动摆动气缸3的摆动；

——气动通路II，三个气动减压阀22与气动三联件21连接后，其中两个气动减压阀22与气动两位五通阀18的两个端口直接连接，另外一个气动减压阀22连接气动单向阀19后分两路，一路与气动两位五通阀18一个端口连接，另一路与气动PCM阀17连接，构成系统的排气调节出口，两位五通阀18另外两个端口分别与无杆移动气缸1的左气腔和右气腔连接，用于驱动无杆移动气缸1的移动。

所述气动PCM阀17是由一组气动开关阀串联气动节流阀后并联连接在一起组成的，气动节流阀的流通截面积设定为1：2：4：8：…：2ⁿ的比例。

所述的气动驱动二自由度柔性机械臂的装置的控制部分包括摆动气缸3转动角度控制系统、无杆移动气缸1移动控制系统及柔性机械臂6振动测量和主动控制系统：

——摆动气缸3转动角度控制系统，通过光电编码器4检测到摆动气缸法兰盘的转角信号，经由多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13通道I输入到ARM控制器14，产生控制信号，经由多通道D/A转换电路15通道II输出到气动比例阀23，调节气动比例阀23的换向和进排气流量，从而控制柔性机械臂6的转动；

——无杆移动气缸1移动控制系统，通过线性光栅尺2检测移动滑块的位置信号，经由多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13通道II输入到ARM控制器14，产生控制信号，经由开关阀驱动电路16输出到气动两位五通阀18和气动PCM阀17，调节两位五通阀18换向和气动PCM阀17排气流量，从而控制柔性机械臂6的移动；

——柔性机械臂6振动测量和主动控制系统，通过压电片传感器8或加速度传感器7检测柔性机械臂6的振动信号，经由低频电荷放大器11、A/D转换电路12输入到ARM控制器14，产生控制信号，经由多通道D/A转换电路15通道I、压电陶瓷电压放大器10输出到压电驱动器9，从而抑制柔性机械臂6的振动。

所述装置进行气动驱动二自由度柔性机械臂的控制方法具体步骤如下：

第一步 利用相应检测元件检测柔性机械臂6的转角信号或位移信号；

第二步 将步骤一采集到的信号经过多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13后进入ARM控制器14进行处理，并得到相应的反馈信号；

第三步 将步骤二得到的转角反馈信号经多通道D/A转换电路15通道II作用到相应的控制柔性机械臂6转动气动元件上，进而控制柔性机械臂6的转动；将步骤二得到的移动反馈信号经开关阀驱动电路16作用到相应的控制柔性机械臂6移动气动元件上，进而控制柔性机械臂6的移动。

所述的气动驱动二自由度柔性机械臂的控制方法为多通道的检测和控制，柔性机械臂6的振动可以采用压电驱动器9抑制，也可采用摆动气缸3的伺服动作同时实现定位和振动控制。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：

（1）采用柔性机械臂相比于刚性机械臂而言，系统的质量轻、能耗低、结构简单。

（2）采用无杆移动气缸和摆动气缸复合驱动柔性机械臂结构，使得柔性机械臂既可以在空间上实现位置移动，又可以改变指向，因此比单自由度移动的柔性臂具有较大的工作空间。

（3）采用气动控制回路，使之系统具有结构简单、效率高、无污染的优点。

（4）无杆移动气缸气动回路，采用气动PCM阀进行排气节流控制方式，在既不减低气缸位置控制精度的前提下，又可以降低气动回路的成本。

（5）摆动气缸气动回路，采用气动比例阀进行控制，气动回路结构简单，控制精度高。

（6）本装置是一个多输入—多输出的系统，而且各控制之间相互耦合，很好地模拟复合直线移动和旋转运动柔性机器人的刚柔耦合振动控制。

（7）本装置既可以采用单一的SISO组合控制方式，又可以采用MIMO复合控制策略，从而实现柔性机械臂稳定、准确、快速的工作，为验证多种复杂控制策略提供一个很好的平台。

附图说明

图1是本发明柔性机械臂装置总体结构示意图。

图中示出：1--无杆移动气缸，2--线性光栅尺，3--摆动气缸，4--光电编码器，5--摆动法兰盘机械连接装置，6--柔性机械臂，7--加速度传感器，8--压电片传感器，9--压电驱动器，10--压电陶瓷驱动电压放大器，11--低频电荷放大器，12--A/D转换电路，13--多通道四倍频、辨向脉冲计数电路，14--ARM控制器，15--多通道D/A转换电路，16--开关阀驱动电路，17--气动PCM阀，18--气动两位五通阀，19--气动单向阀，20--气泵，21--气动三联件，22--气动减压阀，23--气动比例阀，24--机械连接支架装置，25--联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。

实施例

如图1所示，柔性机械臂6的一端通过摆动法兰盘机械连接装置5与摆动气缸3的摆动法兰盘相连接。摆动气缸3的摆动法兰盘与光电编码器4的转轴通过联轴器25连接，光电编码器4与摆动气缸3的基座固定连接，这样可以检测摆动气缸3转动法兰盘的转角。在柔性机械臂6的靠近柔性机械臂与摆动气缸转动摆动法兰盘机械连接装置5附近粘贴多片压电陶瓷片，分别作为压电片传感器8和压电驱动器9，压电驱动器9位于柔性机械臂6固定端附近横向中线上下两侧，在长度方向上距离固定端2.5 cm，在宽度方向上距离上下柔性机械臂6梁边缘为2 cm，压电片传感器8位于柔性机械臂6的固定端纵向中线，在长度方向上距离固定端10 cm，其中压电片传感器8为1片，压电片传感器8用于检测柔性机械臂6的振动作为反馈信号，压电驱动器9由4片压电陶瓷片在柔性机械臂6的双面对称粘贴，每面2片，并联连接，压电驱动器9用于对柔性机械臂6进行振动主动控制，在柔性机械臂6的自由端安装一加速度传感器7，也可以用来检测柔性机械臂6的振动。摆动气缸3的基座通过机械连接支架装置24与无杆移动气缸1的滑块机械固定连接，无杆移动气缸1的滑块与线性光栅尺2的移动滑块相连，用于检测无杆移动气缸1的滑块位移，无杆移动气缸1固定在底座上。

气动元件中气泵20产生的高压气体通过气动三联件21后，与四个气动减压阀22相连接。其中三个气动减压阀22分别作为无杆移动气缸1左右两腔的驱动压力和背压，与一个气动两位五通阀18的三个端口相连，这三个端口中的一个端口、气动单向阀19和气动PCM阀17相连接构成系统的排气调节出口，气动两位五通阀18的另外两个端口与无杆移动气缸1的左气腔和右气腔连接，构成无杆移动气缸1的气动通路。气动PCM阀17是由一组气动开关阀串联气动节流阀后并联连接在一起组成的，气动节流阀的流通截面积设定为1：2：4：8：…：2ⁿ的比例，这样就可以通过开关阀驱动电路进行多位二进制编码进行数字控制。另外一个气动减压阀22与气动比例阀23相连接，气动比例阀23与摆动气缸3的左气腔和右气腔连接，构成摆动气缸3的气动通路。

图1中的虚线连接表示电信号与驱动控制装置的连接图，实线连接表示气动通路连接图。在气动转动平台控制系统中，利用光电编码器4可以检测柔性机械臂与摆动气缸转动摆动法兰盘机械连接装置5的转角和角速度信息，将光电编码器4输出的两路正交的信号经过多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13后进入ARM控制器14。ARM控制器14运行比例微分控制算法后，利用多通道D/A转换电路15发送控制信号，多通道D/A转换电路15输出的电压信号作用到气动比例阀23上，控制气动比例阀23的换向和进排气流量，从而实现气动转动平台的转动控制。

在气动移动平台控制系统中，利用线性光栅尺2可以检测移动滑块的位移和速度信息，将线性光栅尺2输出的两路正交的信号经过多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13后进入ARM控制器14。ARM控制器14运行比例微分控制算法后，将I/O输出控制信号经过阀驱动放大电路16后作用到气动两位五通阀18和气动PCM阀17上，达到气动两位五通阀18换向和气动PCM阀17排气流量调节的目的，从而实现气动移动平台的位置控制。

在柔性机械臂6的压电主动控制系统中，利用压电片传感器8或者加速度传感器7检测柔性机械臂6的振动信号，然后通过低频电荷放大器11将微弱电荷信号放大，再通过A/D转换电路12转化后进入ARM控制器14中。ARM控制器14运行比例微分控制算法后，利用多通道D/A转换电路15发送控制信号，多通道D/A转换电路15输出的电压信号经过压电陶瓷驱动放大器10后作用到压电驱动器9上，从而实现柔性机械臂6的压电主动控制。

由于本实验装置是一个多输入多输出的试验系统，系统的控制目的是使得柔性机械臂6稳定、准确、快速的到达预设定的工作位置，并且抑制柔性机械臂6的振动。在柔性机械臂6运动至预设定的工作位置过程中，摆动气缸3法兰和移动气缸1基座的定位运动会激励柔性机械臂6的振动。与此同时，摆动气缸3法兰盘的运动同时可以对柔性机械臂6的振动进行主动控制，即使得摆动气缸3法兰盘实现转动定位的同时实现抑制柔性机械臂6的振动。故而不仅是采用单一的SISO组合控制方式，即柔性机械臂6主动控制系统、气动转动平台控制系统、气动移动平台控制系统分别单独进行各自的SISO控制。而且是可以采用多样的MIMO复合控制策略，即对柔性机械臂6的振动控制，采用压电片主动控制和摆动气缸3法兰盘同时复合作用，从而实现柔性机械臂6的主动振动抑制，同时实现摆动气缸法兰盘和无杆移动气缸1基座的定位的复合控制策略。

在本实施例中，无杆移动气缸1和摆动气缸3选用日本SMC气动公司生产的型号为MY1C25-600L的长行程无杆移动气缸1和型号为MSQB50R的大摆角摆动气缸3；可选气动两位五通阀18型号为VK3120和气动单向阀19型号为 AK2000，由SMC气动公司生产的；四个气动减压阀22可选用日本SMC气动公司生产的AR2500型气动减压阀；气动PCM阀17中，气动开关阀是日本SMC气动公司生产，型号为VZ110，气动节流阀选用日本SMC气动公司生产型号为：AS1201F-M3-04的气动节流阀；气动三联件21由空气过滤器(型号：AF30-03)、减压阀(型号：AR25-03)和油雾分离器(型号：AFM30-03)组装在一起，并带有压力表(型号：G36-10-01)一个，由日本SMC气动公司生产；气泵20由上海捷豹压缩机制造有限公司生产的型号为FB-0.017/7的静音空气压缩机；气动比例阀23选用日本SMC气动公司生产的型号为VER2000-02比例阀。

线性光栅尺2可选用FAGOR线性光栅尺(型号：MKT-82)，测量信号通过四倍频细分后，测量精度为5 μm；光电编码器4选用日本COPAL公司生产的2048线两相增量式旋转编码器，型号为：RE38-2048-212-1；联轴器25选用型号为DL6×6-D18L25的联轴器；压电片传感器8和压电驱动器9的压电陶瓷片尺寸为50 mm×15 mm ×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_pe=63GPa，d₃₁=-166 pm/V；低频电荷放大器11可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器； A/D转换电路12可选用Analog Devices公司的AD7862双极性A/D转化器，该A/D转化器的转换精度为12位，电压输入范围±10V；多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13可采用Intel公司的多路8254计数器芯片；ARM控制器14可以选用广州友善之臂计算机科技有限公司的Mini2440开发板；多通道D/A转换器15可选用Analog Devices公司的12位AD7847两路D/A转换器，该D/A转换器通过调理电路，可以实现±5V的电压信号输出；压电陶瓷驱动放大器10可选用华南理工大学研制的型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX运算放大器，其放大倍数最大可达52倍，即将-5 V~5 V电压放大到-260 V~+260 V；开关阀驱动电路16参见中国专利申请CN200910014783公开的发明专利“柱塞式双出杆气液缸与气液联控位置和速度伺服控制装置”。

本发明控制程序基于ARM Developer Suite软件开发平台用C语言编写，通过移植开源μC/OS-II实时操作系统，对实验装置进行实时控制。控制程序包括A/D采样驱动接口、多通道四倍频、辨向脉冲计数电路驱动接口、多通道D/A转换器驱动接口、开关阀驱动电路驱动接口。采用UART串口可以实现试验数据的上传。为了实现实时观测和人机交互，可以设计基于Visual C++软件开发平台的C++语言编程方案。通过串口或网卡，实现控制计算机和ARM控制器14的实时数据传输。

采用此方案，可以设计友好的人机交互界面，通过界面可以实时显示相关信息，提供实时观测功能，控制的开启和关闭，控制策略参数的修改输入，数据保存等操作。

Claims (5)

1.一种气动驱动二自由度柔性机械臂的装置，其特征在于该装置包括柔性机械臂本体、气动驱动部分和控制部分：

——柔性机械臂本体包括：

柔性机械臂（6），其一端为自由端，另一端为固定端，固定端通过摆动法兰盘机械连接装置（5）安装在摆动气缸（3）的摆动法兰盘上；

摆动气缸（3），其摆动法兰盘通过联轴器（25）与固定在基座上的光电编码器（4）的转轴相连；

无杆移动气缸（1），安装在固定基座上，其滑块与摆动气缸（3）的基座连接，且与线性光栅尺（2）的滑块相连；

压电片传感器（8）和压电驱动器（9），粘贴在柔性机械臂（6）的固定端；

加速度传感器（7），安装在柔性机械臂（6）的自由端；

——气动驱动部分，由两个气动通路构成，分别用于驱动摆动气缸（3）的摆动和无杆移动气缸（1）的移动；

——控制部分，用于处理检测到的柔性机械臂（6）转动、移动、振动信号并做出相应的处理；

所述压电驱动器（9）由4片压电片在柔性机械臂（6）的两面对称粘贴，每面2片，并联连接；所述压电片传感器（8）为1片，靠近柔性机械臂（6）固定端长轴方向的中间位置；

所述气动驱动部分的气泵（20）产生的高压气体通过气动三联件（21）稳压后提供气源给两个气动通路：

——气动通路I，一个气动减压阀（22）与气动三联件（21）连接后与气动比例阀（23）的一个端口连接，气动比例阀（23）的另外两个端口分别与摆动气缸（3）的左气腔和右气腔连接，用于驱动摆动气缸（3）的摆动；

——气动通路II，三个气动减压阀（22）与气动三联件（21）连接后，其中两个气动减压阀（22）与气动两位五通阀（18）的两个端口直接连接，另外一个气动减压阀（22）连接气动单向阀（19）后分两路，一路与气动两位五通阀（18）一个端口连接，另一路与气动PCM阀（17）连接，构成系统的排气调节出口，两位五通阀（18）另外两个端口分别与无杆移动气缸（1）的左气腔和右气腔连接，用于驱动无杆移动气缸（1）的移动。

2.根据权利要求1所述的气动驱动二自由度柔性机械臂的装置，其特征在于所述气动PCM阀（17）是由一组气动开关阀串联气动节流阀后并联连接在一起组成的，气动节流阀的流通截面积设定为1：2：4：8：…：2ⁿ的比例。

3.根据权利要求1—2之一所述的气动驱动二自由度柔性机械臂的装置，其特征在于所述控制部分包括摆动气缸（3）转动角度控制系统、无杆移动气缸（1）移动控制系统及柔性机械臂（6）振动测量和主动控制系统：

——摆动气缸（3）转动角度控制系统，通过光电编码器（4）检测到摆动气缸法兰盘的转角信号，经由多通道四倍频、辨向脉冲计数电路（13）通道I输入到ARM控制器（14），产生控制信号，经由多通道D/A转换电路（15）通道II输出到气动比例阀（23），调节气动比例阀（23）的换向和进排气流量，从而控制柔性机械臂（6）的转动；

——无杆移动气缸（1）移动控制系统，通过线性光栅尺（2）检测移动滑块的位置信号，经由多通道四倍频、辨向脉冲计数电路（13）通道II输入到ARM控制器（14），产生控制信号，经由开关阀驱动电路（16）输出到气动两位五通阀（18）和气动PCM阀（17），调节两位五通阀（18）换向和气动PCM阀（17）排气流量，从而控制柔性机械臂（6）的移动；

——柔性机械臂（6）振动测量和主动控制系统，通过压电片传感器（8）或加速度传感器（7）检测柔性机械臂（6）的振动信号，经由低频电荷放大器（11）、A/D转换电路（12）输入到ARM控制器（14），产生控制信号，经由多通道D/A转换电路（15）通道I、压电陶瓷电压放大器（10）输出到压电驱动器（9），从而抑制柔性机械臂（6）的振动。

4.应用权利要求1—3之一所述装置进行气动驱动二自由度柔性机械臂的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步 利用相应检测元件检测柔性机械臂（6）的转角信号或位移信号；

第二步 将第一步采集到的信号经过多通道四倍频、辨向脉冲计数电路（13）后进入ARM控制器（14）进行处理，并得到相应的反馈信号；

第三步 将第二步得到的转角反馈信号经多通道D/A转换电路（15）通道II作用到相应的控制柔性机械臂（6）转动气动元件上，进而控制柔性机械臂（6）的转动；将第二步得到的移动反馈信号经开关阀驱动电路（16）作用到相应的控制柔性机械臂（6）移动气动元件上，进而控制柔性机械臂（6）的移动。

5.根据权利要求4所述的气动驱动二自由度柔性机械臂的控制方法，其特征在于该控制方法为多通道的检测和控制，柔性机械臂（6）的振动可以采用压电驱动器（9）抑制，也可采用摆动气缸（3）的伺服动作同时实现定位和振动控制。

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