CN102501242A - 一种三自由度柔性机械臂控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度柔性机械臂控制装置和方法。该装置包括柔性机械臂本体部分、伺服电机驱动部分和控制部分。三自由度的分布为：两个串联连接的转动柔性臂分别由电机接减速器驱动，它们串联在一个丝杠传动的移动滑块上，丝杠基座和固定底座连接。三个交流伺服电机都带有光电编码器用于检测旋转角度。在柔性臂靠近固定端粘贴多片压电陶瓷片分别作为压电片传感器和压电驱动器，靠近自由端各安装一只加速度传感器。压电片传感器或加速度传感器可分别检测柔性梁的振动。将检测的信号反馈，运行控制算法后分别由运动控制卡控制三个电机的运动。控制部分，用于处理检测到的柔性梁转动、振动信号并做出相应的处理。

Description

一种三自由度柔性机械臂控制装置与方法

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，特别涉及一种三自由度柔性机械臂控制装置和方法。

背景技术

在航天领域，空间机器人在航天领域中得到了应用。空间机器人主要从事的工作有：大型空间结构的建造、搬运及装配；协助完成航天器之间的对接与分离；空间站和卫星日常维护、修理和检查；专项技术试验或加工操作；捕获、修复卫星等。比如加拿大的空间站机械臂是典型的空间柔性机器人，从事空间站的在轨组装、服务、维修等工作。

考虑降低发射成本，提高运载效率，必须尽量减小航天器的质量。空间机器人、太阳帆板等大型空间结构必须尽量使用质量超轻、形状超薄材料的结构，这类空间结构的尺寸都比较大。因此，低刚度与柔性化已经成为航天器附件和空间机械臂的特点。在系统调整姿态、变轨、以及外部扰动的影响等将不可避免地带来柔性机械臂或大型柔性结构的振动问题。如果对振动不进行有效地抑制，其低频大幅值振动将持续很长时间，这将影响系统的稳定性和指向精度，甚至导致设备的疲劳破坏。空间机器人在太空工作过程中，需要大量的时间来抑制振动，工作效率大大降低。特别在太空条件下，无空气阻尼，所以阻尼弱，大型柔性结构和柔性机械臂的振动更加难以控制。因此空间机器人其末端精确的位置和力控制是一个具有挑战性的问题。空间机器人为多自由度系统，刚柔耦合结构，采用多传感器和驱动器控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三自由度柔性机械臂控制装置和方法，使得柔性机械臂结构在较大的旋转范围内运动，并使之在较大的工作空间上实现稳定、准确、快速的到达预设定的定位，并快速抑制振动。该发明的另一个目的是给出一种三自由度柔性机器人复杂试验装置，为研究多体系统动力学和控制算法提供平台。

为达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：

一种三自由度柔性机械臂装置，包括柔性机械臂本体部分、伺服电机驱动部分和控制部分：

——柔性机械臂本体部分包括：

伺服电机Ⅰ1，通过联轴器2驱动滚珠丝杠3上的滑块4运动，滚珠丝杠3的基座固定在底座23上；

伺服电机Ⅱ5，伺服电机Ⅱ5通过法兰连接安装在减速器Ⅰ6的输入端，减速器Ⅰ6的基座通过机械连接装置与滑块4连接，减速器Ⅰ6的输出转动法兰盘与法兰盘机械连接装置Ⅰ7连接，法兰盘机械连接装置Ⅰ7与柔性臂Ⅰ11的一端连接，在法兰盘机械连接装置Ⅰ7上安装一台CCD相机Ⅰ8，CCD相机Ⅰ8通过检测固定在柔性臂Ⅰ11上端的视觉目标杆Ⅰ12的摆动来检测柔性臂Ⅰ11的振动；

伺服电机Ⅲ14，伺服电机Ⅲ14通过法兰连接安装在减速器Ⅱ15的输入端，减速器Ⅱ15的基座与柔性臂Ⅰ11的另一端通过机械装置连接，减速器Ⅱ15的输出转动法兰盘与法兰盘机械连接装置Ⅱ16连接，法兰盘机械连接装置Ⅱ16与柔性臂Ⅱ21的一端连接，柔性臂Ⅱ21的另一端自由，在法兰盘机械连接装置Ⅱ16上安装一台CCD相机Ⅱ17，CCD相机Ⅱ17通过检测固定在柔性臂Ⅱ21上端的视觉目标杆Ⅱ18的摆动来检测柔性臂Ⅱ21的振动；

压电驱动器Ⅰ9和压电片传感器Ⅰ10，粘贴在靠近CCD相机Ⅰ8的柔性臂Ⅰ11的一端；压电驱动器Ⅱ19和压电片传感器Ⅱ20，粘贴在柔性臂Ⅱ21的固定端；

加速度传感器Ⅰ13，安装在靠近视觉目标杆Ⅰ12的柔性臂Ⅰ11的端部；加速度传感器Ⅱ22安装在柔性臂Ⅱ21的自由端；

——伺服驱动部分，由三个通路构成，伺服电机Ⅰ1、伺服电机Ⅱ5和伺服电机Ⅲ14带有光电编码器，分别检测各个相应的电机转动的角位移；用于驱动滚珠丝杠3的移动和柔性臂Ⅰ11的转动和柔性臂Ⅱ21的转动；

——控制部分，用于处理检测到的滑块4的移动，柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的转动、振动信号并做出相应的处理。

所述压电驱动器Ⅰ9由4片压电片在柔性臂Ⅰ11的两面对称粘贴构成，每面2片并联连接；所述压电驱动器Ⅱ19由4片压电片在柔性臂Ⅱ21的两面对称粘贴构成，每面2片并联连接；

所述压电片传感器Ⅰ10为1片，位于靠近CCD相机Ⅰ8的柔性臂Ⅰ11的宽度方向的中间位置；压电片传感器Ⅱ20为1片，位于柔性臂Ⅱ21固定端的宽度方向的中间位置。

所述的控制部分包括三个伺服电机控制移动运动和双转动运动的，转动角度控制系统、及柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21振动测量和主动控制系统：

——三个伺服电机的码盘信号经过运动控制卡29的三个通道后进入工控计算机28，计算机处理后，分别经过运动控制卡29的三个通道输出控制三个伺服电机转动；

——柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的振动测量和主动控制系统，通过压电片传感器Ⅰ10或加速度传感器Ⅰ13检测柔性臂Ⅰ11的振动信号；通过压电片传感器Ⅱ20或加速度传感器Ⅱ22检测柔性臂Ⅱ21的振动信号，经由多通道低频电荷放大器24后，再经过A/D转换卡25输入到工控计算机28，产生控制信号，经由多通道D/A转换及I/O卡27的其中模拟量输出的两个通道，经过两通道压电放大电路26后分别输出到压电驱动器Ⅰ9和压电驱动器Ⅱ19，从而分别抑制柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的振动；

柔性臂Ⅰ11的振动信号通过CCD相机Ⅰ8检测视觉目标杆Ⅰ12的运动来检测，柔性臂Ⅱ21的振动信号通过CCD相机Ⅱ17分别检测视觉目标视觉目标杆Ⅱ18的运动来检测，将检测的信号输入到计算机28处理。

三自由度柔性臂的控制方法，包括如下步骤：

第一步 利用相应检测元件检测三个伺服电机的转角信号；

第二步 将步骤一检测的信号经过运动控制卡29后进入工控计算机28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过运动控制卡29后分别输出到三个伺服电机，控制其动作。

该控制方法为多通道的检测和控制，柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的振动可以分别采用压电驱动器Ⅰ9和压电驱动器Ⅱ19抑制，也可采用伺服电机Ⅰ1、伺服电机Ⅱ5和伺服电机Ⅲ14的伺服动作同时实现转角及移动定位和振动控制。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：

（1）本三自由度柔性机器人装置是一个多通道的输入—输出的检测和控制系统，而且各控制之间相互耦合，电机既有模拟量输出控制，又有脉冲量控制，既有电机驱动控制，还有压电驱动控制，利用该装置可以很好地模拟复杂柔性结构的刚柔耦合振动控制研究。

（2）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，从而实现柔性机器人的精确定位控制，为验证多种复杂控制策略提供一个很好的平台。

（3）本装置还可以通过多传感器信息融合进行多体柔性机器人的动力学模型辨识，以及基于多传感器的主动振动控制研究。

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—伺服电机Ⅰ，2—联轴器，3—滚珠丝杠，4—滑块，5—伺服电机Ⅱ，6—减速器Ⅰ，7—法兰盘机械连接装置Ⅰ，8—CCD相机Ⅰ，9—压电驱动器Ⅰ，10—压电片传感器Ⅰ，11—柔性臂Ⅰ，12—视觉目标杆Ⅰ，13—加速度传感器Ⅰ，14—伺服电机Ⅲ，15—减速器Ⅱ，16—法兰盘机械连接装置Ⅱ，17—CCD相机Ⅱ，18—视觉目标杆Ⅱ，19--压电驱动器Ⅱ，20—压电片传感器Ⅱ，21—柔性臂Ⅱ，22—加速度传感器Ⅱ，23—底座，24—低频多路电荷放大器，25—A/D转换卡，26—压电放大电路，27—D/A转换及I/O卡，28—工控计算机，29—运动控制卡。

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，伺服电机Ⅰ1通过联轴器2驱动滚珠丝杠3的滑块4运动，滚珠丝杠3的基座安装在固定的底座23上；伺服电机Ⅱ5通过法兰连接安装在减速器Ⅰ6的输入端，减速器Ⅰ6的基座通过机械连接装置与滚珠丝杠3的滑块4连接，减速器Ⅰ6的输出转动法兰盘与法兰盘机械连接装置Ⅰ7连接，法兰盘机械连接装置Ⅰ7与柔性臂Ⅰ11的一端连接，柔性臂Ⅰ11在伺服电机Ⅱ5通过减速器Ⅰ6驱动后可随法兰盘机械连接装置Ⅰ7转动，法兰盘机械连接装置Ⅰ7上安装一台CCD相机Ⅰ8，通过检测固定在柔性臂Ⅰ11上端的视觉目标杆Ⅰ12的摆动来检测柔性臂Ⅰ11的振动。

伺服电机Ⅲ14通过法兰连接安装在减速器Ⅱ15的输入端，减速器Ⅱ15的基座与柔性臂Ⅰ11的另一端连接，减速器Ⅱ15的输出转动法兰盘与法兰盘机械连接装置Ⅱ16连接，法兰盘机械连接装置Ⅱ16与柔性臂Ⅱ21的一端通过机械装置连接，柔性臂Ⅱ21的另一端自由，柔性臂Ⅱ21在伺服电机Ⅲ14通过减速器Ⅱ15驱动后可随法兰盘机械连接装置Ⅱ16转动，在法兰盘机械连接装置Ⅱ16上安装另一台CCD相机Ⅱ17，通过检测固定在柔性臂Ⅱ21上端的视觉目标杆Ⅱ18的摆动来检测柔性臂Ⅱ21的振动。

压电驱动器Ⅰ9和压电片传感器Ⅰ10，粘贴在靠近CCD相机Ⅰ8的柔性臂Ⅰ11的靠近一端；压电驱动器Ⅱ19和压电片传感器Ⅱ20，粘贴在柔性臂Ⅱ21的固定端；加速度传感器Ⅰ13，安装在靠近视觉目标杆Ⅰ12的柔性臂Ⅰ11的一端；加速度传感器Ⅱ22安装在柔性臂Ⅱ21的自由端。

压电驱动器Ⅰ9由4片压电片在柔性臂的两面对称粘贴，每面2片，并联连接，距离与安装CCD相机Ⅰ8的柔性臂Ⅰ11端2.5 cm，在宽度方向上距离上下柔性臂Ⅰ11边缘为2 cm；压电驱动器Ⅱ19由4片压电片在柔性臂Ⅱ21的两面对称粘贴，每面2片，并联连接，距离柔性臂Ⅱ21固定端2.5 cm，在宽度方向上距离上下柔性臂Ⅱ21边缘为2 cm。

所述压电片传感器Ⅰ10为1片，位于柔性臂Ⅰ11的宽度方向的中间位置，距离与安装CCD相机Ⅰ8的柔性臂Ⅰ11端7.5 cm；压电片传感器Ⅱ20为1片，位于柔性臂Ⅱ21固定端的宽度方向的中间位置，距离柔性臂Ⅱ21固定端7.5 cm。

图1中的虚线连接表示电信号与驱动控制装置的连接图。

所述的三自由度柔性机械臂装置，其特征在于所述的控制部分包括三个伺服电机控制移动运动和双转动运动的，转动角度控制系统、及柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21振动测量和主动控制系统：

三个伺服电机的光电编码器分别检测电机转动的角位移信号；经过运动控制卡29的三个通道后进入工控计算机28，计算机处理后，分别经过运动控制卡29的三个通道输出控制三个伺服电机转动；可以分别用于驱动滚珠丝杠3的移动和柔性臂Ⅰ11的转动和柔性臂Ⅱ21的转动；

柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的振动测量和主动控制系统，通过压电片传感器Ⅰ10或加速度传感器Ⅰ13检测柔性臂Ⅰ11的振动信号；通过压电片传感器Ⅱ20或加速度传感器Ⅱ22检测柔性臂Ⅱ21的振动信号，经由多通道低频电荷放大器24后，再经过A/D转换卡25输入到工控计算机28，产生控制信号，经由多通道D/A转换及I/O卡27的其中模拟量输出的两个通道，经过两通道压电放大电路26后分别输出到压电驱动器Ⅰ9和压电驱动器Ⅱ19，从而分别抑制柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的振动；

柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的振动信号也可分别通过CCD相机Ⅰ8、或者通过CCD相机Ⅱ17分别检测视觉目标杆Ⅰ12和视觉目标杆Ⅱ18的运动来检测，将检测的信号输入到计算机28处理。

所述装置进行三自由度柔性臂的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步 利用相应检测元件检测伺服电机的转角信号；

第二步 将步骤一检测的信号经过运动控制卡29后进入工控计算机28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过运动控制卡29后分别输出到三个伺服电机，控制其动作。

所述的三自由度柔性臂控制方法，其特征在于该控制方法为多通道的检测和控制，柔性臂Ⅰ11和柔性臂Ⅱ21的振动可以分别采用压电驱动器Ⅰ9和压电驱动器Ⅱ19抑制，也可采用伺服电机的伺服动作同时实现转角及移动定位和振动控制。

在本实施例中，伺服电机分别选用日本三菱公司生产的400瓦和100瓦交流伺服电机，其中伺服电机Ⅰ1和伺服电机Ⅱ5的型号为HC-KFS43，伺服驱动器为MR-J2S-40A，伺服电机Ⅲ14的型号为HC-KFS13，伺服驱动器为MR-J2S-10A；联轴器2可选金属膜片联轴器轻质铝合金双膜片；滚珠丝杠3选用日本THK公司生产的LM滚动导轨智能组合单元KR型的结构，行程600mm丝杆导轨系统；减速器Ⅰ6和减速器Ⅱ15可选用德国的纽卡特公司生产的法兰盘输出减速器，减速器Ⅰ6的型号为PLFN-90，减速器Ⅱ15的型号为PLFN-64；CCD相机Ⅰ8和CCD相机Ⅱ17可选用型号为DFK 21BU04，采样频率60Hz，输出图像大小为480×640，感光度0.1lx，通过USB接口与计算机连接。镜头型号M1614-MP2，焦距f=16mm。光源型号MIC-210/40，灯光颜色为白色。控制计算机CPU型号AMD Athlon (tm) ⅡX2 220，主频2.8GHz。多路A/D和D/A数据采集控制卡25和27合成在一起，型号为PCI-1800H，插入计算机PCI插槽。

压电驱动器Ⅰ9、压电驱动器Ⅱ19和压电片传感器Ⅰ10、压电片传感器Ⅱ20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；加速度传感器Ⅰ13、加速度传感器Ⅱ22可选用江苏联能电子技术有限公司生产的压电式加速度传感器，型号为CA-YD-117；低频电荷放大器24可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器，共4只，其中两只分别放大压电式加速度传感器Ⅰ13、加速度传感器Ⅱ22检测的电荷信号，另两只放大压电片传感器Ⅰ10、压电片传感器Ⅱ20检测的电荷信号。运动控制卡29可选用固高公司生产运动控制卡型号：GT-400-SV-PCI的4轴运动控制卡。

多路压电驱动高压放大器26可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX 放大器，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 -260V～+260V。

采用此方案，在控制过程中通过设计友好的人机交互界面可以实时显示相关测量信号和控制信号动态曲线，便于实时观测以及控制的开启和关闭，控制策略参数的修改输入，数据保存等操作，便于实时调试时分析和修改参数。

Claims (5)

1.一种三自由度柔性机械臂装置，其特征在于该装置包括柔性机械臂本体部分、伺服电机驱动部分和控制部分：

——柔性机械臂本体部分包括：

伺服电机Ⅰ（1），通过联轴器（2）驱动滚珠丝杠（3）上的滑块（4）运动，滚珠丝杠（3）的基座固定在底座（23）上；

伺服电机Ⅱ（5），伺服电机Ⅱ（5）通过法兰连接安装在减速器Ⅰ（6）的输入端，减速器Ⅰ（6）的基座通过机械连接装置与滑块（4）连接，减速器Ⅰ（6）的输出转动法兰盘与法兰盘机械连接装置Ⅰ（7）连接，法兰盘机械连接装置Ⅰ（7）与柔性臂Ⅰ（11）的一端连接，在法兰盘机械连接装置Ⅰ（7）上安装一台CCD相机Ⅰ（8），CCD相机Ⅰ（8）通过检测固定在柔性臂Ⅰ（11）上端的视觉目标杆Ⅰ（12）的摆动来检测柔性臂Ⅰ（11）的振动；

伺服电机Ⅲ（14），伺服电机Ⅲ（14）通过法兰连接安装在减速器Ⅱ（15）的输入端，减速器Ⅱ（15）的基座与柔性臂Ⅰ（11）的另一端通过机械装置连接，减速器Ⅱ（15）的输出转动法兰盘与法兰盘机械连接装置Ⅱ（16）连接，法兰盘机械连接装置Ⅱ（16）与柔性臂Ⅱ（21）的一端连接，柔性臂Ⅱ（21）的另一端自由，在法兰盘机械连接装置Ⅱ（16）上安装一台CCD相机Ⅱ（17），CCD相机Ⅱ（17）通过检测固定在柔性臂Ⅱ（21）上端的视觉目标杆Ⅱ（18）的摆动来检测柔性臂Ⅱ（21）的振动；

压电驱动器Ⅰ（9）和压电片传感器Ⅰ（10），粘贴在靠近CCD相机Ⅰ（8）的柔性臂Ⅰ（11）的一端；压电驱动器Ⅱ（19）和压电片传感器Ⅱ（20），粘贴在柔性臂Ⅱ（21）的固定端；

加速度传感器Ⅰ（13），安装在靠近视觉目标杆Ⅰ（12）的柔性臂Ⅰ（11）的端部；加速度传感器Ⅱ（22）安装在柔性臂Ⅱ（21）的自由端；

——伺服驱动部分，由三个通路构成，伺服电机Ⅰ（1）、伺服电机Ⅱ（5）和伺服电机Ⅲ（14）带有光电编码器，分别检测各个相应的电机转动的角位移；用于驱动滚珠丝杠（3）的移动和柔性臂Ⅰ（11）的转动和柔性臂Ⅱ（21）的转动；

——控制部分，用于处理检测到的滑块（4）的移动，柔性臂Ⅰ（11）和柔性臂Ⅱ（21）的转动、振动信号并做出相应的处理。

2.根据权利要求1所述的三自由度柔性机械臂装置，其特征在于所述压电驱动器Ⅰ（9）由4片压电片在柔性臂Ⅰ（11）的两面对称粘贴构成，每面2片并联连接；所述压电驱动器Ⅱ（19）由4片压电片在柔性臂Ⅱ（21）的两面对称粘贴构成，每面2片并联连接；

所述压电片传感器Ⅰ（10）为1片，位于靠近CCD相机Ⅰ（8）的柔性臂Ⅰ（11）的宽度方向的中间位置；压电片传感器Ⅱ（20）为1片，位于柔性臂Ⅱ（21）固定端的宽度方向的中间位置。

3. 根据权利要求1所述的三自由度柔性机械臂装置，其特征在于所述的控制部分包括三个伺服电机控制移动运动和双转动运动的，转动角度控制系统、及柔性臂Ⅰ（11）和柔性臂Ⅱ（21）振动测量和主动控制系统：

——三个伺服电机的码盘信号经过运动控制卡（29）的三个通道后进入工控计算机（28），计算机处理后，分别经过运动控制卡（29）的三个通道输出控制三个伺服电机转动；

——柔性臂Ⅰ（11）和柔性臂Ⅱ（21）的振动测量和主动控制系统，通过压电片传感器Ⅰ（10）或加速度传感器Ⅰ（13）检测柔性臂Ⅰ（11）的振动信号；通过压电片传感器Ⅱ（20）或加速度传感器Ⅱ（22）检测柔性臂Ⅱ（21）的振动信号，经由多通道低频电荷放大器（24）后，再经过A/D转换卡（25）输入到工控计算机（28），产生控制信号，经由多通道D/A转换及I/O卡（27）的其中模拟量输出的两个通道，经过两通道压电放大电路（26）后分别输出到压电驱动器Ⅰ（9）和压电驱动器Ⅱ（19），从而分别抑制柔性臂Ⅰ（11）和柔性臂Ⅱ（21）的振动；

柔性臂Ⅰ（11）的振动信号通过CCD相机Ⅰ（8）检测视觉目标杆Ⅰ（12）的运动来检测，柔性臂Ⅱ（21）的振动信号通过CCD相机Ⅱ（17）分别检测视觉目标视觉目标杆Ⅱ（18）的运动来检测，将检测的信号输入到计算机（28）处理。

4.应用权利要求1所述装置进行三自由度柔性臂的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步 利用相应检测元件检测三个伺服电机的转角信号；

第二步 将步骤一检测的信号经过运动控制卡（29）后进入工控计算机（28）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过运动控制卡（29）后分别输出到三个伺服电机，控制其动作。

5.根据权利要求1所述的三自由度柔性臂控制方法，其特征在于该控制方法为多通道的检测和控制，柔性臂Ⅰ（11）和柔性臂Ⅱ（21）的振动可以分别采用压电驱动器Ⅰ（9）和压电驱动器Ⅱ（19）抑制，也可采用伺服电机Ⅰ（1）、伺服电机Ⅱ（5）和伺服电机Ⅲ（14）的伺服动作同时实现转角及移动定位和振动控制。

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