CN103158147A - 悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂支撑快速自开合屏蔽罩系统，该系统包括：支撑悬臂、防护壳、屏蔽罩及其齿轮驱动机构、热传输杆、目标执行器、六自由度力/力矩传感器、Stewart平台。本发明还公开了一种使用所述系统对悬臂支撑快速自开合屏蔽罩进行振动补偿的方法。本发明使用六自由度力/力矩传感器解耦机械振动传递关系；基于悬臂精确动力学模型的振动补偿，提高了Stewart平台的补偿效率；利用悬臂末端位置偏移量变化规律对屏蔽罩振动引起的目标执行器位置偏移量进行补偿，提高了其定位速度与精度。

Description

悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人技术应用与精密定位领域，特别是关于一种悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿系统及方法，以实现目标执行器的高精度定位。 

背景技术

某些特殊领域的目标执行器需用屏蔽罩保护，且屏蔽罩内为超低温环境。当目标执行器定位后，需将屏蔽罩快速(小于0.1s)开合，实现执行器与外部仪器的精密对接。由于屏蔽罩快速开合过程中，屏蔽罩的运动将引起防护壳振动，并且由于其与碳纤维材料组成的支持悬臂直接固联，从而引起悬臂振动，使目标执行器难以实现快速、高精度定位。因此，为了提高目标执行器的定位精度与速度，需抑制屏蔽罩开合过程中悬臂的振动。 

目前解决上述问题的方法有两种：一是通过在悬臂上增加附件结构，抑制其振动，使末端到达高精度定位，该方法结构简单，在工程中得到了广泛的应用，但是在悬臂上增加附件，不仅降低了悬臂的响应速度，而且还缺乏灵活性；二是通过改变作用在悬臂上的力或力矩的大小，达到减小振动，提高末端定位精度的目的，但该方法的振动抑制效果依赖于被控系统的参数化模型，对于复杂的悬臂支撑屏蔽罩系统，很难建立反应各组成部分的精确模型。 

综上所述，在屏蔽罩快速开合过程中，实现屏蔽罩保护的执行器高精度定位，对精密定位工程而言有着重要意义。 

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于悬臂支撑的快速自开合屏蔽罩振动补偿的系统及方法。 

为达到上述目的，根据本发明的一方面，提出了一种悬臂支撑快速自 开合屏蔽罩系统，该系统包括：支撑悬臂1、防护壳2、屏蔽罩6及其齿轮驱动机构5、热传输杆3、目标执行器4、六自由度力/力矩传感器11、Stewart平台12，其中： 

所述支撑悬臂1的末端与所述防护壳2的底座之间设置有六自由度力/力矩传感器11，所述六自由度力/力矩传感器11固定于所述支撑悬臂1的末端，并与所述防护壳2的底座直接刚性连接； 

所述Stewart平台12固定于所述防护壳2的内部，且其固定平台与所述防护壳2的底座刚性连接，运动平台与所述热传输杆3连接； 

所述热传输杆3的一端与所述Stewart平台12的运动平台连接，另一端用于固定目标执行器4； 

所述齿轮驱动机构5安装于防护壳2上面，该机构的传输轴与防护壳2内的电机输出轴连接； 

所述屏蔽罩6安装于所述齿轮驱动机构5的齿轮转动轴上。 

根据本发明的另一方面，提出了一种使用所述系统对悬臂支撑快速自开合屏蔽罩进行振动补偿的方法，该方法包括以下步骤： 

步骤1：确定目标执行器的标定点，并确定其在CCD相机中的成像位置，将该位置设为目标执行器初始位置，当所述标定点的位置发生变化时，由CCD相机的像素变化值直接计算出目标执行器的位置偏移量； 

步骤2：在屏蔽罩快速开合的过程中，利用六自由度力/力矩传感器测量屏蔽罩引起的防护壳振动对支撑悬臂所产生的反作用力f(x，t)； 

步骤3：基于所述步骤2测量得到的反作用力f(l，t)，得到悬臂末端位置偏移量的变化规律w_l(t)； 

步骤4：根据所述悬臂末端位置偏移量的变化规律w_l(t)得到t时刻悬臂末端的位置偏移量，根据所述t时刻悬臂末端的位置偏移量对目标执行器的位置偏移进行补偿； 

步骤5：利用CCD相机对目标执行器位置偏移的补偿效果进行评定。 

所述悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿系统及方法，能够最大程度的满足目标执行器快速与高精度定位要求。在屏蔽罩快速开合过程中，由六自由度力/力矩传感器测量屏蔽罩引起防护壳振动对支撑悬臂产生的反作用力；基于所建立的悬臂精确动力学模型，和六自由度力/力矩传感器测 得值得到悬臂末端位置偏移量的变化规律；Stewart平台依据悬臂末端偏移量的变化规律，对目标执行器的位置偏移量进行补偿；CCD相机用于评定Stewart平台的补偿效果。 

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、六自由度力/力矩传感器解耦机械振动传递关系；2、基于悬臂精确动力学模型的振动补偿方法，提高了Stewart平台的补偿效率；3、Stewart平台利用悬臂末端位置偏移量变化规律对屏蔽罩振动引起的目标执行器位置偏移量进行补偿，提高其定位速度与精度。 

附图说明

图1是现有技术中采用的悬臂支撑快速自开合屏蔽罩系统示意图； 

图2是现有技术中屏蔽罩及其齿轮驱动机构的俯视图； 

图3是本发明悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿系统的示意图； 

图4是本发明悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿方法的流程图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 

图1为现有技术中采用的悬臂支撑快速自开合屏蔽罩系统示意图，如图1所示，所述系统包括支撑悬臂1、防护壳2、屏蔽罩6及其齿轮驱动机构5、热传输杆3、目标执行器4，其中，防护壳2的底座与支撑悬臂1的末端直接固联；热传输杆3的一端固定于防护壳底座上，另一端用于固定目标执行器4；齿轮驱动机构5实现屏蔽罩6的快速打开或闭合过程。所述屏蔽罩6及其齿轮驱动机构5的俯视图如图2所示，图2中，电机7固定于防护壳2内，用于带动与其连接的传动轴8转动，以使齿轮9a和9b以相同的角速度运动，从而实现屏蔽罩10a和10b的快速开合过程。上述现有技术中的屏蔽罩在快速开合过程中，屏蔽罩引起的防护壳振动会对支撑悬臂产生反作用力，从而使悬臂产生振动，无法实现目标执行器的高精度定位。 

因此，本发明提出一种悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿系统及方法，以对屏蔽罩快速开合过程中产生的振动进行补偿，从而最大程度的满足目标执行器快速与高精度定位的要求。 

图3为本发明悬臂支撑快速自开合屏蔽罩振动补偿系统的示意图，如图3所示，所述系统包括现有悬臂支撑快速自开合屏蔽罩系统，即支撑悬臂1、防护壳2、屏蔽罩6及其齿轮驱动机构5、热传输杆3、目标执行器4，还包括有六自由度力/力矩传感器11、Stewart平台12和CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机13，其中：所述支撑悬臂1的末端与所述防护壳2的底座之间设置有六自由度力/力矩传感器11，具体地，所述六自由度力/力矩传感器11固定于所述支撑悬臂1的末端，并与所述防护壳2的底座直接刚性连接； 

所述Stewart平台12固定于所述防护壳2的内部，且其固定平台与所述防护壳2的底座刚性连接，运动平台与所述热传输杆3连接； 

所述热传输杆3的一端与所述Stewart平台12的运动平台连接，另一端用于固定目标执行器4； 

所述齿轮驱动机构5安装于防护壳2上面，该机构的传输轴与防护壳2内的电机输出轴连接； 

所述屏蔽罩6安装于所述齿轮驱动机构5的齿轮转动轴上； 

所述CCD相机13位于隔振平台上，CCD相机在使用时必须保证悬臂振动所引起的目标执行器4的位置变化范围在CCD相机13的观测范围内。 

屏蔽罩在快速开合过程中，本发明系统利用六自由度力/力矩传感器测量屏蔽罩引起的防护壳振动对支撑悬臂所产生的反作用力；基于所建立的悬臂精确动力学模型，由所述反作用力的测得值得到悬臂末端位置偏移量的变化规律；Stewart平台依据悬臂末端位置偏移量的变化规律，对目标执行器的位置偏移量进行补偿，从而实现执行器的高精度定位，同时，利用CCD相机评定Stewart平台对屏蔽罩快速开合过程中产生的振动的补偿效果。 

根据本发明的另一方面，提出一种使用上述系统对悬臂支撑快速自开合屏蔽罩进行振动补偿的方法，如图4所示，该方法包括以下步骤： 

步骤1：确定目标执行器的标定点(可选取任意点作为标记点，其作用只是作为参考点)，并确定其在CCD相机中的成像位置，将该位置设为目标执行器初始位置，当所述标定点的位置发生变化时，由CCD相机的像素变化值直接计算出目标执行器的位置偏移量； 

步骤2：在屏蔽罩快速开合的过程中，利用六自由度力/力矩传感器测量屏蔽罩引起的防护壳振动对支撑悬臂所产生的反作用力f(x，t)； 

所述反作用力f(x，t)表示为： 

f(x，t)＝δ(x-l)F(t)； 

其中，l代表支撑悬臂的长度，x代表防护壳振动所产生的反作用力作用于悬臂的位置，δ(·)为冲击函数；F(t)为集中载荷，由六自由度力/力矩传感器测得；由上式可得，当x＝l时，.f(l，t)＝F(t)。 

步骤3：基于所述步骤2测量得到的反作用力f(l，t)，得到悬臂末端位置偏移量的变化规律w_l(t)； 

该步骤中，所述悬臂末端位置偏移量的变化规律w_l(t)表示为： 

$w_l\left(t\right)=L^{-1}[\frac{1}{\mathrm{\ρAb}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{W_n^2\left(l\right)}{(s^2+{\mathrm{\ω}}_n^2)}.F\left(s\right)]---\left(1\right)$

其中：w_l(t)为x＝l处悬臂位置偏移量的变化规律；L^-1[]为拉氏反变换运算，l、ρ和A分别为同时缩小一定比例的悬臂的长度、密度和横截面积；F(s)为悬臂在x＝l处所受外力F(t)的拉式变换，t为时间变量；b为常量： 

$b={\∫}_0^l{W}_n^2\left(x\right)\mathrm{dx};$

ω_n为悬臂的n阶固有频率，表达式为： 

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{{\mathrm{\β}}_n^2}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρ}{A}^{,}}}n=\mathrm{1,2,3}......;$

E和I分别为悬臂的杨氏模量和横截面极惯性矩；β_n为一常量，表达式为： 

${\mathrm{\β}}_1=1.87/l,{\mathrm{\β}}_n=\frac{(2n-1)\mathrm{\π}}{2l},n=\mathrm{2,3}......;$

W_n(l)为x＝l处悬臂各阶振型函数，表达式为： 

$W_n\left(l\right)=C_n[\sin {\mathrm{\β}}_{n}l-\sinh {\mathrm{\β}}_{n}l-\frac{\sin {\mathrm{\β}}_{n}l+\sinh {\mathrm{\β}}_{n}l}{\cos {\mathrm{\β}}_{n}l+\cosh {\mathrm{\β}}_{n}l}(\cos {\mathrm{\β}}_{n}l-\cosh {\mathrm{\β}}_{n}l)];$

其中，C_n为任意不为零的常数。 

步骤4：根据所述悬臂末端位置偏移量的变化规律w_l(t)得到t时刻悬臂末端的位置偏移量，将该位置偏移量输入给Stewart平台的运动控制器，通过运动控制器控制Stewart平台的动平台位置和姿态变化，以对目标执行器的位置偏移进行补偿； 

步骤5：利用CCD相机对目标执行器位置偏移的补偿效果进行评定。 

CCD相机的像素值变化越小，说明Stewart平台对屏蔽罩快速开合过程中的振动补偿效果越好；反之，则补偿效果较差。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种悬臂支撑快速自开合屏蔽罩系统，其特征在于，该系统包括：支撑悬臂(1)、防护壳(2)、屏蔽罩(6)及其齿轮驱动机构(5)、热传输杆(3)、目标执行器(4)、六自由度力/力矩传感器(11)、Stewart平台(12)，其中：

所述支撑悬臂(1)的末端与所述防护壳(2)的底座之间设置有六自由度力/力矩传感器(11)，所述六自由度力/力矩传感器(11)固定于所述支撑悬臂(1)的末端，并与所述防护壳(2)的底座直接刚性连接；

所述Stewart平台(12)固定于所述防护壳(2)的内部，且其固定平台与所述防护壳(2)的底座刚性连接，运动平台与所述热传输杆(3)连接；

所述热传输杆(3)的一端与所述Stewart平台(12)的运动平台连接，另一端用于固定目标执行器(4)；

所述齿轮驱动机构(5)安装于防护壳(2)上面，该机构的传输轴与防护壳(2)内的电机输出轴连接；

所述屏蔽罩(6)安装于所述齿轮驱动机构(5)的齿轮转动轴上。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括CCD相机(13)，位于隔振平台上，用于评定Stewart平台对屏蔽罩快速开合过程中产生的振动的补偿效果。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述CCD相机在使用时必须保证悬臂振动所引起的目标执行器(4)的位置变化范围在CCD相机(13)的观测范围内。

4.一种使用权利要求1所述的系统对悬臂支撑快速自开合屏蔽罩进行振动补偿的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：确定目标执行器的标定点，并确定其在CCD相机中的成像位置，将该位置设为目标执行器初始位置，当所述标定点的位置发生变化时，由CCD相机的像素变化值直接计算出目标执行器的位置偏移量；

步骤2：在屏蔽罩快速开合的过程中，利用六自由度力/力矩传感器测量屏蔽罩引起的防护壳振动对支撑悬臂所产生的反作用力f(x，t)；

步骤3：基于所述步骤2测量得到的反作用力f(l，t)，得到悬臂末端位置偏移量的变化规律w_l(t)；

步骤4：根据所述悬臂末端位置偏移量的变化规律w_l(t)得到t时刻悬臂末端的位置偏移量，根据所述t时刻悬臂末端的位置偏移量对目标执行器的位置偏移进行补偿；

步骤5：利用CCD相机对目标执行器位置偏移的补偿效果进行评定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标定点可选取任意点。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，CCD相机的像素值变化越小，说明Stewart平台对屏蔽罩快速开合过程中的振动补偿效果越好；反之，则补偿效果较差。

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