CN104748840A - 柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的方法及实验装置 - Google Patents

Abstract

一种柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的实验装置包括了依次连接的传感器检测单元（10）、数据采集及处理单元（20）以及上位机（30），其中传感器检测单元（10）包括第一编码器（11）、第二编码器（12）以及第一传感器（13），分析与控制的方法是上述编码器和传感器分别检测柔性关节的位置测量信号以及柔性臂杆的弯曲振动信号；进行计算后分别得到柔性关节以及柔性臂杆的振动量数据。本发明可以得到准确的关节振动、臂杆振动以及由上述原因导致的末端合成振动数据，上位机具备多种功能的操作界面，操作十分方便，该实验装置还可以通过实验结果结合理论分析进行关节柔性参数的辨识。

Description

柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的方法及实验装置

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及机器人柔性关节和柔性臂杆的振动分析和控制技术。

背景技术

作为现代工业支柱性设备，机械臂未来发展的趋势势必是高速，高精度且重载。尤其是在航空航天领域，操作灵活、性能稳定、高精度的机械臂具有很高的应用价值，随着载人航天技术的不断发展，机械臂在空间的应用日趋广泛。在飞船上，利用机械臂可以捕获卫星，对卫星执行检修维护、更换零部件、调整太阳能电池板位姿等任务；在空间站，机械臂可以用于搬运飞船运送的给养、器材，完成空间站的扩建、维护修理等工作。

为了克服刚性机械臂质量大、体积大、效率低以及操作欠灵活的缺点，空间机械手都采用体积小、操作灵活、能耗低、效率高的轻型柔性机械臂。但是柔性机械臂在引入谐波减速器和力矩传感器之后，机械臂关节产生了柔性，再加上轻型臂杆自身也具有柔性，柔性机械臂在工作工程中将不可避免地产生振动。如果不能快速的抑制这些振动，将影响系统的稳定性和指向精度，从而降低相关系统的可靠性，甚至带来灾难性的损失，由此进行柔性机械臂振动特性分析和控制研究、提高柔性机械臂的位置控制精度变得越来越重要。然而，尽管柔性机械臂的研究受到了国内外的广泛关注，但是对于柔性机械臂振动抑制的研究成果却比较少，而其在实际的工程应用中又必不可少，所以对柔性机械臂的振动特性分析与控制的研究就成为了当今世界国内外普遍关注而富有挑战的重要课题。

目前对柔性机械臂的研究主要是针对柔性臂杆进行振动特性分析与控制，通过在臂杆表面粘贴多个传感器以及作动器来检测和抑制柔性臂杆的振动；或者通过对柔性关节进行复杂的动力学建模分析，然后采用多种控制策略对柔性关节进行振动控制，方法繁琐，而且动力学模型精度很难保证。

哈工大刘宏教授的博士基于他们实验室所研制的卫星在轨自维护机器人样机展开实验研究，探讨了柔性关节机械臂的动力学建模方法的分析，并基于此研究柔性关节机械臂的控制研究。他首先在充分考虑了重力以及多关节的互相耦合后，采用Lagrange-Euler法推导了多柔性关节机械臂的完整模型的动力学方程；然后深入分析柔性对系统性能带来的影响并针对柔性影响结合经典控制理论设计方法给出了基于关节力矩反馈的解决柔性关节调节控制的可行方案；最后，为了解决柔性关节机器人的跟踪控制问题，提出了一种基于柔性补偿的奇异摄动新方法，解决了传统的奇异摄动方法受关节柔性大小限制的问题，将奇异摄动方法推广应用于更为一般的柔性关节系统(刘业超,金明河,刘宏.柔性关节机器人基于柔性补偿的奇异摄动控制[J].机器人,2008,05:460-466)。在柔性臂杆的振动方面，主要是通过多传感器检测臂杆的振动情况，然后通过作动器进行振动抑制。在这一方面，压电陶瓷材料由于其良好的压电特性，获得了广泛的应用。Davighi等人通过在柔性机械臂臂杆上粘贴压电陶瓷材料PZT进行柔性臂杆的振动研究。利用压电材料的正压电效应将PZT作为传感器，当柔性臂杆产生形变时，粘贴在臂杆表面的PZT产生电信号，将电信号进行处理后可以得到臂杆的形变量，完成臂杆的振动信号检测；然后利用其逆压电效应将PZT作为作动器，通过在压电陶瓷上施加方向和大小合适的电压就可以产生与臂杆形变方向相反的变形，从而完成臂杆的振动抑制。(A.Davighi,M.Romano,F.Bernelli-Zazzera.Vibration suppression of flexible-link manipulator by PZT actuators andsensors[C].Earth&Space；20060305-08；Houston)。

在专利申请方面，申请号为201110301900.6的发明公开了一种中心转动的铰接柔性板结构振动测量装置与控制方法。该装置利用固定在中心转动刚体的三角架连接两组铰链连接的柔性板来模拟柔性机械臂进行振动测量和控制研究。在柔性板结构上粘贴压电陶瓷片致动器、电阻应变片式传感器，铰接柔性板上还安装加速度传感器、压电堆致动器和形状记忆合金SMA致动器；在中心刚体上安装两台CCD相机可通过边缘检测柔性板的振动；还可用电阻式应变片传感器或加速度传感器可分别检测铰接柔性板的振动。将检测的信号反馈，运行控制算法后分别输出信号控制压电片致动器、压电堆致动器和形状记忆合金SMA致动器的动作。该实验装置使用的传感器过多、控制复杂，而且只研究了柔性臂杆的振动情况，没有涉及到机械臂关节柔性的研究。申请号为201310571542.X的发明涉及的机械臂振动抑制装置及其振动抑制方法，通过安装在机械臂中部的电动机的正转和反转，可以带动丝杠向两个方向运动，丝杠的运动推动并拉紧机械臂一侧的钢索，以抵消末端载荷加速运动在相反方向上产生的力矩，从而达到保证机械臂末端执行精度的要求。该发明需要在臂杆上安装电机，导致了在实际工作环境中适用性较差，而且加大了控制难度。现有技术中，没有同时对柔性关节柔性臂杆进行振动特性分析和控制的实验装置，功能过于单一。

发明内容

本发明公开一种可用于柔性关节-柔性臂杆机械臂振动特性分析与控制的方法及实验装置，同时基于微软基础类库MFC设计了具备多种功能的上位机操作界面，解决现有技术中功能过于单一的技术问题。

本发明的这种柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的实验装置，包括了依次连接的传感器检测单元、数据采集及处理单元以及上位机，其中传感器检测单元包括连接柔性关节输出端的第一编码器以及连接关节驱动电机输出端的第二编码器，还包括设置于柔性臂杆上的第一传感器，所述第一编码器、第二编码器以及第一传感器分别连接所述数据采集及处理单元。

该实验装置还包括受控于上位机的振动抑制单元，所述振动抑制单元包括设置于关节驱动电机的电机致动器以及设置于柔性臂杆上的压电陶瓷片致动器组。所述压电陶瓷片致动器组包括至少六个压电陶瓷片致动器，该至少六个压电陶瓷片致动器均分为三组，分别设置于柔性臂杆两端及中间位置。

所述上位机包括了状态数据显示单元、状态曲线显示单元、参数设置单元、工作模式选择单元以及参数辨识模块。

所述第一编码器通过两个相同齿数和模数的传动齿轮连接柔性关节输出端，所述第二编码器通过联轴器连接关节驱动电机输出端；所述第一编码器和第二编码器为光电式旋转编码器。

而利用上述实验装置进行柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的方法包括以下步骤：

A.通过第一编码器检测关节输出端的位置测量信号，通过第二编码器检测关节驱动电机输出端的位置测量信号，通过第一传感器检测柔性臂杆的弯曲振动信号；

B.数据采集及处理单元将步骤A中得到的信号进行数据处理后传送给上位机；

C.上位机对步骤B传送来的数据进行计算，分别得到柔性关节以及柔性臂杆的振动量数据。

D.由步骤C得到柔性臂杆的振动量数据后，通过振动抑制单元抑制柔性关节和柔性臂杆的振动。

步骤C中进一步还包括：上位机对关节柔性进行参数辨识分析，

具体步骤包括：

C1.建立单柔性关节刚性臂杆的简化模型；

C2.在实验装置上更换刚性臂杆进行实验，以恒力矩驱动机械臂运动，计算得到的关节柔性理论值与实际实验装置的关节柔性进行参数辨识分析。

本发明中柔性关节的振动通过分别安装在电机端与关节输出端的两个增量式编码器测量，可以完全避免连杆柔性对关节柔性的影响，得到准确的关节振动。在上位机上集成有多套控制算法，改进了以往发明大多只单独进行柔性关节/柔性臂杆的振动控制的缺陷，能够进行柔性关节-柔性臂杆/柔性关节/柔性臂杆机械臂振动特性分析与控制三种工作模式的转换。设计了具备前述多种功能的上位机操作界面，可以方便得改变系统模型参数以适应不同的实验对象，可以通过改变算法参数以改善控制性能，而且操作十分方便。该实验装置不仅能进行振动特性分析与控制研究，还可以通过实验结果结合理论分析进行柔性关节柔性参数的辨识。

附图说明

图1是本发明中实验装置总体方案的示意图。

图2是本发明中柔性关节检测的示意图。

图3是本发明中布置压电陶瓷片的示意图。

图4是本发明中上位机人机界面的示意图。

图5是悬臂梁模态分析第一阶振型图。

图6是悬臂梁模态分析第二阶振型图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

由图1至图6中可知，本发明柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的实验装置，其特征在于：该实验装置包括了依次连接的传感器检测单元10、数据采集及处理单元20以及上位机30，其中传感器检测单元10包括连接柔性关节输出端的第一编码器11以及连接关节驱动电机输出端的第二编码器12，还包括设置于柔性臂杆上的第一传感器13，所述第一编码器11、第二编码器12以及第一传感器13分别连接所述数据采集及处理单元20。所述第一编码器11通过两个相同齿数和模数的传动齿轮14连接柔性关节输出端，所述第二编码器12通过联轴器15连接关节驱动电机输出端，所述第一编码器11和第二编码器12为光电式编码器。该实验装置进行柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的方法包括以下步骤：

A.通过第一编码器11检测关节输出端的位置测量信号，通过第二编码器12检测关节驱动电机输出端的位置测量信号，通过第一传感器13检测柔性臂杆的弯曲振动信号；

B.数据采集及处理单元20将步骤A中得到的信号进行数据处理后传送给上位机30；

C.上位机30对步骤B传送来的数据进行计算，分别得到柔性关节以及柔性臂杆的振动量数据。

柔性机械臂本体部分如附图2所示：其中第一编码器11和第二编码器12分别用于测量关节输出端和直流无刷电机2输出端的转角；制动器和第二编码器12的转动模块通过d型连接轴、联轴器与电机轴相连，制动器和第二编码器12固定模块通过两个安装板固定在外壳上面，这里设计和安装时有较高的同轴度要求，需注意。电机输出端为三件套式谐波减速器，二者通过套筒相连；在谐波减速器输出端装有深沟球轴承，可承受较大径向载荷用于保护谐波减速器；考虑到关节输出端的安装问题，借助两个相同规格的传动齿轮14传动第一编码器11，用于测量关节输出端转角。其余法兰连接件以及外壳零件功能比较简单，不一一赘述。

传感器检测单元10主要可分为两部分，分别是关节端光电式编码器(第一编码器11和第二编码器12)，用于测量与分析关节振动特性；以及臂杆端压电陶瓷片传感器(第一传感器13)，用于测量柔性臂杆的振动情况。相应的传感器数据采集也需要两块数据采集卡。

传感器检测单元10与数据采集及处理单元20具体工作方式如下：关节端是第一编码器11和第二编码器12，均选用光洋TRD-N-RZ系列增量式编码器，其数据输出模式为两相带原点输出，采用阿尔泰四通道编码器采集卡PCI2394采集编码器脉冲信号，然后转换成角度，从而得到柔性关节的振动情况，具体包含以下步骤：

1)在关节运动时，编码器采集卡可得到第一编码器11和第二编码器12的位置测量信号

2)将位置测量信号转换成转角值，得到电机输出端转角关节输出端转角其中位置测量信号和为对应编码器向数据采集卡发送的计数脉冲个数，R₁＝谐波减速器减速比*第二编码器12的线数，R₂＝第一编码器11的线数；

3)将电机输出端转角与关节输出端转角进行对比，利用δ＝q-θ表征关节柔性产生的振动。

柔性臂杆振动情况测量与分析是采用压电陶瓷片传感器和AD采集卡完成。其具体工作方法如下：在柔性连杆表面上安装多块压电陶瓷片传感器，压电陶瓷片传感器检测到柔性连杆的弯曲振动信号后通过电荷放大器放大，通过AD采集卡传输到上位机上进行处理，从而得到柔性臂杆的振动情况。

由图1至图6中可知，该实验装置还包括设置于所述受控于上位机30的振动抑制单元40，在得到柔性关节和柔性臂杆的振动量数据后，通过振动抑制单元40抑制柔性关节和柔性臂杆的振动。所述振动抑制单元40包括设置于关节驱动电机的电机致动器41以及设置于柔性臂杆上的压电陶瓷致动器组42，所述压电陶瓷致动器组42包括至少六个压电陶瓷致动器421，该至少六个压电陶瓷致动器均分为三组，分别设置于柔性臂杆两端及中间位置。

在该实验中，柔性连杆可以看作悬臂梁，通过模态函数法求解其振型函数，可以得到其前两阶的振型图如图5和图6所示，从中可以看出：第一阶模态应变最大处为柔性臂杆根部，第二阶模态应变最大处为柔性臂杆根部，应变次最大处大概在臂杆中间部位。由此确定柔性臂杆上压电陶瓷片的安装方式如附图3所示。图中A为臂杆安装位置，通过螺钉与附图2中安装法兰连接，在连杆长度方向上，连杆端部、根部以及中间部位三个位置上各装有四片压电陶瓷致动器(同一位置正面与背面各有两片对称安装)，考虑前两阶振型应变情况，在臂杆根部以及中间部位安装有压电致动器中间位置安装压电陶瓷传感器，总共四片。柔性臂杆振动控制通过压电陶瓷致动器实现，在上位机完成柔性臂杆振动特性分析之后，调用控制算法，将控制输出通过D/A转换卡输出到压电陶瓷驱动电源，驱动压电陶瓷片致动器，使其产生与臂杆振动方向相反的形变，达到抑制柔性臂杆振动的效果。柔性关节的振动控制主要通过电机的前置反馈完成，具体实施步骤为：

1)启动上位机，开启电荷放大器、压电陶瓷驱动电源、数据采集卡以及电机致动器电源，在参数设置单元33输入模型参数；

2)通过串口发送信号驱动柔性机械臂本体运动，数据采集模块开始计数并传输到上位机上；

在上位机工作模式选择单元34上选择工作模式，在状态数据显示单元31和状态曲线显示单元32中观察振动情况，调用控制算法函数，在参数设置单元33中输入前置反馈系数，并向电机致动器发送控制信号，完成关节柔性的振动抑制。

由图1至图6中可知，自主设计的上位机人机操作系统以实验室现有的工控机为主体，是柔性机械臂振动主动控制系统的核心部件，它主要起控制器的作用，对测量信号进行加工处理，根据所设计的控制算法产生控制信号，另外还可进行数据处理、系统管理等工作。人机操作界面的设计采用基于Microsoft Visual Studio 2010中的MFC经典类库设计方法，总共涵盖五个功能模块，分别是状态数据显示单元31、状态曲线显示单元32、参数设置单元33、工作模式选择单元34以及参数辨识模块35。其中：

状态数据显示单元31用于实时显示由数据采集模块传输到上位机的各项数据，包括关节转角、臂杆转角以及柔性关节以及柔性连杆的振动数据。

状态曲线显示单元32通过将数据采集模块传输到上位机的上述各项数据绘制成曲线，可以直观得观察柔性机械臂的振动情况。

参数设置单元33包括三个方面：模型参数设置、算法参数设置及状态切换标识。该实验装置可以对不同的柔性连杆进行实验，因此当更换实验臂杆后需通过设置模型参数改变臂杆的结构参数、物理量属性参数；算法参数设置是用于调节控制算法的系数，比如PID系数、前馈补偿系数，从而达到更好的控制效果；通过状态切换标识可以更改状态数据显示栏和状态曲线显示栏的显示对象。

工作模式选择单元34用于选择装置的工作状态，这样可以在不同状态下调用相应的控制算法进行实验。本发明的实验装置可以分别对关节柔性和连杆柔性进行分析和控制，所以该实验装置具有三种不同工作模式：单独进行柔性关节振动分析与控制模式、单独进行柔性连杆振动分析与控制模式、同时进行关节柔性和连杆柔性振动分析与控制模式。

参数辨识模块35用于关节柔性参数的辨识，通过状态数据显示单元31和状态曲线显示单元32得到的振动情况，结合柔性机械臂动力学建模与动力学方程求解得到的柔性机械臂振动特性分析结果，进行实验模型的柔性参数辨识分析，具体步骤包括：

1.建立单柔性关节刚性臂杆的简化模型，求解其动力学方程得到：

$\left[\begin{array}{cc}{I}_1& 0\\ 0& I_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·\·}{q}\\ \stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}K& -K\\ -K& K\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}q\\ \mathrm{\θ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{N\τ}\\ 0\end{array}\right]$

2.利用解析法求解上述动力学方程，得到在恒力矩驱动下运动时柔

性臂杆的振动方程：

${\mathrm{\δ}}_m=q-\mathrm{\θ}=\frac{I_2\mathrm{N\τ}}{K(I_1+I_2)}$

其中I₁和I₂分别表示关节端和连杆端的转动惯量，N为谐波减速器减速比，τ为电机驱动力矩，K代表关节柔性参数。

3.在实验装置上，更换刚性臂杆进行实验，在人机操作界面模块中输入模型参数，工作模式选择单元34选择关节振动抑制工作模式，直接以恒力矩驱动机械臂运动，在状态数据显示单元31和状态曲线显示单元32中分析关节振动情况，将这一振动结果代入到上述理论结果中，计算得到实验装置的关节柔性理论值，完成关节柔性参数的辨识分析。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的实验装置，其特征在于：该实验装置包括了依次连接的传感器检测单元（10）、数据采集及处理单元（20）以及上位机（30），其中传感器检测单元（10）包括连接柔性关节输出端的第一编码器（11）以及连接关节驱动电机输出端的第二编码器（12），还包括设置于柔性臂杆上的第一传感器（13），所述第一编码器（11）、第二编码器（12）以及第一传感器（13）分别连接所述数据采集及处理单元（20）。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：该实验装置还包括了受控于上位机（30）的振动抑制单元（40）。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于：所述振动抑制单元（40）包括设置于关节驱动电机的电机致动器（41）以及设置于柔性臂杆上的压电陶瓷片致动器组（42）。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于：所述压电陶瓷片致动器组（42）包括至少六个压电陶瓷片致动器（421），该至少六个压电陶瓷片致动器均分为三组，分别设置于柔性臂杆两端及中间位置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的实验装置，其特征在于：所述上位机（30）包括状态数据显示单元（31）、状态曲线显示单元（32）、参数设置单元（33）、工作模式选择单元（34）以及参数辨识模块（35）。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的实验装置，其特征在于：所述第一编码器（11）通过两个相同齿数和模数的传动齿轮（14）连接柔性关节输出端，所述第二编码器（12）通过联轴器（15）连接关节驱动电机输出端。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的实验装置，其特征在于：所述第一编码器（11）和第二编码器（12）为光电式旋转编码器。

8.一种利用权利要求1至6中任一项所述实验装置进行柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： A.通过第一编码器（11）检测关节输出端的位置测量信号，通过第二编码器（12）检测关节驱动电机输出端的位置测量信号，通过第一传感器（13）检测柔性臂杆的弯曲振动信号； B.数据采集及处理单元（20）将步骤A中得到的信号进行数据处理后传送给上位机（30）； C.上位机（30）对步骤B传送来的数据进行计算，分别得到柔性关节以及柔性臂杆的振动量数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：本方法在步骤C之后还包括以下步骤： D.由步骤C得到柔性关节和柔性臂杆的振动量数据后，通过振动抑制单元（40）抑制柔性关节和柔性臂杆的振动。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述步骤C中还包括：上位机（30）对关节柔性进行参数辨识分析，具体步骤包括： C1. 建立单柔性关节刚性臂杆的简化模型； C2.在实验装置上更换刚性臂杆进行实验，以恒力矩驱动机械臂运动，计算得到的关节柔性理论值与实际实验装置的关节柔性进行参数辨识分析。