CN105269579A - 嵌入式柔性机械臂振动控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式柔性机械臂振动控制装置，包括形变壳体、支撑底座、压电作动器和振动测量控制系统，所述形变壳体通过预紧螺栓与所述支撑底座固定连接，形变壳体前端与柔性机械臂相连，支撑底座末端与运动机构相连，所述压电作动器嵌设在所述形变壳体中，柔性机械臂的振动控制由压电作动器实现，通过施加外部电压使作动器上的顶杆与形变壳体之间产生相互作用力，促使形变壳体产生结构变形。压电作动器对形变壳体的作用相当于在柔性机械臂的根部施加一可控弯矩，弯矩大小和变化规律通过振动测量控制系统来控制，从而实现抑制柔性机械臂振动的目的，进而提高柔性机械臂定位精度和运行效率。

Description

嵌入式柔性机械臂振动控制装置
技术领域
本发明涉及振动控制领域，尤其涉及一种嵌入式柔性机械臂振动控制装置。
背景技术
柔性臂杆的使用是机械臂实现轻量化和高效率运行的一种有效途径，国内外对在这方面已有较为广泛的研究，在动力学建模，轨迹跟踪、控制以及振动抑制等方面具备了一定的研究基础。在实际应用方面，机械臂的关节是其核心部件，在长期使用中由于润滑剂的消耗或损失，会造成关节齿轮减速器的磨损，特别是在关节驱动器用于振动控制的情况下，这种磨损将会加剧，从而影响驱动器的力学性能，严重时甚至会导致驱动器失效。为了减轻机械臂关节的工作负担，延长使用寿命，需要将其从机械臂的弹性振动控制中解放出来，对振动控制的实施另辟蹊径。外国学者MarcoSabatini等2012年在发表于ActaAstronautica上的文章中阐述了将压电智能材料用于机械臂的振动控制研究，在受控机械臂上粘贴压电陶瓷片实现振动控制的目的，使机械臂的振动抑制问题有了新的解决途径。这种粘贴式压电陶瓷是目前压电材料的主要应用方式，虽然能够起到抑制机械臂振动和减轻关节驱动器工作负担的目的，但是粘贴层容易从机械臂表层脱落以致失效，不利于粘贴型压电陶瓷的长期使用。
嵌入式压电陶瓷作动器是压电材料的一种新的应用方式，这种作动器通过埋入受控结构内部，与受控结构形成相互耦合的整体，具有适用面广、输出力大的特点。这种作动器同样能够以嵌入的方式安装于柔性空间机械臂内部，并且不受外部环境变化的影响，可以在空间环境中长期使用。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种嵌入式柔性机械臂振动控制装置，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够抑制柔性机械臂的振动，提高柔性机械臂定位精度和运行效率的嵌入式柔性机械臂振动控制装置。
本发明提出的一种嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：包括形变壳体、支撑底座、压电作动器和振动测量控制系统，所述形变壳体通过预紧螺栓与所述支撑底座固定连接，所述形变壳体的前端固设有供柔性机械臂转接的接头，所述支撑底座的末端固设有供运动机构连接的凸块，所述压电作动器嵌设在所述形变壳体中，所述压电作动器的前端固设一作动器顶杆，所述顶杆伸出所述压电作动器并顶靠在所述接头上，所述压电作动器的后端与所述支撑底座之间固定连接一压力传感器，所述振动测量控制系统控制所述压电作动器的运作。
作为本发明的进一步改进，还包括一驱动电源，所述压电作动器上固设有驱动电压输入端口，所述驱动电压输入端口与所述驱动电源电性连接。
作为本发明的进一步改进，所述振动测量控制系统包括一计算机，一信号解调器、数据采集卡和一安装在柔性机械臂上的振动传感器，所述振动传感器与所述信号解调器单向通信连接，所述信号解调器与所述数据采集卡单向通信连接，所述数据采集卡与所述计算机双向通信连接，所述数据采集卡与所述驱动电源单向通信连接。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感器上固设有信号输出端口，所述信号输出端口与所述数据采集卡单向通信连接。
作为本发明的进一步改进，所述形变壳体和支撑底座均呈对称结构设计，所述形变壳体中对称设有两个柱状空腔，所述支撑底座的前端部分对称设有两个定位口，所述压电作动器为两个，所述压电作动器安装在所述柱状空腔中，所述压力传感器定位在所述定位口中。
作为本发明的进一步改进，所述作动器顶杆的头部呈球形，所述接头的后端部分对称固设有两个刚性垫块，所述作动器顶杆的头部顶靠在所述刚性垫块上。
作为本发明的进一步改进，所述预紧螺栓位于所述形变壳体和所述支撑底座的中间。
作为本发明的进一步改进，所述压电作动器为嵌入式压电陶瓷作动器。
作为本发明的进一步改进，所述压力传感器为轮辐式压力传感器。
作为本发明的进一步改进，所述形变壳体和支撑底座均由不锈钢制成。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：柔性机械臂的振动控制由压电作动器实现，压电作动器与驱动电源相连，通过施加外部电压使作动器顶杆与形变壳体之间产生相互作用力，促使形变壳体产生结构变形。由振动测量控制系统对压电作动器的运作进行控制，从而控制形变壳体的变形量和变形规律。压电作动器对形变壳体的作用相当于在柔性机械臂的根部施加一可控弯矩，通过调节电压来控制弯矩大小和变化规律，从而实现抑制柔性机械臂振动的目的，进而提高柔性机械臂定位精度和运行效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明嵌入式柔性机械臂振动控制装置的结构示意图；
图2为本发明振动测量控制系统的结构示意图；
其中：1-形变壳体；2-支撑底座；3-压电作动器；4-作动器顶杆；5-驱动电压输入端口；6-压力传感器；7-信号输出端口；8-刚性垫块；9-预紧螺栓；10-柔性机械臂；14-振动传感器；15-信号解调器；16-数据采集卡；17-计算机；18-驱动电源；20-接头；21-凸块；22-柱状空腔；23-定位口；24-振动测量控制系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：一种嵌入式柔性机械臂振动控制装置，包括形变壳体1、支撑底座2、压电作动器3和振动测量控制系统24，所述形变壳体通过预紧螺栓9与所述支撑底座固定连接，所述形变壳体的前端固设有供柔性机械臂10转接的接头20，所述支撑底座的末端固设有供运动机构连接的凸块21，所述压电作动器嵌设在所述形变壳体中，所述压电作动器的前端固设一作动器顶杆4，所述顶杆伸出所述压电作动器并顶靠在所述接头上，所述压电作动器的后端与所述支撑底座之间固定连接一压力传感器6，所述振动测量控制系统控制所述压电作动器的运作。
还包括一驱动电源18，所述压电作动器上固设有驱动电压输入端口5，所述驱动电压输入端口与所述驱动电源电性连接。
所述振动测量控制系统包括一计算机17、一信号解调器15、数据采集卡16和一安装在柔性机械臂上的振动传感器14，所述振动传感器与所述信号解调器单向通信连接，所述信号解调器与所述数据采集卡单向通信连接，所述数据采集卡与所述计算机双向通信连接，所述数据采集卡与所述驱动电源单向通信连接。
所述压力传感器上固设有信号输出端口7，所述信号输出端口与所述数据采集卡单向通信连接。压电作动器在正常工作之前由预紧螺栓对其施加预紧力，预紧力大小由压力传感器进行测量，测量结果通过压力传感器输出端口将数据信号传输给数据采集卡，再通过数据采集卡传输给计算机。
所述形变壳体和支撑底座均呈对称结构设计，所述形变壳体中对称设有两个柱状空腔22，所述支撑底座的前端部分对称设有两个定位口23，所述压电作动器为两个，所述压电作动器安装在所述柱状空腔中，所述压力传感器定位在所述定位口中。
所述作动器顶杆的头部呈球形，所述接头的后端部分对称固设有两个刚性垫块8，所述作动器顶杆的头部顶靠在所述刚性垫块上。作动器顶杆的头部呈球形，能够确保作动器只受轴向推力。
所述预紧螺栓位于所述形变壳体和所述支撑底座的中间。
所述压电作动器为嵌入式压电陶瓷作动器。
所述压力传感器为轮辐式压力传感器。
所述形变壳体和支撑底座均由不锈钢制成。
本发明嵌入式柔性机械臂振动控制装置的工作原理如下：
振动测量控制系统信号传输形式为：振动传感器用来测量柔性机械臂的振动信号，经过信号解调器将信号转换为电压形式，再由数据采集卡进行A/D转换将模拟信号转换为数字信号，数据采集卡可以通过PCI插槽安装在计算机内部，也可通过usb端口或其它通讯端口与计算机相连，通过相应的通讯协议完成数据交换，控制算法在计算机中实现，通过将数据采集卡获得的数字信号进行处理、采用特定的控制算法计算后由数据采集卡经过D/A转换后输出，该输出信号为一低电压模拟信号，需要进一步经过驱动电源将电压放大后驱动压电作动器。
柔性机械臂的振动控制由压电作动器实现，压电作动器与驱动电源相连，通过施加外部电压使作动器顶杆与形变壳体之间产生相互作用力，促使形变壳体产生结构变形。由振动测量控制系统对压电作动器的运作进行控制，从而控制形变壳体的变形量和变形规律。压电作动器对形变壳体的作用相当于在柔性机械臂的根部施加一可控弯矩，通过调节电压来控制弯矩大小和变化规律，从而实现抑制柔性机械臂振动的目的，进而提高柔性机械臂定位精度和运行效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：包括形变壳体(1)、支撑底座(2)、压电作动器(3)和振动测量控制系统(24)，所述形变壳体通过预紧螺栓(9)与所述支撑底座固定连接，所述形变壳体的前端固设有供柔性机械臂(10)转接的接头(20)，所述支撑底座的末端固设有供运动机构连接的凸块(21)，所述压电作动器嵌设在所述形变壳体中，所述压电作动器的前端固设一作动器顶杆(4)，所述顶杆伸出所述压电作动器并顶靠在所述接头上，所述压电作动器的后端与所述支撑底座之间固定连接一压力传感器(6)，所述振动测量控制系统控制所述压电作动器的运作。
2.根据权利要求1所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：还包括一驱动电源(18)，所述压电作动器上固设有驱动电压输入端口(5)，所述驱动电压输入端口与所述驱动电源电性连接。
3.根据权利要求1所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述振动测量控制系统包括一计算机(17)、一信号解调器(15)、数据采集卡(16)和一安装在柔性机械臂上的振动传感器(14)，所述振动传感器与所述信号解调器单向通信连接，所述信号解调器与所述数据采集卡单向通信连接，所述数据采集卡与所述计算机双向通信连接，所述数据采集卡与所述驱动电源单向通信连接。
4.根据权利要求1所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述压力传感器上固设有信号输出端口(7)，所述信号输出端口与所述数据采集卡单向通信连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述形变壳体和支撑底座均呈对称结构设计，所述形变壳体中对称设有两个柱状空腔(22)，所述支撑底座的前端部分对称设有两个定位口(23)，所述压电作动器为两个，所述压电作动器安装在所述柱状空腔中，所述压力传感器定位在所述定位口中。
6.根据权利要求5所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述作动器顶杆的头部呈球形，所述接头的后端部分对称固设有两个刚性垫块(8)，所述作动器顶杆的头部顶靠在所述刚性垫块上。
7.根据权利要求6所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述预紧螺栓位于所述形变壳体和所述支撑底座的中间。
8.根据权利要求7所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述压电作动器为嵌入式压电陶瓷作动器。
9.根据权利要求8所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述压力传感器为轮辐式压力传感器。
10.根据权利要求9所述的嵌入式柔性机械臂振动控制装置，其特征在于：所述形变壳体和支撑底座均由不锈钢制成。
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