CN106482921B - 一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置及方法，包括静平台，所述静平台上设置丝杆导轨，丝杆导轨上设置滑块，滑块与长柔性杆连接，长柔性杆的延长线上安装柔性伸出梁，在其连接处通过转轴连接短柔性杆，短柔性杆的另一端与刚性曲柄连接，丝杆导轨及刚性曲柄连接交流伺服电机，长、短柔性杆粘贴有压电片传感器及压电驱动器，柔性伸出梁粘贴加速度传感器。本发明通过采集两柔性连杆的振动信息，输入计算机对数据进行分析与处理，以实现振动检测与控制的目的。

Description

一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，具体涉及一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置及方法。

背景技术

目前，在机械臂的应用领域中，由于机器人技术的不断发展与进化，传统的刚性部件机器人已经无法满足在维持高速、重载、高精度的同时保持其自身运动的平稳性和准确性。此外，在航空应用、车载机器人、建筑方面逐渐轻质化的要求，因此产生柔性化机器臂的设计与发明。柔性分为两种：杆性柔性和关节柔性。在引入柔性的同时，为机器臂增加了额外的自由度。相比刚性机械臂，具有结构轻、载重/自重比高等特性，因而具有低能耗、大操作空间和高效率，其响应快速而准确。但是，柔性臂具有一个比较致命的缺陷，即其自身的刚性较低，在机构运行中不可避免的出现柔性变形以及因此引发的振动，对机构的运行产生不可忽视的影响。同时，当柔性机械臂在整体结构中处于不同位置或是扮演不同结构时，其对系统的影响也各不相同。目前，对于柔性臂振动控制的简易方法是在其上安装有压电片和压电驱动器以通过负反馈的方式进行振动抑制。

采用电机驱动，同样具有相当的优势：精度高、稳速性能好、定位精度高以及响应时间快等优势，伺服电机经过行星减速器与丝杠后和柔性臂相结合，可以达到高精度运行，同时在振动测量与控制方面，伺服电机所具有的高精度比气动驱动更有优势。在柔性臂设计与控制中选用气动驱动还是电气驱动，则可以根据所要达到的实验精度及现有装置决定，其选择并不具有单一性。因此，本发明提出一种应用伺服电机和行星减速器与丝杠导轨驱动，刚柔耦合运动和振动控制的二自由度闭链机构。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置及方法。

本发明通过合适的连杆长度选择和布局，生成了一套曲柄滑块丝杆运动机构。丝杠作为柔性连杆输入驱动部分带动柔性杆进行摆动，平面五杆为双柔性支架和刚性曲柄，同时在刚性曲柄处同样安装有伺服电动机用以确定整体运动状态。通过柔性支架上的加速度传感器检测在运行过程中柔性杆的振动变形情况，同时应用控制系统加以反馈抑制实现良好的运行状态。

本发明采用如下技术方案：

一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置，包括柔性机构本体部分、信号检测驱动部分及信号控制部分；

柔性机构本体部分，包括静平台，所述静平台上设置丝杆导轨，所述丝杆导轨上设置滑块，所述滑块通过带转轴的法兰连接盘与长柔性杆连接，长柔性杆绕滑块自由旋转，所述长柔性杆的延长线上安装有柔性伸出梁，在长柔性杆与柔性伸出梁的连接处通过转轴错位连接短柔性杆，所述短柔性杆的另一端通过转轴与刚性曲柄的一端连接，作为输入端的曲柄；

还包括两个带编码盘的交流伺服电机，分别为第一交流伺服电机及第二交流伺服电机，所述第一交流伺服电机通过联轴器与丝杆导轨连接，所述第二交流伺服电机通过行星减速器驱动刚性曲柄的转动，

信号检测驱动部分：包括压电片传感器、加速度传感器及压电驱动器，所述长柔性杆及短柔性杆的中间位置粘贴压电片传感器，所述长、短柔性杆的两端均粘贴压电驱动器，所述柔性伸出梁末端粘贴加速度传感器；

信号控制部分：包括运动控制卡、工控计算机、电荷放大器、A/D转换器、D/A转换器、伺服电机驱动器及压电陶瓷驱动电源；

所述压电传感器及加速度传感器检测的柔性杆应变信息经过电荷放大器、A/D转换器后输入到工控计算机得到应变反馈信息，经过D/A转换器、压电陶瓷驱动电源进行电压放大后输出到压电驱动器抑制长、短柔性杆的振动；

所述编码盘检测的信号经过运动控制卡解算后得到电机旋转角的位移信息输入到工控计算机，然后通过D/A转换器输入伺服电机驱动器控制第一、第二交流伺服电机。

所述长柔性杆及短柔性杆的两端均安装有刚性转动关节。

还包括限位开关，安装在丝杆导轨两侧。

所述压电驱动器粘贴在长、短柔性杆距离固定端5mm处，所述加速度传感器粘贴在距离柔性伸出梁末端10mm处，单面安装。

一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步：运动过程中，压电片传感器采集长柔性杆及短柔性杆压力应变电荷获得柔性杆变形信息，加速度传感器采集长柔性杆的加速度信息；

第二步：第一步获得的加速度信息及压电片产生的应变电荷经过电荷放大器后经过A/D转换后输入到工控计算机中进行处理与分析，经过数据处理后得到输出至压电驱动器的应变反馈电压；

第三步：将电机编码盘检测的信号经过运动控制卡解算后，得到电机的旋转角位移信息，作为电机旋转角位移和整个机构构型定位的信号，用来反馈控制交流伺服电机；

第四步：将第二步和第三步获得的相应信号，输入到工控计算机运行控制算法，计算得出运动控制的控制信号，经过D/A转换器转换为模拟信号后输出到伺服电机驱动器后驱动交流伺服电动机，用于控制其转动；而另一路，将控制其产生的电压信号经过D/A转换器及压电陶瓷驱动电源后输入到压电驱动器中，以抑制其弹性振动。

本发明的有益效果：

(1)本设计的驱动部分采用交流伺服点电动机，具有精度高、定位精度高、稳速性能好、响应时间快、运行稳定及过载能力强等特点。在本设计中具有非常关键的地位，结合丝杠传动可以极大地提高滑块运行精度和速度精度，从而提高整体控制过程的精度。

(2)采用丝杠导轨传动，由于传动距离相对较短，可以有效地规避长距离传输中丝杠可能会出现的振动变形问题，同时，丝杠传动还具有运动平稳、高精度，高传动效率、同步性好和高可靠性等优点。而且，丝杠的应用可以将伺服电机的旋转运动转化为机构的滑块直线运动，并作为驱动整个机构的动力部分，具有极大的优势。同时，曲柄滑块机构采用行星减速联轴器与丝杠对伺服电机同时进行限速处理，使柔性连杆的柔性变形在可控范围内，不会产生过大变形以影响实验结果；原本高转速输出的伺服电机受到两次减速影响使其输出到柔性连杆及刚性曲柄机构的转矩较为合适，同时使得转速调节范围增大，提高了转速调整精度，从而提高整个实验精度，同样控制曲柄转速的伺服电机同样经过减速处理以防止出现大转速曲柄。

(3)本发明中的曲柄滑块机构中采用双柔性连杆作为连接件以驱动刚性曲柄，具有质量、能耗低、结构简单及转动速度快等优点，同时便于测量曲柄滑块运动中连杆的振动和弯曲变形。而且柔性连杆具有变形较大，振动明显等优势，相比于刚性杆更适合应用于振动测试中。

(4)系统采用单一驱动元件，即仅通过交流伺服电机输入力矩，控制回路较为简单，可以避免多回路干涉，提高控制精度，降低控制难度。同时，柔性臂自身压力应变驱动的存在能抑制柔性臂的变形与振动，有利于提高整体精度。

(5)整个机构为闭环传动链设计，闭环设计相对开环设计能够产生反馈信号对系统进行调节与修正，相比开环具有精确度高、稳定性强的优点，同时可以减少系统误差，有利于提高整个振动控制过程的精度。

附图说明

图1是本发明的工作结构图；

图2是图1中的机械结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图2所示，一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置，包括柔性机构本体部分、信号检测驱动部分及信号控制部分；

所述柔性机构本体部分，包括静平台，静平台用于支撑整个机构的刚性平台，所述静平台上设置丝杆导轨13，丝杆导轨上安装有滑块1，将丝杆导轨的运动转化为滑块的直线往复运动，还包括两个带编码盘的交流伺服电机11、14，所述电机驱动行星减速器机构，分别为第一交流伺服电机14及第二交流伺服电机11，丝杆导轨的一端安装有第一交流伺服电机，通过联轴器15与丝杆导轨连接，将电动机的旋转扭矩传递给滑块1的直线运动，丝杆导轨两侧安装有限位开关通过控制第一交流伺服电机14的顺逆旋转以保证滑块1能在丝杆导轨13上实现往复运动。同时，在此处，由于第一交流伺服电机14在联轴器15和丝杆13的共同作用下，原本高转速输出的第一伺服交流电机14经过丝杠减速影响使其输出到柔性连杆及刚性曲柄机构的转矩较为合适，同时使得转速调节范围增大，提高了转速调整精度，从而提高整个实验精度。

所述静平台由若干长度不一的铝型材和基板组成，在本发明的总体结构示意图中隐藏了静平台，所述滑块与法兰连接盘2连接，法兰连接盘2上安装长柔性杆3，能够绕丝杆导轨滑块自由旋转；长柔性杆3作为连杆的输入部分负责将运动传递到整体杆组运行中。在长柔性杆3的延长线上安装有柔性伸出梁5，在长柔性梁与柔性伸出梁5的连接处通过转轴错位连接短柔性杆7一端，所述短柔性杆7的另一端通过转轴与刚性曲柄9的一端连接，作为输入端的刚性曲柄，其另一端通过行星减速器10与第二交流伺服电机11连接，将力矩传递到曲柄上。刚性曲柄具体通过法兰盘12与行星减速器连接，所述长柔性杆3及短柔性杆7的两端均安装有刚性转动关节。由于采用错位连接，即各柔性连杆与刚性曲柄并不处于同一水平面上，但其投影却可以构成闭链机构。不过，由于柔性连杆在垂直方向上的刚性较大，其变形可以忽略不计，并不影响柔性臂的振动测量，故整体机构可以看做平面五杆运动处理。

所述信号检测驱动部分，包括压电片传感器8、加速度传感器6及压电驱动器4，所述长柔性杆的延长线末端粘贴加速度传感器6，距柔性伸出梁5伸出末端10mm，单面粘贴，用于检测长柔性杆的振动，安装根据理论力学的原理，柔性伸出梁末端所检测到的加速度信号可以转换为柔性伸出梁5的线加速度数值。

所述长、短柔性杆的两端均粘贴压电驱动器4，所述压电驱动器具体为陶瓷压电驱动片，双面粘贴，具体安装在距离柔性梁固定端根部5mm处，呈对称分布，姿态角0度；

所述长柔性杆及短柔性杆的中间位置粘贴压电片传感器8，单面粘贴，姿态角为0度。

第一、第二交流伺服电机的编码盘用于检测电机的旋转实际的角位移，根据机构运动状态解算得到每个电机的旋转角位移，形成反馈控制，从而对伺服电机进行输出控制。

信号控制部分：包括运动控制卡22、工控计算机21、电荷放大器19、A/D转换器20、D/A转换器18、伺服电机驱动器17及压电陶瓷驱动电源16；

所述压电传感器及加速度传感器检测的柔性杆应变信息经过电荷放大器、A/D转换器后输入到工控计算机得到应变反馈信息，经过D/A转换器、压电陶瓷驱动电源进行电压放大后输出到压电驱动器抑制长、短柔性杆的振动；

所述编码盘检测的信号经过运动控制卡解算后得到电机旋转角的位移信息输入到工控计算机，然后通过D/A转换器输入伺服电机驱动器控制第一、第二交流伺服电机。

图1中的实现表示电动控制回路，控制回路的信号源分别为来自长柔性杆3的压电片传感器的压力应变信号、短柔性连杆7的压电片传感器的压力应变信号和柔性伸出梁5的加速度信号，三种信号同时输入电荷放大器19以及A/D转换器20中进行放大和A/D转换处理已达到可以被控制中心处理的相应信号形式。然后，输入工控计算机21进行分析处理。

此处，三种信号同时输入但却互不干涉，压力应变信号用以控制压电驱动器4以抑制柔性连杆的振动与变形，而加速度信号侧重于对比参照作用，用于衡量加速度与柔性梁振动变形的关系，并对当前加速度下的振动进行评估分析已调整伺服电动机的输出转矩。将从工控计算机21中处理分析的信号经过D/A转化器18后分别输入至不同位置，输出的电压信号经过压电陶瓷驱动电源16放大电压后传导至两柔性杆的压电驱动器4上以控制其抑制柔性臂的柔性应变，已调整整体的运行速度，此处输出信号分为两路传至两处电机中。同时，两个电机带有的编码盘测量其转动角度信息，通过运动控制卡22解算后输入到工控计算机作为反馈信号，运行控制算法后得到控制量输出电信号经过伺服电机驱动器17后输入至伺服电机11中用以控制其输出转速，两个伺服电机转速调节不同。

一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：通过长、短柔性杆上的压电片传感器采集柔性杆的变形信息，同时，加速度传感器采集长柔性杆的加速度信息；

第二步，将第一步获得变形信息及加速度信息经过电荷放大器放大后经过A/D转换器后输入到工控计算机进行处理和分析；

第三步，将电机编码盘检测的信号经过运动控制卡解算后，得到电机的旋转角位移信息，输出到工控计算机，作为电机旋转角位移和整个机构构型定位的信号；

第四步：将第二步和第三步获得的相应信号，输入到工控计算机运行控制算法，计算得出运动控制的控制信号，经过D/A转换器转换为模拟信号后输出到伺服电机驱动器后驱动交流伺服电动机，用于控制其转动；而另一路，将控制其产生的电压信号经过D/A转换器及压电陶瓷驱动电源后输入到压电驱动器中，以抑制其弹性振动。

粘贴于柔性梁的压电陶瓷片几何尺寸为40mm×20mm×3mm，此处长短连杆尺寸相同。压电陶瓷片传感器实质也为压电陶瓷片，长柔性连杆压电片传感器的几何尺寸为20mm×12mm×2mm，而短柔性连杆的压电片传感器为18mm×9mm×2mm。压电陶瓷材料的弹性模量为Ep＝63Gpa，d31＝-166pm/V。加速度传感器选用B&K公司的4393型电荷加速度计。

丝杠驱动电机和曲柄驱动电机选选用三菱HCMF43型交流伺服电机，其联轴器选用纽卡特的PLNP系列；其行星联轴器选用纽卡特的PLFE型法兰行星减速器，滚珠丝杆13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；。

低频电荷放大器可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；多路压电陶瓷驱动电源16可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器。D/A转换卡具有多路模拟量输入模块；因此固高运动控制器选用固高公司生产的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，该运动控制器具有8轴资源通道(各轴信号带有1路模拟量输出，增量式编码器输入，电机控制输出及报警复位功能)，光耦隔离通用数字信号输入和输出各有16路，2路四倍频增量式辅助编码器输入，8路A/D模拟量采样输入，模拟量输入输出的电压范围是：-10V～+10V。计算机选用CPU型号I7的计算机。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置，其特征在于，包括柔性机构本体部分、信号检测驱动部分及信号控制部分；

柔性机构本体部分，包括静平台，所述静平台上设置丝杆导轨，所述丝杆导轨上设置滑块，所述滑块通过带转轴的法兰连接盘与长柔性杆连接，长柔性杆绕滑块自由旋转，所述长柔性杆的延长线上安装有柔性伸出梁，在长柔性杆与柔性伸出梁的连接处通过转轴错位连接短柔性杆，所述短柔性杆的另一端通过转轴与刚性曲柄的一端连接，作为输入端的曲柄；

还包括两个带编码盘的交流伺服电机，分别为第一交流伺服电机及第二交流伺服电机，所述第一交流伺服电机通过联轴器与丝杆导轨连接，所述第二交流伺服电机通过行星减速器驱动刚性曲柄的转动，

信号检测驱动部分：包括压电片传感器、加速度传感器及压电驱动器，所述长柔性杆及短柔性杆的中间位置粘贴压电片传感器，所述长、短柔性杆的两端均粘贴压电驱动器，所述柔性伸出梁末端粘贴加速度传感器；

信号控制部分：包括运动控制卡、工控计算机、电荷放大器、A/D转换器、D/A转换器、伺服电机驱动器及压电陶瓷驱动电源；

所述压电片传感器及加速度传感器检测的柔性杆应变信息经过电荷放大器、A/D转换器后输入到工控计算机得到应变反馈信息，经过D/A转换器、压电陶瓷驱动电源进行电压放大后输出到压电驱动器抑制长、短柔性杆的振动；

所述编码盘检测的信号经过运动控制卡解算后得到电机旋转角的位移信息输入到工控计算机，然后通过D/A转换器输入伺服电机驱动器控制第一、第二交流伺服电机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述长柔性杆及短柔性杆的两端均安装有刚性转动关节。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括限位开关，安装在丝杆导轨两侧。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电驱动器粘贴在长、短柔性杆距离固定端5mm处，所述加速度传感器粘贴在距离柔性伸出梁末端10mm处，单面安装。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种二自由度闭链柔性机构振动测量控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：运动过程中，压电片传感器采集长柔性杆及短柔性杆压力应变电荷获得柔性杆变形信息，加速度传感器采集长柔性杆的加速度信息；

第二步：第一步获得的加速度信息及压电片产生的应变电荷经过电荷放大器后经过A/D转换后输入到工控计算机中进行处理与分析，经过数据处理后得到输出至压电驱动器的应变反馈电压；

第三步：将电机编码盘检测的信号经过运动控制卡解算后，得到电机的旋转角位移信息，作为电机旋转角位移和整个机构构型定位的信号，用来反馈控制交流伺服电机；

第四步：将第二步和第三步获得的相应信号，输入到工控计算机运行控制算法，计算得出运动控制的控制信号，经过D/A转换器转换为模拟信号后输出到伺服电机驱动器后驱动交流伺服电动机，用于控制其转动；而另一路，将控制其产生的电压信号经过D/A转换器及压电陶瓷驱动电源后输入到压电驱动器中，以抑制其弹性振动。