CN107962567B - 浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法，浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂(2)和分布在所述浮动柔性机械臂(2)上的主动控制装置(8)，主动控制装置(8)包括用于测量浮动基础(16)的基础振动的基础加速度计(6)、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计(5)、设在每个关节(19)上的关节控制装置(1)和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置(1)的上位机(20)，每个关节控制装置分布独立进行控制，并通过数据总线共享数据。浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法具有效率高、自适应、容错性强的优点。

Description

浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法

技术领域

本发明涉及一种振动主动控制技术领域，特别是一种用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法。

背景技术

大型柔性结构是一种表现为高耸、大跨度、长悬臂等形式的工程结构，如机械臂、太阳能帆板、卫星天线、大跨度桥梁、大型塔架等，它具有刚度小、变形大、非线性强、模态密集等特点。大型柔性结构的几何变形以及振动无法忽略，将严重影响其工作姿态、位置、形状等的精度。

空间(太空)机械臂属于浮动柔性机械臂，是一种典型的空间柔性结构。通过航天飞机和国际空间站的实际使用，空间机械臂显示出强大的应用能力和广阔的应用前景，对空间科学和应用的发展起到了很大的带动作用。它对于保证空间活动安全、提高工作效率、扩大空间站范围等方面有巨大的作用，空间浮动机械臂由于需要考虑发射成本，都利用柔性机械臂是替代笨重刚性机械臂。因此，与传统的工业机器人相比，空间机器人具备质量轻、悬臂长、速度快、基础自由浮动等特点。随之引起的振动和形变问题将严重影响其工作性能。

主动控制是一种利用主动执行器来抵抗或抑制结构变形与振动的技术，是一种保证大型柔性结构正常高效工作的重要手段。主动振动控制技术与传统被动控制方法相比，具有低频性能好、附加质量小、方便灵活等优点，是传统振动与噪声控制方法的不可或缺的有利补充。大型柔性结构主动控制的传感器和执行器数量多、分布广，利用统一控制器集中控制的系统负担大。而且，由于被控结构柔性大、非线性强，模型估计困难，集中式控制无法设计准确高效的控制器。此外，集中式控制系统一旦发生故障，整个控制系统将面临瘫痪。因此，需要寻求一种效率高、容错性强的分布式振动控制系统与振动控制方法。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有浮动柔性机械臂振动控制中存在的问题，特别是集中式振动控制系统计算负担大、容错性差等问题，本发明提供一种用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及振动控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂和分布在所述浮动柔性机械臂上的主动控制装置，浮动柔性机械臂包括浮动基础和设在所述浮动基础上的柔性结构，浮动基础包括弹性元件和阻尼器，所述柔性结构包括多个柔性机械臂以及设在两个所述柔性机械臂之间的关节，主动控制装置包括用于测量浮动基础的基础振动的基础加速度计、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计、用于连接所述基础加速度计和末端加速度计并将它们的信号转换成为电压信号的IEPE调理器、设在每个关节上的关节控制装置和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置的上位机，所述关节控制装置包括，

压电片，用于检测柔性机械臂变形量的压电片夹持在所述柔性机械臂上。

作动器，作动器用于控制柔性机械臂杆的变形。

角度编码器，用于测量柔性机械臂角度和低频角振动。

力矩电机，用于控制柔性机械臂的角度和低频角振动。

驱动器，连接力矩电机和作动器以驱动力矩电机和作动器产生力矩和作动力。

组合信号调理器，连接压电片和角度编码器的组合信号调理器将压电片和角度编码器的信号转换成为电压信号。

关节控制器，连接IEPE调理器和组合信号调理器的关节控制器获得测量的电压信号，并与参考信号比较，生成且发送控制信号到驱动器以驱动力矩电机和MFC作动器实现控制。

本发明的浮动柔性机械臂描述为具有浮动的基础且认为臂杆为柔性悬臂的一类机械臂，如空间(太空)机械臂等。浮动柔性机械臂的定位精度受振动的影响极大，需要通过主动控制的方法进行振动抵消。

在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，分布式振动控制系统包括进行数据交互的数据总线和提供电能的电源线。

在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，IEPE调理器和组合信号调理器均为多通道调理器，所述作动器为MFC作动器，所述压电片为压电晶体。

在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，所述柔性结构如果为平面柔性结构则包含至少2个柔性机械臂，如果为空间柔性结构则包括至少3个柔性机械臂。

在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，所述上位机是中央处理器、网络处理器、数字信号处理器、专用集成电路或现场可编程门阵列，所述上位机包括随机存取存储器、只读存储器、可编程只读存储器、可擦除只读存储器或电可擦除只读存储器。

在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，基础加速度计在两个方向等效的惯性力为F_bx和F_by，末端加速度计在两个方向等效的惯性力为F_tx和F_ty，由柔性机械臂根部到末端所有关节编号依次为1，2，...，n，则每个关节的作动器力为F_i(i＝1，2，...，n)，每个关节处两个臂的夹角为θ_i(i＝1，2，...，n)，则受力平衡方程为：

对于某一特定的姿态，所有角度可视为已知量，令：

则方程(1)可以写成：

AX＝Y (3)

最优作动力为X＝(A^TA)^-1A^TY (4)，每个关节控制器将根据所述最优作动力设定所述参考信号进行分布式独立控制。

在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，关节控制器包括自适应控制器，对第i个关节处的关节控制器，设控制参考信号为第i个最优控制力，即：d_i(n)＝X_i(n)＝F_i(n) (5)，参考信号为d_i(n)、压电片的输出y_i(n)和参考信号的延迟d_i(n-Δ)对比，获得误差信号e_i(n)用于调整自适应控制器。

在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，自适应控制器长度为L，第i个控制单元的控制算法为：

e_i(n)＝d_i(n)-y_i(n)

W_i(n+1)＝W_i(n)+2μX′_i(n)e_i(n)

X_i(n)＝{d(n-Δ-j)}^T，j＝0，1，...，L-1 (6)

其中：y_i(n)被控对象输出，即压电片的输出，e_i(n)为误差信号，W_i(n)为权系数向量，μ为自适应迭代步长，X_i(n)为参考矩阵，Δ为延迟步长。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法步骤包括：

第一步骤中：基础加速度计测量浮动基础的基础振动，末端加速度计测量设在所述柔性结构最末端的柔性机械臂的末端振动，每个关节控制装置中，压电片检测柔性机械臂变形量，角度编码器测量柔性机械臂角度和低频角振动。

第二步骤中：IEPE调理器将基础加速度计和末端加速度计的信号转换成为电压信号，组合信号调理器将压电片、角度编码器的信号转换成为电压信号，上位机数据交互和分配参考信号到每个关节控制装置。

第三步骤中：关节控制器获得测量的电压信号，并与参考信号比较发出控制信号到驱动器以驱动力矩电机和MFC作动器实现控制。

在所述的振动控制方法中，第三步骤中：关节控制器采用自适应逆控制控制生成控制信号。

本发明的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法显著提高了浮动柔性机械臂的振动控制效率和精度，且容错性显著提升，不会因为某一个或多个关节的错误，导致整个系统的振动失控。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的受力分析示意图；

图3是根据本发明一个实施例的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的关节控制器采用的自适应算法原理图；

图4是根据本发明一个实施例的使用浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法的步骤示意图；

图5是根据本发明一个实施例的使用浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法的分布式控制示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的结构示意图，如图1所示，浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂2和分布在所述浮动柔性机械臂2上的主动控制装置8，浮动柔性机械臂包括浮动基础16和设在所述浮动基础16上的柔性结构3，浮动基础16包括弹性元件17和阻尼器18，所述柔性结构3包括多个柔性机械臂4以及设在两个所述柔性机械臂4之间的关节19，主动控制装置8包括用于测量浮动基础16的基础振动的基础加速度计6、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计5、用于连接所述基础加速度计和末端加速度计并将它们的信号转换成为电压信号的IEPE调理器、设在每个关节19上的关节控制装置1和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置1的上位机20，所述关节控制装置1包括，

压电片9，用于检测柔性机械臂4变形量的压电片9夹持在所述柔性机械臂4上。

作动器15，作动器15用于控制柔性机械臂4的变形。

角度编码器10，用于测量柔性机械臂4角度和低频角振动。

力矩电机14，用于控制柔性机械臂4的角度和低频角振动。

驱动器13，连接力矩电机14和作动器15以驱动力矩电机14和作动器15产生力矩和作动力。

组合信号调理器11，连接压电片9和角度编码器10的组合信号调理器11将压电片9和角度编码器10的信号转换成为电压信号。

关节控制器12，连接IEPE调理器7和组合信号调理器11的关节控制器12获得测量的电压信号，并与参考信号比较，生成且发送控制信号到驱动器13以驱动力矩电机14和作动器15实现控制。

本发明的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统通过在柔性结构的每个关节上进行分布式振动控制，同时考虑了浮动基础和末端的振动情况，显著提高了浮动柔性机械臂的振动控制效率和精度，且容错性显著提升，不会因为某一个或多个关节的错误，导致整个系统的振动失控。

在本发明的所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的优选实施例中，分布式振动控制系统包括进行数据交互的数据总线和提供电能的电源线，所述弹性元件17为弹簧。

在本发明的所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的优选实施例中，IEPE调理器7和组合信号调理器11均为多通道调理器，所述作动器15为MFC作动器，所述压电片9为压电晶体。

在本发明的所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的优选实施例中，所述柔性结构3如果为平面柔性结构则包含至少2个柔性机械臂，如果为空间柔性结构则包括至少3个柔性机械臂。

在本发明的所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的优选实施例中，所述上位机20是中央处理器、网络处理器、数字信号处理器、专用集成电路或现场可编程门阵列，所述上位机20包括随机存取存储器、只读存储器、可编程只读存储器、可擦除只读存储器或电可擦除只读存储器。在一个实施例中，系统的信号采用总线形式传输，每个关节的角度信息、振动信号、基础及末端的加速度信息共享于人机接口上位机20的共享池中。此外，系统的人机接口上位机20还主要用于调度控制每个关节控制器、部署共享池、实现数据的人机交互等功能。

针对一个特殊的实例：机械臂有具有浮动基础16、关节19和机械臂4，其中浮动基础包含弹簧17和阻尼器18。本发明的分布式主动控制系统可安装于上述机械臂。在浮动基础16上安装基础加速度计6，在最后一个臂杆端部安装末端加速度计5。在每个关节19处布置关节控制单元1。具体地，在关节19里安装力矩电机14和角度编码器10，在每个臂杆的根部安装压电片9和MFC作动器15，在上一个臂杆末端安装组合信号调理器11、关节控制器12和组合驱动器13。数据总线和电源线将所有的关节控制单元1连接起来，为它们提供电力并获取它们的信号。分布式关节控制单元的数据通过总线传递到人机接口上位机20实现人机交互。所有的关节控制装置1都具有自传感和控制的能力。

为了进一步理解本发明，图2是根据本发明一个实施例的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的受力分析示意图，在本发明的所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的优选实施例中，下面将针对如图2所示的浮动柔性机械臂结构建立坐标系，进行受力分析，并得出最优控制力，基础加速度计6在两个方向等效的惯性力为F_bx和F_by，末端加速度计5在两个方向等效的惯性力为F_tx和F_ty，由柔性机械臂4根部到末端所有关节编号依次为1，2，...，n，则每个关节19的作动器力为F_i(i＝1，2，...，n)，每个关节处两个臂的夹角为θ_i(i＝1，2，...，n)，受力平衡方程为：

，其写成矩阵形式为，

对于某一特定的姿态，所有角度可视为已知量，令：

则方程(1)可以写成：

AX＝Y (3)，

最优作动力为X＝(A^TA)^-1A^TY (4)，每个关节控制器12将根据所述最优作动力设定所述参考信号进行分布式独立控制。

图3是根据本发明一个实施例的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的关节控制器采用的自适应算法原理图，在本发明的所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的优选实施例中，关节控制器12包括自适应控制器，对第i个关节处的关节控制器，设控制参考信号为第i个最优控制力，即：d_i(n)＝X_i(n)＝F_i(n) (5)，参考信号为d_i(n)、压电片的输出y_i(n)和参考信号的延迟d_i(n-Δ)对比，获得用于调整自适应控制器的误差信号e_i(n)。

在本发明的所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的优选实施例中，自适应控制器长度为L，第i个关节控制器控制如下：

e_i(n)＝d_i(n)-y_i(n)

W_i(n+1)＝W_i(n)+2μX′_i(n)e_i(n)

X_i(n)＝{d(n-Δ-j)}^T，j＝0，1，...，L-1 (6)

其中：y_i(n)被控对象输出，即压电片的输出，e_i(n)为误差信号，W_i(n)为权系数向量，μ为自适应迭代步长，X_i(n)为参考矩阵，Δ为延迟步长。设置延时的原因是自适应控制器和被控对象的传递路径会有延时，参考信号路径设置延时将保证自适应控制器的传递函数为最小相位系统。

本发明针对的平面2维浮动柔性机械臂系统，需要至少2个关节控制装置1，针对空间3维浮动柔性机械臂，需要至少3个关节控制装置1。针对平面2维浮动柔性机械臂系统大于2个关节控制装置针对空间3维浮动柔性机械臂大于3个关节控制装置1的系统将具有容错性，即可用容忍失效的关节控制装置1存在。所有的关节控制装置1都具有自传感和控制的能力。

图4是根据本发明一个实施例的使用浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法的步骤示意图，一种利用所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法步骤包括：

第一步骤S1中：基础加速度计6测量浮动基础16的基础振动，末端加速度计5测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂4的末端振动，每个关节控制装置1中，压电片9检测柔性机械臂4变形量，角度编码器10测量柔性机械臂4角度和低频角振动。

第二步骤S2中：IEPE调理器7将基础加速度计6和末端加速度计5的信号转换成为电压信号，组合信号调理器11将压电片9和角度编码器10的信号转换成为电压信号，上位机20数据交互和分配参考信号到每个关节控制装置1。

第三步骤S3中：关节控制器12获得测量的电压信号，并与参考信号比较发出控制信号到驱动器13以驱动力矩电机14和作动器15实现控制。

在本发明所述的振动控制方法的优选实施例中，第三步骤S3中：关节控制器12采用自适应逆控制生成控制信号。

图5是根据本发明一个实施例的使用浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法的分布式控制示意图。如图5所示，来IEPE调理器7将基础加速度计6和末端加速度计5的信号转换成为电压信号，上位机20数据交互和分配参考信号到每个关节控制装置1，自多个关节控制装置1中的压电片9和角度编码器10的信号发送到组合信号调理器11，然后关节控制器12通过驱动器13控制力矩电机14和如MFC作动器的作动器15。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于，分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂（2）和分布在所述浮动柔性机械臂（2）上的主动控制装置（8），浮动柔性机械臂包括浮动基础（16）和设在所述浮动基础（16）上的柔性结构（3），浮动基础（16）包括弹性元件（17）和阻尼器（18），所述柔性结构（3）包括多个柔性机械臂（4）以及设在两个所述柔性机械臂（4）之间的关节（19），主动控制装置（8）包括用于测量浮动基础（16）的基础振动的基础加速度计（6）、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计（5）、IEPE调理器（7）、设在每个关节（19）上的关节控制装置（1）和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置（1）的上位机（20），连接所述基础加速度计（6）和末端加速度计（5）的IEPE调理器（7）将基础加速度计（6）和末端加速度计（5）的信号转换成为电压信号，所述关节控制装置（1）包括，

压电片（9），用于检测柔性机械臂（4）变形量的压电片（9）夹持在所述柔性机械臂（4）上，

作动器（15），作动器（15）用于控制柔性机械臂（4）的变形，

角度编码器（10），用于测量柔性机械臂（4）角度和低频角振动，

力矩电机（14），用于控制柔性机械臂（4）的角度和低频角振动，

驱动器（13），连接力矩电机（14）和作动器（15）以驱动力矩电机（14）和作动器（15）产生力矩和作动力，

组合信号调理器（11），连接压电片（9）和角度编码器（10）的组合信号调理器（11）将压电片（9）和角度编码器（10）的信号转换成为电压信号，

关节控制器（12），连接组合信号调理器（11）的关节控制器（12）获得测量的电压信号，并与参考信号比较，生成且发送控制信号到驱动器（13）以驱动力矩电机（14）和作动器（15）实现控制。

2.根据权利要求1所述的一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：分布式振动控制系统包括进行数据交互的数据总线和提供电能的电源线，所述弹性元件（17）为弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：IEPE调理器（7）和组合信号调理器（11）均为多通道调理器，所述作动器（15）为MFC作动器，所述压电片（9）为压电晶体。

4.根据权利要求1所述的一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：所述柔性结构（3）若为平面柔性结构则包括至少2个柔性机械臂，若为空间柔性结构则包括至少3个柔性机械臂。

5.根据权利要求1所述的一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：所述上位机（20）是中央处理器、网络处理器、数字信号处理器、专用集成电路或现场可编程门阵列，所述上位机（20）包括随机存取存储器、可编程只读存储器、可擦除只读存储器或电可擦除只读存储器。

6.根据权利要求1所述的一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：基础加速度计（6）在两个方向等效的惯性力为

和

，末端加速度计（5）在两个方向等效的惯性力为

和

，由柔性机械臂（4）根部到末端所有关节编号依次为1,2, …, n，则每个关节（19）的作动器力为

(i= 1,2, …, n)，每个关节处两个臂的夹角为

(i = 1,2, …, n)，受力平衡方程为：

(1)

对于某一特定的姿态，所有角度可视为已知量，令：

(2)

则方程(1)可以写成：

(3)

最优作动力为

(4)，每个关节控制器（12）将根据所述最优作动力设定所述参考信号进行分布式独立控制。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法，其步骤包括：

第一步骤（S1）中：基础加速度计（6）测量浮动基础（16）的基础振动，末端加速度计（5）测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂（4）的末端振动，每个关节控制装置（1）中，压电片（9）检测柔性机械臂（4）变形量，角度编码器（10）测量柔性机械臂（4）角度和低频角振动；

第二步骤（S2）中：IEPE调理器（7）将基础加速度计（6）和末端加速度计（5）的信号转换成为电压信号，组合信号调理器（11）将压电片（9）和角度编码器（10）的信号转换成为电压信号，上位机（20）数据交互和分配参考信号到每个关节控制装置（1）；

第三步骤（S3）中：关节控制器（12）获得测量的电压信号，并与参考信号比较发出控制信号到驱动器（13）以驱动力矩电机（14）和作动器（15）实现控制。

8.根据权利要求7所述的振动控制方法，其特征在于：第三步骤（S3）中：关节控制器（12）采用自适应逆控制生成控制信号。

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