CN108827571B - 两自由度柔性臂振动检测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度柔性臂振动检测控制装置及方法，所述装置包括第一柔性臂、第二柔性臂、第三柔性臂、第四柔性臂、第一转动机构、第二转动机构、直线移动机构和控制组件；第二柔性臂的第一端与第三柔性臂的第一端固定连接，且一起设置在直线移动机构上，第一柔性臂的第一端通过第一转动机构与第二柔性臂的第二端转动连接，第四柔性臂的第一端通过第二转动机构与第三柔性臂的第二端转动连接，第一柔性臂、第二柔性臂、第三柔性臂和第四柔性臂上均设有压电传感器和加速度传感器，且第二柔性臂和第三柔性臂上设有压电驱动器。本发明有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，同时有利于提高检测精度。

Description

两自由度柔性臂振动检测控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种振动检测控制装置，尤其是一种两自由度柔性臂振动检测控制装置及方法，属于柔性结构的运动和振动控制领域。

背景技术

柔性结构在机器人系统及工业生产领域应用广泛，相对于刚性结构，具有质量轻、能耗低、效率高、操作灵活等优点，但柔性结构的固有频率低，低频模态振动易被激起等特点限制了其在某些特定领域内的应用与发展。

二十世纪六十年代前后，由于航空航天技术的发展，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构上具有微小型化的要求。人们在经过对各类型的弹性支撑实验探索后，逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵活的柔性铰链。柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。随后，柔性铰链被广泛的应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。七十年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。 近年来，柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用，尤其是柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位。

近年来，柔性结构的振动主动控制成为当今世界研究的重点及热点课题。加速度传感器质量轻，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强系统鲁棒性。由于加速度传感器的应用会给系统引进大量的高频噪声信号，因此要进行滤波处理。压电陶瓷材料具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等优点，特别适合用于柔性梁等挠性结构的振动控制应用。

滚珠丝杆机构由伺服电机驱动，伺服电机有控制精度高、响应快、调速范围宽、动态特性好、操作简便、能定位伺服等优点，但同时其驱动过程中会产生较大的颤振现象，会影响控制精度。滚珠丝杆是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杆被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

在地面试验时，重力会对柔性臂的特性产生影响，所以装置的机械结构设计做到质量最轻化，以减轻装置自重对柔性臂振动特性和控制的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种两自由度柔性臂振动检测控制装置，该装置将四个柔性臂安装在不同平面上，有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，同时使用压电传感器检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性臂的振动进行检测比较，有利于提高检测精度。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的两自由度柔性臂振动检测控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

两自由度柔性臂振动检测控制装置，包括第一柔性臂、第二柔性臂、第三柔性臂、第四柔性臂、直线移动机构、第一转动机构、第二转动机构和控制组件；

所述第一柔性臂的第一端与第三柔性臂的第一端固定连接，且第一柔性臂的第一端和第三柔性臂的第一端一起设置在直线移动机构上，所述第二柔性臂的第一端通过第一转动机构与第一柔性臂的第二端转动连接，所述第四柔性臂的第一端通过第二转动机构与第三柔性臂的第二端转动连接，所述第一柔性臂、第二柔性臂、第三柔性臂和第四柔性臂上均设有压电传感器和加速度传感器，且第一柔性臂和第三柔性臂上设有压电驱动器；

所述控制组件分别与直线移动机构、第一转动机构、第二转动机构、压电驱动器、压电传感器、加速度传感器连接。

进一步的，所述第一柔性臂包括第一柔性梁和第二柔性梁，第一柔性梁和第二柔性梁由两块弹簧钢制成的第一柔性铰链铰接在一起；

所述第二柔性臂包括第三柔性梁和第四柔性梁，第三柔性梁和第四柔性梁由一个可双向旋转的第二柔性铰链铰接在一起；

所述第三柔性臂包括第五柔性梁，所述第四柔性臂包括第六柔性梁。

进一步的，所述直线移动机构包括第一电机、螺杆、螺母、导轨、滑块和底座，所述第一电机通过联轴器与螺杆连接，所述螺母与螺杆连接，所述导轨固定在底座上，所述滑块滑动设置在导轨上，并与螺母固定连接，第一柔性臂的第一端和第三柔性臂的第一端一起固定在滑块上。

进一步的，所述直线移动机构还包括第一行程开关和第二行程开关，所述第一行程开关和第二行程开关固定在底座上，且第一行程开关靠近导轨的一端，第二行程开关靠近导轨的另一端，所述滑块的侧边设有挡块。

进一步的，所述第一柔性臂的第一端和第三柔性臂的第一端一起通过支座固定在滑块上。

进一步的，所述第一转动机构包括第二电机、第一减速机、第一夹紧部件和第二夹紧部件，所述第二电机安装在第一减速机的输入端，所述第一减速机的输出端法兰盘与第一夹紧部件转动连接，以及与第二夹紧部件固定连接，所述第一夹紧部件夹紧第一柔性臂的第一端，所述第二夹紧部件夹紧第二柔性臂的第二端。

进一步的，所述第二转动机构包括第三电机、第二减速机、第三夹紧部件和第四夹紧部件，所述第三电机安装在第二减速机的输入端，所述第二减速机的输出端法兰盘与第三夹紧部件转动连接，以及与第四夹紧部件固定连接，所述第三夹紧部件夹紧第三柔性臂的第一端，所述第四夹紧部件夹紧第四柔性臂的第二端。

进一步的，所述控制组件包括计算机、运动控制卡、端子板、第一驱动器、第二驱动器、电荷放大器和压电放大电路，所述计算机、运动控制卡和端子板依次连接，所述端子板分别与第一驱动器、第二驱动器、压电放大电路、电荷放大器连接；

所述第一驱动器与直线移动机构连接，所述第二驱动器分别与第一转动机构、第二转动机构连接，所述压电放大电路与压电驱动器连接，所述电荷放大器分别与压电传感器、加速度传感器连接。

进一步的，所述装置还包括支撑平台，所述直线移动机构固定在支撑平台上。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述装置的两自由度柔性臂振动检测控制方法，所述方法包括：

利用压电传感器和加速度传感器分别检测各柔性臂的振动，并得到相应的测量信号；

将采集到的压电传感器信号和加速度传感器信号经由电荷放大器放大，经由端子板的传输，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

计算机运行相应的主动控制算法，得到相应的振动反馈信号经由运动控制卡的D/A模块输出至端子板，再经过压电放大电路放大控制信号，输出到压电驱动器中进行响应，抑制第一柔性臂和第三柔性臂的振动；同时，得到相应的运动反馈信号经过运动控制卡、端子板输出传给第一驱动器和第二驱动器，驱动直线移动机构、第一转动机构和第二转动机构，直线移动机构带动第一柔性臂使各柔性臂在水平方向上直线移动，第一转动机构带动第二柔性臂转动，第二转动机构带动第四柔性臂转动；

通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到两自由度柔性臂运动的振动特性及控制效果。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过合理的机械结构设计，将四个柔性臂安装在不同平面上，有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，为研究重力对于柔性臂振动的影响提供了良好的条件，同时通过多传感器信息融合，使用压电传感器检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性臂的振动进行检测比较，有利于提高检测精度，对研究基于多传感器的主动振动控制提供了条件。

2、本发明的其中一个柔性臂由两块柔性梁铰链铰接而成，具体由两块弹簧钢制成的柔性铰链铰接在一起，利用其自身弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，可获得高精度的位移分辨率，另一个柔性臂也由两块柔性梁铰链铰接而成，具体由一个可双向旋转的柔性铰链铰接在一起，可以实现水平面内360°旋转，为研究不同铰链对于柔性臂振动的影响提供了良好的条件。

3、本发明的直线移动机构采用滚珠丝杆传动机构，结合压电驱动器复合驱动柔性臂，实现了一个多通道的输入—输出的检测和控制，而且各控制之间相互耦合，电机既有模拟量输出控制，又有脉冲量控制，既有电机驱动控制，还有压电驱动控制，可以很好地模拟复杂柔性结构的刚柔耦合振动控制研究，为研究滚珠丝杆传动特性对于柔性臂振动的影响提供了良好的条件。

4、本发明既可以采用单一的SISO（Single-Input Single-Output，单输入单输出）组合控制方式，又可以采用MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）复合控制策略，从而实现柔性臂的精确定位控制，为验证多种复杂控制策略提供一个很好的平台。

附图说明

图1为本发明实施例1的两自由度柔性臂振动检测控制装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的两自由度柔性臂振动检测控制装置的主视图。

图3为本发明实施例1的两自由度柔性臂振动检测控制装置的俯视图。

图4为本发明实施例1的两自由度柔性臂振动检测控制装置的右视图。

图5为本发明实施例1的第一柔性臂的局部示意图。

图6为本发明实施例1的第二柔性臂的局部示意图。

图7为本发明实施例1的第三柔性臂的局部示意图。

图8为本发明实施例1的第四柔性臂的局部示意图。

图9为本发明实施例1的直线移动机构的结构示意图。

图10为本发明实施例1的两自由度柔性臂振动检测控制方法流程图。

其中，1-第一柔性臂，101-第一柔性梁，102-第二柔性梁，103-第一柔性铰链，2-第二柔性臂，201-第三柔性梁，202-第四柔性梁，203-第二柔性铰链，3-第三柔性臂，301-第五柔性梁，4-第四柔性臂，401-第六柔性梁，5-直线移动机构，501-第一电机，502-螺杆，503-螺母，504-导轨，505-滑块，506-底座，507-联轴器，508-顶盖，509-轴承座，510-第一行程开关，511-第二行程开关，512-挡块，6-第一转动机构，601-第二电机，602-第一减速机，603-第一夹紧部件，604-第二夹紧部件，7-第二转动机构，701-第三电机，702-第二减速机，703-第三夹紧部件，704-第四夹紧部件，8-第一压电驱动器，9-第一压电传感器，10-第一加速度传感器，11-第二压电传感器，12-第二加速度传感器，13-第二压电驱动器，14-第三压电传感器，15-第三加速度传感器，16-第四压电传感器，17-第四加速度传感器，18-支座，19-支撑平台，1901-基板，1902-支撑脚，1903-横向支撑杆，20-计算机，21-运动控制卡，22-端子板，23-第一驱动器，24-第二驱动器，26-电荷放大器，25-压电放大电路。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1~图4所示，本实施例提供了一种两自由度柔性臂振动检测控制装置，该装置包括第一柔性臂1、第二柔性臂2、第三柔性臂3、第四柔性臂4、直线移动机构5、第一转动机构6、第二转动机构7和控制组件；图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

第一柔性臂1、第二柔性臂2、第三柔性臂3和第四柔性臂4均具有第一端以及与第一端相反的第二端，其中第一端为固定端，第二端为自由端，第一柔性臂1的第一端与第三柔性臂3的第一端固定连接，且第一柔性臂1的第一端和第三柔性臂3的第一端一起设置在直线移动机构5上，第二柔性臂2的第一端通过第一转动机构6与第一柔性臂1的第二端转动连接，第四柔性臂4的第一端通过第二转动机构7与第三柔性臂3的第二端转动连接。

如图1~图5所示，所述第一柔性臂1包括第一柔性梁101和第二柔性梁102，第一柔性梁101的一端和第二柔性梁的一端由两块弹簧钢制成的第一柔性铰链103铰接在一起，利用第一柔性铰链103自身弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，可获得高精度的位移分辨率，第一柔性梁101的另一端作为第一柔性臂1的第二端（自由端），第二柔性梁102的另一端作为第一柔性臂1的第一端（固定端）；第一柔性臂1设有第一压电驱动器8、第一压电传感器9和第一加速度传感器10，具体地，第一压电驱动器8沿第二柔性梁102的宽度方向竖直等距安装在距离第一柔性臂1的固定端150 mm的位置，且姿态角为0°双面粘贴，每面粘贴四片，共有八片，第一压电传感器9安装在第二柔性梁102的宽度中心线且距离第一柔性臂1的固定端200 mm处，且姿态角为0°单面粘贴，第一加速度传感器10安装在靠近第一柔性臂1的自由端边缘中线上，第一压电驱动器8用于抑制第一柔性臂1的振动，第一压电传感器9和第一加速度传感器10用于检测第一柔性臂1的振动信号，第一加速度传感器10检测的振动信号包括第一柔性臂1的自由端振动和第一柔性臂1移动的复合信息。

如图1~图4、图6所示，所述第二柔性臂2包括第三柔性梁201和第四柔性梁202，第三柔性梁201的一端和第四柔性梁202的一端由一个可双向旋转的第二柔性铰链203铰接在一起，第二柔性铰链203是特殊定制的，可以实现水平面内360°旋转，第三柔性梁201的另一端作为第二柔性臂2的第二端（自由端），第四柔性梁202的另一端作为第二柔性臂2的第一端（固定端）；第二柔性臂2上设有第二压电传感器11和第二加速度传感器12，具体地，第二压电传感器11安装在第三柔性梁201的宽度中心线且距离第一柔性臂1的固定端80 mm处，且姿态角为0°单面粘贴，第二加速度传感器12安装在靠近第二柔性臂2的自由端边缘中线上，第二压电传感器11和第二加速度传感器12用于检测第二柔性臂2的振动信号，第二加速度传感器12检测的振动信号包括第二柔性臂2的自由端振动和第二柔性臂2移动的复合信息。

如图1~图4、图7所示，所述第三柔性臂3包括第五柔性梁301，第五柔性梁301的一端作为第三柔性臂3的第一端（固定端），另一端作为第三柔性臂3的第二端（自由端）；第三柔性臂3上设有第二压电驱动器13、第三压电传感器14和第三加速度传感器15，第二压电驱动器13沿第五柔性梁301的宽度方向竖直等距安装在距离第三柔性臂3的固定端150 mm的位置，且姿态角为0°双面粘贴，每面粘贴四片，共有八片，第三压电传感器14安装在第五柔性梁301的宽度中心线且距离第三柔性臂3的固定端200 mm处，第三加速度传感器15安装在靠近第三柔性臂3的自由端边缘中线上，第二压电驱动器13用于抑制第三柔性臂3的振动，第三压电传感器14和第三加速度传感器15用于检测第三柔性臂3的振动信号，第三加速度传感器15检测的振动信号包括第三柔性臂3的自由端振动和第三柔性臂3移动的复合信息。

如图1~图4、图8所示，所述第四柔性臂4包括第六柔性梁401，第六柔性梁401的一端作为第四柔性臂4的第一端（固定端），另一端作为第四柔性臂4的第二端（自由端）；第四柔性臂4上设有第四压电传感器16和第四加速度传感器17，具体地，第四压电传感器16安装在第六柔性梁401的宽度中心线且距离第四柔性臂4的固定端80 mm处，且姿态角为0°单面粘贴，第四加速度传感器17安装在靠近第四柔性臂4的自由端边缘中线上，第四压电传感器16和第四加速度传感器17用于检测第四柔性臂4的振动信号，第四加速度传感器17检测的振动信号包括第四柔性臂4的自由端振动和第四柔性臂4移动的复合信息。

第一柔性臂1、第二柔性臂2和第三柔性臂3、第四柔性臂4沿直线移动机构5对称安装，四者之间的振动没有耦合影响，能够研究直线移动机构传动下柔性铰链连接方式对柔性臂振动特性的影响。

在本实施例中，第一柔性梁101、第二柔性梁102、第三柔性梁201、第四柔性梁202、第五柔性梁301和第六柔性梁401的材料完全相同，均为环氧树脂材料薄板，环氧树脂的弹性模量为Ep=34.64 Gpa，密度为；第一柔性梁101和第二柔性梁102的几何尺寸为250 mm×120 mm×3 mm；第三柔性梁201和第四柔性梁202的几何尺寸为300 mm×120 mm×3 mm；第五柔性梁301的几何尺寸为540 mm×120 mm×3 mm；第六柔性梁401的几何尺寸为715 mm×120 mm×3 mm；第一柔性铰链103的几何尺寸为80 mm×30 mm×2 mm；第二柔性铰链203的几何尺寸为130 mm×90 mm×4 mm；第一压电驱动器8和第二压电驱动器13由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为30 mm×15 mm×1 mm，第一压电驱动器8成片状粘贴在第二柔性梁102上，第二压电驱动器13成片状分别粘贴在第五柔性梁301上，压电陶瓷材料的弹性模量为Ep=63Gpa，d31=-166 pm/V；第一压电传感器9、第二压电传感器11、第三压电传感器14和第四压电传感器16由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为20 mm×10 mm×1 mm，第一压电传感器9成片状粘贴在第二柔性梁102上，第二压电传感器11成片状粘贴在第三柔性梁201上，第三压电传感器14成片状粘贴在第五柔性梁301上，第四压电传感器16成片状粘贴在第六柔性梁401上；第一加速度传感器10、第二加速度传感器12、第三加速度传感器15和第四加速度传感器17选用Kistler公司的型号为8310B2的电容式传感器，其标称灵敏度为1000 mv/g，测量频率范围为0-250 Hz。

如图1~图4、图9所示，所述直线移动机构5采用滚珠丝杆传动机构，用于带动各柔性臂沿水平方向直线移动，其包括第一电机501、螺杆502、螺母503、导轨504、滑块505和底座506，第一电机501采用伺服电机，其输出轴通过联轴器507与螺杆502连接，螺母503与螺杆502连接，导轨504固定在底座506上，滑块505滑动设置在导轨504上，并与螺母503固定连接，第一柔性臂1的第一端和第三柔性臂3的第一端一起固定在滑块505上，具体通过支座18固定在滑块505上，第一电机501获得控制组件的电压信号后转动，同时带动螺杆502旋转，使得与螺杆502连接的螺母503在水平方向上直线移动，因此固定连接在螺母503上的滑块505也在同方向上运动，由于第一柔性臂1的第一端和第三柔性臂3的第一端一起通过支座18间接与滑块505连接，因此通过控制第一电机501就能够达到精确控制各柔性臂移动的目的。

为了保护直线移动机构5的部件，本实施例的直线移动机构5还包括顶盖508，顶盖508固定在导轨504的上方，并将螺杆502、螺母503和导轨504盖住。

为了使螺杆502能够稳定工作，本实施例的直线移动机构5还包括轴承座509，轴承座509套设在螺杆502的外侧，实现对螺杆502的支撑，保证螺杆502的稳定工作。

为了使滑块505在一定的行程范围内移动，本实施例的直线移动机构5还包括第一行程开关510和第二行程开关511，第一行程开关510和第二行程开关511固定在底座506上，且第一行程开关510靠近导轨504的一端，第二行程开关511靠近导轨504的另一端，而滑块505的侧边设有挡块512，当滑块505移动到接近导轨504的一端时，挡块512触碰到第一行程开关510的机械出头，第一行程开关510内部电路接通产生电信号输入至控制组件，控制第一电机501停止继而控制螺杆502停止，同样地，当滑块505移动到接近导轨504的另一端时，挡块512触碰到第二行程开关511的机械出头，第二行程开关511内部电路接通产生电信号输入至控制组件，控制第一电机501停止继而控制螺杆502停止。

为了稳定支撑第一柔性臂1、第二柔性臂2、第三柔性臂3、第四柔性臂4和直线移动机构5，本实施例的两自由度柔性臂振动检测控制装置还包括支撑平台19，直线移动机构5的底座506固定在支撑平台19上；进一步地，支撑平台19包括基板1901和四根支撑脚1902，底座506通过紧固螺栓固定在基板1901的上表面，四根支撑脚1902分别与基板1901的下表面固定连接，相邻的两根支撑脚1902之间设有横向支撑杆1903，使得整个支撑平台19更稳固。

所述第一转动机构6用于带动第二柔性臂2转动，其包括第二电机601、第一减速机602、第一夹紧部件603和第二夹紧部件604，第二电机601采用伺服电机，其安装在第一减速机602的输入端，第一减速机的输出端法兰盘与第一夹紧部件603转动连接，以及与第二夹紧部件604固定连接，第一夹紧部件603夹紧第一柔性臂1的第一端，第二夹紧部件604夹紧第二柔性臂2的第二端，第二电机601通过第一减速机602带动第二夹紧部件604转动，从而使第二柔性臂2的第一端绕第二端转动。

所述第二转动机构7用于带动第四柔性臂4转动，其包括第三电机701、第二减速机702、第三夹紧部件703和第四夹紧部件704，第三电机701采用伺服电机，其安装在第二减速机702的输入端，第二减速机702的输出端法兰盘与第三夹紧部件703转动连接，以及与第四夹紧部件704固定连接，第三夹紧部件703夹紧第三柔性臂3的第一端，第四夹紧部件704夹紧第四柔性臂4的第二端，第三电机701通过第二减速机702带动第四夹紧部件704转动，从而使第四柔性臂4的第一端绕第二端转动。

在本实施例中，第一电机501可选用三菱伺服电机HG-KN43J-S100，额定电压为交流220 V，输出功率为400 W，额定转矩为1.3 Nm，额定转速为3000 r/min；导轨504导程为750 mm，滑块505的尺寸为82 mm×68 mm×7 mm；支撑平台19由三种长度分别为1360 mm、960 mm、500 mm的铝型材组装而成，基板1901为一块1480 mm×1080 mm×8 mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定；第二电机601和第三电机701可选用三菱伺服电机HG-KN13J-S100，额定电压为交流220 V，输出功率为100 W，额定转矩为0.32 Nm，额定转速为3000 r/min；第一减速机602和第二减速机702选择德国NEUGART公司生产的PLFE-090型减速机，额定输出扭矩38-115 Nm，转动惯量0.356 - 1.164 kgcm2，传动比为3-10。

所述控制组件包括计算机20、运动控制卡21、端子板22、第一驱动器23、第二驱动器24、电荷放大器26和压电放大电路25，计算机20、运动控制卡21和端子板22依次连接，端子板22分别与第一驱动器23、第二驱动器24、电荷放大器26、压电放大电路25连接。

所述第一驱动器23采用伺服电机驱动器，其与第一电机501连接，具体地，将第一电机501采用速度控制或者位置控制的方式连接第一驱动器23，第一电机501自带的编码器可以将电机的转动信息反馈给第一驱动器23，通过端子板22传输至运动控制卡21，进而通过运动控制卡21传输给计算机20，计算机20根据反馈信息运行相应算法后发出相应控制量，经由运动控制卡21、端子板22传输给第一驱动器23，驱动第一电机501的转动，第一电机501的输出轴通过联轴器507驱动螺杆502，从而控制各柔性臂移动。

所述第二驱动器24采用伺服电机驱动器，其分别与第二电机601、第三电机701连接，具体地，将第二电机601和第三电机701采用速度控制或者位置控制的方式连接第二驱动器24，第二电机601和第三电机701自带的编码器可以将电机的转动信息反馈给第二驱动器24，通过端子板22传输至运动控制卡21，进而通过运动控制卡21传输给计算机20，计算机20根据反馈信息运行相应算法后发出相应控制量，经由运动控制卡21、端子板22传输给第二驱动器24，驱动第二电机601和第三电机701的转动，从而带动第二柔性臂2、第四柔性臂4转动。

所述电荷放大器26分别与第一压电传感器9、第二压电传感器11、第三压电传感器14、第四压电传感器16、第一加速度传感器10、第二加速度传感器12、第三加速度传感器15、第四加速度传感器17连接，第一压电传感器9和第一加速度传感器10检测第一柔性臂1的振动信号，第二压电传感器11和第二加速度传感器12检测第二柔性臂2的振动信号，第三压电传感器14和第三加速度传感器15检测第三柔性臂3的振动信号，第四压电传感器16和第四加速度传感器17检测第四柔性臂4的振动信号，压电传感器和加速度传感器这两种传感器利用自身的传感特性，将接收到的振动信号转化为电信号输出；各压电传感器和各加速度传感器经过多通道低频电荷放大器26将信号放大以后，经过端子板22的传输至运动控制卡21，通过运动控制卡21内部的A/D转换模块将模拟标准电信号按比例转换成数字信号输入到计算机20中。

所述压电放大电路25分别与第一压电驱动器8、第二压电驱动器13连接，各压电传感器和各加速度传感器将测量的振动信号传输到计算机20中，计算机20运行相应的主动控制算法，将控制信号通过运动控制卡21的D/A输出模块输出至端子板22，再经过压电放大电路25放大控制信号，分别输出到第一压电驱动器8、第二压电驱动器13，以抑制第一柔性臂1和第三柔性臂3的振动。

在本实施例中，计算机20选用工控计算机，选用的计算机20的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可安装运动控制卡21；运动控制卡21用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；第一驱动器23和第二驱动器24选用∑-Ⅱ系列型号为SGDM-04ADAR的伺服单元；压电放大电路25可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零件组成，其研制单位为华南理工大学，在名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利申请中有详细介绍，放大倍数可达到52倍，即将-5 V~+5 V放大到-260~+260 V；电荷放大器26选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。

如图1~图10所示，本实施例还提供了一种两自由度柔性臂振动检测控制方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、利用压电传感器和加速度传感器分别检测各柔性臂的振动，并得到相应的测量信号；

步骤二、将采集到的压电传感器信号和加速度传感器信号经由电荷放大器26放大，经由端子板22的传输，通过运动控制卡21内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机20中；

步骤三、计算机20运行相应的主动控制算法，得到相应的振动反馈信号经由运动控制卡21的D/A模块输出至端子板22，再经过压电放大电路25放大控制信号，输出到第一压电驱动器8和第二压电驱动器13中进行响应，分别抑制第一柔性臂1和第三柔性臂3的振动；同时，得到相应的运动反馈信号经过运动控制卡21、端子板22输出传给第一驱动器23和第二驱动器24，驱动第一电机501、第二电机601和第三电机701，第一电机501的输出轴通过联轴器507驱动螺杆502，从而带动滑块505上的第一柔性臂1和第三柔性臂3，控制各柔性臂在水平方向上直线移动，第二电机601驱动第一减速机602，从而控制第二柔性臂2转动，第三电机701驱动第二减速机702，从而控制第四柔性臂4转动；

步骤四、通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到两自由度柔性臂运动的振动特性及控制效果。

综上所述，本发明通过合理的机械结构设计，将四个柔性臂安装在不同平面上，有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，为研究重力、不同铰链以及滚珠丝杆传动特性对于柔性臂振动的影响提供了良好的条件，同时通过多传感器信息融合，使用压电传感器检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性臂的振动进行检测比较，有利于提高检测精度，对研究基于多传感器的主动振动控制提供了条件。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.基于两自由度柔性臂振动检测控制装置的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述装置包括第一柔性臂、第二柔性臂、第三柔性臂、第四柔性臂、直线移动机构、第一转动机构、第二转动机构和控制组件；

所述第一柔性臂的第一端与第三柔性臂的第一端固定连接，且第一柔性臂的第一端和第三柔性臂的第一端一起设置在直线移动机构上，所述第二柔性臂的第一端通过第一转动机构与第一柔性臂的第二端转动连接，所述第四柔性臂的第一端通过第二转动机构与第三柔性臂的第二端转动连接，所述第一柔性臂、第二柔性臂、第三柔性臂和第四柔性臂上均设有压电传感器和加速度传感器，且第一柔性臂和第三柔性臂上设有压电驱动器；

所述控制组件分别与直线移动机构、第一转动机构、第二转动机构、压电驱动器、压电传感器、加速度传感器连接；

所述方法包括：

利用压电传感器和加速度传感器分别检测各柔性臂的振动，并得到相应的测量信号；

将采集到的压电传感器信号和加速度传感器信号经由电荷放大器放大，经由端子板的传输，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

计算机运行相应的主动控制算法，得到相应的振动反馈信号经由运动控制卡的D/A模块输出至端子板，再经过压电放大电路放大控制信号，输出到压电驱动器中进行响应，抑制第一柔性臂和第三柔性臂的振动；同时，得到相应的运动反馈信号经过运动控制卡、端子板输出传给第一驱动器和第二驱动器，驱动直线移动机构、第一转动机构和第二转动机构，直线移动机构带动第一柔性臂使各柔性臂在水平方向上直线移动，第一转动机构带动第二柔性臂转动，第二转动机构带动第四柔性臂转动；

通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到两自由度柔性臂运动的振动特性及控制效果。

2.根据权利要求1所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：

所述第一柔性臂包括第一柔性梁和第二柔性梁，第一柔性梁和第二柔性梁由两块弹簧钢制成的第一柔性铰链铰接在一起；

所述第二柔性臂包括第三柔性梁和第四柔性梁，第三柔性梁和第四柔性梁由一个可双向旋转的第二柔性铰链铰接在一起；

所述第三柔性臂包括第五柔性梁，所述第四柔性臂包括第六柔性梁。

3.根据权利要求1所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述直线移动机构包括第一电机、螺杆、螺母、导轨、滑块和底座，所述第一电机通过联轴器与螺杆连接，所述螺母与螺杆连接，所述导轨固定在底座上，所述滑块滑动设置在导轨上，并与螺母固定连接，所述第一柔性臂的第一端和第三柔性臂的第一端一起固定在滑块上。

4.根据权利要求3所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述直线移动机构还包括第一行程开关和第二行程开关，所述第一行程开关和第二行程开关固定在底座上，且第一行程开关靠近导轨的一端，第二行程开关靠近导轨的另一端，所述滑块的侧边设有挡块。

5.根据权利要求3所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述第一柔性臂的第一端和第三柔性臂的第一端一起通过支座固定在滑块上。

6.根据权利要求1所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述第一转动机构包括第二电机、第一减速机、第一夹紧部件和第二夹紧部件，所述第二电机安装在第一减速机的输入端，所述第一减速机的输出端法兰盘与第一夹紧部件转动连接，以及与第二夹紧部件固定连接，所述第一夹紧部件夹紧第一柔性臂的第一端，所述第二夹紧部件夹紧第二柔性臂的第二端。

7.根据权利要求1所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述第二转动机构包括第三电机、第二减速机、第三夹紧部件和第四夹紧部件，所述第三电机安装在第二减速机的输入端，所述第二减速机的输出端法兰盘与第三夹紧部件转动连接，以及与第四夹紧部件固定连接，所述第三夹紧部件夹紧第三柔性臂的第一端，所述第四夹紧部件夹紧第四柔性臂的第二端。

8.根据权利要求1所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述控制组件包括计算机、运动控制卡、端子板、第一驱动器、第二驱动器、电荷放大器和压电放大电路，所述计算机、运动控制卡和端子板依次连接，所述端子板分别与第一驱动器、第二驱动器、压电放大电路、电荷放大器连接；

所述第一驱动器与直线移动机构连接，所述第二驱动器分别与第一转动机构、第二转动机构连接，所述压电放大电路与压电驱动器连接，所述电荷放大器分别与压电传感器、加速度传感器连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的两自由度柔性臂振动检测控制方法，其特征在于：所述装置还包括支撑平台，所述直线移动机构固定在支撑平台上。

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