CN112097890A - 气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置及方法，包括柔性铰接梁本体部分、气动人工肌肉部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；所述柔性铰接梁本体部分包括三根柔性铰接梁，柔性铰接梁由两块柔性梁通过铰链连接，柔性铰接梁的一端均由支架固定在气动人工肌肉驱动的转盘上，另一端为自由端，柔性铰接梁分别布置在竖直向上、水平向右、竖直向下三个方向上。使用压电片传感器和加速度传感器检测柔性铰接梁结构的振动信号，气动人工肌肉驱动的转盘以及压电片驱动器作为抑制振动的作动器。本发明具有响应快速和气密封的特点，可以实现对多旋转柔性铰接梁的弯曲振动的快速稳定检测及主动控制。

Description

气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置及方法

技术领域

本发明涉及振动控制领域，具体涉及气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置及方法。

背景技术

柔性结构具有质量轻、能耗低、操作灵活的特点，在航天工程及工业生产领域有着广泛的应用。但柔性结构刚度低、柔性大、低频模态密集，易在外部干扰作用下产生长时间的持续振动，从而影响系统的稳定性和可靠性。因此有必要对柔性结构的振动检测与主动控制方法进行深入的研究。

相比于对柔性结构速度信号和位移信号的精确测量，加速度信号的测量不需要参考而更加易于实现，且加速度传感器具有体积小、质量轻、测量精度高以及频带较宽的特点，因此广泛应用于控制系统的信号检测。但测量的加速度信号容易带有高频噪声信号，因此要进行低通滤波处理。

压电片驱动器具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等特点，特别适合用于柔性梁等挠性结构的振动控制应用，但是它的驱动位移较小，无法对大幅值的变形进行调整。

在地面试验时，柔性铰接梁的不同安装位置会对振动特性和控制效果产生影响，采用何种驱动控制实现对不同安装方位的柔性铰接梁的振动特性的检测与控制是本领域的难题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置，本发明充分考虑了梁的重力与姿态对柔性铰接梁振动的影响。

本发明的次要目的是提供一种气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置的控制方法。

本发明的首要目的采用如下技术方案：

一种气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置，包括，柔性铰接梁本体部分、气动人工肌肉部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

所述柔性铰接梁本体部分包括六根尺寸及材料完全相同的柔性梁，六根柔性梁分别为第一柔性梁、第二柔性梁、第三柔性梁、第四柔性梁、第五柔性梁及第六柔性梁，所述第一柔性梁通过铰链与第二柔性梁固定构成第一柔性铰接梁，沿竖直向上方向安装，所述第三柔性梁通过铰链与第四柔性梁固定构成第二柔性铰接梁，沿水平向右方向安装，所述第五柔性梁通过铰链与第六柔性梁固定构成第三柔性铰接梁，沿竖直向下方向安装；三根柔性铰接梁的一端均与支架固定在一起，该端为固定端，另一端为自由端；

所述气动人工肌肉部分包括，两根尺寸相同的气动人工肌肉、转盘、轴承座及固定支架，所述转盘安装在轴承座上，可自由转动，两根气动人工肌肉一端通过关节轴承与转盘连接，其另一端通过固定支架平行对称设置在实验台上，构成对抗性关节，所述支架与转盘连接，将气动人工肌肉通过控制收缩量的大小驱动转盘转动，进一步实现柔性铰接梁本体的往复运动；

所述振动信号检测部分包括，压电片传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，所述压电片传感器及加速度传感器设置在柔性铰接梁上，压电片传感器及加速度传感器检测柔性铰接梁弯曲振动信号输入电荷放大器放大后输入端子板，端子板与运动控制卡相互连接，运动控制卡与计算机相互连接；

所述驱动控制部分包括气动人工肌肉驱动控制单元及压电驱动控制单元。

所述气动人工肌肉驱动控制单元包括气动控制单元，所述气动控制单元包括气动三联件、气泵及比例控制阀，气源通过气泵和气动三联件得到洁净稳压气体，通过比例控制阀后气体以一定的流量及压力作用于气动人工肌肉，使气动人工肌肉产生一定的收缩量，从而驱动转盘转动以抑制柔性铰接梁的振动；所述比例控制阀通过端子板及运动控制卡与计算机连接。

所述压电控制单元包括压电片驱动器及压电放大电路，所述压电片驱动器设置在柔性铰接梁上，计算机根据加速度传感器及压电片传感器的振动信号，生成相应的控制信号，通过运动控制卡及端子板，输入压电放大电路，驱动压电片驱动器，从而抑制柔性铰接梁的振动。

所述压电片传感器包括三片压电陶瓷片，分别粘贴在第一、第二及第三柔性铰接梁固定端宽度方向的中线上，姿态角为0°且单面粘贴。

所述加速度传感器包括三个，分别位于第一、第二以及第三柔性铰接梁的自由端宽度方向的中线上，用于检测柔性铰接梁的末端振动信号。

所述压电片驱动器包括12片压电陶瓷片，分别粘贴在第一、第二及第三柔性铰接梁固定端宽度方向的中线两侧，姿态角为0°且双面对称粘贴，每面各两片，并联连接，用于抑制柔性铰接梁的残余振动。

本发明的次要目的采用如下技术方案：

一种多柔性铰接梁振动检测控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步 利用压电片传感器和加速度传感器分别检测多旋转柔性铰接梁的弯曲振动，得到相应的测量信号；

第二步 将由压电片传感器和加速度传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，再由端子板传输至运动控制卡，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；

第三步 根据得到的振动信号，计算机运行主动控制算法，得到相应的振动控制信号经由运动控制卡的D/A转换模块输出，经过端子板传递信号和压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中以控制柔性铰接梁的振动；同时，计算机根据振动信号生成控制比例控制阀的脉冲信号，经过运动控制卡的D/A转换模块和端子板输出给比例控制阀以调节输入气动人工肌肉的气压及流量，从而控制气动人工肌肉的收缩量以驱动转盘转动，进而控制柔性铰接梁本体部分的转动轨迹且抑制振动；

第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到多旋转柔性铰接梁的振动特性及控制效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过合理的设计与布局，将三根完全相同的柔性铰接梁布置在同一平面的不同方向上，为研究重力以及铰接梁的姿态对柔性铰接梁振动特性的影响提供了有利条件。

(2)本发明采用气动人工肌肉驱动，具有操作灵活、质量小、功率质量比大的特点。利用两根气动人工肌肉组成对抗性关节，可实现柔性铰接梁在一定范围内的转动，达到驱动和振动控制的目的。

(3)本发明采用气动人工肌肉驱动和压电片驱动器组合的方式复合控制柔性铰接梁结构，互补单独控制的缺点，实现对大幅值振动和小幅值残余振动的快速抑制，达到良好的控制效果。

(4)本发明采用比例控制阀控制气体的压力及流量，实现对气体参数及人工肌肉收缩量的连续比例控制，从而控制柔性铰接梁的转动及振动，控制精度高且无污染。

(5)本发明采用多传感器系统，可实现对柔性铰接梁的振动信号的精确测量。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是多旋转柔性铰接梁的结构示意图；

图3是气动人工肌肉驱动的结构示意图；

图4是实验装置的主视图；

图5是实验装置的俯视图；

图6是实验装置的右视图；

图7是实验装置的振动控制流程框图。

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所示，一种气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置，包括，柔性铰接梁本体部分、气动人工肌肉部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

——柔性铰接梁本体部分包括：

六根尺寸、材料完全一致的柔性梁，分别为第一柔性梁10、第二柔性梁12、第三柔性梁14，第四柔性梁15，第五柔性梁16及第六柔性梁17，所述第一柔性梁10通过铰链11与第二柔性梁12固定组成第一柔性铰接梁，沿竖直向上方向安装，所述第三柔性梁14通过铰链与第四柔性梁15固定组成第二柔性铰接梁，沿水平向右方向安装，所述第五柔性梁16通过铰链与第六柔性梁17固定组成第三柔性铰接梁，沿竖直向下方向安装；三根柔性铰接梁一端被同一支架7固定在一起，且通过支架7与气动人工肌肉5驱动的转盘6固定连接，另一端为自由端，三者之间的振动没有耦合影响；三根柔性铰接梁只有安装方向的不同，第一柔性铰接梁竖直向上安装，第二柔性铰接水平向右安装，第三柔性铰接梁竖直向下安装；该装置能够用于研究重力及柔性铰接梁的姿态等因素对于柔性铰接梁振动特性的影响。

三根柔性铰接梁上压电陶瓷片尺寸、加速度传感器型号以及在柔性铰接梁上的安装位置完全一致。

所述气动人工肌肉部分包括，两根尺寸相同的气动人工肌肉5、转盘6、轴承座1及固定支架4，所述转盘安装在轴承座上，可自由转动，两根气动人工肌肉一端通过关节轴承2与转盘6连接，其另一端通过固定支架平行对称设置在实验台3上，构成对抗性关节，所述支架与转盘连接，气动人工肌肉通过控制收缩量的大小驱动转盘转动，进一步实现柔性铰接梁本体的往复运动，达到振动抑制的目的。

——振动信号检测部分包括：

压电片传感器9、加速度传感器13及电荷放大器18；所述压电片传感器及加速度传感器均安装在柔性铰接梁上；所述压电片传感器和加速度传感器检测的柔性铰接梁的弯曲振动信号经过电荷放大器放大以后，经过端子板20传输至运动控制卡21，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再输入到计算机22中；

具体安装方式为：

压电片传感器9粘贴在梁宽度方向中心线且距离固定端70mm位置处，姿态角为0°且单面粘贴，每根柔性铰接梁粘贴1片，总计3片；压电片驱动器8粘贴在铰接梁距离固定端20mm位置处，姿态角为0°且关于梁宽度方向中线对称，双面粘贴，每面2片，总计12片；在每根柔性铰接梁宽度方向中心线上距离自由端60mm位置处安装一只加速度传感器13，总计3个。

——驱动控制部分包括：

气动人工肌肉驱动控制单元包括气动控制单元，所述气动控制单元包括气动三联件24、气泵23及比例控制阀25，气源通过气泵23和气动三联件24得到洁净稳压气体，通过比例控制阀25后气体以一定的流量及压力作用于气动人工肌肉5，使气动人工肌肉5产生一定的收缩量，从而驱动转盘6转动以抑制柔性铰接梁的振动；所述比例控制阀25通过端子板20及运动控制卡21与计算机22连接。

压电驱动控制单元包括压电片驱动器8及压电放大电路19；压电片传感器9和加速度传感器13采集的振动信号输入到计算机22中，计算机22运行主动控制算法生成相应的控制信号，运动控制卡21的D/A转换模块将数字信号转换成模拟信号，经过端子板20的传递，压电放大电路19将模拟信号放大，输出到压电片驱动器8，从而抑制柔性铰接梁的振动。

所述压电片驱动器包括12片压电陶瓷片，分别粘贴在第一、第二及第三柔性铰接梁固定端宽度方向的中线两侧，姿态角为0°且双面对称粘贴，每面各两片，并联连接，用于抑制柔性铰接梁的残余振动。

本发明可以通过比例控制阀25控制气动人工肌肉5的收缩量以驱动转盘6转动，从而控制柔性铰接梁的转动且抑制其振动，同时可以用压电片驱动器8抑制柔性铰接梁的振动，实现对振动的双重控制。

如图7所示，本装置的控制过程如下：

第一步 利用压电片传感器和加速度传感器分别检测多旋转柔性铰接梁的弯曲振动，得到相应的测量信号；

第二步 将由压电片传感器和加速度传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，再由端子板传输至运动控制卡，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；

第三步 根据得到的振动信号，计算机运行主动控制算法，得到相应的振动控制信号经由运动控制卡的D/A转换模块输出，经过端子板传递信号和压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中以控制柔性铰接梁的振动；同时，计算机根据振动信号生成控制比例控制阀的脉冲信号，经过运动控制卡的D/A转换模块和端子板输出给比例控制阀以调节输入气动人工肌肉的气压及流量，从而控制气动人工肌肉的收缩量以驱动转盘转动，进而控制柔性铰接梁本体部分的转动轨迹且抑制振动；

第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到多旋转柔性铰接梁的振动特性及控制效果。

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。

在本实施例中，柔性梁材料为环氧树脂，各柔性梁尺寸等参数完全相同，几何尺寸为420mm×120mm×2mm，弹性模量为E_p＝34.64Gpa，密度为ρ＝1980kg/m³。

压电片驱动器和压电片传感器由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为50mm×15mm×1mm，成片状粘贴在柔性梁上。压电陶瓷材料的弹性模量和压电应变常量分别为E_p＝63Gpa，d₃₁＝166pm/V。

加速度传感器选用Kistler公司的型号为8310B2的电容式传感器，其标称灵敏度为1000mv/g，测量频率范围为0-250Hz。

实验台由两种长度分别为600mm、480mm的铝型材组装而成，台面为一块600mm×600mm×8mm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。

气动人工肌肉选用德国Festo公司的DMSP-10-300-RM-CM型气动肌腱，其内径为10mm，额定长度为300mm，带有一个径向气接口和一个外螺纹接口，最大许用收缩率为25％的额定长度，工作压力为0～8Mpa；比例控制阀选用日本SMC公司的SY5000系列5通电磁阀；关节轴承选用德国Festo公司的SGS-M8型号；轴承座选用瑞典SKF公司的FY30TF型号的转盘轴承座，可接受综合载荷。

电荷放大器选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；运动控制卡选用固高公司生产的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，其带有标准的PCI总线接口及4路可控轴数，可提供范围为-10V～+10V的模拟量输入和输出；选用的计算机的CPU型号为PentiumG620 2.6GHz，内存4G，主板中有PCI插槽，可安装运动控制卡。

压电放大电路可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器，放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V，输出高压信号驱动压电陶瓷片以抑制振动。

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 (7)

1.一种气动人工肌肉驱动的多柔性铰接梁振动检测控制装置，其特征在于，包括，柔性铰接梁本体部分、气动人工肌肉部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

所述柔性铰接梁本体部分包括六根尺寸及材料完全相同的柔性梁，六根柔性梁分别为第一柔性梁、第二柔性梁、第三柔性梁、第四柔性梁、第五柔性梁及第六柔性梁，所述第一柔性梁通过铰链与第二柔性梁固定构成第一柔性铰接梁，沿竖直向上方向安装，所述第三柔性梁通过铰链与第四柔性梁固定构成第二柔性铰接梁，沿水平向右方向安装，所述第五柔性梁通过铰链与第六柔性梁固定构成第三柔性铰接梁，沿竖直向下方向安装；三根柔性铰接梁的一端均与支架固定在一起，该端为固定端，另一端为自由端；

所述气动人工肌肉部分包括，两根尺寸相同的气动人工肌肉、转盘、轴承座及固定支架，所述转盘安装在轴承座上，可自由转动，两根气动人工肌肉一端通过关节轴承与转盘连接，其另一端通过固定支架平行对称设置在实验台上，构成对抗性关节，所述支架与转盘连接，气动人工肌肉通过控制收缩量的大小驱动转盘转动，进一步实现柔性铰接梁本体的往复运动；

所述振动信号检测部分包括，压电片传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，所述压电片传感器及加速度传感器设置在柔性铰接梁上，压电片传感器及加速度传感器检测柔性铰接梁弯曲振动信号输入电荷放大器放大后输入端子板，端子板与运动控制卡相互连接，运动控制卡与计算机相互连接；

所述驱动控制部分包括气动人工肌肉驱动控制单元及压电驱动控制单元。

2.根据权利要求1所述的多柔性铰接梁振动检测控制装置，其特征在于，所述气动人工肌肉驱动控制单元包括气动控制单元，所述气动控制单元包括气动三联件、气泵及比例控制阀，气源通过气泵和气动三联件得到洁净稳压气体，通过比例控制阀后气体以一定的流量及压力作用于气动人工肌肉，使气动人工肌肉产生一定的收缩量，从而驱动转盘转动以抑制柔性铰接梁的振动；所述比例控制阀通过端子板及运动控制卡与计算机连接。

3.根据权利要求1所述的多柔性铰接梁振动检测控制装置，其特征在于，所述压电驱动控制单元包括压电片驱动器及压电放大电路，所述压电片驱动器设置在柔性铰接梁上，计算机根据加速度传感器及压电片传感器的振动信号，生成相应的控制信号，通过运动控制卡及端子板，输入压电放大电路，驱动压电片驱动器，从而抑制柔性铰接梁的振动。

4.根据权利要求1所述的多柔性铰接梁振动检测控制装置，其特征在于，所述压电片传感器包括三片压电陶瓷片，分别粘贴在第一、第二及第三柔性铰接梁固定端宽度方向的中线上，姿态角为0°且单面粘贴。

5.根据权利要求1所述的多柔性铰接梁振动检测控制装置，其特征在于，所述加速度传感器包括三个，分别位于第一、第二以及第三柔性铰接梁的自由端宽度方向的中线上，用于检测柔性铰接梁的末端振动信号。

6.根据权利要求3所述的多柔性铰接梁振动检测控制装置，其特征在于，所述压电片驱动器包括12片压电陶瓷片，分别粘贴在第一、第二及第三柔性铰接梁固定端宽度方向的中线两侧，姿态角为0°且双面对称粘贴，每面各两片，并联连接，用于抑制柔性铰接梁的残余振动。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的多柔性铰接梁振动检测控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步 利用压电片传感器和加速度传感器分别检测多旋转柔性铰接梁的弯曲振动，得到相应的测量信号；

第二步 将由压电片传感器和加速度传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，再由端子板传输至运动控制卡，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；

第三步 根据得到的振动信号，计算机运行主动控制算法，得到相应的振动控制信号经由运动控制卡的D/A转换模块输出，经过端子板传递信号和压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中以控制柔性铰接梁的振动；同时，计算机根据振动信号生成控制比例控制阀的脉冲信号，经过运动控制卡的D/A转换模块和端子板输出给比例控制阀以调节输入气动人工肌肉的气压及流量，从而控制气动人工肌肉的收缩量以驱动转盘转动，进而控制柔性铰接梁本体部分的转动轨迹且抑制振动；

第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到多旋转柔性铰接梁的振动特性及控制效果。

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