专利名称：一种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振方法及实现装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振方法及实现装置，它可在被控柔性机械臂和吸振摆杆之间构建模态能量交互通道，将柔性机械臂的振动能量迁移至减振装置并由阻尼耗散，属于机械振动、精密机械、机器人运动控制等技术领域。
背景技术：
为满足轻质、高速、高负载自重比的性能要求，柔性机械臂被广泛应用于航空航天、微电子制造、精密机械等技术领域。然而，柔性机械臂在名义运动作用下产生的弾性振 动，严重影响了机械臂的空间定位精度和工作效率。为解决振动在柔性机械臂工作过程中所引发的空间上与时间上的双重矛盾，柔性机械臂的振动控制成为科学研究和技术应用领域探讨的重要课题。迄今为止，人们从不同视角对柔性机械臂的振动控制开展了广泛研究。例如，在结构设计方面，通过合理选取几何尺寸或形状提高基频，降低机器人的柔性变形和振动；在减振构型设计方面，采用滑动质量可控的杆件实现柔性机器人的轨迹控制；在控制规律设计方面，主动控制逐步取代传统被动控制，成为振动控制的主要发展方向。其中，利用伺服电机控制刚体运动的同吋，附加压电陶瓷、形状记忆合金等机敏材料作为作动器，抑制柔性机器人的弹性动力响应的方法已经成为当前的ー个研究热点。当前的振动控制方法已在柔性效应较弱、可做线性化处理的柔性机器人的一般振动方面取得了显著进展，然而在高加速度、复杂名义运动环境下，柔性机械臂非线性动力学效应显著而致使动力学行为变得十分复杂，致使以线性振动控制为核心的动态性能优化问题进展缓慢、困难重重。与一般振动不同，大幅非线性振动大大增强了系统中原本可以忽略的非线性因素，原有基于线性化的各种控制方法不仅会引起大的计算误差更会造成根本性的错误，从而丧失应有的控制效果。另ー方面，与柔性结构研究中可将其模态參数视为不变有所不同，柔性机器人是ー类复杂的时变多体系统，存在着刚性运动(整体大位移)与柔性振动的耦合，不仅模态密集而且模态參数(如频率)随拓扑结构的变化而变化。此外，外激励的频率也会随着工作任务的不同而发生变化。因此，在处理柔性机器人大幅非线性振动问题吋，原本寄希望于结构设计以消减振动的做法将面临着“防不胜防”的困境。例如申请号为200910071707. O和申请号为200510094882. 3的专利公开的基于磁流变弾性体的半主动吸振器，对于柔性结构振动控制具有比较好的效果，但对于名义运动作用下刚柔耦合的柔性机械臂的大幅非线性振动控制将难以实施。尽管各种主动控制方法取得了显著进展，但在处理大幅非线性振动问题时也面临着极大挑战。本质上，主动控制方法依赖外部能量的输入以实现振动抑制，直接将外部能量转变为控制力作用于被控对象。但是，大幅非线性振动通常蕴含了強烈的振动能量，主动控制方法将不得不消耗更多的能量转变为控制カ来抑制这种大幅振动。显然，这种做法并非总是妥当的，其能耗高、易过载的不足甚至使之得不偿失。更为重要的是，一般机敏材料的输出功率往往有限，因而难以提供足够能量来克服这种強烈振动，甚至面临着过载破坏的危险。由此可见，现有的常规控制方法难以应对柔性机器人的大幅非线性振动问题。另ー方面，从非线性振动理论出发，当系统各阶频率或局部的某几阶频率具有近似通约或具有一定的可公度时，系统将发生強烈的内共振。此时，对应模态之间将构建起模态能量交互的通道，模态能量可周期性地从某ー阶模态迁移到另ー阶模态。如果系统存在阻尼，那么振动能量将在交互的过程中逐渐衰減。因此，从非线性振动固有的属性出发，利用内共振模态能量交互通道，将柔性机械臂大幅非线性振动的能量迁移出来并且利用阻尼予以耗散的方法，成为我们解决大幅非线性振动的新思路。
因此，为解决诸如微电子制造、航空航天、机器人等领域，具有柔性机构，特别是具有单柔性机械臂的机械系统的大幅非线性振动控制问题，本发明提出了以非线性振动的模态耦合为理论基础的ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振方法及实现装置。
发明内容
本发明的目的是针对当前柔性机械臂大幅非线性振动控制方法的欠缺及不足，为解决柔性机械系统，特别是具有单柔性杆的柔性机械臂，在工作过程中的振动控制问题，提供了一种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振方法及实现装置。本发明可以应用于航空航天柔性臂杆机构、微电子制造柔性机械臂及机器人系统柔性机械手等的振动控制，具有减振效果明显、结构简单和鲁棒性好的特点。(I)本发明ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置，由吸振器安装座A2、扭转弹簧A3，连接转盘A5，惯性调节球A6，摆动支杆A7和可调阻尼器AS组成，其中吸振器安装座A2通过螺钉与柔性机械臂连接，可调阻尼器AS通过螺栓与吸振器安装座连接，连接转盘A5紧固在可调阻尼器AS的转轴上，扭转弹簧A3穿过可调阻尼器的转轴，扭转弹簧A3的两端分别与可调阻尼器AS及连接转盘A5连接，摆动支杆A7与连接转盘A5螺纹连接，惯性调节球A6经通孔穿过摆动支杆A7并由紧定螺钉与摆动支杆固连。所述吸振器安装座A2为一“L”形的安装支座，其中ー个表面设有4个与柔性机械臂螺钉连接的通孔，另ー表面设有一大圆孔和两个小通孔便于与可调阻尼器AS连接。吸振器安装座A2为该减振装置与柔性机械臂的连接件。所述扭转弹簧A3，其上下各有一竖直圆柱端，分别与可调阻尼器AS的固定部分和连接转盘A5连接。扭转弹簧为减振装置提供线性恢复转矩，为减振装置的刚度单元；所述连接转盘A5，其转盘轴线方向开有非圆的通孔，用以与可调阻尼器AS转轴的非圆柱面配合。连接转盘A5的两互相垂直的半径方向，各有ー紧定螺钉孔和螺纹通孔。连接转盘A5起到与可调阻尼器AS的转轴定位并连接摆动支杆的作用。所述惯性调节小球A6，小球设有一通过球心的通孔，与该通孔垂直的半径方向有一紧定螺钉孔。可通过调节惯性调节小球A6在摆动支杆上的位置，改变减振装置的转动惯量。所述摆动支杆A7，为ー小直径的轻质圆柱刚性杆件，其一端有外螺纹可与连接转盘A5连接，杆件表面光滑可供惯性调节小球滑动定位。所述可调阻尼器AS，其外形为柱状并带有耳状安装接ロ可与吸振器安装座A2连接。可调阻尼器的大端为阻尼调节旋钮，可通过旋转旋钮的角度设置阻尼大小。可调阻尼器A8的小端为阻尼的输出轴，其带有与连接转盘A5定位连接的接ロ，可为减振装置提供阻尼，其规格型号为FUJI SEIKI的FRN-P2。其中，该扭转弹簧A3的直径为l_2mm。其中，该摆动支杆A7的直径范围值为20_50mm。其中，该可调阻尼器A8的规格型号为FUJI SEIKI的FRN-P2。本发明的工作原理及流程简介如下吸振器安装座A2有4个等大通孔的端面与柔性机械臂侧面紧靠，并通过机械螺钉与柔性机械臂紧固联机。可调阻尼器AS的柱状外圈穿过吸振器安装座A2的大孔，可调阻 尼器AS的耳状安装接ロ与吸振器安装座A2的安装孔对齐并通过螺栓联机紧固。连接转盘A5的通孔穿过可调阻尼器AS的转轴端，连接转盘A5的内侧端面紧贴可调阻尼器AS的转轴中部竖直小端面，螺钉旋入连接转盘A5和可调阻尼器AS的小轴上螺纹孔从而将二者紧固连接。扭转弹簧A3穿过可调阻尼器AS的圆柱外廓，扭转弹簧A3两头的竖直端头分别插入可调阻尼器AS和连接转盘A5上的圆孔中，从而将扭转弹簧固连在可调阻尼器转轴的外側。摆动支杆A7通过一端的螺纹旋入连接转盘A5的螺纹孔，并在摆动支杆A7的螺纹处旋紧螺母与连接转盘A5的螺纹孔处的端面紧靠，从而将摆动支杆A7与连接转盘A5紧固。惯性调节小球A6的通孔穿过摆动支杆A7，并可在摆动支杆A7上滑动，紧定螺钉旋入惯性调节小球径向的螺纹孔紧定在摆动支杆A7上从而将惯性小球紧固定位。将减振装置按照上述的连接方式与柔性机械臂连接后，该系统即具有特定的结构參数，因此，柔性机械臂在固有柔性特征和给定的名义运动作用下具有特定的模态參数，此时即可调节减振装置的结构參数来追踪柔性机械臂的模态已达到内共振的基本条件，从而建立内共振模态能量交互通道，并实现内共振能量的迁移和耗散。具体为首先，在给定减振装置安装位置的前提下，根据经验选择基本合理的扭转弹簧，按照上述的过程组装减振装置，此时减振装置即具有特定刚度。其次，调节惯性调节小球A6在摆动支杆A7上的位置从而调节减振装置的转动惯量，达到“定刚度变惯量”而调节减振装置频率的目的，从而，提供了内共振的频率条件，构建了模态能量的交互通道。最后，通过可调阻尼器AS的阻尼旋钮选择适当的旋转阻尼，使得在内共振模态能量交互的工程中振动能量被迅速耗散，从而实现最佳的振动能量耗散的效果。(2)本发明ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振方法，该方法基本原理和具体步骤如下本发明通过在柔性机械臂上增设减振装置，改变减振装置的固有频率来跟随柔性机械臂固有频率的变化，从而使得减振装置与柔性机械臂满足内共振条件，并在两者之间构建起模态能量交互的通道，再通过调节减振装置的阻尼，使得柔性机械臂的振动能量被迅速迁移至减振装置，并由阻尼耗散，从而实现柔性机械臂的振动控制。本发明的具体实施步骤如
图10所示，具体为步骤ー将ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置与系统柔性机械臂连接，确保吸振摆杆和柔性机械臂的相对空间位置和角度，如图2所示。注意务必确保刚性吸振摆杆与柔性机械臂垂直，此时系统动力学方程为惯性解耦状态。步骤ニ 对步骤一中实体模型进行理论简化，抽取数学模型。如图I所示，本发明中的柔性主系统为待抑振的柔性机械臂,该机械臂在O1Xiyi平面内具有刚性转动(名义运动)，柔性机械臂负载简化为末端一质量块mB。柔性机械臂的名义运动由其驱动单元唯一确定，表征为任意时刻相对于初始时刻的名义运动转角，用q表示。为方便理论推导，主系统柔性机械臂简化为均匀质量伯努利-欧拉梁(很多工程计算也如此)，其长度及截面参数如图2a、b所示。如图2a、图2b所示，本发明中减振装置由刚性摆杆和柔性关节组成，柔性关节包括具有线性恢复力的扭转弹簧和具有粘性阻尼的旋转阻尼器。吸振摆杆质心距离柔性关节轴心用r。表征。吸振摆杆通过柔性关节联接于主系统柔性机械臂的某处，具体安装位置可用其与主系统名义运动转轴的距离r表征。吸振摆杆具有被动自由度，在主系统柔性机械臂的运动参数作用下绕柔性关节摆动，其摆动的空间位置可用当前时刻与初始时刻刚性摆杆的夹角β表征。步骤三在数学模型中计入柔性机械敏感方向的变形。如图3所示，考虑主系统柔性机械臂的非线性因素，记及柔性机械臂的较敏感方向的振动变形，包括柔性机械偏离名义运动方向的横向振动S (X1, t)、偏转角α以及柔性机械臂沿自身中性线的轴向伸缩变形υ (Xl)。由材料力学和假设模态法可知( I)横向弯曲振动rf(v,./)-客〃,('.>,(/) , Ui (X1)为i阶的模态振型，@(/)为i阶模态
坐标，nF为系统需考虑模态阶数；(由于振动能量主要聚集在第一阶模态，本发明主要考虑一阶模态能量的消减，故nF = I。)(2)弯曲引起的转角— 其中:
权利要求
1.一种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置，其特征在干它由吸振器安装座、扭转弹簧，连接转盘，惯性调节球，摆动支杆和可调阻尼器组成，其中吸振器安装座通过螺钉与柔性机械臂连接，可调阻尼器通过螺栓与吸振器安装座连接，连接转盘紧固在可调阻尼器的转轴上，扭转弹簧穿过可调阻尼器的转轴，扭转弹簧的两端分别与可调阻尼器及连接转盘连接，摆动支杆与连接转盘螺纹连接，惯性调节球经通孔穿过摆动支杆并由紧定螺钉与摆动支杆固连； 所述吸振器安装座为一“L”形的安装支座，其中ー个表面设有4个与柔性机械臂螺钉连接的通孔，另ー表面设有一大圆孔和两个小通孔便于与可调阻尼器AS连接，吸振器安装座为该减振装置与柔性机械臂的连接件； 所述扭转弹簧，其上下各有一竖直圆柱端，分别与可调阻尼器的固定部分和连接转盘连接；扭转弹簧为减振装置提供线性恢复转矩，是减振装置的刚度单元； 所述连接转盘，其转盘轴线方向开有非圆的通孔，用以与可调阻尼器转轴的非圆柱面 配合；连接转盘的两互相垂直的半径方向，各有ー紧定螺钉孔和螺纹通孔；连接转盘起到与可调阻尼器的转轴定位并连接摆动支杆的作用； 所述惯性调节小球，设有一通过球心的通孔，与该通孔垂直的半径方向有ー紧定螺钉孔，通过调节惯性调节小球在摆动支杆上的位置，改变减振装置的转动惯量； 所述摆动支杆，为ー小直径的轻质圆柱刚性杆件，其一端有外螺纹与连接转盘连接，杆件表面光滑可供惯性调节小球滑动定位； 所述可调阻尼器，其外形为柱状并带有耳状安装接ロ与吸振器安装座连接，可调阻尼器的大端为阻尼调节旋钮，通过旋转旋钮的角度设置阻尼大小；可调阻尼器的小端为阻尼的输出轴，其带有与连接转盘定位连接的接ロ，为减振装置提供阻尼。
2.一种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振方法，该方法具体步骤如下 步骤ー将ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置与系统柔性机械臂连接，确保吸振摆杆和柔性机械臂的相对空间位置和角度，注意务必确保刚性吸振摆杆与柔性机械臂垂直，此时系统动力学方程为惯性解耦状态； 步骤ニ 对步骤一中实体模型进行理论简化，抽取数学模型； 柔性主系统为待抑振的柔性机械臂，该机械臂在O1X1Y1平面内具有刚性转动，柔性机械臂负载简化为末端一质量块mB，柔性机械臂的名义运动由其驱动单元唯一确定，表征为任意时刻相对于初始时刻的名义运动转角，用q表示；为方便理论推导，主系统柔性机械臂简化为均匀质量伯努利-欧拉梁；减振装置由刚性摆杆和柔性关节组成，柔性关节包括具有线性恢复カ的扭转弹簧和具有粘性阻尼的旋转阻尼器；吸振摆杆质心距离柔性关节轴心用rc表征，吸振摆杆通过柔性关节联接于主系统柔性机械臂的某处，具体安装位置用其与主系统名义运动转轴的距离r表征，吸振摆杆具有被动自由度，在主系统柔性机械臂的运动參数作用下绕柔性关节摆动，其摆动的空间位置用当前时刻与初始时刻刚性摆杆的夹角β表征； 步骤三在数学模型中计入柔性机械敏感方向的变形； 考虑主系统柔性机械臂的非线性因素，及柔性机械臂的较敏感方向的振动变形，包括柔性机械偏离名义运动方向的横向振动δ (Xl，t)、偏转角α以及柔性机械臂沿自身中性线的轴向伸缩变形υ (X1);由材料力学和假设模态法知(1)横向弯曲振动Iii(X1)为i阶的模态振型>(|)为i阶模态坐标，nF为系统需考虑模态阶数； (2)弯曲引起的转角:,其中
3.根据权利要求I所述的ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置，其特征在于该扭转弹簧的直径为l_2mm。
4.根据权利要求I所述的ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置，其特征在于该摆动支杆的直径范围值为20-50mm。
5.根据权利要求I所述的ー种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置，其特征在于该可调阻尼器的规格型号为FUJI SEIKI的FRN-P2。
全文摘要
一种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振装置，它由吸振器安装座、扭转弹簧，连接转盘，惯性调节球，摆动支杆和可调阻尼器组成，其中吸振器安装座通过螺钉与柔性机械臂连接，可调阻尼器通过螺栓与吸振器安装座连接，连接转盘紧固在可调阻尼器的转轴上，扭转弹簧穿过可调阻尼器的转轴，扭转弹簧的两端分别与可调阻尼器及连接转盘连接，摆动支杆与连接转盘螺纹连接，惯性调节球经通孔穿过摆动支杆并由紧定螺钉与摆动支杆固连；一种基于2:1内共振的柔性机械臂耗能减振方法，它有十二大步骤。本发明可以应用于航空航天柔性臂杆机构、微电子制造柔性机械臂及机器人系统柔性机械手等的振动控制，具有减振效果明显、结构简单和鲁棒性好的特点。
文档编号F16F7/00GK102829118SQ20121034573
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者边宇枢, 李 杰, 高志慧 申请人:北京航空航天大学