柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的方法及实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及机器人技术，特别设及机器人柔性关节和柔性臂杆的振动分析和控制 技术。
【背景技术】
[0002] 作为现代工业支柱性设备，机械臂未来发展的趋势势必是高速，高精度且重载。尤 其是在航空航天领域，操作灵活、性能稳定、高精度的机械臂具有很高的应用价值，随着载 人航天技术的不断发展，机械臂在空间的应用日趋广泛。在飞船上，利用机械臂可W捕获卫 星，对卫星执行检修维护、更换零部件、调整太阳能电池板位姿等任务；在空间站，机械臂可 W用于搬运飞船运送的给养、器材，完成空间站的扩建、维护修理等工作。
[0003] 为了克服刚性机械臂质量大、体积大、效率低W及操作欠灵活的缺点，空间机械手 都采用体积小、操作灵活、能耗低、效率高的轻型柔性机械臂。但是柔性机械臂在引入谐波 减速器和力矩传感器之后，机械臂关节产生了柔性，再加上轻型臂杆自身也具有柔性，柔性 机械臂在工作工程中将不可避免地产生振动。如果不能快速的抑制该些振动，将影响系统 的稳定性和指向精度，从而降低相关系统的可靠性，甚至带来灾难性的损失，由此进行柔性 机械臂振动特性分析和控制研究、提高柔性机械臂的位置控制精度变得越来越重要。然而， 尽管柔性机械臂的研究受到了国内外的广泛关注，但是对于柔性机械臂振动抑制的研究成 果却比较少，而其在实际的工程应用中又必不可少，所W对柔性机械臂的振动特性分析与 控制的研究就成为了当今世界国内外普遍关注而富有挑战的重要课题。
[0004] 目前对柔性机械臂的研究主要是针对柔性臂杆进行振动特性分析与控制，通过在 臂杆表面粘贴多个传感器W及作动器来检测和抑制柔性臂杆的振动；或者通过对柔性关节 进行复杂的动力学建模分析，然后采用多种控制策略对柔性关节进行振动控制，方法繁琐， 而且动力学模型精度很难保证。
[0005] 哈工大刘宏教授的博±基于他们实验室所研制的卫星在轨自维护机器人样 机展开实验研究，探讨了柔性关节机械臂的动力学建模方法的分析，并基于此研究柔 性关节机械臂的控制研究。他首先在充分考虑了重力W及多关节的互相禪合后，采用 Lagrange-Euler法推导了多柔性关节机械臂的完整模型的动力学方程；然后深入分析 柔性对系统性能带来的影响并针对柔性影响结合经典控制理论设计方法给出了基于关 节力矩反馈的解决柔性关节调节控制的可行方案；最后，为了解决柔性关节机器人的 跟踪控制问题，提出了一种基于柔性补偿的奇异摄动新方法，解决了传统的奇异摄动 方法受关节柔性大小限制的问题，将奇异摄动方法推广应用于更为一般的柔性关节系 统（刘业超，金明河，刘宏.柔性关节机器人基于柔性补偿的奇异摄动控制[J].机器 人，2008, 05:460-466)。在柔性臂杆的振动方面，主要是通过多传感器检测臂杆的振动情 况，然后通过作动器进行振动抑制。在该一方面，压电陶瓷材料由于其良好的压电特性，获 得了广泛的应用。化Vi曲i等人通过在柔性机械臂臂杆上粘贴压电陶瓷材料PZT进行柔性 臂杆的振动研究。利用压电材料的正压电效应将PZT作为传感器，当柔性臂杆产生形变时， 粘贴在臂杆表面的PZT产生电信号，将电信号进行处理后可W得到臂杆的形变量，完成臂 杆的振动信号检测；然后利用其逆压电效应将PZT作为作动器，通过在压电陶瓷上施加方 向和大小合适的电压就可W产生与臂杆形变方向相反的变形，从而完成臂杆的振动抑制。 (A.Davighi,M.Romano,F.Bernelli-Zazzera.Vibrationsuppressionofflexible-link manipulatorbyPZTactuatorsandsensors[C].Earth&Space;20060305-08 ;Houston)。
[0006] 在专利申请方面，申请号为201110301900. 6的发明公开了一种中屯、转动的较接 柔性板结构振动测量装置与控制方法。该装置利用固定在中屯、转动刚体的=角架连接两组 较链连接的柔性板来模拟柔性机械臂进行振动测量和控制研究。在柔性板结构上粘贴压电 陶瓷片致动器、电阻应变片式传感器，较接柔性板上还安装加速度传感器、压电堆致动器和 形状记忆合金SMA致动器；在中屯、刚体上安装两台CCD相机可通过边缘检测柔性板的振动； 还可用电阻式应变片传感器或加速度传感器可分别检测较接柔性板的振动。将检测的信号 反馈，运行控制算法后分别输出信号控制压电片致动器、压电堆致动器和形状记忆合金SMA 致动器的动作。该实验装置使用的传感器过多、控制复杂，而且只研究了柔性臂杆的振动情 况，没有设及到机械臂关节柔性的研究。申请号为201310571542.X的发明设及的机械臂振 动抑制装置及其振动抑制方法，通过安装在机械臂中部的电动机的正转和反转，可W带动 丝杠向两个方向运动，丝杠的运动推动并拉紧机械臂一侧的钢索，W抵消末端载荷加速运 动在相反方向上产生的力矩，从而达到保证机械臂末端执行精度的要求。该发明需要在臂 杆上安装电机，导致了在实际工作环境中适用性较差，而且加大了控制难度。现有技术中， 没有同时对柔性关节柔性臂杆进行振动特性分析和控制的实验装置，功能过于单一。
【发明内容】
[0007] 本发明公开一种可用于柔性关节-柔性臂杆机械臂振动特性分析与控制的方法 及实验装置，同时基于微软基础类库MFC设计了具备多种功能的上位机操作界面，解决现 有技术中功能过于单一的技术问题。
[000引本发明的该种柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的实验装置，包括了依次连 接的传感器检测单元、数据采集及处理单元W及上位机，其中传感器检测单元包括连接柔 性关节输出端的第一编码器W及连接关节驱动电机输出端的第二编码器，还包括设置于柔 性臂杆上的第一传感器，所述第一编码器、第二编码器W及第一传感器分别连接所述数据 采集及处理单元。
[0009] 该实验装置还包括受控于上位机的振动抑制单元，所述振动抑制单元包括设置于 关节驱动电机的电机致动器W及设置于柔性臂杆上的压电陶瓷片致动器组。所述压电陶瓷 片致动器组包括至少六个压电陶瓷片致动器，该至少六个压电陶瓷片致动器均分为=组， 分别设置于柔性臂杆两端及中间位置。
[0010] 所述上位机包括了状态数据显示单元、状态曲线显示单元、参数设置单元、工作模 式选择单元W及参数辨识模块。
[0011] 所述第一编码器通过两个相同齿数和模数的传动齿轮连接柔性关节输出端，所述 第二编码器通过联轴器连接关节驱动电机输出端；所述第一编码器和第二编码器为光电式 旋转编码器。
[0012] 而利用上述实验装置进行柔性关节柔性臂杆振动特性分析与控制的方法包括W 下步骤：
[0013] A.通过第一编码器检测关节输出端的位置测量信号，通过第二编码器检测关节驱 动电机输出端的位置测量信号，通过第一传感器检测柔性臂杆的弯曲振动信号；
[0014] B.数据采集及处理单元将步骤A中得到的信号进行数据处理后传送给上位机；
[0015] C.上位机对步骤B传送来的数据进行计算，分别得到柔性关节W及柔性臂杆的振 动量数据。
[0016] D.由步骤C得到柔性臂杆的振动量数据后，通过振动抑制单元抑制柔性关节和柔 性臂杆的振动。
[0017] 步骤C中进一步还包括；上位机对关节柔性进行参