一种移动和转动的多柔性臂振动控制装置及方法
技术领域
本发明涉及振动控制领域，具体涉及一种移动和转动的多柔性臂振动控制装置及方法。
背景技术
随着航天技术的快速发展，柔性结构在航空领域得到广泛运用。柔性结构具有自重轻、能耗小、体积小等优点，被广泛运用于太阳能帆板和空间机械臂上。其缺点是容易被激振，易受扰动的影响。
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。
弹性关节被广泛运用于机器人领域。弹性关节可以使机械臂的力控制变得简单，可以在一些力控要求严格的条件下起关键作用。由于弹性关节刚度低，固有频率低，阻尼小，容易产生大幅值振动，而且难以自主衰减下来，尤其是在真空中没有空气阻尼的情况下。
当柔性机械臂结合弹性关节时，系统的刚度将更小，固有频率更低，振动控制将更加困难。
发明内容
为了克服柔性机械臂结合弹性关节振动控制困难的问题，本发明的首要目的是提供一种移动和转动的多柔性臂振动控制装置，对柔性机械臂结合弹性关节的结构进行模拟，并且进行振动实验和控制。
本发明的次要目的是提供一种移动和转动的多柔性臂振动控制装置的控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一种移动和转动的多柔性臂振动控制装置，包括移动平台部分、转动平台部分、控制部分及检测部分；
所述移动平台部分包括移动梁，所述移动梁安装在移动平台上，移动电机通过移动弹性关节与移动平台连接，驱动移动平台的移动；
所述转动平台部分，与移动平台部分连接，包括转动梁，所述转动梁安装在转动平台上，转动电机通过转动弹性关节与转动平台连接，控制转动平台的转动；
所述检测部分，用于检测柔性梁及转动梁的振动信号；
所述控制部分，用于接收振动信号，进行处理后得到柔性梁及转动梁的控制信号。
进一步，所述移动弹性关节包括滚珠丝杆、拔杆、导轨及拉伸弹簧，所述移动平台在导轨上滑动，移动电机带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆的转动带动拔杆的移动，拔杆与移动平台通过拉伸弹簧连接，带动移动平台在导轨上移动。
进一步，所述检测部分包括加速度传感器及压电陶瓷传感器，所述加速度传感器设置在转动梁及移动梁的自由端，所述压电陶瓷传感器设置在转动梁及移动梁的固定端。
进一步，所述控制部分包括压电陶瓷致动器、电荷放大器、端子板、运动控制卡、压电驱动器、伺服电机驱动器及计算机，所述压电陶瓷致动器设置在移动梁及转动梁的固定端，振动信号通过电荷放大器、端子板和运动控制卡传递给计算机，然后计算机计算出控制量，将控制信号通过压电驱动器传递给压电陶瓷致动器，通过伺服电机驱动器传递给伺服电机，从而抑制振动。
进一步，所述转动弹性关节为扭簧机构。
进一步，所述扭簧机构包括扭簧联轴器、两个对称安装的轴承、套筒、关节输出轴和两个反向安装的扭转弹簧；
具体结构：所述套筒通过减速器与转动电机输出轴连接，套筒通过两个对称的轴承支承关节输出轴，所述关节输出轴通过扭簧联轴器与转动平台连接，所述关节输出轴通过两个反向安装的扭转弹簧与套筒连接。
进一步，所述套筒和关节输出轴上开有孔或槽口。
进一步，所述移动梁及转动梁均由两块柔性梁构成。
进一步，每根柔性梁设置四片压电陶瓷致动器，每面两片，对称设置，其姿态与柔性梁的姿态相同。
一种基于多柔性臂振动控制装置的控制方法，包括：
第一步：计算机将控制信号通过运动控制卡传递给两个电机，使四个柔性梁激振；
第二步：利用压电陶瓷传感器和加速度传感器分别检测柔性梁的振动，得到相应的测量信号；
第三步：将步骤二采集到的压电陶瓷传感器振动信号经由电荷放大器放大，经由端子板的传输，通过运动控制卡将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；同时加速度传感器检测的振动信号输至运动控制卡，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；
第四步：计算机对接收到的振动信号进行处理，实时地计算出传递给移动电机、转动电机和四个梁上的压电陶瓷致动器的控制量；
第五步：计算机将控制量传递给运动控制卡，运动控制卡通过端子板和压电驱动器，传递给四个梁的压电陶瓷致动器，模拟信号通过端子板和伺服电机驱动器，传递给两个电机。
本发明的有益效果：
1.本发明为研究特定的振动控制问题提供了良好的振动控制装置。如：可以比较方便地研究对于具有弹性关节的柔性机械臂如何进行有效的主动振动控制，研究使系统振动最小的最佳移动轨迹，研究弹性关节里弹簧的刚度及预紧力对振动控制难度的影响。
2.本发明中存在大量的刚柔耦合和弹簧耦合，为研究具有大量的刚柔耦合和弹簧耦合的系统提供了硬件条件。
3.结构变换灵活，比如柔性臂末端可以选择增加末端质量，也可以选择安装加速度传感器，也可以什么都不装，增加了本发明的应用场景。
4.本发明使用压电陶瓷片检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性梁的振动进行检测比较，有利于提高检测精度。
5.本发明设计时充分考虑了装拆和维修问题。安装简单，零件均可拆卸更换。
附图说明
图1是本发明中多柔性臂振动控制装置的结构示意图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的左视图；
图4是本发明的俯视图；
图5是扭簧机构套筒内部的结构图。
图6是扭转弹簧的轴侧图；
图7是本发明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-图6所示，一种移动和转动的多柔性臂振动控制装置，整个装置安装在台座1上。包括移动平台部分、转动平台部分、控制部分及检测部分。
所述移动平台部分包括移动梁14，所述移动梁安装在移动平台3上，移动平台3可在导轨2上自由滑动。移动电机18通过移动弹性关节与移动平台连接，驱动移动平台移动，进一步带动移动梁移动。所述移动弹性关节包括滚珠丝杆、拔杆导轨及拉伸弹簧，所述移动平台设置在导轨上，并在导轨上移动，移动电机18通过联轴器17带动滚珠丝杆15转动，滚珠丝杆通过传动螺纹，将旋转运动转化为拔杆的移动，滚珠丝杆15的转动运动会转化为拨杆16的移动运动。拨杆16与移动平台3之间通过两条拉伸弹簧5的一端连接，两个拉伸弹簧的另一端与移动平台的基座连接。拨杆16的移动会带动移动平台3在导轨2上移动。
进一步，所述拉伸弹簧5设置在拔杆16的两侧，两个拉伸弹簧5处于拉伸预紧的状态。可以将滑块传递过来的移动驱动力传递给移动梁14。
所述转动平台部分，设置在移动平台部分上方。包括转动梁11，所述转动梁安装在转动平台10上，转动电机4与转动平台10之间通过扭簧机构12连接，该扭簧机构12被称为转动弹性关节。
如图5所示，进一步，所述扭簧机构12包括联轴器28、两个对称安装的轴承31、套筒26、套筒下端盖25、套筒上端盖27、关节输出轴30和两个反向安装的扭转弹簧32、33。
套筒26通过减速器6与转动电机4的输出轴相联接，套筒26通过轴承31支承着关节输出轴30。关节输出轴30与转动平台10连接。两个扭转弹簧连接着套筒26和关节输出轴30。套筒26将来自转动电机4的扭矩通过这两个扭转弹簧传递给关节输出轴30。这样，转动电机与转动梁之间的连接就不是刚性的，是弹性的。这个弹性连接，称为转动弹性关节。
扭簧机构的安装过程如下：
套筒26与套筒下端盖25用螺钉固定。套筒26上开槽孔，输出轴30上开槽口，以便于进行扭转弹簧32、33的安装、拆卸和预紧。
安装时，先将圆锥滚子轴承按合适方向放入套筒26中，然后将一个扭转弹簧32以合适的位姿插入套筒26的合适槽孔。由扭转弹簧31、32的预紧力大小决定槽孔的选择。之后，将安装了平键的关节输出轴30放入套筒中，同时将扭转弹簧32卡入关节输出轴30的槽口内。再将扭转弹簧33的一头插入套筒的槽孔中，用力转动关节输出轴30，将关节输出轴30的槽口转动到扭转弹簧33短头，将扭转弹簧33沿着槽口移动至卡扣部位卡住。然后将另一个轴承31、端盖调节圈29、扭簧上端盖27依次安装上，并用螺钉紧固。最后，将套筒下端盖25与减速器6的输出轴用螺钉固定，再将套筒26安装于套筒下端盖25上，并用螺钉固定。这样，扭簧机构12就安装好了。
所述移动梁14及转动梁11的数量为两块，均由柔性梁构成，两块移动梁通过移动梁夹具13固定，夹角为180度。
两块转动梁11通过转动梁夹具固定，夹角为180度。
其中，柔性梁是柔性材料，易于产生长时间持续而难以自然衰减的振动。柔性梁是智能材料，梁上同时粘贴着压电陶瓷致动器9和压电陶瓷传感器8。柔性梁末端有小孔，可以安装加速度传感器7，也可以安装末端质量，也可以什么都不装。
两根移动梁14的尺寸都一样，长800mm，宽140mm，厚2mm。压电陶瓷驱动器与柔性梁固定端的距离为20mm，一个面上的两个压电陶瓷致动器相距60mm，压电陶瓷传感器的端面与压电陶瓷致动器的端面距离为20mm。
两根转动梁11的尺寸都一样，长800mm，宽100mm，厚2mm。压电陶瓷驱动器与柔性梁固定端的距离为20mm，一个面上的两个压电陶瓷致动器相距20mm，压电陶瓷传感器的端面与压电陶瓷致动器的端面距离为20mm。
所述检测部分，包括加速度传感器7及压电陶瓷传感器8，在每根柔性梁的末端都开有小圆孔，可安装末端质量或加速度传感器7，每根柔性梁安装一个加速度传感器。每根柔性梁安装一片压电陶瓷传感器，安装在柔性梁的横向中线位置。
压电陶瓷传感器8振动信号经由电荷放大器19放大，经由端子板21的传输，通过运动控制卡24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23中；同时加速度传感器7检测的振动信号输至运动控制卡24，通过运动控制卡24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23中。
所述控制部分，包括压电陶瓷致动器，压电陶瓷致动器对称配置，每面粘贴两个。压电陶瓷致动器9与压电陶瓷传感器8的姿态均与柔性梁相同。
转动电机将控制转动梁11的转动。转动电机的输出轴与减速器的输入轴相连，减速器的输出轴与扭簧机构的套筒相连，套筒的输出轴与转动平台相连。
减速器的外壳安装于移动平台3上。于是减速器、转动电机、扭簧机构、转动平台和转动梁都会随着移动平台的移动而移动。
转动电机18和移动电机4均是伺服电机。
振动控制部分，用于测量振动信号和振动抑制。首先通过压电陶瓷传感器8或加速度传感器测量振动信号。振动信号通过电荷放大器19、端子板21和运动控制卡24传递给计算机23。然后计算机根据控制律计算出控制量，将控制信号通过压电驱动器20传递给压电陶瓷致动器9，通过伺服电机驱动器22传递给伺服电机，从而抑制振动。
如图7所示，一种多柔性臂振动振动控制装置的控制方法，包含以下步骤：
第一步：计算机将控制信号通过运动控制卡传递给两个电机，使四个柔性臂激振，或者可以外加干扰，使柔性机械臂振动。
第二步：利用压电陶瓷传感器和加速度传感器分别检测多移动柔性梁的振动，得到相应的测量信号；
第三步：将步骤二采集到的压电陶瓷传感器振动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；同时加速度传感器检测的振动信号输至运动控制卡，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；
第四步：计算机对接收到的振动信号进行处理，比如带通滤波或者低通滤波，并且使用非线性控制算法或智能控制算法等算法，实时地计算出传递给移动电机转动电机和四个梁上的压电陶瓷致动器的控制量。
第五步：计算机将控制量传递给运动控制卡。运动控制卡中内置D/A转换模块，将来自计算机的数字控制信号转为模拟信号。通过端子板和压电驱动器，传递给四个梁的压电陶瓷致动器。模拟信号通过端子板和伺服电机驱动器，传递给两个电机。
第六步：改变参数，多次实验。
本实施例中，柔性梁的材料为环氧树脂。环氧树脂的弹性模量Ep＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m3。
压电陶瓷传感器由压电陶瓷材料构成，几何尺寸为40mm×10mm×1mm；压电陶瓷致动器由压电陶瓷材料构成，几何尺寸为60mm×20mm×1mm；压电陶瓷材料的弹性模量为Epe＝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。
丝杠导轨为中国台湾上银模组的KK86模组，全长840mm，轨道长度740mm；
伺服电机选用三菱公司的产品，型号是HC-KFS13，功率是100W，最大转速为3000r/min，分辨率为40000脉冲/转。伺服电机驱动器选用三菱公司型号是MR-J2S-10A的驱动器。行星减速器选用德国Neugart减速器，其型号是PLFN-64，减速比为64:1。
运动控制卡选用美国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；选用的计算机的CPU型号为Pentium G620 2.6GHz。内存4G，主板中有PCI插槽，可以安装运动控制卡。显示器选用华硕VA249HE。
压电驱动器可选用型号为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，在申请人申请的名称为“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的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将﹣5V～+5V放大到﹣260～+260V。
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。
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