浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法技术方案

公开了一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法，浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂(2)和分布在所述浮动柔性机械臂(2)上的主动控制装置(8)，主动控制装置(8)包括用于测量浮动基础(16)的基础振动的基础加速度计(6)、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计(5)、设在每个关节(19)上的关节控制装置(1)和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置(1)的上位机(20)，每个关节控制装置分布独立进行控制，并通过数据总线共享数据。浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法具有效率高、自适应、容错性强的优点。

Distributed vibration control system of floating flexible manipulator and its vibration control method

The distributed vibration control system of a floating flexible manipulator and its vibration control method are disclosed. The distributed vibration control system of the floating flexible manipulator includes a floating flexible manipulator (2) and an active control device (8) distributed on the floating flexible manipulator (2), and the active control device (8) is used to measure the floating base (1). 6) the base accelerometer (6) of the basic vibration, an end accelerometer (5) for measuring the end vibration of the end flexible manipulator at the end of the flexible structure, the joint control device (1) on each joint (19), and the upper computer (20) for data interaction and the transmission of reference signals to each joint control device (1), each joint The control device is distributed independently and controlled, and data is shared through data bus. The distributed vibration control system and its vibration control method of floating flexible manipulator have the advantages of high efficiency, adaptability and fault tolerance.

【技术实现步骤摘要】
浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法
本专利技术涉及一种振动主动控制
，特别是一种用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法。
技术介绍
大型柔性结构是一种表现为高耸、大跨度、长悬臂等形式的工程结构，如机械臂、太阳能帆板、卫星天线、大跨度桥梁、大型塔架等，它具有刚度小、变形大、非线性强、模态密集等特点。大型柔性结构的几何变形以及振动无法忽略，将严重影响其工作姿态、位置、形状等的精度。空间(太空)机械臂属于浮动柔性机械臂，是一种典型的空间柔性结构。通过航天飞机和国际空间站的实际使用，空间机械臂显示出强大的应用能力和广阔的应用前景，对空间科学和应用的发展起到了很大的带动作用。它对于保证空间活动安全、提高工作效率、扩大空间站范围等方面有巨大的作用，空间浮动机械臂由于需要考虑发射成本，都利用柔性机械臂是替代笨重刚性机械臂。因此，与传统的工业机器人相比，空间机器人具备质量轻、悬臂长、速度快、基础自由浮动等特点。随之引起的振动和形变问题将严重影响其工作性能。主动控制是一种利用主动执行器来抵抗或抑制结构变形与振动的技术，是一种保证大型柔性结构正常高效工作的重要手段。主动振动控制技术与传统被动控制方法相比，具有低频性能好、附加质量小、方便灵活等优点，是传统振动与噪声控制方法的不可或缺的有利补充。大型柔性结构主动控制的传感器和执行器数量多、分布广，利用统一控制器集中控制的系统负担大。而且，由于被控结构柔性大、非线性强，模型估计困难，集中式控制无法设计准确高效的控制器。此外，集中式控制系统一旦发生故障，整个控制系统将面临瘫痪。因此，需要寻求一种效率高、容错性强的分布式振动控制系统与振动控制方法。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
针对现有浮动柔性机械臂振动控制中存在的问题，特别是集中式振动控制系统计算负担大、容错性差等问题，本专利技术提供一种用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及振动控制方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现。本专利技术的一个方面，一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂和分布在所述浮动柔性机械臂上的主动控制装置，浮动柔性机械臂包括浮动基础和设在所述浮动基础上的柔性结构，浮动基础包括弹性元件和阻尼器，所述柔型结构包括多个柔性机械臂以及设在两个所述柔性机械臂之间的关节，主动控制装置包括用于测量浮动基础的基础振动的基础加速度计、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计、用于连接所述基础加速度计和末端加速度计并将它们的信号转换成为电压信号的IEPE调理器、设在每个关节上的关节控制装置和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置的上位机，所述关节控制装置包括，压电片，用于检测柔性机械臂变形量的压电片夹持在所述柔性机械臂上。作动器，作动器用于控制柔性机械臂杆的变形。角度编码器，用于测量柔性机械臂角度和低频角振动。力矩电机，用于控制柔性机械臂的角度和低频角振动。驱动器，连接力矩电机和作动器以驱动力矩电机和作动器产生力矩和作动力。组合信号调理器，连接压电片和角度编码器的组合信号调理器将压电片和角度编码器的信号转换成为电压信号。关节控制器，连接IEPE调理器和组合信号调理器的关节控制器获得测量的电压信号，并与参考信号比较，生成且发送控制信号到驱动器以驱动力矩电机和MFC作动器实现控制。本专利技术的浮动柔性机械臂描述为具有浮动的基础且认为臂杆为柔性悬臂的一类机械臂，如空间(太空)机械臂等。浮动柔性机械臂的定位精度受振动的影响极大，需要通过主动控制的方法进行振动抵消。在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，分布式振动控制系统包括进行数据交互的数据总线和提供电能的电源线。在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，IEPE调理器和组合信号调理器均为多通道调理器，所述作动器为MFC作动器，所述压电片为压电晶体。在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，所述柔型结构如果为平面柔性结构则包含至少2个柔性机械臂，如果为空间柔性结构则包括至少3个柔性机械臂。在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，所述上位机是中央处理器、网络处理器、数字信号处理器、专用集成电路或现场可编程门阵列，所述上位机包括随机存取存储器、只读存储器、可编程只读存储器、可擦除只读存储器或电可擦除只读存储器。在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，基础加速度计在两个方向等效的惯性力为Fbx和Fby，末端加速度计在两个方向等效的惯性力为Ftx和Fty，由柔性机械臂根部到末端所有关节编号依次为1，2，...，n，则每个关节的作动器力为Fi(i＝1，2，...，n)，每个关节处两个臂的夹角为θi(i＝1，2，...，n)，则受力平衡方程为：对于某一特定的姿态，所有角度可视为已知量，令：则方程(1)可以写成：AX＝Y(3)最优作动力为X＝(ATA)-1ATY(4)，每个关节控制器将根据所述最优作动力设定所述参考信号进行分布式独立控制。在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，关节控制器包括自适应控制器，对第i个关节处的关节控制器，设控制参考信号为第i个最优控制力，即：di(n)＝Xi(n)＝Fi(n)(5)，参考信号为di(n)、压电片的输出yi(n)和参考信号的延迟di(n-Δ)对比，获得误差信号ei(n)用于调整自适应控制器。在所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统中，自适应控制器长度为L，第i个控制单元的控制算法为：ei(n)＝di(n)-yi(n)Wi(n+1)＝Wi(n)+2μX′i(n)ei(n)Xi(n)＝{d(n-Δ-j)}T，j＝0，1，...，L-1(6)其中：yi(n)被控对象输出，即压电片的输出，ei(n)为误差信号，Wi(n)为权系数向量，μ为自适应迭代步长，Xi(n)为参考矩阵，Δ为延迟步长。根据本专利技术的另一方面，一种利用所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统的振动控制方法步骤包括：第一步骤中：基础加速度计测量浮动基础的基础振动，末端加速度计测量设在所述柔性结构最末端的柔性机械臂的末端振动，每个关节控制装置中，压电片检测柔性机械臂变形量，角度编码器测量柔性机械臂角度和低频角振动。第二步骤中：IEPE调理器将基础加速度计和末端加速度计的信号转换成为电压信号，组合信号调理器将压电片、角度编码器的信号转换成为电压信号，上位机数据交互和分配参考信号到每个关节控制装置。第三步骤中：关节控制器获得测量的电压信号，并与参考信号比较发出控制信号到驱动器以驱动力矩电机和MFC作动器实现控制。在所述的振动控制方法中，第三步骤中：关节控制器采用自适应逆控制控制生成控制信号。本专利技术的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统及其振动控制方法显著提高了浮动柔性机械臂的振动控制效率和精度，且容错性显著提升，不会因为某一个或多个关节的错误，导致整个系统的振动失控。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使得本专利技术的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于，分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂(2)和分布在所述浮动柔性机械臂(2)上的主动控制装置(8)，浮动柔性机械臂包括浮动基础(16)和设在所述浮动基础(16)上的柔性结构(3)，浮动基础(16)包括弹性元件(17)和阻尼器(18)，所述柔型结构(3)包括多个柔性机械臂(4)以及设在两个所述柔性机械臂(4)之间的关节(19)，主动控制装置(8)包括用于测量浮动基础(16)的基础振动的基础加速度计(6)、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计(5)、IEPE调理器(7)、设在每个关节(19)上的关节控制装置(1)和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置(1)的上位机(20)，所述IEPE调理器(7)，连接所述基础加速度计(6)和末端加速度计(5)的IEPE调理器(7)将基础加速度计(6)和末端加速度计(5)的信号转换成为电压信号，所述关节控制装置(1)包括，压电片(9)，用于检测柔性机械臂(4)变形量的压电片(9)夹持在所述柔性机械臂(4)上，作动器(15)，作动器(15)用于控制柔性机械臂(4)的变形，角度编码器(10)，用于测量柔性机械臂(4)角度和低频角振动，力矩电机(14)，用于控制柔性机械臂(4)的角度和低频角振动，驱动器(13)，连接力矩电机(14)和作动器(15)以驱动力矩电机(14)和作动器(15)产生力矩和作动力，组合信号调理器(11)，连接压电片(9)和角度编码器(10)的组合信号调理器(11)将压电片(9)和角度编码器(10)的信号转换成为电压信号，关节控制器(12)，连接组合信号调理器(11)的关节控制器(12)获得测量的电压信号，并与参考信号比较，生成且发送控制信号到驱动器(13)以驱动力矩电机(14)和作动器(13)实现控制。...

【技术特征摘要】
1.一种浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于，分布式振动控制系统包括浮动柔性机械臂(2)和分布在所述浮动柔性机械臂(2)上的主动控制装置(8)，浮动柔性机械臂包括浮动基础(16)和设在所述浮动基础(16)上的柔性结构(3)，浮动基础(16)包括弹性元件(17)和阻尼器(18)，所述柔型结构(3)包括多个柔性机械臂(4)以及设在两个所述柔性机械臂(4)之间的关节(19)，主动控制装置(8)包括用于测量浮动基础(16)的基础振动的基础加速度计(6)、用于测量设在所述柔性结构最末端柔性机械臂的末端振动的末端加速度计(5)、IEPE调理器(7)、设在每个关节(19)上的关节控制装置(1)和用于数据交互且发送参考信号到每个关节控制装置(1)的上位机(20)，所述IEPE调理器(7)，连接所述基础加速度计(6)和末端加速度计(5)的IEPE调理器(7)将基础加速度计(6)和末端加速度计(5)的信号转换成为电压信号，所述关节控制装置(1)包括，压电片(9)，用于检测柔性机械臂(4)变形量的压电片(9)夹持在所述柔性机械臂(4)上，作动器(15)，作动器(15)用于控制柔性机械臂(4)的变形，角度编码器(10)，用于测量柔性机械臂(4)角度和低频角振动，力矩电机(14)，用于控制柔性机械臂(4)的角度和低频角振动，驱动器(13)，连接力矩电机(14)和作动器(15)以驱动力矩电机(14)和作动器(15)产生力矩和作动力，组合信号调理器(11)，连接压电片(9)和角度编码器(10)的组合信号调理器(11)将压电片(9)和角度编码器(10)的信号转换成为电压信号，关节控制器(12)，连接组合信号调理器(11)的关节控制器(12)获得测量的电压信号，并与参考信号比较，生成且发送控制信号到驱动器(13)以驱动力矩电机(14)和作动器(13)实现控制。2.根据权利要求1所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：优选的，分布式振动控制系统包括进行数据交互的数据总线和提供电能的电源线，所述弹性元件(17)为弹簧。3.根据权利要求1所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：IEPE调理器(7)和组合信号调理器(11)均为多通道调理器，所述作动器(15)为MFC作动器，所述压电片(9)为压电晶体。4.根据权利要求1所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：所述柔型结构(3)若为平面柔性结构则包括至少2个柔性机械臂，若为空间柔性结构则包括至少3个柔性机械臂。5.根据权利要求1所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：所述上位机(20)是中央处理器、网络处理器、数字信号处理器、专用集成电路或现场可编程门阵列，所述上位机(20)包括随机存取存储器、只读存储器、可编程只读存储器、可擦除只读存储器或电可擦除只读存储器。6.根据权利要求1所述的用于浮动柔性机械臂的分布式振动控制系统，其特征在于：基础加速度计(6)在两个方向等效的惯性力为Fbx和Fby，末端加速度计(5)在两个方向等效的惯性力为Ftx和Fty，由柔性机械臂(4)根部到末端所有关节编号依次为1，2，...，n，则每个关节(19)的作动器力为Fi(i＝1，2，...，n)，每个关节处两个臂的夹角为θi(i＝1，2，...，n)，受力平衡方程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金鑫，杨立娟，郭艳婕，张兴武，陈雪峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61