一种柔性空间机械臂振动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种柔性空间机械臂振动控制方法，由关节力矩计算得到返回波，返回波包含系统振动信息，返回波叠加在输入中，对输入进行实时整形，整形后的输入经过关节PD控制，控制机械臂运动，从而通过对返回波的吸收，达到振动抑制的目的；返回波计算中加入指数函数修正项，修正项具有快速衰减的特点，可以确保运动结束后，返回波接近于零。本发明专利技术有如下有益效果：通过对现有波形控制方法进行改进，尤其对返回波的计算方法进行了改进，在实现振动控制的同时保证位置跟踪精度；通过搭建柔性空间机械臂地面试验系统，本发明专利技术上述方法得到了验证。

A Vibration Control Method and System for Flexible Space Manipulator

The present invention relates to a vibration control method for flexible space manipulator. The return wave is obtained by calculating the joint moment. The return wave contains the vibration information of the system. The return wave is superimposed on the input, and the input is shaped in real time. The shaping input is controlled by the joint PD to control the motion of the manipulator, so as to achieve the purpose of vibration suppression by absorbing the return wave. By adding an exponential function correction term, the correction term has the characteristics of fast attenuation, which can ensure that the return wave is close to zero after the end of the motion. The invention has the following beneficial effects: by improving the existing waveform control method, especially the calculation method of return wave, the position tracking accuracy is guaranteed while the vibration control is realized; by building a ground test system of flexible space manipulator, the method is verified.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性空间机械臂振动控制方法及系统
本专利技术涉及机械臂控制领域，尤其涉及一种柔性空间机械臂振动控制方法及系统。
技术介绍
空间机械臂是航天器在轨组装与维护的核心装备。但由于空间机械臂操作空间大，质量轻等特点，造成柔性问题比较突出。机械臂的柔性会严重影响机械臂末端操作精度。因此对于柔性空间机械臂的振动控制非常重要。以往振动控制方法大部分依赖于精确的动力学模型，但当系统有不确定性或变化时，效果变差。波形控制是新兴起的以一种新的视角来处理离散柔性体的方法，它将柔性臂的运动看作波的传递，通过对执行器与柔性臂接口部分进行测量，计算出波的信息，通过对返回波的吸收，从而达到振动抑制的目的，因此波形控制非常适合对同时具有关节柔性和臂杆柔性的机械臂进行控制，与此同时，又不会增加控制系统的复杂性。与其他控制方法相比，波形控制不需要精确的物理模型，简单易实现，有较强的鲁棒性，能适用于不同的控制对象。但传统波形控制方法会产生较大静态误差。
技术实现思路
本专利技术提出一种改进的柔性空间机械臂振动控制方法及系统，实现柔性空间机械臂的振动控制，减小静态误差。本专利技术解决上述技术问题的柔性空间机械臂振动控制方法包括如下步骤：由关节力矩计算得到返回波，返回波包含系统振动信息，返回波叠加在输入中，对输入进行实时整形，整形后的输入经过关节PD控制，控制机械臂运动，从而通过对返回波的吸收，达到振动抑制的目的；返回波计算方法如下：其中θb(t)为返回位移，θ0(t)是指执行器输入期望值θd(t)的一半；τ0(t)为与执行器直接关联的柔性关节扭簧的力矩；Z为第一个单元的机械阻抗系数，可选为常值；k2代表e指数函数系数，t代表时间。在一些实施例中，柔性空间机械臂振动控制方法还可包括如下特征：k2的取值跟规划时间相关，具体计算方法如下：其中，T为机械臂关节运动时间；E为一个数值很大的量，其值跟系统控制精度相关。使得执行器能够跟踪输入值，从而使得将电机转角和关节力矩将作为反馈信息参与到返回位移的计算中，即其中Θw为关机电机的实际输入值，它通过利用波形控制器将期望输入进行整形得到。通过PD控制得到电机输出力矩τs，即Kp和Kd分别为比例和微分控制系数矩阵。进一步地，对于点到点的运动，系统的最终稳定状态为且本专利技术的柔性空间机械臂振动控制系统，其特征在于：包括上位机、中央控制器、关节控制器、空间机械臂模拟装置和传感系统，上位机用于完成轨迹规划和控制算法生成，中央控制器用于将生成的控制指令传送给各个关节控制器，然后关节控制器通过伺服算法驱动各关节运动，空间机械臂在关节作用下实现特定的运动，传感系统用于将当前状态反馈给关节控制器和中央控制器；其中，控制算法采用上述的算法。在一些实施例中，柔性空间机械臂振动控制系统还可包括如下特征：所述传感系统包括关节电机编码器、关节力矩传感器、陀螺仪和压电陶瓷。所述用于接收中央控制器的指令，并进行关节伺服控制；所述关节伺服控制采用PID控制，包含速度环、位置环，并在此基础上，加入振动控制算法；同时关节控制器负责采集绝对式编码器、增量式编码器以及力矩传感器的信息，并进行滤波处理，作为关节伺服控制的反馈信号。本专利技术有如下有益效果：通过对现有波形控制方法进行改进，尤其对返回波的计算方法进行了改进，返回波计算中加入指数函数修正项，修正项具有快速衰减的特点，可以确保运动结束后，返回波接近于零。在实现振动控制的同时保证位置跟踪精度。通过搭建柔性空间机械臂地面试验系统，本专利技术上述方法得到了验证。附图说明图1是本专利技术实施例离散柔性系统波形控制模型示意图。图2是本专利技术实施例柔性空间机械臂振动控制方案示意图。图3是本专利技术实施例的双连杆柔性空间机械臂系统示意图。图4是本专利技术实施例关节2返回波计算数值实验结果。图5是本专利技术实施例关节2角度反馈实验结果。图6是本专利技术实施例连杆1振动产生的压电电压波形图。图7是本专利技术实施例连杆2振动产生的压电电压波形图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行举例说明。1.振动控制方法振动波控制是一种新的具有突破意义的控制方法。这种方法仅需要知道系统的部分模型而不依赖于整个模型，因此既适用于简单系统也适用于复杂的系统。其核心思想是将柔性运动看作两个相反方向的波运动的叠加，一个定义为发射波另一个定义为返回波。对于执行器为电机的柔性空间机械臂，如图1所示，其执行器输入由两部分组成。θw(t)＝θa(t)+θb(t)\*MERGEFORMAT(1)\*MERGEFORMAT(1)表示公式(1)，以下类推；式中θa(t)——发射位移，其值为输入期望值θd(t)的一半，即在方程(1)中，θb(t)被称为返回位移。返回位移的计算非常关键因为它与振动能量的吸收直接相关。传统的计算方式如下：由式(3)可以看出θb(t)由两部分组成，第一部分(第一部分是指θ0(t)/2。θ0(t)是指执行器(即电机)当前转角)实现期望输入的另一半，第二部分与返回柔性关节力矩积分相关。τ0(t)为与执行器直接关联的柔性关节扭簧(执行器、扭簧、第一个单元、关节等部件见图1)的力矩。Z为第一个单元的机械阻抗系数，可选为常值。对于图1所示的集中转动质量系统可选其中k为扭簧刚度，I为第一个单元的转动惯量。将θb(t)对时间微分，可知θb(t)中的第二项导致执行器通过适当的阻尼系数提供了主动振动阻尼。执行器对柔性系统振动的阻尼作用不依赖于Z值的大小，因此Z的值是否精确对于系统的振动抑制并不是很重要。这也说明了波形控制方法具有很强的鲁棒性。关节力矩在一定程度上反映了柔性体的振动信息，随着振动的衰减，关节力矩逐渐趋于零，但是由于运动是初始时刻向某一个方向偏转，整个过程中关节力矩并不是完全对称的，因此对力矩的积分并不完全为零，而返回波中包含了力矩的积分，不可避免地关节跟踪最终会有一定的稳态误差。为了解决这一问题，提出一种改进的返回波计算方法：由指数函数性质可知，修正项具有快速衰减的特点，可以确保运动结束后，返回波接近于零。如果系数k2太小(k2代表e指数函数系数)，关节位置跟踪到达期望位置的时间会很长，而如果系数k2太大，返回波会迅速衰减为零，也就无法起到抑制的作用。所以k2的取值跟规划时间相关，具体计算方法如下：其中，T为机械臂关节运动时间；E为一个数值很大的量，其值跟系统控制精度相关，对于机械臂关节而言，可取E＝10000。假设执行器(即电机)能够跟踪输入值(实际系统多少会存在一定延时，但对于延时比较小的系统并不会影响该方法的振动抑制效果)，即θ0(t)＝θw(t)\*MERGEFORMAT(6)将式(1)、(2)和(4)代入式(6)可得：当系统内没有振动传递时，即振动彻底阻尼掉后，执行器输出端的转角与参考输入相等。因此，波形控制能够保证执行器到达稳态期望位置且抑制掉系统内的振动。柔性空间机械臂振动控制方案如图2所示，由关节力矩计算得到返回波，返回波包含系统振动信息，返回波叠加在输入中，对输入进行实时整形，整形后的输入经过关节PD控制(比例微分控制)，控制机械臂运动。波形控制主要实现系统的快振动抑制，PD实现关节轨迹跟踪。波形控制部分主要依据波形控制原理，将关节轨迹规划得到的期望值Θd进行处理(此处的Θ与上文的θ的关系：θ为单变量，Θ为向量，由多个θ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性空间机械臂振动控制方法，由关节力矩计算得到返回波，返回波包含系统振动信息，返回波叠加在输入中，对输入进行实时整形，整形后的输入经过关节PD控制，控制机械臂运动，从而通过对返回波的吸收，达到振动抑制的目的；其特征在于：返回波计算方法如下：

【技术特征摘要】
1.一种柔性空间机械臂振动控制方法，由关节力矩计算得到返回波，返回波包含系统振动信息，返回波叠加在输入中，对输入进行实时整形，整形后的输入经过关节PD控制，控制机械臂运动，从而通过对返回波的吸收，达到振动抑制的目的；其特征在于：返回波计算方法如下：其中θb(t)为返回位移，θ0(t)是指执行器输入期望值θd(t)的一半；τ0(t)为与执行器直接关联的柔性关节扭簧的力矩；Z为第一个单元的机械阻抗系数，可选为常值；k2代表e指数函数系数，t代表时间。2.如权利要求1所述的柔性空间机械臂振动控制方法，其特征在于：k2的取值跟规划时间相关，具体计算方法如下：其中，T为机械臂关节运动时间；E为一个数值很大的量，其值跟系统控制精度相关。3.如权利要求1所述的柔性空间机械臂振动控制方法，其特征在于：使得执行器能够跟踪输入值，从而使得4.如权利要求1所述的柔性空间机械臂振动控制方法，其特征在于：将电机转角和关节力矩将作为反馈信息参与到返回位移的计算中，即其中Θw为关机电机的实际输入值，它通过利用波形控制器将期望输入进行整形得到。5.如权利要求4所述的柔性空间机械臂振动控制方法，其特征在于：通过PD控制得到电机输出力矩τs，即Kp和...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟得山，李亚南，王学谦，梁斌，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44