本发明专利技术公开了一种气动驱动二自由度柔性机械臂装置和控制方法。该装置包括柔性机械臂本体、气动驱动部分和控制部分。柔性机械臂本体一端为自由端，另一端为固定端，固定端通过摆动法兰盘机械连接装置安装在摆动气缸的摆动法兰盘上。摆动气缸的转动角度由光电编码器检测，无杆移动气缸的位移由线性光栅尺检测。在柔性机械臂固定端粘贴有多片压电陶瓷片分别作为压电片传感器和压电驱动器，自由端安装一只加速度传感器。压电传感器或加速度传感器可检测柔性机械臂的振动。气动驱动部分由两个气动通路构成，分别用于驱动无杆移动气缸的移动和摆动气缸的摆动。控制部分，用于处理检测到的柔性机械臂移动、转动、振动信号并做出相应的处理。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及柔性机器人领域，特别涉及一种。
技术介绍
机械臂作为人类现代自动化工业的重要工具，由于它的工作空间大、灵活性好、可以在人类无法到达的环境下工作等优点，在航天、高精度机械加工及测量、医疗器械等领域得到了广泛的应用。相对于常用的刚性机械臂，柔性机械臂具有质量轻、负载大、灵巧、能耗低、效率高等优点，但由于柔性机械臂细长、质量轻、刚度低、柔性大等特点，其在工作过程中极易产生长时间持续的低频大幅值振动，严重影响机械臂的正常工作。近年来，柔性机械臂的振动主动控制研究得到了国内外的普遍关注，柔性结构的振动测量和主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题。气动技术与其他的传动和控制方式相比，有如下优点气动装置结构简单、轻便、 安装维护简单，压力等级低，使用安全。工作介质是空气，排气处理简单，不污染环境，成本低。输出力以及工作速度的调节非常容易。可靠性高，使用寿命长。全气动控制具有防火、 防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。气动控制回路有进口节流和出口节流的方式，系统的排气是采用伺服阀、比例阀、以及高速开关阀的控制方式来实现控制的，如PWM (脉冲宽度调制)和PCM (脉冲编码调制)控制方式。气动控制摆动气缸及移动气缸驱动时，与伺服电机驱动相比，不需要减速器等。这样，既降低了成本，又不会引入传动间隙等影响精度的因素。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于气动驱动的二自由度柔性机械臂装置和控制方法，使得柔性机械臂有较大的工作空间并使之在工作过程中能稳定、 准确、快速的到达预设定的工作位置和姿态，并快速抑制振动。该专利技术的另一个目的是给出一种在建模及控制方面相对复杂的系统，为研究复杂控制算法提供试验装置。为达到上述目的，本专利技术采用如下的方法和技术方案一种气动驱动二自由度柔性机械臂装置包括柔性机械臂本体、气动驱动部分和控制部分——柔性机械臂本体包括柔性机械臂6，其一端为自由端，另一端为固定端，固定端通过摆动法兰盘机械连接装置5安装在摆动气缸3的摆动法兰盘上；摆动气缸3，其摆动法兰盘通过联轴器25与固定在基座上的光电编码器4的转轴相连， 用于检测无杆摆动气缸3的转动角度；无杆移动气缸1，其安装在固定基座上，其滑块与摆动气缸3的基座连接，且与线性光栅尺2的滑块相连，用于检测无杆移动气缸1的位移；压电片传感器8和压电驱动器9，粘贴在柔性机械臂6的固定端； 加速度传感器7，安装在柔性机械臂6的自由端； 压电传感器8或加速度传感器7可以检测柔性机械臂振动；——气动驱动部分，由两个气动通路构成，分别用于驱动摆动气缸3的摆动和无杆移动气缸1的移动；——控制部分，用于处理检测到的柔性机械臂6转动、移动、振动信号并做出相应的处理。所述压电驱动器9由4片压电片在柔性机械臂6的两面对称粘贴，每面2片，并联连接；所述压电片传感器8为1片，靠近柔性机械臂6固定端长轴方向的中间位置。所述气动驱动部分的气泵20产生的高压气体通过气动三联件21稳压后提供气源给两个气动通路——气动通路I，一个气动减压阀22与气动三联件21连接后与气动比例阀23的一个端口连接，气动比例阀23的另外两个端口分别与摆动气缸3的左气腔和右气腔连接，用于驱动摆动气缸3的摆动；——气动通路II，三个气动减压阀22与气动三联件21连接后，其中两个气动减压阀 22与气动两位五通阀18的两个端口直接连接，另外一个气动减压阀22连接气动单向阀19 后分两路，一路与气动两位五通阀18 —个端口连接，另一路与气动PCM阀17连接，构成系统的排气调节出口，两位五通阀18另外两个端口分别与无杆移动气缸1的左气腔和右气腔连接，用于驱动无杆移动气缸1的移动。所述气动PCM阀17是由一组气动开关阀串联气动节流阀后并联连接在一起组成的，气动节流阀的流通截面积设定为1 :2 4 8 …2n的比例。所述的气动驱动二自由度柔性机械臂的装置的控制部分包括摆动气缸3转动角度控制系统、无杆移动气缸1移动控制系统及柔性机械臂6振动测量和主动控制系统——摆动气缸3转动角度控制系统，通过光电编码器4检测到摆动气缸法兰盘的转角信号，经由多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13通道I输入到ARM控制器14，产生控制信号，经由多通道D/A转换电路15通道II输出到气动比例阀23，调节气动比例阀23的换向和进排气流量，从而控制柔性机械臂6的转动；——无杆移动气缸1移动控制系统，通过线性光栅尺2检测移动滑块的位置信号，经由多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13通道II输入到ARM控制器14，产生控制信号，经由开关阀驱动电路16输出到气动两位五通阀18和气动PCM阀17，调节两位五通阀18换向和气动PCM阀17排气流量，从而控制柔性机械臂6的移动；——柔性机械臂6振动测量和主动控制系统，通过压电片传感器8或加速度传感器7 检测柔性机械臂6的振动信号，经由低频电荷放大器11、A/D转换电路12输入到ARM控制器14，产生控制信号，经由多通道D/A转换电路15通道I、压电陶瓷电压放大器10输出到压电驱动器9，从而抑制柔性机械臂6的振动。所述装置进行气动驱动二自由度柔性机械臂的控制方法具体步骤如下 第一步利用相应检测元件检测柔性机械臂6的转角信号或位移信号；第二步将步骤一采集到的信号经过多通道四倍频、辨向脉冲计数电路13后进入ARM 控制器14进行处理，并得到相应的反馈信号；第三步将步骤二得到的转角反馈信号经多通道D/A转换电路15通道II作用到相应的控制柔性机械臂6转动气动元件上，进而控制柔性机械臂6的转动；将步骤二得到的移动反馈信号经开关阀驱动电路16作用到相应的控制柔性机械臂6移动气动元件上，进而控制柔性机械臂6的移动。所述的气动驱动二自由度柔性机械臂的控制方法为多通道的检测和控制，柔性机械臂6的振动可以采用压电驱动器9抑制，也可采用摆动气缸3的伺服动作同时实现定位和振动控制。本专利技术相对于现有技术具有如下优点和有益效果(1)采用柔性机械臂相比于刚性机械臂而言，系统的质量轻、能耗低、结构简单。(2)采用无杆移动气缸和摆动气缸复合驱动柔性机械臂结构，使得柔性机械臂既可以在空间上实现位置移动，又可以改变指向，因此比单自由度移动的柔性臂具有较大的工作空间。(3)采用气动控制回路，使之系统具有结构简单、效率高、无污染的优点。(4)无杆移动气缸气动回路，采用气动PCM阀进行排气节流控制方式，在既不减低气缸位置控制精度的前提下，又可以降低气动回路的成本。(5)摆动气缸气动回路，采用气动比例阀进行控制，气动回路结构简单，控制精度尚ο(6)本装置是一个多输入一多输出的系统，而且各控制之间相互耦合，很好地模拟复合直线移动和旋转运动柔性机器人的刚柔耦合振动控制。(7)本装置既可以采用单一的SISO组合控制方式，又可以采用MIMO复合控制策略，从而实现柔性机械臂稳定、准确、快速的工作，为验证多种复杂控制策略提供一个很好的平台。附图说明图1是本专利技术柔性机械臂装置总体结构示意图。图中示出1一无杆移动气缸，2-线性光栅尺，3-摆动气缸，4-光电编码器， 5—摆动法兰盘机械连接装置，6—柔性机械臂，7—加速度传感器，8—压电片传感器， 9-压电驱动器，10-压电陶瓷驱动电压放大器，11-低频电荷放大器本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种气动驱动二自由度柔性机械臂的装置，其特征在于该装置包括柔性机械臂本体、气动驱动部分和控制部分：——柔性机械臂本体包括：柔性机械臂（６），其一端为自由端，另一端为固定端，固定端通过摆动法兰盘机械连接装置（５）安装在摆动气缸（３）的摆动法兰盘上；摆动气缸（３），其摆动法兰盘通过联轴器（２５）与固定在基座上的光电编码器（４）的转轴相连；无杆移动气缸（１），安装在固定基座上，其滑块与摆动气缸（３）的基座连接，且与线性光栅尺（２）的滑块相连；压电片传感器（８）和压电驱动器（９），粘贴在柔性机械臂（６）的固定端；加速度传感器（７），安装在柔性机械臂（６）的自由端；——气动驱动部分，由两个气动通路构成，分别用于驱动摆动气缸（３）的摆动和无杆移动气缸（１）的移动；——控制部分，用于处理检测到的柔性机械臂（６）转动、移动、振动信号并做出相应的处理。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邱志成，王斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81
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