本實(shí)用新型涉及柔性機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種二自由度閉鏈柔性機(jī)構(gòu)振動測量控制裝置。

背景技術(shù)：

目前，在機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域中，由于機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)化，傳統(tǒng)的剛性部件機(jī)器人已經(jīng)無法滿足在維持高速、重載、高精度的同時保持其自身運(yùn)動的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。此外，在航空應(yīng)用、車載機(jī)器人、建筑方面逐漸輕質(zhì)化的要求，因此產(chǎn)生柔性化機(jī)器臂的設(shè)計(jì)與實(shí)用新型。柔性分為兩種：桿性柔性和關(guān)節(jié)柔性。在引入柔性的同時，為機(jī)器臂增加了額外的自由度。相比剛性機(jī)械臂，具有結(jié)構(gòu)輕、載重/自重比高等特性，因而具有低能耗、大操作空間和高效率，其響應(yīng)快速而準(zhǔn)確。但是，柔性臂具有一個比較致命的缺陷，即其自身的剛性較低，在機(jī)構(gòu)運(yùn)行中不可避免的出現(xiàn)柔性變形以及因此引發(fā)的振動，對機(jī)構(gòu)的運(yùn)行產(chǎn)生不可忽視的影響。同時，當(dāng)柔性機(jī)械臂在整體結(jié)構(gòu)中處于不同位置或是扮演不同結(jié)構(gòu)時，其對系統(tǒng)的影響也各不相同。目前，對于柔性臂振動控制的簡易方法是在其上安裝有壓電片和壓電驅(qū)動器以通過負(fù)反饋的方式進(jìn)行振動抑制。

采用電機(jī)驅(qū)動，同樣具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢：精度高、穩(wěn)速性能好、定位精度高以及響應(yīng)時間快等優(yōu)勢，伺服電機(jī)經(jīng)過行星減速器與絲杠后和柔性臂相結(jié)合，可以達(dá)到高精度運(yùn)行，同時在振動測量與控制方面，伺服電機(jī)所具有的高精度比氣動驅(qū)動更有優(yōu)勢。在柔性臂設(shè)計(jì)與控制中選用氣動驅(qū)動還是電氣驅(qū)動，則可以根據(jù)所要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度及現(xiàn)有裝置決定，其選擇并不具有單一性。因此，本實(shí)用新型提出一種應(yīng)用伺服電機(jī)和行星減速器與絲杠導(dǎo)軌驅(qū)動，剛?cè)狁詈线\(yùn)動和振動控制的二自由度閉鏈機(jī)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型提供一種二自由度閉鏈柔性機(jī)構(gòu)振動測量控制裝置。

本實(shí)用新型通過合適的連桿長度選擇和布局，生成了一套曲柄滑塊絲桿運(yùn)動機(jī)構(gòu)。絲杠作為柔性連桿輸入驅(qū)動部分帶動柔性桿進(jìn)行擺動，平面五桿為雙柔性支架和剛性曲柄，同時在剛性曲柄處同樣安裝有伺服電動機(jī)用以確定整體運(yùn)動狀態(tài)。通過柔性支架上的加速度傳感器檢測在運(yùn)行過程中柔性桿的振動變形情況，同時應(yīng)用控制系統(tǒng)加以反饋抑制實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行狀態(tài)。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種二自由度閉鏈柔性機(jī)構(gòu)振動測量控制裝置，包括柔性機(jī)構(gòu)本體部分、信號檢測驅(qū)動部分及信號控制部分；

柔性機(jī)構(gòu)本體部分，包括靜平臺，所述靜平臺上設(shè)置絲桿導(dǎo)軌，所述絲桿導(dǎo)軌上設(shè)置滑塊，所述滑塊通過帶轉(zhuǎn)軸的法蘭連接盤與長柔性桿連接，長柔性桿繞滑塊自由旋轉(zhuǎn)，所述長柔性桿的延長線上安裝有柔性伸出梁，在長柔性桿與柔性伸出梁的連接處通過轉(zhuǎn)軸錯位連接短柔性桿，所述短柔性桿的另一端通過轉(zhuǎn)軸與剛性曲柄的一端連接，作為輸入端的曲柄；

還包括兩個帶編碼盤的交流伺服電機(jī)，分別為第一交流伺服電機(jī)及第二交流伺服電機(jī)，所述第一交流伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲桿導(dǎo)軌連接，所述第二交流伺服電機(jī)通過行星減速器驅(qū)動剛性曲柄的轉(zhuǎn)動，

信號檢測驅(qū)動部分：包括壓電片傳感器、加速度傳感器及壓電驅(qū)動器，所述長柔性桿及短柔性桿的中間位置粘貼壓電片傳感器，所述長、短柔性桿的兩端均粘貼壓電驅(qū)動器，所述柔性伸出梁末端粘貼加速度傳感器；

信號控制部分：包括運(yùn)動控制卡、工控計(jì)算機(jī)、電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、伺服電機(jī)驅(qū)動器及壓電陶瓷驅(qū)動電源；

所述壓電傳感器及加速度傳感器檢測的柔性桿應(yīng)變信息經(jīng)過電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器后輸入到工控計(jì)算機(jī)得到應(yīng)變反饋信息，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器、壓電陶瓷驅(qū)動電源進(jìn)行電壓放大后輸出到壓電驅(qū)動器抑制長、短柔性桿的振動；

所述編碼盤檢測的信號經(jīng)過運(yùn)動控制卡解算后得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)角的位移信息輸入到工控計(jì)算機(jī)，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器輸入伺服電機(jī)驅(qū)動器控制第一、第二交流伺服電機(jī)。

所述長柔性桿及短柔性桿的兩端均安裝有剛性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

還包括限位開關(guān)，安裝在絲桿導(dǎo)軌兩側(cè)。

所述壓電驅(qū)動器粘貼在長、短柔性桿距離固定端5mm處，所述加速度傳感器粘貼在距離柔性伸出梁末端10mm處，單面安裝。

一種二自由度閉鏈柔性機(jī)構(gòu)振動測量控制裝置的控制方法，包括如下步驟：

第一步：運(yùn)動過程中，壓電片傳感器采集長柔性桿及短柔性桿壓力應(yīng)變電荷獲得柔性桿變形信息，加速度傳感器采集長柔性桿的加速度信息；

第二步：第一步獲得的加速度信息及壓電片產(chǎn)生的應(yīng)變電荷經(jīng)過電荷放大器后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到工控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理與分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到輸出至壓電驅(qū)動器的應(yīng)變反饋電壓；

第三步：將電機(jī)編碼盤檢測的信號經(jīng)過運(yùn)動控制卡解算后，得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移信息，作為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角位移和整個機(jī)構(gòu)構(gòu)型定位的信號，用來反饋控制交流伺服電機(jī)；

第四步：將第二步和第三步獲得的相應(yīng)信號，輸入到工控計(jì)算機(jī)運(yùn)行控制算法，計(jì)算得出運(yùn)動控制的控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號后輸出到伺服電機(jī)驅(qū)動器后驅(qū)動交流伺服電動機(jī)，用于控制其轉(zhuǎn)動；而另一路，將控制其產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器及壓電陶瓷驅(qū)動電源后輸入到壓電驅(qū)動器中，以抑制其彈性振動。

本實(shí)用新型的有益效果：

(1)本設(shè)計(jì)的驅(qū)動部分采用交流伺服點(diǎn)電動機(jī)，具有精度高、定位精度高、穩(wěn)速性能好、響應(yīng)時間快、運(yùn)行穩(wěn)定及過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中具有非常關(guān)鍵的地位，結(jié)合絲杠傳動可以極大地提高滑塊運(yùn)行精度和速度精度，從而提高整體控制過程的精度。

(2)采用絲杠導(dǎo)軌傳動，由于傳動距離相對較短，可以有效地規(guī)避長距離傳輸中絲杠可能會出現(xiàn)的振動變形問題，同時，絲杠傳動還具有運(yùn)動平穩(wěn)、高精度，高傳動效率、同步性好和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。而且，絲杠的應(yīng)用可以將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)的滑塊直線運(yùn)動，并作為驅(qū)動整個機(jī)構(gòu)的動力部分，具有極大的優(yōu)勢。同時，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)采用行星減速聯(lián)軸器與絲杠對伺服電機(jī)同時進(jìn)行限速處理，使柔性連桿的柔性變形在可控范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生過大變形以影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；原本高轉(zhuǎn)速輸出的伺服電機(jī)受到兩次減速影響使其輸出到柔性連桿及剛性曲柄機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩較為合適，同時使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍增大，提高了轉(zhuǎn)速調(diào)整精度，從而提高整個實(shí)驗(yàn)精度，同樣控制曲柄轉(zhuǎn)速的伺服電機(jī)同樣經(jīng)過減速處理以防止出現(xiàn)大轉(zhuǎn)速曲柄。

(3)本實(shí)用新型中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中采用雙柔性連桿作為連接件以驅(qū)動剛性曲柄，具有質(zhì)量、能耗低、結(jié)構(gòu)簡單及轉(zhuǎn)動速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時便于測量曲柄滑塊運(yùn)動中連桿的振動和彎曲變形。而且柔性連桿具有變形較大，振動明顯等優(yōu)勢，相比于剛性桿更適合應(yīng)用于振動測試中。

(4)系統(tǒng)采用單一驅(qū)動元件，即僅通過交流伺服電機(jī)輸入力矩，控制回路較為簡單，可以避免多回路干涉，提高控制精度，降低控制難度。同時，柔性臂自身壓力應(yīng)變驅(qū)動的存在能抑制柔性臂的變形與振動，有利于提高整體精度。

(5)整個機(jī)構(gòu)為閉環(huán)傳動鏈設(shè)計(jì)，閉環(huán)設(shè)計(jì)相對開環(huán)設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生反饋信號對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)與修正，相比開環(huán)具有精確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時可以減少系統(tǒng)誤差，有利于提高整個振動控制過程的精度。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的工作結(jié)構(gòu)圖；

圖2是圖1中的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1-圖2所示，一種二自由度閉鏈柔性機(jī)構(gòu)振動測量控制裝置，包括柔性機(jī)構(gòu)本體部分、信號檢測驅(qū)動部分及信號控制部分；

所述柔性機(jī)構(gòu)本體部分，包括靜平臺，靜平臺用于支撐整個機(jī)構(gòu)的剛性平臺，所述靜平臺上設(shè)置絲桿導(dǎo)軌13，絲桿導(dǎo)軌上安裝有滑塊1，將絲桿導(dǎo)軌的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動，還包括兩個帶編碼盤的交流伺服電機(jī)11、14，所述電機(jī)驅(qū)動行星減速器機(jī)構(gòu)，分別為第一交流伺服電機(jī)14及第二交流伺服電機(jī)11，絲桿導(dǎo)軌的一端安裝有第一交流伺服電機(jī)，通過聯(lián)軸器15與絲桿導(dǎo)軌連接，將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞給滑塊1的直線運(yùn)動，絲桿導(dǎo)軌兩側(cè)安裝有限位開關(guān)通過控制第一交流伺服電機(jī)14的順逆旋轉(zhuǎn)以保證滑塊1能在絲桿導(dǎo)軌13上實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。同時，在此處，由于第一交流伺服電機(jī)14在聯(lián)軸器15和絲桿13的共同作用下，原本高轉(zhuǎn)速輸出的第一伺服交流電機(jī)14經(jīng)過絲杠減速影響使其輸出到柔性連桿及剛性曲柄機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩較為合適，同時使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍增大，提高了轉(zhuǎn)速調(diào)整精度，從而提高整個實(shí)驗(yàn)精度。

所述靜平臺由若干長度不一的鋁型材和基板組成，在本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖中隱藏了靜平臺，所述滑塊與法蘭連接盤2連接，法蘭連接盤2上安裝長柔性桿3，能夠繞絲桿導(dǎo)軌滑塊自由旋轉(zhuǎn)；長柔性桿3作為連桿的輸入部分負(fù)責(zé)將運(yùn)動傳遞到整體桿組運(yùn)行中。在長柔性桿3的延長線上安裝有柔性伸出梁5，在長柔性梁與柔性伸出梁5的連接處通過轉(zhuǎn)軸錯位連接短柔性桿7一端，所述短柔性桿7的另一端通過轉(zhuǎn)軸與剛性曲柄9的一端連接，作為輸入端的剛性曲柄，其另一端通過行星減速器10與第二交流伺服電機(jī)11連接，將力矩傳遞到曲柄上。剛性曲柄具體通過法蘭盤12與行星減速器連接，所述長柔性桿3及短柔性桿7的兩端均安裝有剛性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。由于采用錯位連接，即各柔性連桿與剛性曲柄并不處于同一水平面上，但其投影卻可以構(gòu)成閉鏈機(jī)構(gòu)。不過，由于柔性連桿在垂直方向上的剛性較大，其變形可以忽略不計(jì)，并不影響柔性臂的振動測量，故整體機(jī)構(gòu)可以看做平面五桿運(yùn)動處理。

所述信號檢測驅(qū)動部分，包括壓電片傳感器8、加速度傳感器6及壓電驅(qū)動器4，所述長柔性桿的延長線末端粘貼加速度傳感器6，距柔性伸出梁5伸出末端10mm，單面粘貼，用于檢測長柔性桿的振動，安裝根據(jù)理論力學(xué)的原理，柔性伸出梁末端所檢測到的加速度信號可以轉(zhuǎn)換為柔性伸出梁5的線加速度數(shù)值。

所述長、短柔性桿的兩端均粘貼壓電驅(qū)動器4，所述壓電驅(qū)動器具體為陶瓷壓電驅(qū)動片，雙面粘貼，具體安裝在距離柔性梁固定端根部5mm處，呈對稱分布，姿態(tài)角0度；

所述長柔性桿及短柔性桿的中間位置粘貼壓電片傳感器8，單面粘貼，姿態(tài)角為0度。

第一、第二交流伺服電機(jī)的編碼盤用于檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)際的角位移，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)解算得到每個電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移，形成反饋控制，從而對伺服電機(jī)進(jìn)行輸出控制。

信號控制部分：包括運(yùn)動控制卡22、工控計(jì)算機(jī)21、電荷放大器19、A/D轉(zhuǎn)換器20、D/A轉(zhuǎn)換器18、伺服電機(jī)驅(qū)動器17及壓電陶瓷驅(qū)動電源16；

所述壓電傳感器及加速度傳感器檢測的柔性桿應(yīng)變信息經(jīng)過電荷放大器、A/D轉(zhuǎn)換器后輸入到工控計(jì)算機(jī)得到應(yīng)變反饋信息，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器、壓電陶瓷驅(qū)動電源進(jìn)行電壓放大后輸出到壓電驅(qū)動器抑制長、短柔性桿的振動；

所述編碼盤檢測的信號經(jīng)過運(yùn)動控制卡解算后得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)角的位移信息輸入到工控計(jì)算機(jī)，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器輸入伺服電機(jī)驅(qū)動器控制第一、第二交流伺服電機(jī)。

圖1中的實(shí)現(xiàn)表示電動控制回路，控制回路的信號源分別為來自長柔性桿3的壓電片傳感器的壓力應(yīng)變信號、短柔性連桿7的壓電片傳感器的壓力應(yīng)變信號和柔性伸出梁5的加速度信號，三種信號同時輸入電荷放大器19以及A/D轉(zhuǎn)換器20中進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換處理已達(dá)到可以被控制中心處理的相應(yīng)信號形式。然后，輸入工控計(jì)算機(jī)21進(jìn)行分析處理。

此處，三種信號同時輸入但卻互不干涉，壓力應(yīng)變信號用以控制壓電驅(qū)動器4以抑制柔性連桿的振動與變形，而加速度信號側(cè)重于對比參照作用，用于衡量加速度與柔性梁振動變形的關(guān)系，并對當(dāng)前加速度下的振動進(jìn)行評估分析已調(diào)整伺服電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。將從工控計(jì)算機(jī)21中處理分析的信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化器18后分別輸入至不同位置，輸出的電壓信號經(jīng)過壓電陶瓷驅(qū)動電源16放大電壓后傳導(dǎo)至兩柔性桿的壓電驅(qū)動器4上以控制其抑制柔性臂的柔性應(yīng)變，已調(diào)整整體的運(yùn)行速度，此處輸出信號分為兩路傳至兩處電機(jī)中。同時，兩個電機(jī)帶有的編碼盤測量其轉(zhuǎn)動角度信息，通過運(yùn)動控制卡22解算后輸入到工控計(jì)算機(jī)作為反饋信號，運(yùn)行控制算法后得到控制量輸出電信號經(jīng)過伺服電機(jī)驅(qū)動器17后輸入至伺服電機(jī)11中用以控制其輸出轉(zhuǎn)速，兩個伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不同。

一種二自由度閉鏈柔性機(jī)構(gòu)振動測量控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

第一步：通過長、短柔性桿上的壓電片傳感器采集柔性桿的變形信息，同時，加速度傳感器采集長柔性桿的加速度信息；

第二步，將第一步獲得變形信息及加速度信息經(jīng)過電荷放大器放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后輸入到工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析；

第三步，將電機(jī)編碼盤檢測的信號經(jīng)過運(yùn)動控制卡解算后，得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移信息，輸出到工控計(jì)算機(jī)，作為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角位移和整個機(jī)構(gòu)構(gòu)型定位的信號；

第四步：將第二步和第三步獲得的相應(yīng)信號，輸入到工控計(jì)算機(jī)運(yùn)行控制算法，計(jì)算得出運(yùn)動控制的控制信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號后輸出到伺服電機(jī)驅(qū)動器后驅(qū)動交流伺服電動機(jī)，用于控制其轉(zhuǎn)動；而另一路，將控制其產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器及壓電陶瓷驅(qū)動電源后輸入到壓電驅(qū)動器中，以抑制其彈性振動。

粘貼于柔性梁的壓電陶瓷片幾何尺寸為40mm×20mm×3mm，此處長短連桿尺寸相同。壓電陶瓷片傳感器實(shí)質(zhì)也為壓電陶瓷片，長柔性連桿壓電片傳感器的幾何尺寸為20mm×12mm×2mm，而短柔性連桿的壓電片傳感器為18mm×9mm×2mm。壓電陶瓷材料的彈性模量為Ep＝63Gpa，d31＝-166pm/V。加速度傳感器選用B&K公司的4393型電荷加速度計(jì)。

絲杠驅(qū)動電機(jī)和曲柄驅(qū)動電機(jī)選選用三菱HCMF43型交流伺服電機(jī)，其聯(lián)軸器選用紐卡特的PLNP系列；其行星聯(lián)軸器選用紐卡特的PLFE型法蘭行星減速器，滾珠絲桿13選用日本THK公司生產(chǎn)的LM滾動導(dǎo)軌智能組合單元KR型的結(jié)構(gòu)，行程600mm絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)；。

低頻電荷放大器可選用江蘇聯(lián)能電子有限公司的YE5850型電荷放大器；多路壓電陶瓷驅(qū)動電源16可選用型號為APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器。D/A轉(zhuǎn)換卡具有多路模擬量輸入模塊；因此固高運(yùn)動控制器選用固高公司生產(chǎn)的GTS-400-PV-PCI系列運(yùn)動控制器，該運(yùn)動控制器具有8軸資源通道(各軸信號帶有1路模擬量輸出，增量式編碼器輸入，電機(jī)控制輸出及報(bào)警復(fù)位功能)，光耦隔離通用數(shù)字信號輸入和輸出各有16路，2路四倍頻增量式輔助編碼器輸入，8路A/D模擬量采樣輸入，模擬量輸入輸出的電壓范圍是：-10V～+10V。計(jì)算機(jī)選用CPU型號I7的計(jì)算機(jī)。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。