一种双柔性机器人同步运动控制装置与方法与流程

本发明涉及柔性机器人领域，特别涉及一种双柔性机器人同步运动控制装置与方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人技术不断朝着轻质、高速度和高精度的方向发展，特别是进入二十一世纪以来，人类对太空的探索不断深入，考虑到外太空环境的恶劣和复杂性以及宇航员自身安全，在执行复杂的空间探索和操作任务时，十分有必要采用结合航空技术和机器人技术的机械臂结构来代替航天员完成这些任务。因此对机械臂的结构设计和振动控制技术的研究已经成为机器人技术和航空航天领域的一个重要研究方向。

传统的工业机器人为了避免产生定位误差和机械振动，手臂一般都被设计成刚性结构，随着航天事业的飞速发展，空间机械臂索要完成的任务复杂度日益增加，其对结构和性能的要求也越来越高，复杂的任务使得空间机械臂的结构越来越大，另一方面为了降低航天成本和机械臂能量消耗，并且保证其灵活性，空间机械臂往往采用新型轻质材料制造，因此，空间机械臂朝着低刚度、高精度和柔性化的趋势发展。从单自由度的柔性机械臂开始，柔性机械臂的研究发轫于上世纪80年代，随着机械臂所执行的任务越来越复杂，单自由度的柔性机械臂无法满足使用需要，两自由度柔性机械臂的研究随之兴起，其中最为著名的为加拿大航空署为国际空间站设计的加拿大臂二号(ssrms-2)，与传统的刚性机械臂相比，柔性机械臂具有轻质、高响应速度、高载重/自重比等特点，但同时由于其低刚度和大扰度的特点，当收到外部激励时，两自由度柔性机械臂很容易产生的自身低频率、大幅度的弹性振动，从而导致其在使用过程中也存在一些问题，以空间站的第一阶段的装配为例，空间柔性机械臂系统需要工作47小时左右，但其约有20％～30％的时间用于等待其自身残余振动的衰减，同时为了避免机械臂运动过程中产生较大的弹性振动，机械臂的展开过程也需要较长时间,这些问题显然与柔性机械臂高速高精的工作要求不符，影响了机械臂工作的定位精度，弹性振动将是结构产生过早的疲劳破坏，同时可能引发系统共振导致系统破坏和失效，因此如何正确分析两自由度柔性机械臂的动力特性和驱动特性并对其运动过程中的弹性振动的抑制显得尤为重要。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种双柔性机器人同步运动控制装置与方法。

本发明使得柔性机械臂结构在较大的旋转范围内运动，并使之在较大的工作空间上实现稳定、准确、快速的到达预设定的定位，并快速抑制振动，位于柔性臂末端的视觉检测装置可实时检测柔性臂位姿，对柔性臂末端轨迹规划和机械臂避障具有重要作用。

本发明采用如下技术方案：

一种双柔性机器人同步运动控制装置，包括机械本体部分、检测驱动部分及控制部分；

所述机械本体部分由第一柔性本体及第二柔性本体构成；

所述第一柔性本体包括第一柔性臂、第一减速器、第一伺服电机、第一移动装置、第二柔性臂、第二减速器及第二伺服电机，所述第一柔性臂的一端通过第一法兰盘机械连接装置与第一减速器的输出端连接，其另一端为自由端，第一伺服电机安装在第一减速器的输入端；第一减速器的基座与第二柔性臂的一端连接；

第二伺服电机与第二减速器的输入端连接，第二减速器的基座安装在第一移动装置上，第二减速器的输出端通过第二法兰盘连接装置与第二柔性臂的另一端连接，所述第一移动装置固定在试验台上；

第二柔性本体包括第三柔性臂、第四柔性臂、第四伺服电机、第五伺服电机、第五减速器及第二移动装置；

所述第三柔性臂的一端通过第三法兰盘连接装置与支架连接，其另一端为自由端，所述支架固定在第四伺服电机上；第五伺服电机与第四柔性臂的一端连接，第四柔性臂的另一端与支架连接；所述第五伺服电机安装在第五减速器上，第五减速器固定在第二移动装置上，第二移动装置固定在试验台上；

所述检测驱动部分：

包括压电传感器及压电驱动器，所述第一柔性臂及第二柔性臂均设置压电传感器，所述第一柔性臂、第二柔性臂、第三柔性臂及第四柔性臂设置压电驱动器；

所述控制部分

控制部分对接收的检测信号进行处理输出控制信号，对四个柔性臂进行振动控制。

所述第一移动装置包括底座、滚珠丝杠、第一滑块及第三伺服电机，所述第三伺服电机驱动滚珠丝杠上的第一滑块运动，滚珠丝杠的基座固定在底座上，底座固定在试验台上，所述第二减速器的基座固定在第一滑块上；

所述第二移动装置包括直线电机、直线导轨及第二滑块，所述直线电机驱动第二滑块在直线导轨上滑动，所述第五减速器固定在第二滑块上。

所述控制部分包括计算机、运动控制卡、伺服驱动器、压电放大电路及电荷放大器；

第一、第二、第三、第四及第五伺服电机设置光电编码器检测的转角信号经过运动控制卡输入计算机中得到反馈信号，通过运动控制卡输出伺服驱动器，进一步驱动第一、第二、第三、第四及第五伺服电机转动；

压电片传感器检测第一及第二柔性臂的振动信号，经过电荷放大器进入运动控制卡输入计算机，计算机得到控制信号后，通过运动控制卡输出到压电放大电路放大后驱动压电驱动器；

所述计算机与运动控制卡连接，运动控制卡与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器与第一、第二、第三、第四及第五伺服电机连接。

所述第一移动装置及第二移动装置平行设置在试验台上。

第一柔性臂的压电片传感器及压电驱动器设置在靠近固定端一侧；

第二柔性臂的压电片传感器及压电驱动器设置在靠近第二伺服电机一侧；

第三柔性臂的压电驱动器设置在第四伺服电机一侧；

第四柔性臂的压电驱动器设置在固定端一侧。

所述压电片传感器由两片压电片构成，柔性臂的正反两面对称粘贴，每面一片。

一种双柔性机器人同步运动控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步利用相应检测元件检测第一、第二、第三、第四及第五伺服电机的转角信号，经过运动控制卡输入计算机，计算机得到控制信号通过运动控制卡输出伺服驱动器进一步控制伺服电机的动作；

第二步利用相应检测元件检测直线电机上滑块的位置和速度信号，输入运动控制卡后输出到计算机进行处理，得到相应的第二滑块位置和速度反馈信号，生成控制直线电机的脉冲信号，经过运动控制卡和伺服驱动器后驱动直线电机，对直线电机的位置和速度进行闭环控制；

第三步压电片传感器检测第一柔性臂及第二柔性臂的振动信号，经过电荷放大器进入运动控制卡，输入计算机，计算机生成控制信号后，输出压电放大电路驱动压电片驱动器抑制振动。

本发明的有益效果：

(1)本柔性臂振动同步运动控制装置提出了一种特定条件下柔性臂振动信号无法检测时的振动同步控制方法和装置。振动可检测的柔性臂装置驱动器带有减速器，振动控制的目标柔性臂装置无减速器，且直线运动副为直线电机驱动，不同的驱动方式组合增加了本发明提出的方法的普适性和新颖性。

(2)本三自由度柔性机械臂是一个多通道的输入—输出的检测和控制系统，而且各控制之间相互耦合，电机既有模拟量输出控制，又有脉冲量控制，既有电机驱动控制，还有压电驱动控制，利用该装置可以很好地模拟复杂柔性结构的刚柔耦合振动控制研究。

(3)本装置结合机器视觉检测装置可实现柔性臂的位姿检测，结合控制部分可完成三自由度柔性机械臂的定位、末端路径规划和避障等任务，也为验证多种复杂控制策略提供一个很好的平台。

(4)本装置还可以通过多传感器信息融合进行多体柔性机器人的动力学模型辨识，以及基于多传感器的主动振动控制研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

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所示，一种双柔性机器人同步运动控制装置，包括机械本体部分、检测驱动部分及控制部分；

所述机械本体部分由第一柔性本体及第二柔性本体构成。

所述第一柔性本体包括第一柔性臂1，第一柔性臂的一端通过第一法兰盘机械连接装置4与第一减速器5的输出端连接，该端为第一柔性臂的固定端，另一端为自由端，第一伺服电机6安装在第一减速器5的输入端；第一减速器的基座与第二柔性臂7的一端连接。

第二伺服电机12通过法兰与第二减速器11的输入端连接，第二减速器的基座通过机械连接装置安装在第一移动装置上，第二减速器的输出端通过第二法兰盘连接装置10与第二柔性臂7的另一端连接，所述第一移动装置固定在试验台上。

所述第一移动装置包括底座17、滚珠丝杠16、第一滑块15及第三伺服电机13，所述第三伺服电机通过联轴器14驱动滚珠丝杠16上的第一滑块15运动，滚珠丝杠的基座固定在底座17上，底座固定在试验台上，所述第二减速器的基座固定在第一滑块上；

所述第二柔性本体包括第三柔性臂18、第四柔性臂23、第四伺服电机22、第五伺服电机26、第五减速器及第二移动装置；

第四伺服电机22通过第三法兰盘连接装置20连接在支架21上，支架与第三柔性臂18的一端连接，一端为第三柔性臂的固定端，另一端为自由端。

第四伺服电机22与第四柔性臂23一端连接，第五伺服电机26通过法兰盘机械连接装置25与第四柔性臂的另一端连接，所述第五伺服电机安装在第五减速器上，第五减速器固定在第二移动装置上，第二移动装置固定在试验台上。

第二移动装置包括直线电机28、直线导轨27及第二滑块30，所述直线电机驱动固定在直线电机动子31的第二滑块在直线导轨上滑动，所述第二滑块与第五减速器固定在一起。

所述检测驱动部分包括压电传感器及压电驱动器。

所述第一柔性臂粘贴压电驱动器3和压电传感器2，靠近第一柔性臂的固定端，压电传感器2为一片，位于第一柔性臂固定端的宽度方向的中间位置，距离第一柔性臂固定端7.5cm。压电驱动器3由四片压电片在柔性臂的两面对称粘贴，每面2片，并联连接，距离与第二伺服电机的第一柔性臂端2.5cm，在宽度方向上距离第一柔性臂的上下边缘为2cm。

所述第二柔性臂粘贴粘贴压电驱动器9和压电传感器8，粘贴位置及个数与第一柔性臂相同，具体粘贴在靠近第二伺服电机的一端。

第三柔性臂粘贴压电驱动器19，靠近第四伺服电机的一端。

第四柔性臂粘贴压电驱动器24，靠近第五伺服电机的一端。

所述控制部分包括计算机33、运动控制卡34、压电放大电路35、电荷放大器36、伺服驱动器32，所述计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与伺服驱动器相互连接，本实施例中运动控制卡采用galil运动控制卡。

第一、第二、第三、第四及第五伺服电机均设置光电编码器，用于检测转角信号，经过运动控制卡的通道进入计算机，计算机得到控制信号后，经过运动控制卡输出伺服驱动器，进一步驱动伺服电机的转动。

第一柔性臂采用压电传感器2检测其振动信号，第二柔性臂采用压电传感器8检测振动信号，经由电荷放大器，再经过运动控制卡进行a/d转换后输入到计算机得到振动信号，经由计算机处理后输出控制信号，控制信号经由运动控制卡d/a转换后的其中模拟量输出的两个通道，经过压电放大电路35后分别输出到压电驱动器3和压电驱动器9，从而分别抑制第一柔性臂1和第二柔性臂7的振动；前述测量得到的振动信号，经过计算机设定算法计算出第三柔性臂18和第四柔性臂23所需的振动控制量，控制卡d/a转换后的其中模拟量输出的两个通道，经过压电放大电路35后分别输出到压电驱动器19和压电驱动器24，从而分别抑制第三柔性臂18和第四柔性臂23的振动。

直线电机设置光栅尺29检测直线电机第二滑块的位置和速度信号，经过伺服驱动器和运动控制卡34后输出到计算机中，得到滑块位置和速度反馈信号，计算机生成控制直线电机的脉冲信号，该信号分别经过运动控制卡输出直线电机，实现直线电机的位置和速度进行双闭环控制。

使得柔性机械臂结构在较大的旋转范围内运动，并使之在较大的工作空间上实现稳定、准确、快速的到达预设定的定位，并快速抑制振动，位于柔性臂末端的视觉检测装置可实时检测柔性臂位姿，对柔性臂末端轨迹规划和机械臂避障具有重要作用，

在本实施例中，柔性臂由3mm环氧树脂板制成，第一柔性臂和第三柔性臂的大小为480mm*100mm，第二柔性臂和第四柔性臂的大小为500mm*100mm；伺服电机分别选用日本三菱公司生产的400瓦和100瓦交流伺服电机，其中第二伺服电机、第三伺服电机和第四伺服电机的型号为hc-kfs43，伺服驱动器为mr-j2s-40a，第一伺服电机和第五伺服电机的型号为hc-kfs13，伺服驱动器为mr-j2s-10a；联轴器可选金属膜片联轴器轻质铝合金双膜片；滚珠丝杠选用日本thk公司生产的lm滚动导轨智能组合单元kr型的结构，行程600mm丝杆导轨系统；第一减速器和第二减速器可选用德国的纽卡特公司生产的法兰盘输出减速器，第一减速器的型号为plfn-90，第二减速器的型号为plfn-64；直线电机运动平台选用郑州微纳科技的一维立式直线电机运动平台，型号为wmuc1536075-06-d，平台行程1400mm，额定推力58n，重复定位精度±1μm；采用美国galil公司生产的型号为dmc-18x6pci的4轴运动控制卡。与计算机的连接方式为pci连接，不需要编写相关的串口程序就可以实现计算机与试验台数据的直接传输和获取，减少了数据的转换过程，提高了人机操作与控制器处理的速度。

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。