一种多运动模式变刚度约束机械臂振动控制系统和方法与流程
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种多运动模式变刚度约束机械臂的振动控制系统及方法。
背景技术：
机械臂是机器人的重要组成部分，其通过操作机构及其末端执行器完成特定的操作任务，在机械加工、精密装配、上下料、喷涂等作业中有着广泛应用。然而，机械臂在执行操作、启停以及运动转换的过程中受到外界激励而产生弹性振动，且在高速操作时振动更为明显。弹性振动严重影响机械臂的操作性能和控制精度，降低结构寿命，因此需要对机械臂的振动进行有效控制。机械臂通过结合部与机器人本体连接，是典型的耦合系统，且采用螺栓结合部的机械臂具有较多应用。由于预紧力控制不准以及服役过程中产生的松动，螺栓结合部常表现出一定的弹性效应，这必然增加系统的耦合作用，影响机械臂的振动特性和控制效果。
对于机械臂或梁板结构的振动控制，如专利cn200810027187.9公开了一种基于加速度传感器的挠性悬臂板振动控制装置与控制方法，其方案需对称粘贴多片压电陶瓷片和加速度传感器，再如专利cn201110391448.7公开了一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法，柔性板上需粘贴压电陶瓷片传感器、压电陶瓷片驱动器，同时安装加速度传感器、压电堆驱动器和sma驱动器。
不难看出，基于压电驱动的振动控制一方面主要适应于柔性结构，对于结构刚度较大的机械臂则难以通过压电驱动进行有效的振动抑制，另一方面由于采用加速度传感器、压电驱动器等会引入负载效应和结构耦合问题，影响振动控制的效果，控制系统较为复杂，多种传感器的使用也增加了系统成本，且在操作时对压电驱动器的粘贴位置、具体布置形式和工艺也有较高要求。
另外，传统的机械臂的振动控制系统和方法主要是针对机械臂某一种特定的运动，且忽略了机械臂边界约束的影响，实施振动控制时没有考虑由于安装预紧力的控制不准或螺栓松动导致的预紧力降低、边界约束刚度变化的因素，无疑会降低系统的控制精度和对环境因素变化的适应能力。
螺栓连接的边界约束对系统的动态特性具有重要影响。因此，针对现有技术存在的问题，需要发明一种机械臂的振动控制系统和方法，能够将边界约束刚度识别和振动观测反馈控制进行结合，实现多运动模式变刚度约束下机械臂的约束刚度识别和振动控制，提高系统的控制精度和对环境因素变化的适应能力。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是实现一种变刚度约束机械臂多运动模式下的振动控制系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多运动模式变刚度约束机械臂振动控制系统，机械臂通过安装座固定在驱动系统上，所述机械臂旁设有采集机械臂运动状态下振动信号的动态测试装置，所述动态测试装置将所采集的振动信号传输至约束刚度识别系统，所述约束刚度识别系统设有结果输出模块，所述结果输出模块参数至显示单元显示。
运动模式振动控制系统设有观测反馈系统，所述结果输出模块输出信号至观测反馈系统，所述观测反馈系统输出反馈信号经运动控制卡和驱动器输送至驱动系统。
所述机械臂通过多个螺栓固定在安装基座上，所述驱动系统控制机械臂进行平移运动、旋转运动、斜向运动。
所述约束刚度识别系统包括：
边界条件设定模块：用于设定机械臂的边界约束刚度，并将设定的边界约束刚度输送至仿真求解模块；
运动模式设定模块：用于设定机械臂的运动模式，并将设定的运动模式输送至仿真求解模块；
仿真求解模块：用于根据实际设定机械臂的结构参数进行仿真求解，建立机械臂的动力学模型，并将参数输送至参数分析数据库；
参数分析数据库：用于存储仿真求解模块输入的参数信息，并将参数信息输送至刚度识别模块；
实验数据加载模块：接收动态测试装置信号发出的模态频率实验数据，并将模态频率实验数据输送至刚度识别模块；
刚度识别模块：用于根据参数分析数据库和模态频率实验数据，对机械臂实际的约束刚度进行识别，并将刚度识别结果输入给样机验证模块；
样机验证模块：用于根据刚度识别结果建立样机模型，将样机模型与仿真模型比较，并将比较结果输送至结果输出模块；
结果输出模块：进行显示和输出比较结果。
所述观测反馈系统包括：
振动观测器：用于接收观测参数输入模块信号，以及结果输出模块输入的修正的动力学模型，并输出机械臂1的固定基座的运动位移和模态坐标信号至状态反馈控制器；
观测参数输入模块：接收动态测试装置输入的机械臂运动状态下振动信号，并将其输送至振动观测器；
状态反馈控制器：获得机械臂的控制力矩，并输送至控制参数输出模块；
控制参数输出模块：将机械臂的控制力矩输送至运动控制卡。
基于所述多运动模式变刚度约束机械臂振动控制系统的控制方法：
1)运动模式设定模块将预先设定的机械臂的运动模式、以及该运动的速度或加速度大小输送至仿真求解模块，边界条件设定模块将预先设定的机械臂的边界约束刚度输送至仿真求解模块，仿真求解模块中根据实际设定机械臂的结构参数，然后进行仿真求解，并将仿真求解模块的求解结果输入参数分析数据库进行存储；
2)动态测试装置获取机械臂在1)运动模式设定模块设定的运动模式下的振动信号，并将获取的振动信号输通过实验数据加载模块输入给刚度识别模块；
3)刚度识别模块根据参数分析数据库和实验测试数据，对机械臂实际的螺栓连接约束刚度进行识别，并将刚度识别结果输入给样机验证模块，样机验证模块根据识别出的螺栓连接约束刚度建立机械臂的样机模型，通过比较样机仿真结果与实际的实验测试数据，对刚度识别结果进行验证，若识别结果满足精度要求，则通过结果输出模块进行显示和输出，若识别结果不满足精度要求则反馈给刚度识别模块进行重新识别；
4)根据识别确定的螺栓连接约束刚度得到机械臂的修正的动力学模型，得出控制力矩与机械臂的模态坐标间的关系，并将修正的动力学模型转化为状态空间模型，根据修正的动力学模型设计振动观测器，振动观测器的输入包括机械臂的控制力矩和固定基座的运动位移，振动观测器的输出为机械臂的固定基座的运动位移和模态坐标；
5)根据振动观测器的输出信号至状态反馈控制器，通过状态反馈控制器得到机械臂的控制参数，通过控制参数输出模块输入给机械臂的运动控制卡，经驱动器控制驱动系统按照观测确定的轨迹运动。
所述的仿真求解模块的求解结果和实验测试数据为机械臂的模态频率。
所述的仿真求解模块的求解过程包括建立机械臂的多运动模式动力学模型，根据多运动模式动力学模型得到机械臂的模态质量m和模态刚度k，根据模态质量m和模态刚度k求解得到前n阶模态频率。
本发明的优点和有益效果在于：
本发明的运动模式设定模块可以设定机械臂的运动模式，包括平移运动、旋转运动、斜向运动，以及每种运动的速度或加速度大小，边界条件设定模块可以设定机械臂的边界约束刚度，因此根据参数分析数据库可以得到不同运动模式、约束刚度下机械臂的模态频率，实现多运动模式变约束刚度下机械臂的约束刚度识别；
通常的基于压电驱动的振动控制主要适应于结构柔性的机械臂，而对于结构刚度较大的机械臂则难以通过压电驱动结构产生形变进行振动抑制，本发明的基于振动观测器的抑振方法不需要施加额外控制力，可实现机械臂各点的振动观测和抑制，不仅适用于柔性结构机械臂，也适用于刚性结构机械臂，同时可有效避免因采用振动传感器和压电驱动器带来的负载效应和结构耦合问题，控制系统更为简化，成本更为节约；
本发明的结果输出模块能够实现边界约束刚度的识别结果，同时可将识别数据输出给观测反馈系统进行振动控制，实现约束刚度识别系统与观测反馈系统之间的通讯，从而有效提高观测结果和振动控制的精度。传统的机械臂的振动控制系统和方法主要是针对机械臂某一种特定的运动，且忽略机械臂边界约束的影响，本发明能够将边界约束刚度识别和振动观测反馈控制进行有利结合，可开展多运动模式变约束刚度下机械臂的振动控制，有效提高振动控制的精度和系统对运动和结构特征变化的适应性。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为多运动模式变刚度约束机械臂振动控制系统原理图；
图2为多运动模式变刚度约束机械臂振动控制方法原理图；
上述图中的标记均为：1、机械臂；2、安装基座；3、驱动系统；4、动态测试装置；5、螺栓；6、运动控制卡；7、驱动器。
具体实施方式
如图1所示，多运动模式变刚度约束机械臂振动控制系统包括约束刚度识别系统和观测反馈系统，其中约束刚度识别系统包括运动模式设定模块、边界条件设定模块、仿真求解模块、实验数据加载模块、参数分析数据库、刚度识别模块、样机验证模块、结果输出模块。其中观测反馈系统包括修正的动力学模型、振动观测器、状态反馈控制器、观测参数输入模块、控制参数输出模块。
运动模式设定模块和边界条件设定模块与仿真求解模块实现数据传输，仿真求解模块的数据输入给参数分析数据库，参数分析数据库能够与刚度识别模块实现数据传输，实验数据加载模块的数据输入给刚度识别模块，刚度识别模块的数据输入给样机验证模块，样机验证模块的结果通过结果输出模块进行显示，并输入给观测反馈系统，实现约束刚度识别系统与观测反馈系统间的传输。
系统通过动态测试装置实现机械臂的振动信号采集、传输，动态测试装置包括两个部分：振动信号采集传感器(有接触式的，比如压电传感器系统；有非接触式的，比如激光测试传感器、视觉传感器)和信号测试分析系统(比如江苏东华测试技术股份有限公司生产的dh5923n型动态信号测试分析系统)，动态测试装置将所采集的信号输送至约束刚度识别系统。
如图2所示，机械臂1通过螺栓5固定在安装基座2上，安装基座2与驱动系统3联接，在驱动系统3的作用下，机械臂1可实现平移运动、旋转运动、斜向运动，同时实现速度或加速度的大小控制。
由于安装预紧力的控制不准以及长时间操作过程，机械臂1的螺栓5会发生松动，从而预紧力降低，机械臂1的边界约束刚度也就发生变化。
以平移运动为例，机械臂1的动力学方程为：
式中，
欲求解上式机械臂1的动力学方程得到机械臂1的振动位移，需已知机械臂1的边界约束条件，机械臂1的边界条件可表示为
式中，e为机械臂1的弹性模量；i为机械臂1的惯性矩，i＝bh3/12。边界约束条件中的k表示螺栓5连接的约束刚度，因此，机械臂1的边界约束刚度k的变化对振动位移和振动控制具有重要影响，安装预紧力的控制不准以及长时间操作，螺栓5会发生松动，从而预紧力降低，机械臂1的边界约束刚度也就发生变化，因此在进行振动分析和振动控制时，需对其进行识别，这样才能有效保证控制的精度。
根据弹性约束下机械臂的模态频率方程
式中，
可以看出，螺栓5连接的约束刚度k对机械臂的模态频率具有明显的关系，可以通过机械臂的模态频率实验数据对螺栓5连接的约束刚度k进行识别。
首先，设定机械臂1在某一运动模式和速度或加速度的大小，采用动态测试装置4获取机械臂1在该运动状态下的振动信号，通过动态测试装置4得到机械臂1的模态实验数据；基于此，开展螺栓联接变约束刚度机械臂多运动模式振动控制方法，主要包括以下步骤：
步骤1：在运动模式设定模块中设定机械臂1的运动模式，在边界条件设定模块中设定机械臂1的边界约束刚度，设定的运动模式和边界约束刚度输入给仿真求解模块，在仿真求解模块中根据实际设定机械臂1的结构参数，然后进行仿真求解，包括建立机械臂1的该运动模式的动力学模型，得到机械臂1的模态质量m和模态刚度k，根据模态质量m和模态刚度k求解得到前n阶模态频率，并输入参数分析数据库进行存储；
步骤2：将机械臂1实际的模态频率实验数据通过实验数据加载模块输入给刚度识别模块；
步骤3：刚度识别模块根据参数分析数据库和模态频率实验数据，对机械臂1实际的螺栓5连接约束刚度进行识别，刚度识别结果输入给样机验证模块，样机验证模块根据识别出的螺栓5连接约束刚度建立机械臂1的样机模型，通过比较样机仿真结果与实际的实验测试数据，对刚度识别结果进行验证，若识别结果满足精度要求，则通过结果输出模块进行显示和输出，若识别结果不满足精度要求则反馈给刚度识别模块进行重新识别；
步骤4：根据识别确定的螺栓5连接约束刚度k得到机械臂1的修正的动力学模型，得出控制力矩f与机械臂1的模态坐标q间的关系，并将修正的动力学模型转化为状态空间模型，根据修正的动力学模型设计振动观测器，振动观测器的输入包括机械臂1的控制力矩f和固定基座的运动位移s，振动观测器的输出为机械臂1的固定基座的运动位移s和模态坐标q；
步骤5：根据振动观测器的输出设计状态反馈控制器，通过状态反馈控制器得到机械臂1的控制力矩f，通过控制参数输出模块输入给机械臂的运动控制卡6，经驱动器7控制驱动系统3按观测确定的轨迹运动，实现机械臂1的振动抑制。此时，通过观测参数输入模块的模态坐标q变量可以观察振动抑制的效果。
另外，机械臂的振动位移w(x,t)可以表示为
可以看出，振动位移w(x,t)是关于位置和时间的函数，通过以上步骤可以得到机械臂整个结构的连续振动位移时间历程，实现各点的振动观测和振动抑制。
不难看出，本发明的基于振动控制方法不需要施加额外控制力，可实现机械臂各点的振动观测和抑制，不仅适用于柔性结构机械臂，也适用于刚性结构机械臂，同时可有效避免因采用振动传感器和压电驱动器带来的负载效应和结构耦合问题，控制系统更为简化，成本更为节约；
结果输出模块能够实现边界约束刚度的识别结果，同时可将识别数据输出给观测反馈系统进行振动控制，实现约束刚度识别系统与观测反馈系统之间的通讯，从而有效提高观测结果和振动控制的精度。传统的机械臂的振动控制系统和方法主要是针对机械臂某一种特定的运动，且忽略机械臂边界约束的影响，在实施振动控制时没有考虑由于安装预紧力的控制不准或螺栓5松动导致的预紧力降低、边界约束刚度变化的因素，无疑会降低系统的控制精度和对环境因素变化的适应能力。本发明能够将边界约束刚度识别和振动观测反馈控制进行有利结合，可开展多运动模式变约束刚度下机械臂的振动控制，有效提高振动控制的精度和系统对运动和结构特征变化的适应性。
本发明的实施例只是详细给出了机械臂平移运动的建模分析情况，通过本发明的运动模式设定模块可以设定机械臂的运动模式，包括平移运动、旋转运动、斜向运动，以及每种运动的速度或加速度大小，因此可以得到不同运动模式、约束刚度下机械臂的模态频率，实现多运动模式变约束刚度下机械臂的约束刚度识别和振动抑制。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！