一種軟測(cè)量下采用壓電陶瓷片的柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種軟測(cè)量下采用壓電陶瓷片的柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制方法，屬于 自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)向高精度、高速等方向的發(fā)展，對(duì)工業(yè)操作臂也提出了新的要 求。與剛性操作臂相比，柔性操作臂具有耗能低、速度快、負(fù)載大等優(yōu)點(diǎn)，但是在工業(yè)操作臂 高速運(yùn)行、快速定位的情況下，柔性機(jī)械臂由于本身模態(tài)頻率低，在運(yùn)動(dòng)中容易產(chǎn)生殘余振 動(dòng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和定位精度；因此對(duì)柔性機(jī)械臂實(shí)施振動(dòng)主動(dòng)控制一直是 學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。
[0003] 近年來(lái)，隨著新型材料的不斷出現(xiàn)，越來(lái)越多的研究者將目光投向利用智能材料、 智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制，其中應(yīng)用最多的就是壓電陶瓷。壓電陶瓷具有正 壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，其既能方便組成傳感器又能方便構(gòu)成作動(dòng)器，具有重量輕，響應(yīng)頻 帶寬，便于大量分布于柔性機(jī)械臂上等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 但是在利用壓電陶瓷片進(jìn)行柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制時(shí)，首先需要獲得粘貼處的 柔性機(jī)械臂振動(dòng)位移，目前通常是利用傳感器如壓電傳感器、加速度傳感器等。但是在利用 傳感器測(cè)量柔性機(jī)械臂振動(dòng)位移時(shí)，由于已經(jīng)粘貼了壓電陶瓷片作為作動(dòng)器，因此傳感器 只能獲得該壓電作動(dòng)器附近的振動(dòng)位移，這就容易造成控制溢出。
[0005] 如中國(guó)專(zhuān)利CN201110241149. 5公開(kāi)了一種氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)二自由度柔性機(jī)械臂裝置和 控制方法，該裝置采用多塊壓電陶瓷作為作動(dòng)器和傳感器，但是由于粘貼位置受限，傳感器 獲得的只是壓電作動(dòng)器附近位置處的振動(dòng)信號(hào)；另一方面附加傳感器的方法，會(huì)進(jìn)一步影 響柔性臂的動(dòng)態(tài)特性比如固有模態(tài)等，并且會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
[0006] 此外，在利用壓電陶瓷片抑制柔性機(jī)械臂殘余振動(dòng)時(shí)，通常需要對(duì)壓電陶瓷片的 粘貼位置進(jìn)行優(yōu)化，這就需要獲得柔性機(jī)械臂上任一點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，而這是現(xiàn)有方法無(wú)法 做到的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種軟測(cè)量下采用壓電陶瓷片的柔性 機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制方法，本方法基于柔性機(jī)械臂系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，建立振動(dòng)觀測(cè)方程，并且 利用加速度傳感器獲得柔性機(jī)械臂末端振動(dòng)信號(hào)、反饋調(diào)節(jié)觀測(cè)出的柔性機(jī)械臂振動(dòng)位 移，能夠獲得柔性機(jī)械臂上任一點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，有效提高觀測(cè)精度。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種軟測(cè)量下采用壓電陶瓷片的 柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制方法，包括以下步驟：
[0009] 1)粘貼加速度傳感器，獲取柔性機(jī)械臂末端的振動(dòng)信號(hào)
[0010] 在柔性機(jī)械臂的末端粘貼一個(gè)加速度傳感器，一方面利用加速度傳感器的質(zhì)量代 替柔性機(jī)械臂工作過(guò)程中的負(fù)載質(zhì)量；另一方面對(duì)加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行兩次積分 處理，獲得柔性機(jī)械臂末端的振動(dòng)位移信號(hào)；
[0011] 2)建立末端粘貼加速度傳感器的柔性機(jī)械臂系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以獲取系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特 性
[0012] 根據(jù)假設(shè)模態(tài)法，分析柔性機(jī)械臂末端粘貼加速度傳感器的柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，利 用哈密頓原理建立柔性機(jī)械臂系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，得到外部驅(qū)動(dòng)力與柔性臂振動(dòng)模態(tài)之間的關(guān) 系，并將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型；
[0013] 3)設(shè)計(jì)振動(dòng)觀測(cè)方程，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，確定振動(dòng)觀測(cè)反饋參數(shù)范圍
[0014] 基于步驟2)中建立的柔性機(jī)械臂末端粘貼加速度傳感器的柔性機(jī)械臂系統(tǒng)狀態(tài) 空間模型，設(shè)計(jì)振動(dòng)觀測(cè)方程：
[0015] 振動(dòng)觀測(cè)方程的輸入有三部分：系統(tǒng)輸入控制力、加速度傳感器經(jīng)兩次積分后獲 得的柔性機(jī)械臂末端振動(dòng)位移、位移傳感器測(cè)量的柔性機(jī)械臂根部位移；
[0016] 振動(dòng)觀測(cè)方程的輸出為壓電陶瓷片粘貼位置處柔性機(jī)械臂振動(dòng)位移、柔性機(jī)械臂 根部位移及其速度；
[0017] 振動(dòng)觀測(cè)反饋參數(shù)包括兩部分：柔性機(jī)械臂根部位移反饋參數(shù)、柔性機(jī)械臂末端 振動(dòng)位移反饋參數(shù)；前者基于無(wú)偏差卡爾曼估計(jì)算法設(shè)計(jì)，并根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論， 確定后者即柔性機(jī)械臂末端振動(dòng)位移反饋參數(shù)的范圍；
[0018] 4)基于全局優(yōu)化算法，確定最優(yōu)的振動(dòng)觀測(cè)反饋參數(shù)
[0019] 利用全局優(yōu)化算法，在步驟3)確定的范圍內(nèi)，對(duì)柔性機(jī)械臂末端振動(dòng)位移反饋參 數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化的目標(biāo)是最小化振動(dòng)位移觀測(cè)誤差；
[0020] 5)設(shè)計(jì)PID控制器，根據(jù)控制效果調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)
[0021] 利用步驟3)中設(shè)計(jì)的振動(dòng)觀測(cè)方程及4)確定的振動(dòng)觀測(cè)反饋參數(shù)，獲得壓電陶 瓷片粘貼位置處的振動(dòng)位移，設(shè)計(jì)PID控制器，反饋觀測(cè)出的柔性機(jī)械臂振動(dòng)位移，控制壓 電陶瓷片驅(qū)動(dòng)電壓，并根據(jù)控制效果調(diào)整PID控制參數(shù)；
[0022] 若滿(mǎn)足控制要求則轉(zhuǎn)入步驟6)，如不滿(mǎn)足控制要求重復(fù)5)直至滿(mǎn)足控制要求；
[0023] 6)設(shè)計(jì)結(jié)束。
[0024] 與現(xiàn)有的控制方式相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：
[0025] (1)在利用壓電陶瓷片抑制柔性機(jī)械臂殘余振動(dòng)時(shí)，不需要采用傳感器，而是基于 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，使用軟測(cè)量手段獲得壓電陶瓷片作用處的振動(dòng)信號(hào)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約 了成本；
[0026] (2)通過(guò)反饋加速度傳感器獲得的柔性操作臂末端振動(dòng)信號(hào)，調(diào)整觀測(cè)出的柔性 機(jī)械臂振動(dòng)模態(tài)，有效減小了柔性機(jī)械臂振動(dòng)觀測(cè)誤差；
[0027] (3)本發(fā)明能夠獲得柔性機(jī)械臂上任一點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，這是現(xiàn)有方法中采用傳感 器無(wú)法做到的。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明方法設(shè)計(jì)流程圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的實(shí)施例簡(jiǎn)圖；
[0030]圖3為柔性機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖4為使用本發(fā)明的柔性機(jī)械臂上壓電陶瓷片粘貼處振動(dòng)位移跟蹤效果圖；
[0032] 圖5為實(shí)施例中L1= 0. 2m處壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)電壓曲線(xiàn)圖；
[0033] 圖6為實(shí)施例中L2= 0. 5m處壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)電壓曲線(xiàn)圖；
[0034] 圖7為使用本發(fā)明的柔性機(jī)械臂一階模態(tài)振動(dòng)控制效果圖；
[0035] 圖8為使用本發(fā)明的柔性機(jī)械臂二階模態(tài)振動(dòng)控制效果圖。
[0036]圖中：1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，2、步進(jìn)電機(jī)，3、滾珠絲桿，4、滑塊，5、螺栓，6、導(dǎo)軌，7、壓電陶 瓷片，8、光柵尺，9、電荷放大器，10、A/D轉(zhuǎn)換模塊，11、柔性機(jī)械臂，12、加速度傳感器，13、電 壓放大器，14、多通道D/A轉(zhuǎn)換模塊，15、PID模塊I，16、PID模塊II，17、振動(dòng)觀測(cè)方程模塊， 18、位置指令，19、運(yùn)動(dòng)控制卡。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0038] 如圖1所示為一種軟測(cè)量下采用壓電陶瓷片的柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制裝置，其 中步進(jìn)電機(jī)2通過(guò)滾珠絲杠3驅(qū)動(dòng)滑塊4在導(dǎo)軌6上運(yùn)動(dòng)，螺栓5將柔性機(jī)械臂11的一端 與滑塊4剛性連接；
[0039] 滑塊4位移采用光柵尺8測(cè)量，利用加速度傳感器12測(cè)量柔性機(jī)械臂11末端振 動(dòng)。加速度傳感器12輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大器9和A/D轉(zhuǎn)換模塊10,輸入到振動(dòng)觀測(cè)方程模 塊17 ;
[0040]位置指令模塊18給定滑塊4期望位置，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制卡19和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1，驅(qū)動(dòng)步 進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)滑塊4運(yùn)動(dòng)到指定位置；通過(guò)振動(dòng)觀測(cè)方程模塊17對(duì)壓電陶瓷片7粘貼處的 柔性機(jī)械臂9振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。
[0041] 壓電陶瓷片7粘貼在柔性機(jī)械臂11上，并作為作動(dòng)器；利用振動(dòng)觀測(cè)方程模塊17 得到的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)PID模塊I15和PID模塊II16得到控制信號(hào)，經(jīng)多通道D/A轉(zhuǎn)換模 塊14和電壓放大器13驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片7,抑制柔性機(jī)械臂11的殘余振動(dòng)。
[0042] 如圖1所示，一種軟測(cè)量下采用壓電陶瓷片的柔性機(jī)械臂振動(dòng)主動(dòng)控制方法，包 括以下步驟：
[0043] 1)粘貼加速度傳感器，獲取柔性機(jī)械臂末端的振動(dòng)信號(hào)
[0044] 在柔性機(jī)械臂11的末端粘貼一個(gè)加速度傳感器12, 一方面利用加速度傳感器12 的質(zhì)量代替柔性機(jī)械臂11工作過(guò)程中的負(fù)載質(zhì)量；另一方面對(duì)加速度傳感器12的輸出信 號(hào)進(jìn)行兩次積分處理，獲得柔性機(jī)械臂11末端的振動(dòng)位移信號(hào)；
[0045] 2)建立末端粘貼加速度傳感器的柔性機(jī)械臂系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以獲取系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特 性
[0046] 根據(jù)假設(shè)模態(tài)法，分析柔性機(jī)械臂（11)末端粘貼加速度傳感器（12)的柔性機(jī)械 臂系統(tǒng)，利用哈密頓原理建立柔性機(jī)械臂系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，得到外部驅(qū)動(dòng)力與柔性臂振動(dòng)模 態(tài)之間的關(guān)系，并將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型；
[0047] 根據(jù)假設(shè)模態(tài)法，分析末端粘貼加速度傳感器12的柔性機(jī)械臂系統(tǒng)，利用哈密頓 原理建立柔性機(jī)械臂11系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下：
[0048]
[0050] 其中：P、A、L分別為柔性機(jī)械臂11的密度、截面積和長(zhǎng)度，mb為滑塊4質(zhì)量，Z(t) 表示滑塊4位移，mtS加速度傳感器12質(zhì)量，F(xiàn)(t)為步進(jìn)電機(jī)2經(jīng)過(guò)滾珠絲杠3傳遞給滑 塊4的驅(qū)動(dòng)力，(X)為柔性機(jī)械臂11第i階模態(tài)主振型函數(shù)，(L)為柔性機(jī)械臂11末 端位置的第i階模態(tài)主振型，qjt)為模態(tài)坐標(biāo)，為柔性機(jī)械臂11第i階固有頻率，MP 為壓電陶瓷片7的制動(dòng)力矩；
[0051] 為了便于計(jì)算機(jī)處理及設(shè)計(jì)振動(dòng)觀測(cè)方程模塊17,將柔性機(jī)械臂11的數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)化為型如式（3)的狀態(tài)空間方程；
[0052] 狀態(tài)變量選定為滑塊4位移、柔性機(jī)械臂9前兩階模態(tài)坐標(biāo)及其導(dǎo)數(shù)： ..v=[Z$ (/2 2 丨J1，狀態(tài)空間方程輸入為步進(jìn)電機(jī)2經(jīng)過(guò)滾珠絲杠3傳遞給滑塊4 的驅(qū)動(dòng)力F(t);
[0055] 3)設(shè)計(jì)振動(dòng)觀測(cè)方程，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，確定振動(dòng)觀測(cè)反饋參數(shù)范圍
[0056] 如圖3所示：基于步驟2)中建立的柔性機(jī)械臂11末端粘貼加速度傳感器12的柔 性機(jī)械臂系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，設(shè)計(jì)振動(dòng)觀測(cè)方程：
[0057] 振動(dòng)觀測(cè)方程的輸入有三部分：系統(tǒng)輸入控制力、加速度傳感器12經(jīng)兩次積分后 獲得的柔性機(jī)械臂11末端振動(dòng)位移、位移傳感器測(cè)量的柔性機(jī)械臂11根部位移；
[0058] 振動(dòng)觀測(cè)方程的輸出為壓電陶瓷片7粘貼位置處柔性機(jī)械臂11振動(dòng)位移、柔性機(jī) 械臂11根部位移及其速度；
[0059] 振動(dòng)觀測(cè)反饋參數(shù)包括兩部分：柔性機(jī)械臂11根部位移反饋參數(shù)、柔性機(jī)械臂11 末端振動(dòng)位移反饋參數(shù)；前者基于無(wú)偏差卡爾曼估計(jì)算法設(shè)計(jì)，并根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性 理論，確定后者即柔性機(jī)械臂11末端振動(dòng)位移反饋參數(shù)的范圍；
[0060] 具體設(shè)計(jì)情況如下：
[0061]振動(dòng)觀測(cè)方程模塊17的輸入包括原系統(tǒng)輸入控制力F(t)、加速度傳感器12經(jīng)兩 次積分后獲得的柔性機(jī)械臂11末端振動(dòng)位移、光柵尺8測(cè)量的滑塊4位移；
[0062] 輸出為滑塊4位移Z(t)和滑塊4速度勿〇及壓電陶瓷片7粘貼處的柔性機(jī)械臂 11振動(dòng)位移；
[0063] 振動(dòng)觀測(cè)反