CN108818539B - 一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置及方法，控制装置包括柔性操作臂、末端负载、图像采集装置、定位基座、电机传动装置、电机驱动器、螺栓连接***、运动控制卡、弹性振动自抗扰控制器、频率运算模块、信号处理模块Ⅰ、信号处理模块Ⅱ、信号采集装置Ⅰ、信号采集装置Ⅱ，基于频率运算模块实时获得作业过程中柔性操作臂的频率信号，弹性振动自抗扰控制器能够实时改变控制信号驱动定位基座运动，继而带到柔性操作臂运动到指定位置；本发明还公开了一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制方法；本发明能够充分考虑作业过程中柔性操作臂的边界效应，实现柔性操作臂弹性振动的自抗扰控制，具有控制结构简单、鲁棒性高等优点。

Description

一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人柔性操作臂控制技术领域，具体的说是一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置及方法。

背景技术

目前，在电子封装工业装配线上，以机械操作臂为主装配而成的空间机器人设备比比皆是，这些装置结构上都是底部定位基座配合末端执行机构的形式，比如贴片机、锡膏印刷机、点胶机等。随着国民经济的高速发展，现代化的集成电路封装作业要求机械***的响应速度越来越快，集成化程度也越来越高，传统的刚性操作臂已难以适应这一发展的要求。

近年来，随着柔性多体动力学理论的研究深入以及工程实际需求，柔性操作臂获得了越来越多的关注。与刚性操作臂相比，柔性操作臂具有轻质高速、载重自重比高、模块化等优点。但是机器的高速运动以及轻质化对柔性操作臂又提出了更高的要求，主要问题是由于本身低刚度大挠度的结构特性，导致柔性操作臂在运动过程中容易产生弹性振动，并且由于柔性操作臂的模态频率低，振动将持续较长时间，严重影响机器人***的作业效率。

因此，为了实现柔性操作臂在机器人上的有效使用，首先需要对柔性操作臂的弹性振动进行有效控制。考虑柔性操作臂弹性振动的闭环反馈控制***需要额外设置一套主动控制***，会导致整体***结构复杂，增加整机成本，不少学者对机械弹性振动的前馈控制方法进行了研究。

如中国专利号为CN201510916217.1的发明专利中公开了基于正反POSICAST输入整形法的起重机防摇控制方法，利用输入整形法构建前馈控制器实现了起重机的防摇控制，该方法的优点是无需用于闭环反馈的测量传感器，简化了***结构，但是该方法没有考虑作业过程中负载对起重机***振动特性参数的影响。

又如中国专利号为CN201710975489.8的发明专利中公开了一种基于输入整形器的机器人关节末端残余振动抑制方法，利用输入整形法实现了机器人关节末端残余振动的抑制，但是该方法同样没有考虑末端负载质量以及边界效应对机器人关节振动特征参数的影响。

而机器人柔性操作臂在实际作业过程中存在变负载工况，此外长时间运行下柔性操作臂根部与定位基座的装配作用力可能发生变化，这些都会改变柔性操作臂的边界条件，继而改变其本身模态频率等特征参数，导致预先基于输入整形法设计的前馈振动控制器的失效。

因此，在实际作业过程中，要充分考虑柔性操作臂边界效应对其本身模态特征参数的影响，设计控制器实现柔性操作臂弹性振动的自抗扰控制。

发明内容

为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置及方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置，包括：柔性操作臂，所述柔性操作臂上连接有末端负载；图像采集装置，以获取末端负载的形状；定位基座，所述定位基座上连接有电机传动装置；螺栓连接***，连接柔性操作臂和定位基座且可感应压力信息；所述电机传动装置依次连接有电机驱动器、运动控制卡、弹性振动自抗扰控制器以及频率运算模块，所述频率运算模块连接有信号处理模块Ⅰ和信号处理模块Ⅱ。

还包括与螺栓连接***相连且将压力信号传输给信号处理模块Ⅰ的信号采集装置Ⅰ、与图像采集装置相连且将信号传输给信号处理模块Ⅱ的信号采集装置Ⅱ。

进一步的，所述电机传动装置包括伺服电机，所述伺服电机的驱动轴连接有滚珠丝杆副，所述滚珠丝杆副和伺服电机的连接处设有联轴器，所述滚珠丝杆副的螺母与定位基座相连，所述定位基座配合有移动导轨。

进一步的，所述的螺栓连接***包括：穿过定位基座和柔性操作臂的螺栓；与螺栓配合的螺母；设置在螺栓与定位基座配合处的垫片Ⅱ；设置在柔性操作臂和螺母之间的压力传感器；设置在压力传感器和螺母之间的垫片Ⅰ。

进一步的，所述柔性操作臂的根部与定位基座配合处设有四组呈对称分布的螺栓连接***。

进一步的，所述信号处理模块Ⅱ能够根据末端负载的形状，利用预先设定的工作库实时输出末端负载的质量。

一种柔性操作臂弹性振动自抗扰的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立典型末端负载的形状与自身质量匹配的工作库。

步骤二、利用信号采集装置Ⅰ实时采集压力传感器的输出信号并传输给信号处理模块Ⅰ，由信号处理模块Ⅰ处理获得柔性操作臂根部与定位基座的配合压力并传输给频率运算模块；同时信号采集装置Ⅱ实时采集图像采集装置的输出信号并传输给信号处理模块Ⅱ，根据步骤一中建立的工作库，信号处理模块Ⅱ处理获得末端负载的质量并传输给频率运算模块。

步骤三、根据频率运算模块接收的柔性操作臂根部与定位基座的配合压力以及末端负载的质量信息，确定柔性操作臂的实时边界条件，获得柔性操作臂的频率方程，利用频率运算模块确定柔性操作臂的模态频率。

步骤四、设计弹性振动自抗扰控制器，确定定位基座的位移控制信号。

步骤五、利用运动控制卡与电机驱动器驱动定位基座运动，使柔性操作臂在运动到指定位置的同时抑制自身弹性振动。

进一步的，所述步骤四包括：

a、基于输入整形法，构建柔性操作臂前两阶模态的模态振动整形控制器，并确定模态振动整形控制器与柔性操作臂模态频率的关系。

b、基于级联法，整合柔性操作臂前两阶模态的模态振动整形控制器构成柔性操作臂的弹性振动自抗扰控制器。

c、将定位基座参考位移信号与弹性振动自抗扰控制器进行卷积处理，获得定位基座的位移控制信号。

本发明的有益效果是：

1、兼顾了前馈控制器结构简单的优点，无需额外设置一套弹性振动主动控制装置，降低整机成本。

2、考虑到末端负载质量以及边界效应对机器人关节振动特征参数的影响，有效提高了常规前馈控制器在柔性操作臂作业过程中的抗干扰性，提高了其适用性。

3、本发明具有控制结构简单、鲁棒性高等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明原理示意图；

图2为本发明实施例简图；

图3为本发明中螺栓连接***的结构示意图；

图4为末端负载质量为0.1kg时，本发明中定位基座的位移曲线图；

图5为末端负载质量为0.1kg时，本发明中柔性操作臂末端弹性振动控制效果图。

附图标记说明：1—螺栓连接***，2—定位基座，3—柔性操作臂，4—末端负载，5—信号采集装置Ⅰ，6—图像采集装置，7—信号采集装置Ⅱ，8—信号处理模块Ⅱ，9—信号处理模块Ⅰ，10—频率运算模块，11—弹性振动自抗扰控制器，12—运动控制卡，13—电机驱动器，14—伺服电机，15—联轴器，16—移动导轨，17—滚珠丝杆副；1-1—螺母，1-2—垫片Ⅰ，1-3—压力传感器，1-4—垫片Ⅱ，1-5—螺栓。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图5所示，一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置，包括：柔性操作臂3，所述柔性操作臂3上连接有末端负载4；图像采集装置6，以获取末端负载4的形状；定位基座2，所述定位基座2上连接有电机传动装置；螺栓连接***1，连接柔性操作臂3和定位基座2且可感应压力信息；所述电机传动装置依次连接有电机驱动器13、运动控制卡12、弹性振动自抗扰控制器11以及频率运算模块10，所述频率运算模块10连接有信号处理模块Ⅰ9和信号处理模块Ⅱ8。

还包括与螺栓连接***1相连且将压力信号传输给信号处理模块Ⅰ9的信号采集装置Ⅰ5、与图像采集装置6相连且将信号传输给信号处理模块Ⅱ8的信号采集装置Ⅱ7。

在本发明优选的实施例中，为实现电机驱动器13驱动定位基座2，所述电机传动装置包括伺服电机14，所述伺服电机14的驱动轴连接有滚珠丝杆副17，所述滚珠丝杆副17和伺服电机14的连接处设有联轴器15，所述滚珠丝杆副17的螺母与定位基座2相连，所述定位基座2配合有移动导轨16。

所述的螺栓连接***1包括：穿过定位基座2和柔性操作臂3的螺栓1-5；与螺栓1-5配合的螺母1-1；设置在螺栓1-5与定位基座2配合处的垫片Ⅱ1-4；设置在柔性操作臂3和螺母1-1之间的压力传感器1-3；设置在压力传感器1-3和螺母1-1之间的垫片Ⅰ1-2，所述压力传感器1-3通过导线与信号采集装置Ⅰ5相连。

所述柔性操作臂3的根部与定位基座2配合处设有四组呈对称分布的螺栓连接***1。通过螺栓连接***1实现柔性操作臂3与定位基座2的刚性连接。

所述信号处理模块Ⅱ8能够根据末端负载4的形状，利用预先设定的工作库实时输出末端负载4的质量。

使用时，信号采集装置Ⅰ5采集压力传感器1-3的输出信号并传输给信号处理模块Ⅰ9，信号采集装置Ⅱ7采集图像采集装置6的输出信号并传输给信号处理模块Ⅱ8，信号处理模块Ⅰ9与信号处理模块Ⅱ8将处理结果传输给频率运算模块10，弹性振动自抗扰控制器11根据频率运算模块10输出结果确定速度控制信号，利用运动控制卡12与电机驱动器13驱动伺服电机14运动。伺服电机14通过联轴器15与滚珠丝杆副16连接，继而驱动定位基座2在移动导轨16上运动，从而驱动与定位基座2刚性连接的柔性操作臂3运动到指定位置。

一种柔性操作臂弹性振动自抗扰的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立典型末端负载4的形状与自身质量匹配的工作库。

在电子封装工业装配线，柔性操作臂3搬运的元器件，即末端负载4的形状一般各异，因此可以预先设置末端负载4形状与其自身质量匹配的工作库，方便后期由图像采集装置6与信号采集装置Ⅱ7获得末端负载4的形状，再由信号处理模块Ⅱ8实时输出末端负载4的质量。

步骤二、利用信号采集装置Ⅰ5实时采集压力传感器1-3的输出信号并传输给信号处理模块Ⅰ9，由信号处理模块Ⅰ9处理获得柔性操作臂3根部与定位基座2的配合压力并传输给频率运算模块10；同时信号采集装置Ⅱ7实时采集图像采集装置6的输出信号并传输给信号处理模块Ⅱ8，根据步骤一中建立的工作库，信号处理模块Ⅱ8处理获得末端负载4的质量并传输给频率运算模块10。

步骤三、根据频率运算模块10接收的柔性操作臂3根部与定位基座2的配合压力以及末端负载4的质量信息，确定柔性操作臂3的实时边界条件，获得柔性操作臂3的频率方程，利用频率运算模块10确定柔性操作臂3的模态频率。

在本实施例中，频率运算模块10的具体运算过程为：考虑柔性操作臂3根部与定位基座2的配合压力以及末端负载4的质量，可知柔性操作臂3的边界条件为：固定端剪力等于配合压力、弯矩等于0；自由端弯矩等于0、剪力等于末端负载质量6的惯性力。

柔性操作臂3的振型函数表达式为：

φ_n(x)＝α₁ sinβx+α₂ cosβx+α₃ sinhβx+α₄ coshβx (1)

其中：φ_n(x)表示柔性操作臂3的横向弹性振动的第n阶模态振型函数；α₁，α₂，α₃和α₄为振型函数的系数，取决于柔性操作臂3的边界条件；β为常数同样取决于柔性操作臂3的边界条件。

然后，将柔性操作臂3的边界条件代入式(1)，并根据柔性操作臂3振型函数的存在性条件，可得柔性操作臂3的频率方程和振型函数为：

其中：A、ρ分别表示柔性操作臂3的横截面积和密度，E、I、L分别表示柔性操作臂3的弹性模量、横截面惯性矩以及长度；x表示空间尺度；m_t表示末端负载4的质量；P表示柔性操作臂3根部与定位基座2的配合压力。

柔性操作臂3的模态频率计算公式为：

综上，根据式(2)与式(4)即可得到考虑边界效应的柔性操作臂3的模态频率。

步骤四、设计弹性振动自抗扰控制器11，确定定位基座2的位移控制信号。具体步骤如下：

a、基于输入整形法，构建柔性操作臂3前两阶模态的模态振动整形控制器，并确定模态振动整形控制器与柔性操作臂3模态频率的关系；

根据现有相关研究可知，对柔性操作臂3弹性振动起主导作用的为前两阶低阶模态，因此在进行弹性振动自抗扰控制器11的设计过程中，考虑柔性操作臂3前两阶模态即能满足控制要求。

首先，设计柔性操作臂3第一阶模态的模态振动整形控制器，为了保证柔性操作臂3第一阶模态的响应等于0，基于输入整形法可知：

其中：i表示柔性操作臂3第一阶模态的模态振动整形控制器的脉冲个数，在本实施例中取2个脉冲；

分别表示第i个脉冲的幅值与时滞；

w₁、ξ₁分别表示柔性操作臂3一阶模态的固有频率和阻尼比。

接着，根据柔性操作臂末端定位误差设计二次型目标函数，基于最优理论可得柔性操作臂3第一阶模态的模态振动整形控制器两个脉冲的幅值和时滞分别为：

其中，t表示时间尺度。

同理，可得柔性操作臂3第二阶模态的模态振动整形控制器两个脉冲的幅值和时滞分别为：

其中，w₂、ξ₂分别表示柔性操作臂3二阶模态的固有频率和阻尼比。

b、基于级联法，整合柔性操作臂3前两阶模态的模态振动整形控制器构成柔性操作臂3的弹性振动自抗扰控制器11；

根据级联法，可将柔性操作臂3第一阶模态的模态振动整形控制器与第二阶模态的模态振动整形控制器,进行级联构成柔性操作臂3的弹性振动自抗扰控制器11的计算公式，该计算公式为：

c、将定位基座2参考位移信号与弹性振动自抗扰控制器11进行卷积处理，获得定位基座2的位移控制信号。

步骤五、利用运动控制卡12与电机驱动器13驱动定位基座2运动，使柔性操作臂3在运动到指定位置的同时抑制自身弹性振动。

如图4所示，为末端负载4质量等于0.1kg时使用柔性操作臂3弹性振动自抗扰控制器11前后定位基座2的位移曲线图。其中，虚线为控制前定位基座2的位移曲线，实线为使用弹性振动自抗扰控制器11后定位基座2的位移曲线。可以看出使用弹性振动自抗扰控制器11前后，定位基座2的移动位移是相等的，说明了弹性振动自抗扰控制器11的正确性。

如图5所示，为末端负载4质量等于0.1kg时使用弹性振动自抗扰控制器11前后柔性操作臂3末端振动控制效果图。其中，点划线为控制前柔性操作臂3末端振动位移，实线为使用弹性振动自抗扰控制器11后柔性操作臂3末端振动位移。可以看出，采用本专利设计的弹性振动自抗扰控制器11能有效抑制柔性操作臂3的弹性振动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种柔性操作臂弹性振动自抗扰的控制方法，其特征在于：利用一种柔性操作臂弹性振动自抗扰控制装置，该控制装置包括：

柔性操作臂(3)，所述柔性操作臂(3)上连接有末端负载(4)；

图像采集装置(6)，以获取末端负载(4)的形状；

定位基座(2)，所述定位基座(2)连接有电机传动装置；

螺栓连接***(1)，连接柔性操作臂(3)和定位基座(2)且可感应压力信息；

所述电机传动装置依次连接有电机驱动器(13)、运动控制卡(12)、弹性振动自抗扰控制器(11)以及频率运算模块(10)，所述频率运算模块(10)连接有信号处理模块Ⅰ(9)和信号处理模块Ⅱ(8)；

还包括与螺栓连接***(1)相连且将压力信号传输给信号处理模块Ⅰ(9)的信号采集装置Ⅰ(5)、与图像采集装置(6)相连且将信号传输给信号处理模块Ⅱ(8)的信号采集装置Ⅱ(7)；所述的螺栓连接***(1)包括：

穿过定位基座(2)和柔性操作臂(3)的螺栓(1-5)；

与螺栓(1-5)配合的螺母(1-1)；

设置在螺栓(1-5)与定位基座(2)配合处的垫片Ⅱ(1-4)；

设置在柔性操作臂(3)和螺母(1-1)之间的压力传感器(1-3)；

设置在压力传感器(1-3)和螺母(1-1)之间的垫片Ⅰ(1-2)；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤一、建立典型末端负载(4)的形状与自身质量匹配的工作库；

步骤二、利用信号采集装置Ⅰ(5)实时采集压力传感器(1-3)的输出信号并传输给信号处理模块Ⅰ(9)，由信号处理模块Ⅰ(9)处理获得柔性操作臂(3)根部与定位基座(2)的配合压力并传输给频率运算模块(10)；同时信号采集装置Ⅱ(7)实时采集图像采集装置(6)的输出信号并传输给信号处理模块Ⅱ(8)，根据步骤一中建立的工作库，信号处理模块Ⅱ(8)处理获得末端负载(4)的质量并传输给频率运算模块(10)；

步骤三、根据频率运算模块(10)接收的柔性操作臂(3)根部与定位基座(2)的配合压力以及末端负载(4)的质量信息，确定柔性操作臂(3)的实时边界条件，获得柔性操作臂(3)的频率方程，利用频率运算模块(10)确定柔性操作臂(3)的模态频率；

步骤四、设计弹性振动自抗扰控制器(11)，确定定位基座(2)的位移控制信号；

步骤五、利用运动控制卡(12)与电机驱动器(13)驱动定位基座(2)运动，使柔性操作臂(3)在运动到指定位置的同时抑制自身弹性振动。

2.根据权利要求1所述的一种柔性操作臂弹性振动自抗扰的控制方法，其特征在于：所述步骤四包括：

a、基于输入整形法，构建柔性操作臂(3)前两阶模态的模态振动整形控制器，并确定模态振动整形控制器与柔性操作臂(3)模态频率的关系；

b、基于级联法，整合柔性操作臂(3)前两阶模态的模态振动整形控制器构成柔性操作臂(3)的弹性振动自抗扰控制器(11)；

c、将定位基座(2)参考位移信号与弹性振动自抗扰控制器(11)进行卷积处理，获得定位基座(2)的位移控制信号。

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