[发明专利]气动驱动双摆动压电柔性梁装置和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，特别涉及一种气动驱动双摆动压电柔性梁装置和控制方法。

背景技术

气动技术与其他的传动和控制方式相比，有如下优点：气动装置结构简单、轻便、价格相对低廉、安装维护简单，压力等级低，使用安全，节能，无污染，高速高效，易于实现自动化。气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压驱动相比，清洁，无污染，不需要泵站及冷却装置等。气动控制回路有进口节流和出口节流的方式，系统的排气是采用伺服阀、比例阀、以及高速开关阀的脉冲调制控制方式来实现控制。气动控制摆动气缸时，与伺服电机驱动相比，不需要减速器等。这样，既降低了成本，又不会因为传动间隙等影响精度。

柔性结构应用在航天领域以及工业生产。相对于刚性结构，具有质量轻、能耗低、效率高等优点，但柔性结构的刚度低、柔性大等特点将产生振动问题，影响控制精度。近年来，柔性结构的振动主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题。

对应航天结构中的帆板，基本上是中心浮动本体，带有两翼柔性结构。需要达到指向要求，所以考虑刚柔耦合的两个压电柔性梁装置指向和振动控制方法，在建立试验装置时，驱动方式选择采用摆动气缸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于气动驱动双摆动压电柔性梁装置和控制方法，使得柔性梁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及指向，并快速抑制振动。另外，双摆动气缸驱动还可以通过两只摆动气缸摆动角度的相互补偿来实现柔性梁定点指向，而不受其中某一气缸摆动的影响。

该发明的另一个目的是给出一种在建模及控制方面相对复杂的系统，为研究复杂控制算法提供试验装置。

为达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：

一种气动驱动双摆动压电柔性梁的装置，包括柔性梁本体部分、气动驱动部分和控制部分：

——柔性梁本体部分包括：

柔性梁Ⅰ11，一端为自由端，另一端为固定端；柔性梁Ⅱ15，一端为自由端，另一端为固定端；柔性梁Ⅰ11与柔性梁Ⅱ15平行放置，柔性梁Ⅰ11的固定端与柔性梁Ⅱ15的固定端固定在通过摆动法兰盘机械连接装置Ⅱ7安装在摆动气缸Ⅰ1的摆动法兰盘上；

摆动气缸Ⅰ1、摆动气缸Ⅱ4，摆动气缸Ⅰ1的基座安装在摆动法兰盘机械连接装置Ⅰ3 上，机械连接装置Ⅰ3安装在摆动气缸Ⅱ4的摆动法兰盘上，摆动气缸Ⅰ1的摆动法兰盘通过联轴器与光电编码器Ⅰ2的转轴相连，光电编码器Ⅰ2安装在摆动法兰盘机械连接装置Ⅰ3上；摆动气缸Ⅱ4安装在底座6上，其摆动法兰通过联轴器与固定在底座6上的光电编码器Ⅱ5的转轴相连；

压电片驱动器Ⅰ8、压电传感器Ⅰ9分别粘贴在柔性梁Ⅰ11的固定端；压电片驱动器Ⅱ12、压电传感器Ⅱ13分别粘贴在柔性梁Ⅱ15的固定端；

加速度传感器Ⅰ10安装在柔性梁Ⅰ11的自由端，加速度传感器Ⅱ14安装在柔性梁Ⅱ15的自由端；

——气动驱动部分，由两个气动通路构成，分别用于驱动摆动气缸Ⅰ1的摆动和摆动气缸Ⅱ4的摆动；

——控制部分，用于处理检测到的柔性梁Ⅰ11和柔性梁Ⅱ15的转动、振动信号，并做出相应的处理。

所述压电片驱动器Ⅰ8由4片压电片在柔性梁Ⅰ11的两面对称粘贴构成，每面2片且并联连接；压电片驱动器Ⅱ12由4片压电片在柔性梁Ⅱ15的两面对称粘贴构成，每面2片且并联连接；所述压电传感器Ⅰ9和压电传感器Ⅱ13各为1个，分别安装在柔性梁Ⅰ11和柔性梁Ⅱ15的固定端的宽度方向的中间位置。

所述气动驱动部分的气泵16产生的高压气体通过气动三联件17稳压后提供气源给两个气动通路：

——气动通路I，高压气体经过气动三联件17后与气动比例阀Ⅱ24的一个端口连接，气动比例阀Ⅱ24的另外两个端口分别与摆动气缸Ⅰ1的左气腔和右气腔连接，用于驱动控制摆动气缸Ⅰ1的摆动；

——气动通路II，三个气动减压阀18与气动三联件17连接后，其中两个气动减压阀18与气动两位五通阀20的两个端口直接连接，另外一个气动减压阀18连接气动单向阀19后分两路，一路与气动两位五通阀20一个端口连接，另一路与气动比例阀Ⅰ21连接，构成系统的排气调节出口，气动两位五通阀20另外两个端口分别经过气动单向节流阀Ⅰ22和气动单向节流阀Ⅱ23后与摆动气缸Ⅱ4的左气腔和右气腔连接，用于驱动控制摆动气缸Ⅱ4的摆动。