[发明专利]基于可控刚度和可控阻尼的柔性机械臂减振装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于可控刚度和可控阻尼的柔性机械臂减振装置与方法，它从非线性的角度构造基于磁流变技术的可控刚度和阻尼式减振装置，使柔性机械臂和减振装置组成的系统发生内共振现象，并形成能量交换的通道，将柔性机械臂的振动能量迁移至减振装置并由阻尼耗散，属于机械振动、柔性机械臂的运动控制等技术领域。

背景技术

随着机器人技术的发展，应用轻质、快速、高负载自重比的柔性机械臂成为工业制造和航空航天领域的一种趋势。由于柔性机械臂阻尼很小，振动会持续很长时间，影响正常的工作，因此抑制振动、提高机械臂的操作精度成为当前研究的热点。

针对柔性机械臂固有柔性和分布参数特征所引发的大幅非线性振动问题，人们从不同视角对柔性机械臂的振动控制开展了广泛研究。例如，在结构设计方面，通过合理选取几何尺寸或形状提高基频，降低机械臂的柔性变形和振动；在减振构型设计方面，采用滑动质量可控的杆件实现柔性机械臂的轨迹控制；在控制规律设计方面，主动控制逐步取代传统被动控制，成为振动控制的主要发展方向。其中，利用伺服电机控制刚体运动的同时，附加压电陶瓷、形状记忆合金等机敏材料作为作动器，抑制柔性机械臂的弹性动力响应的方法已经成为当前的一个研究热点。当前的振动控制方法已在柔性效应较弱、可做线性化处理的柔性机械臂的一般振动方面取得了显著进展，但是，大幅非线性振动通常蕴含了强烈的振动能量，主动控制方法将不得不消耗更多的能量转变为控制力来抑制这种大幅振动。显然，这种做法并非总是妥当的，其能耗高、易过载的不足甚至使之得不偿失。更为重要的是，一般机敏材料的输出功率往往有限，因而难以提供足够能量来克服这种强烈振动，甚至面临着过载破坏的危险。由此可见，现有的控制方法难以应对柔性机械臂的大幅振动问题。此外，在高加速度、复杂名义运动环境下，柔性机械臂非线性动力学效应显著而致使动力学行为变得十分复杂，致使以线性振动控制为核心的动态性能优化问题进展缓慢、困难重重。

通过对现有文献检索发现，近年来，已有人利用磁流变材料来设计减振装置。例如，申请号CN200910071707.0的专利公开的船用磁流变弹性体智能吸振器和申请号CN200510094882.3的专利公开的磁流变弹性体移频式吸振器及控制方法，对于柔性结构振动控制具有比较好的效果，但对于名义运动作用下刚柔耦合的柔性机械臂的大幅振动控制将难以实施，并且吸振器的阻尼均无法做出合理地改变。应当指出，柔性机械臂是一个高度耦合的非线性动力学与非线性控制系统。当在机械臂中考虑了柔性因素的时候，柔性机械臂的运动往往呈现非线性特征，柔性机械臂运动的特点是大范围的刚体运动与弹性运动之间相互影响、高度耦合。根据非线性振动理论，该系统的高度耦合非线性、低基频大柔性导致的几何非线性、模态密集以及多种控制力的联合作用，使该动力学系统存在着发生内共振的极大可能性，因此从非线性角度来分析柔性机械臂的动力学和控制问题有利于探索更有效的减振方法。

内共振作为非线性多自由度系统特有的性质，一直视为有害而予以避免。然而，从积极的观点来研究内共振，有望为柔性机械臂的非线性振动控制提供新的途径。内共振是非线性多自由度系统的一种特有现象，在两自由度系统的非线性动力学方程中，如果线性部分的固有频率满足可公度或者接近可公度关系，也就是说(其中m₁、m₂是正整数，ω₁、ω₂是线性部分固有频率），这些频率的可公度关系能够引起相应模态很强的耦合，这就称为内共振。正是这些耦合的存在，使得能量能够在模态之间不断地交换，并且由系统内的阻尼耗散。

因此，为解决航空航天、微电子制造、精密机械等领域中具有柔性机构，特别是具有单柔性机械臂的机械系统的大幅振动控制问题，本发明从非线性振动角度出发，应用内共振原理，提出了基于磁流变技术的基于可控刚度和可控阻尼的柔性机械臂减振装置与方法。

发明内容

本发明的目的是针对当前柔性机械臂大幅非线性振动控制方法的欠缺及不足，为解决柔性机械系统（特别是具有刚柔耦合的柔性机械臂）在工作过程中的振动控制问题，提供基于可控刚度和可控阻尼的柔性机械臂减振装置与方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

本发明基于可控刚度和可控阻尼的柔性机械臂减振装置，其特征在于它包括柔性机械臂、安装在柔性机械臂上的磁流变减振装置以及起连接作用的直线导轨组件，其中：