[发明专利]一种机械臂振动抑制装置及其抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械臂振动抑制装置及其抑制方法。

背景技术

随着载人航天技术的不断发展，机械臂在空间的应用日趋广泛。在飞船上，利用机械臂可以捕获卫星，对卫星执行检修维护、更换零部件、调整太阳能电池板位姿等任务。在空间站，机械臂可以搬运飞船运送的给养、器材，完成空间站的扩建、维护修理等工作。与地面的工业机械手相比，太空机械臂很长，工作空间大，为了减轻发射的重量，减少关节电机的功率和用电量，太空机械臂采用质轻的细长结构，手臂刚度低，工作时很容易产生大的弹性变形和振动。由于太空环境中阻尼很小，机械臂振动会持续很长时间，影响正常的工作，因此抑制振动，提高机械臂末端的操作精度是太空机械臂应用中急需解决的一个主要问题。

许多研究者和工程技术人员提出并研究了采用压电材料作为传感器和作动器的方案，用于机械臂的振动抑制，但由于太空机械臂太长，在表面粘贴压电材料不仅需要付出昂贵的代价，也增加了机械臂的重量和体积，另外，这种方案的一个致命弱点是抑制的结果机械臂因振动产生的最大偏差仍出现在末端，而机械臂的定位精度就是末端的定位精度，只有尽可能减小末端的偏差，同时，最大偏差出现在其余部分才是振动抑制的理想结果。

发明内容

鉴于压电材料作为传感器和作动器的方案不仅代价昂贵，增加机械臂重量和体积，而且振动产生的最大偏差仍出现在末端等弊端，本发明设计了一种机械臂振动抑制装置，通过适当的控制方法可以将末端的偏差减小到零，臂杆最大偏差出现在中部附近。

本发明涉及的机械臂振动抑制装置及其振动抑制方法，通过安装在机械臂中部的电动机的正转和反转，可以带动丝杠向两个方向运动。丝杠的运动推动并拉紧机械臂一侧的钢索，以抵消末端载荷加速运动在相反方向上产生的力矩。根据末端载荷质量和加速度，可以确定载荷惯性力在垂直于钢索安装面的方向上的投影，由此利用本发明所给出的丝杠需要伸出的长度公式，可以确定丝杠的运动方向及其需要伸出的长度。

本发明具有如下特点：

(1)机械臂末端的偏差减小到零，臂杆最大偏差出现在中部附近。

(2)成本低廉；

(3)增加的重量和体积很小。

(4)仿真对比结果证明了抑制装置及其抑制方法具有很好的效果.

附图说明

图1是机械臂振动抑制装置结构示意图，图2是承受两个集中载荷的悬臂梁的受力图，图3是钢索的拉力示意图，图3是钢索的拉力示意图。

标号说明：1电动机，2丝杠，3钢索。

具体实施方式

1.机械臂振动抑制装置的结构和工作原理

如图1所示，机械臂振动抑制装置由电动机(1)、丝杠(2)和钢索(3)三部件组成。电动机(1)安装在机械臂的中部，其轴为空心轴，并可以正向和反向转动。空心轴内侧带有螺纹。丝杠(2)是一个带有螺纹的圆柱，螺纹与电动机(1)空心轴内侧的螺纹相吻合。丝杠(2)的两端带有长方体形状的穿线柱，穿线柱中间开槽用于穿过钢索(3)。两根钢索(3)布置在长方体机械臂两个相对的面上，穿过穿线柱开槽后两端分别固定在机械臂的两端。

通过机械臂末端位置和载荷质量的估计可以计算出载荷惯性力在垂直于钢索(3)安装面方向上的投影，其相反方向就是丝杠(2)需要移动的方向。按照下面的方法可以计算出丝杠(2)需要移动的距离。以此方式驱动电动机(1)可以部分抵消末端载荷惯性力对机械臂的弯曲，达到振动抑制的目的。

2.振动抑制方法

2.1臂杆的曲线方程

取悬臂梁作为机械臂振动抑制装置的力学模型，如图2所示，丝杠到悬臂每端的距离为L/2，丝杠的长度为l，丝杠对钢索的支撑力为P，钢索的拉力为R，在力P作用下悬臂梁在A，B两点的支撑力分别为R_A和R_B，悬臂梁在B点受到的外力为F，则

RA=RB=P2]]>

以x表示悬臂梁上一点到A距离，并选择逆时针方向为力矩的正方向，则当0≤x≤L/2时，悬臂梁在该处的力矩为