[发明专利]一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统

说明书

本发明涉及一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。通过直线电机和驱动阻尼器的调节使柔性臂负载运动满足要求并补偿大幅振动，再通过柔性臂各处的应变片和加速度计提供应变‑应力观测，并与支撑阻尼器调节相结合实现局部抑制柔性臂负载的末端振动，以达到更加精确的末端移动位置和抑制微振动的目的，实现高速与变负载工况下的超精密控制，且具有强抗干扰性。本复合驱动系统可以模拟验证太空空间柔性臂、带太阳能电池板卫星或工业现场柔性机械臂的运动控制和振动抑制情况，其提供了验证驱动阻尼器和支撑阻尼器抑制柔性臂振动控制算法和效果测试的精密试验原型装置，在机器人、精密制造与航空航天等领域高端装备中具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。该复合驱动系统可用于机器人、精密制造与航空航天等领域柔性结构高端装备的柔性臂振动抑制与精密运动控制。

背景技术

随着空间探测的日渐频繁，空间站作为长期的地外实验基地，因其外部环境的特殊性常常需要进行维修，因此需要使用空间机械臂。空间机械臂往往需要搬运较重的配件，又因发射火箭承载能力的限制，空间机械臂不能做的太重，轻质材料成为制造空间机械臂的首选，这就造成机械臂负载和自重比增大。而且为了扩大操作范围，在结构上多为细长结构。以上两点导致空间机械臂有非常明显的柔性特征。相比于传统的刚性机械臂，其在运动时会有振动，造成移动位置不精确，并因缺少阻尼作用会在真空中需要相当长一段时间才能够稳定，使得操作时间加长并造成能源的浪费，此外振动产生碰撞对空间站来说是十分危险的。

卫星展开太阳能电池板后是同样的细长柔性结构，如果发生振动，在真空的环境下，需要很长时间才能够稳定下来。这种振动不仅消耗额外的能量，甚至会使卫星发生翻转偏离轨道造成更大的损失。

在工业领域中，机械臂也有广泛应用，为节省能源或是为达到较高的运动速度和加速度减轻重量，都会使得机械臂的柔性振动问题突显出来。

无论是航天领域还是工业领域，柔性结构产生的振动问题越来越普遍。如中国专利CN104139873A(一种用于太阳能帆板的被动式减振装置)涉及利用被动阻尼器快速衰减太阳能帆板的挠性振动，达到提高卫星平台控制精度的目的。专利CN101249897(太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法)利用压电传感片和驱动片，并结合主动振动控制策略实现太空帆板的振动抑制。专利CN104985609A(一种振动智能补偿机械臂、机器人及其振动测量方法)通过智能元件进行振动检测和补偿实现主动振动抑制。相较于被动式减振装置对柔性结构的振动抑制，半主动/主动调节的可控阻尼在减振效果和性能上可以进行优化设计，且在保证精密运动前提下，可以抑制柔性结构因高加速度运动或负载变化而产生的振动，因而可以推广应用到更加广泛的领域。

本发明设计了一种适用于柔性臂振动抑制与精密运动控制的剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。其能通过直线电机和驱动阻尼器的调节补偿柔性臂负载的大幅振动，通过应变-应力观测和驱动阻尼器与支撑阻尼器调节抑制基端激励与柔性臂负载自激产生的微振动，实现高速与变负载工况下的超精密控制，且具有强抗干扰性。该复合驱动系统可用于机器人、精密制造与航空航天等领域柔性结构高端装备的精密运动调节。

发明内容

针对现有柔性臂控制因结构和末端微振动影响其高速高精度性能的实现等的不足，为研究柔性臂的微振动成因和精密运动控制与振动抑制算法的设计，并提供验证实际效果的装置，本发明提供一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。