[0001] 本发明涉及机械臂控制技术领域，具体涉及了一种摆动式低频主动动力吸振装置及其控制系统与方法。

[0002] 空间机械臂通常采用细长杆的设计，关节部分配备谐波减速器和关节李局传感器等技术。这些柔性结构引入使得空间机械臂面临一个关键问题，在机械臂运动过程中，或受到外部扰动时，柔性结构可能导致机械臂自身发生振动。根据空间机械臂的柔性程度，可以将其分为柔性关节‑刚性连杆机械臂、刚性关节‑柔性连杆机械臂、柔性关节‑柔性连杆机械臂三种类型。目前对于预研空间机械臂，在进行了关节运动控制算法进行振动抑制后，仍然会存在低频振动，严重影响了机械臂的控制精度和精细化操作程度。针对机械臂的振动抑制主要由关节运动控制和动力吸振器两种方案。关节运动控制在抑制机械臂的低频残余振动上无法发挥作用，而动力吸振器一般采用直线式动力吸振器方案。但是对于空间机械臂的低频振动，采用传统的直线运动动力吸振器方案，会出现行程较长的问题。

[0016] 下面通过具体实施方式进一步详细说明：说明书附图中的标记包括：摆锤1、摆锤盖2、摆锤连接发了3、轴承支架4、连接片5、轴套6、深沟球轴承7、摆杆连接法兰8、摆杆9、摆臂电机10、电机支架11、轴承下支架12、旋转盘13、电机轴14、轴套15、电机轴16、角接触轴承17、轴承端盖18、轴承支架19、固定架20、底盘21、电机支架22、转动电机23、轴套24，电滑环25、电滑环旋转轴26、支撑架27、顶盘28。

[0017] 实施例基本如附图1所示：一种摆动式低频主动动力吸振装置及其控制系统，包括摆臂机构、旋转机构以及旋转盘13，摆臂机构包括摆锤1、摆杆8、摆臂电机10、电机支架11，摆锤盖2加工有环形槽，槽内可以嵌入橡胶密封胶条，从而使摆锤1内部不仅可以容纳固体物质，还能够允许液体的注入以增加阻尼效果。但只可静态添加物质，不能在运行过程中更改物质。摆锤1和摆锤盖2通过摆锤连接法兰3的顶丝螺纹孔与摆杆9连接，摆杆连接法兰8与摆杆9之间也通过顶丝螺纹孔进行固定连接。通过后端的螺栓螺母连接提供预紧力，以夹持住电机轴14。为了防止摆锤的离心力直接对电机轴14施加倾覆力矩，进而避免对无刷电机10造成损害，设计了一套由轴承支架4、连接片5、轴套6、深沟球轴承7和轴承下支架12组成的支撑装置。这些零部件为电机轴14提供支撑力。无刷电机10、电机支架11和旋转盘13则通过螺钉进行牢固连接。为了避免因为质量的不均匀分布引起的力扰动，对无刷电机10及其相关的摆锤附属零部件进行了对称分布设计。在材料选择方面，摆杆9和电机轴14由于要承受一定的抗弯及抗扭强度，因此采用45钢；连接片5固定连接了两个支架，也需要一定的抗弯强度，因此选用Q235碳素结构钢；其他零部件出于减重的考虑，采用铝合金6063。

[0018] 如图2所示，旋转机构包括旋转电机23、刚性支撑结构以及底盘21，所述旋转电机23的电机轴16与旋转盘13固定连接，所述刚性支撑结构连接旋转盘13和底盘21，所述旋转机构用于跟随柔性臂末端的振动方向进行旋转。

[0019] 旋转盘13通过螺钉与电机轴14固定连接。轴套15、轴套24、一对角接触轴承17、轴承端盖18、轴承支架19和固定架20形成一套刚性支撑结构，将旋转盘13所受到的力传递至底盘21，避免直接施加在电机轴14和旋转电机23上，确保旋转盘13能够平稳运转，同时最大程度减小对无刷电机的额外负荷，从而优化整体系统性能。旋转电机13为旋转盘13提供所需的旋转力矩。

[0020] 在材料选择方面，电机轴14和轴套24采用45钢，而其他零部件则选用铝合金6063，以保证结构的坚固性和轻量化设计。

[0021] 如图3所示，底盘21和顶盘28的直径按照三自由度柔性机械臂末端外径200mm确定。底盘21可安装在机械臂末端，而顶盘28则可用于安装机械臂末端执行装置，如机械夹爪、执行气缸等。为了确保旋转盘能够实现360°无限制的旋转，在顶盘228下方安装了一个电滑环25。电滑环25的存在使得旋转机构26在电路接线方面不受到摆臂机构A的限制，因而旋转机构B能够以最短路径旋转到目标位置。电滑环旋转轴26安装在旋转机构B的旋转盘上，驱动电滑环25以与旋转盘相同的速度旋转。支撑架27的材料选用Q235碳素结构钢，而其他零部件则采用铝合金6063，以保证系统的牢固性和轻量化设计。旋转结构B可以跟随柔性臂末端的振动方向做360°的旋转，摆臂机构A的电机可以根据余弦调制自抗扰控制器计算出来的转速进行摆动，只可做180°范围内的摆动，不可做整周旋转。

[0022] 还包括控制模块，所述控制模块包括控制器、陀螺仪，所述控制器与陀螺仪点连接，所述控制器与摆臂电机以及旋转电机电连接，所述陀螺仪用于获取柔性臂末端在X方向和Y方向的加速度值并发送控制器，所述控制器根据柔性臂末端在X方向和Y方向的加速度值，通过预设的余弦调制自抗扰控制算法计算摆臂机构的旋转速度，并控制摆臂电机以该旋转速度进行运行。

[0023] 传统自抗扰控制器控制摆动式动力吸振器的控制框图如图4所示。

[0024] 本申请中使用余弦调制自抗扰控制器控制摆动式动力吸振器的控制框图如图5所示。余弦调制自抗扰控制器总共具有五个参数，分别为系统机构驱动特性系数的估计值 ；误差反馈控制率的带宽 ；扩张状态观测器带宽 ；TD跟踪速度因子 ；TD滤波因子 。

[0025] 相较于传统经典的自抗扰控制器，该控制器有以下几个特点：1、将跟踪‑微分器从输入端移动到了输出端，一方面是因为此为抑振算法，期望信号为0，不需要跟踪‑微分器；另一方面是因为调制的余弦输出存在阶跃值，而跟踪‑微分器可以很好的平滑处理这个突变值。

[0026] 2、传统的非线性自抗扰需要调整12个参数，线性自抗扰需要调整6个参数，经过极点配置过后的线性自抗扰仅需要调整3个参数，使其可以快速的部署到工程应用中。

[0027] 3、为了减少电机的冲击，提出了速度输出调制的方法，经过仿真和实验验证，该方法能使电机冲击大幅减弱，为振动抑制提供了基础。

[0028] 4、该控制器继承传统经典自抗扰控制器模型无关性的特点，使动力吸振器可以不依赖数学模型而对柔性臂进行振动抑制。

[0029] 摆球式动力吸振器的电路连接图如图6所示，动力吸振器的主要供电为24V和5V。其中，为了使摆臂机构上的电气元件不受接线的限制可以自由旋转，因此摆臂机构上的接线必须经过电滑环。同时摆臂电机的转速和功率决定了输出力的输出频率。选用的无刷摆臂电机的扭矩为5Nm，转速为505rpm，经过计算可以知道摆动频率最大可达9Hz，因此该动力吸振器可针对9Hz以下的低频振动。

[0030] 摆球式动力吸振器的各个外设与主控板之间的通讯方式如图7所示。主要有CAN协议，串口通讯和外部中断组成。六轴电子陀螺仪模块可以实时测量柔性臂末端在X方向和Y方向的加速度值，该值通过串口发送给STM32F103工控板。工控板根据X方向和Y方向的加速度值计算旋转机构的旋转角度，并将X方向和Y方向的加速度值作为余弦自抗扰算法的输入进行计算。余弦调制自抗扰算法计算出来的值为摆臂机构电机的旋转速度。将计算出来的旋转角度和旋转速度分别通过CAN接口传输至相应的电机。旋转电机接收到旋转角度信息后，即旋转至对应的角度。两个摆臂电机接收旋转速度信息后，即根据接收信息进行同步的摆动。

[0031] 摆臂机构能实现抑振的原理图如图8所示。

[0032] 此时沿X方向的合力如以下公式所示：（1）
沿Y方向的合力如以下公式所示：
（2）
当摆长L1=L2=L，m1=m2=m，且摆球与Y轴的偏转角度θ相同时，最终沿X方向的合力如以下公式所示：
（3）
沿Y方向的合力大小如以下公式所示：
（4）
式中， 为小球摆动的初始位置。

[0033] 通过对式（3）和式（4）的分析，可以得知，两个摆球在X方向上的合力为0，而在Y方向上的合力大小与角速度ω呈正相关。此外，随着小球的不断摆动，Y方向上的合力方向也会在正负轴上移动。当两个小球的摆动频率与柔性臂的振动频率一致，并且小球的摆动方向与柔性臂的振动方向相反时，就实现了对柔性臂振动方向施加相反力的条件。这种情况下，可以有效抑制振动，达到抑制柔性臂振动的目标。

[0034] 以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。