一种宏微复合平台隔振系统及其控制方法

1.本发明涉及运动平台隔振技术领域，尤其是涉及一种宏微复合平台隔振系统及其控制方法。


背景技术：

2.宏微复合运动机构是一种具有高精度和大范围运动能力的机构，它由宏运动和微运动两个级别的结构组成，其中宏运动结构负责大范围运动，微运动结构负责高精度微调，目前被广泛用于手术机器人、精密加工等领域，能够实现高精度、高速度、高可靠性的运动控制。
3.在实际应用中，由于机器人目标定位精度高，且受到地面、风机等现场环境因素影响，通常都会在系统中引入振动激励，而为了实现微米运动精度，往往需要加入隔振元件提高系统鲁棒性。但是主动隔振容易受到多方面技术和设备的制约，第一个制约因素是控制器，微振动干扰频率范围主要是0hz～200hz，根据奈奎斯特采样定律可知，理论上控制器的采样频率需要在最高控制频率2倍以上，工程实际需要5～10倍，因此需要控制器有足够的信号采集带宽和系统算力，确保在单个采样时间内实现振动识别；第二个因素是执行器和传感器，执行器要求包括控制输出线性度、功率、频率范围、体积、质量、散热、工作持续时间等多方面；传感器则需要较高的低频振动灵敏度、长时间稳定工作、对温度辐射不敏感等，测量微振动干扰对传感器性能要求较高，由于微振动低频振动信号量级较小，为了保证测试信号信噪比足够高，要求低频区噪声要远小于测试信号；第三个因素则是控制算法，稳定、有效的控制方法一直是主动控制的难点和重点。
4.可以说，现有的宏微复合平台在应对隔振问题时，难以有效可靠地隔离高频环境扰动和低频环境扰动。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种宏微复合平台隔振系统及其控制方法，通过在宏运动主动隔振的基础上并联被动隔振，从而实现对高频环境扰动及低频环境扰动的隔离。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种宏微复合平台隔振系统，包括设置于微运动平台底部的运动状态检测模块、设置于宏运动平台的主动执行机构和位置传感器，所述宏运动平台安装在被动隔振基座上，所述被动隔振基座上设置有被动隔振单元，所述被动隔振单元包括并联的弹性元件和阻尼元件。
7.进一步地，所述微运动平台与宏运动平台之间采用柔性连接方式。
8.进一步地，所述运动状态检测模块包括加速度计传感器和多维力传感器。
9.一种宏微复合平台隔振控制方法，包括以下步骤：
10.s1、施加可调激励信号，结合运动状态检测模块输出的运动状态，构建出宏微复合平台运动方程；
11.s2、根据宏微复合平台运动方程，构造闭环主动振动隔离控制律，对宏运动平台的位移进行控制，实现隔振效果。
12.进一步地，所述步骤s1中施加的可调激励信号具体为宏微复合平台在运动过程中产生的低频扰动f(t)。
13.进一步地，所述步骤s1中宏微复合平台运动方程具体为：
[0014][0015]
其中，m为微运动平台质量，k为弹性元件，b为阻尼元件，x为宏微运动平台底座的绝对位移，ζ为主动执行机构的可控基础位移，x-ζ为宏微运动平台底座的相对位移。
[0016]
进一步地，所述主动执行机构的可控基础位移具体为：
[0017]
ζ(t)＝-w
x
(x(t))
[0018]
即主动执行机构的可控基础位移ζ(t)由绝对位移x(t)构造得出。
[0019]
进一步地，所述步骤s2具体是通过对宏微复合平台运动方程进行拉普拉斯变换，并据此构造出闭环主动振动隔离控制律。
[0020]
进一步地，所述闭环主动振动隔离控制律的传递函数具体为：
[0021][0022]
其中，w
x/f
(s)为宏运动平台底座绝对位移x与扰动力f的传递函数。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0024]
一、本发明通过在微运动平台底部设置运动状态检测模块，用于检测耦合系统运动状态；在宏运动平台设置主动执行机构和位置传感器，用于实现基础位移控制；并且将宏运动平台安装在被动隔振基座上，被动隔振基座上设置有并联的弹性元件和阻尼元件，用于实现被动隔振。由此在宏运动主动隔振的基础上并联被动隔振，不仅能实现针对高频环境扰动的主动隔振，也能实现对低频环境扰动的隔离。
[0025]
二、本发明通过施加可调激励信号，根据宏平台底座绝对位移和环境扰动力构造闭环主动隔振控制律，对于宏微运动平台运动产生的扰动激励具有不变性，能够利用宏运动平台主动调节激励，从而补偿环境扰动的影响，并结合位置传感器实现振动闭环检测与控制，确保有效实现主动振动隔振。
附图说明
[0026]
图1为本发明的系统结构示意图；
[0027]
图2为微运动振动隔离示意图；
[0028]
图3为闭环主动隔振控制框图；
[0029]
图中标记说明：1、微运动平台，2、宏运动平台，3、被动隔振基座，11、加速度计传感器，12、多维力传感器。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031]
实施例
[0032]
如图1所示，一种宏微复合平台隔振系统，包括设置于微运动平台1底部的运动状态检测模块、设置于宏运动平台2的主动执行机构和位置传感器，宏运动平台2安装在被动隔振基座3上，被动隔振基座3上设置有被动隔振单元，被动隔振单元3包括并联的弹性元件和阻尼元件。
[0033]
其中，微运动平台1与宏运动平台2之间采用柔性连接方式，运动状态检测模块则包括加速度计传感器11和多维力传感器12。
[0034]
将上述系统应用于实际，以一种宏微复合平台隔振控制方法，包括以下步骤：
[0035]
s1、施加可调激励信号，结合运动状态检测模块输出的运动状态，构建出宏微复合平台运动方程；
[0036]
s2、根据宏微复合平台运动方程，构造闭环主动振动隔离控制律，对宏运动平台的位移进行控制，实现隔振效果。
[0037]
本实施例应用上述技术方案，通过对被动隔振与闭环主动隔振建模，对比分析优选解决方案实现微米运动精度。首先进行多模态环境与本体运动激振分析，将机器人底座和地面交互面、宏微系统连接面由刚性连接改为柔性连接，再通过引入附加质量元件、弹性元件和阻尼元件实现被动隔振；此外，在被动隔振的基础上并联主动可调激励来补偿环境扰动的影响；结合位置传感器实现振动闭环检测与控制、实现主动振动隔振。
[0038]
具体的，对微运动振动隔离采用基于被隔离对象运动状态信号的防护方案。以微运动振动隔离为例(如图2所示)，激励信号为宏微耦合系统在运动过程中产生的低频扰动f(t)，通过在微运动平台底部m固联加速度计传感器和多维力传感器检测耦合系统运动状态，并在宏运动平台末端上设置主动执行机构实现基础位移ζ(t)控制(宏运动平台设置有位置传感器，用于实现位移检测)。被动模块则由弹性元件k和阻尼元件b并联构成。
[0039]
对于宏微运动平台整体质量m，其运动可描述为微分方程：
[0040][0041]
其中x(t)和x-ζ是宏微运动平台底座的绝对位移和相对位移。由系统动态参数可知主动执行机构的可控基础位移ζ(t)可由绝对位移x(t)构造:
[0042]
ζ(t)＝-w
x
(x(t))(2)
[0043]
代入式(1)并进行拉普拉斯变换可得：
[0044]
[ms2+(bs+k)(1+w
x
(s))]x＝f(3)
[0045]
根据式(3)构造如图3所示控制框图，因此宏运动平台底座绝对位移x与扰动力f的传递函数可表示为：
[0046][0047]
对比纯被动隔振，闭环主动振动隔离有效系数为：
[0048][0049]
因此，基于式(4)便可构造出对于宏微运动平台运动产生的扰动激励具有不变性
的主动隔振系统。而对于微系统运动底座的振动隔离还需要考虑其姿态变化引起的空间振动激励分解、重力在基座法向投影等因素，重新构造动力学方程。在实际应用中，还可在完成脑部电极植入外科手术机器人系统运动控制系统样机搭建的基础上，采用三维激光干涉仪进行引导针末端运动在空间内各方向的振幅，从而进一步计算分析系统隔振效率。
[0050]
综上可知，本技术方案在宏微复合运动系统中，利用宏运动平台主动调节激励，从而补偿环境扰动的影响，结合位置传感器实现振动闭环检测与控制，从而实现主动振动隔振，能够有效降低宏微复合运动机构中微运动平台进行精细操作时的环境干扰。本技术方案根据宏平台底座绝对位移和环境绕动力，构造出对于宏微运动平台运动产生扰动激励具有不变性的主动隔振动力学方程，能够有效隔离高频环境扰动；本技术方案在宏运动主动隔振的基础上并联被动隔振单元，能够有效实现对低频环境扰动的隔离。

技术特征：
1.一种宏微复合平台隔振系统，其特征在于，包括设置于微运动平台(1)底部的运动状态检测模块、设置于宏运动平台(2)的主动执行机构和位置传感器，所述宏运动平台(2)安装在被动隔振基座(3)上，所述被动隔振基座(3)上设置有被动隔振单元，所述被动隔振单元包括并联的弹性元件和阻尼元件。2.根据权利要求1所述的一种宏微复合平台隔振系统，其特征在于，所述微运动平台(1)与宏运动平台(2)之间采用柔性连接方式。3.根据权利要求1所述的一种宏微复合平台隔振系统，其特征在于，所述运动状态检测模块包括加速度计传感器(11)和多维力传感器(12)。4.一种宏微复合平台隔振控制方法，应用于如权利要求1所述的宏微复合平台隔振系统，其特征在于，包括以下步骤：s1、施加可调激励信号，结合运动状态检测模块输出的运动状态，构建出宏微复合平台运动方程；s2、根据宏微复合平台运动方程，构造闭环主动振动隔离控制律，对宏运动平台的位移进行控制，实现隔振效果。5.根据权利要求4所述的一种宏微复合平台隔振控制方法，其特征在于，所述步骤s1中施加的可调激励信号具体为宏微复合平台在运动过程中产生的低频扰动f(t)。6.根据权利要求5所述的一种宏微复合平台隔振控制方法，其特征在于，所述步骤s1中宏微复合平台运动方程具体为：其中，m为微运动平台质量，k为弹性元件，b为阻尼元件，x为宏微运动平台底座的绝对位移，ζ为主动执行机构的可控基础位移，x-ζ为宏微运动平台底座的相对位移。7.根据权利要求6所述的一种宏微复合平台隔振控制方法，其特征在于，所述主动执行机构的可控基础位移具体为：ζ(t)＝-w
x
(x(t))即主动执行机构的可控基础位移ζ(t)由绝对位移x(t)构造得出。8.根据权利要求7所述的一种宏微复合平台隔振控制方法，其特征在于，所述步骤s2具体是通过对宏微复合平台运动方程进行拉普拉斯变换，并据此构造出闭环主动振动隔离控制律。9.根据权利要求8所述的一种宏微复合平台隔振控制方法，其特征在于，所述闭环主动振动隔离控制律的传递函数具体为：其中，w
x/f
(s)为宏运动平台底座绝对位移x与扰动力f的传递函数。

技术总结
本发明涉及一种宏微复合平台隔振系统及其控制方法，该系统包括设置于微运动平台底部的运动状态检测模块、设置于宏运动平台的主动执行机构和位置传感器，其中，宏运动平台安装在被动隔振基座上，被动隔振基座上设置有被动隔振单元，被动隔振单元包括并联的弹性元件和阻尼元件。该方法包括：通过施加可调激励信号，结合运动状态检测模块输出的运动状态，构建出宏微复合平台运动方程；再根据宏微复合平台运动方程，构造闭环主动振动隔离控制律，对宏运动平台的位移进行控制，实现隔振效果。与现有技术相比，本发明能够有效实现对高频环境扰动及低频环境扰动的隔离。及低频环境扰动的隔离。及低频环境扰动的隔离。


技术研发人员：李新伟 杨广中 罗雅婷 刘仁强 高峰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/1