一种基于阻抗控制的船用主动减摆收放机械臂制造技术

针对船用机械臂工作过程中因干扰产生摆动问题，发明专利技术一种基于阻抗控制的船用主动减摆收放机械臂。主要包括减摆锥形吊钩，吊索，减摆机构Y，改进阻抗阻尼器Y，固定件1，固定件2，轴承1，轴承2，减摆机构X，轴承3，改进阻抗阻尼器X，固定件3，固定件4，固定件5，折臂1，轴承4，折臂2，轴承5，固定件6，托架，支柱，轴承6，永磁异步电机，减摆阻抗综合控制箱，母船甲板，位置传感器，滑轮，力传感器，滑块，连杆。设计主动减摆阻抗综合控制系统对被吊物进行主动减摆；采用基于阻抗控制的改进阻抗阻尼器，避免大幅度和高频率减摆出现装置断裂情况，提高了船用收放机械臂效率和安全性。机械臂效率和安全性。机械臂效率和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于阻抗控制的船用主动减摆收放机械臂


[0001]本专利技术属于船用机械臂收放小艇、海洋武器装备和潜航器等装置，基于阻抗控制柔顺力保护减摆机构，适用于船横纵摇状态下进行主动减摆的船用收放机械臂。

技术介绍

[0002]目前海洋工程装备的研发、制造业蓬勃发展，在国家产业发展战略中具有重要地位。近年来随着国际形势的变化，我国的海洋资源以及海防受到严重威胁。舰船在维护我国海洋权益时，船用机械臂是不可或缺的设备。在复杂的海洋环境的干扰下，如何有效地进行主动减摆，且保证机械臂稳定可靠这一问题，成为亟待解决的难点。
[0003]技术《小艇吊索收放控制装置》给出一种基于PLC的船用小艇收放装置方案，设计了安装液压绞车的船用小艇收放装置。但存在以下问题：
[0004](1)提出的装置设计方案采用普通吊钩，吊钩不具备任何减摆功能；
[0005](2)设计时没有考虑海风，海浪的横摇，纵摇等外界环境因素对母船及船用小艇收放装置的干扰，不具有减摆功能。
[0006]论文《工作艇收放装置关键技术及控制策略研究》、论文《高海况救生艇收放装置主动防摆控制研究》、论文《高海况救助艇收放装置控制系统设计及仿真》提出的装置方案虽然也能达到减摆目的，但使用液压粘滞阻尼器，与本专利技术的改进阻抗阻尼器相比，存在以下问题：
[0007](1)液压粘滞阻尼器结构复杂，加工精度高，成本高且工作时可能会发生漏液的情况，污染环境引发火灾；
[0008](2)液压粘滞阻尼器性能受温度影响，温度变化对性能有明显影响。<br/>[0009]此外技术《一种用于水平折臂式吊机上的小艇用减摇装置》虽然具有减摆功能，但是不能实现被吊物收放时主动减摆功能，相当于开环减摆控制，没有安装位置传感器检测实际位置进行反馈闭环，不能进行主动减摆控制，也没有安装力传感器进行主动力跟踪控制，没有表现出一定的柔顺性，刚度不能降低，不具有粘滞阻尼特性，不能加强减摆控制的稳定性。更不能在减摆同时保护减摆机构，不能做到持久耐用。

技术实现思路

[0010]专利技术目的在于提供一种可实现主动减摆，并在减摆过程中利用阻抗控制，柔顺控制力减震缓冲保护减摆机构，解决由于海面复杂环境对母船摇摆，船用机械臂工作效率下降和无法安全工作的问题的船用收放机械臂装置。
[0011]本专利技术主要包括减摆锥形吊钩，吊索，减摆机构Y，改进阻抗阻尼器Y，固定件1，固定件2，轴承1，轴承2，减摆机构X，轴承3，改进阻抗阻尼器X，固定件3，固定件4，固定件5，折臂1，轴承4，折臂2，轴承5，固定件6，托架，支柱，轴承6，永磁异步电机，减摆阻抗综合控制箱，母船甲板，位置传感器，滑轮，力传感器，滑块，连杆。本专利技术还包括这样的特征：
[0012](1)各部分功能
[0013]减摆锥形吊钩可以与被吊物紧密贴合，具有一定的减摆功能。避免普通吊钩在收放作业时可能会松脱，导致被吊物坠落，造成生产安全和生命安全事故情况的发生。特别说明减摆锥形吊钩具有辅助减摆功能。本专利技术的主动减摆功能需要依靠主动减摆阻抗综合控制系统来实现。
[0014]减摆机构X与改进阻抗阻尼器X共同抑制因海浪的横摇运动或者海风等外界环境的复杂干扰产生的摆角，减摆机构Y与改进阻抗阻尼器Y共同抑制因海浪的纵摇运动或者海风等外界环境的复杂干扰产生的摆角。
[0015]减摆阻抗综合控制箱，永磁异步电机，改进阻抗阻尼器X，改进阻抗阻尼器 Y，减摆机构X，减摆机构Y和减摆锥形吊钩共同构成主动减摆阻抗综合控制系统。本专利技术的主动减摆阻抗综合控制系统具有主动减摆和减震缓冲功能。
[0016](2)工作模式介绍
[0017]以回收工作模式为例，回收工作模式过程为被吊物由海平面上升，船用收放机械臂回收吊索，直至减摆锥形吊钩与滑轮相接，回收工作模式结束。当被吊物和减摆锥形吊钩随吊索上升，母船受到复杂海洋环境的干扰(特别是海风的干扰，海浪的横摇运动与纵摇运动对母船造成的干扰)发生摆动时，减摆阻抗综合控制箱开始进行减摆工作，箱内控制器的输入为被吊物的期望位置。当位置传感器检测被吊物的实际位置与期望位置存在差距，减摆阻抗综合控制箱中的控制器控制永磁异步电机，为改进阻抗阻尼器X和改进阻抗阻尼器Y提供动力。通过连杆推动滑块向“N”或者“W”方向运动，进而能带动轴承3和轴承1，促使减摆机构X和减摆机构Y回到设定的期望位置。
[0018]但是由于外界环境干扰过于复杂，导致减摆机构X和减摆机构Y需要多次运动回到期望位置。为了防止某一时刻实际位置与期望位置偏差过大或者返回期望位置的频率过高，造成减摆机构X和减摆机构Y发生刚性弯折甚至断裂的情况。特别地，在控制系统中引入阻抗模块，控制系统主动控制减摆机构X和减摆机构Y向期望位置靠近的同时保证改进阻抗阻尼器X和改进阻抗阻尼器Y产生的动力在安全范围内。因此，本专利技术的改进阻抗阻尼器X、改进阻抗阻尼器Y不仅可以为减摆机构X和减摆机构Y提供动力，而且具有一定程度减震缓冲效果。
[0019]对于主动减摆阻抗综合控制系统来说，其主要由两部分组成，一部分是针对被吊物收放运动减摆控制的内环，采用减摆模块实现，另一部分是解决力控制的外环，采用阻抗模块实现。为了实现对接触力(永磁异步电机推动改进阻抗阻尼器X中连杆产生的推力)的跟踪，需要通过力传感器引入误差信号F
e
，其表达式为：
[0020]F
e
＝F
r
‑
F
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0021]其中，F
e
为力误差信号；F
c
为实际接触力信号；F
r
为力参考信号。F
e
的大小不能超过所设计的改进阻抗阻尼器X的极限值。进行减摆时，改进阻抗阻尼器X推动减摆机构X，永磁异步电机推动改进阻抗阻尼器X中连杆产生的推力与减摆机构X的位移动态关系抽象为一个质量
‑
阻尼
‑
弹簧系统，表达式为：
[0022][0023]式中：M
d
为期望阻抗模型惯性矩阵；K
d
为期望阻抗模型刚度矩阵；B
d
为期望阻抗模型的阻尼矩阵；X为减摆机构X加速度、速度、位置向量；X
d
为减摆机构X期望
加速度、期望速度、期望位置向量。
[0024]根据期望位置X
d
通过机器人逆运动学解算得出减摆机构X需要补偿的位移量。期望位置X
d
作为减摆模块的控制输入，减摆模块控制永磁异步电机推动改进阻抗阻尼器X中的连杆和滑块，产生推动减摆机构X所需要动力。
[0025][0026]式(3)为加速度修正量速度修正量位置修正量X
f
为表达式。参考位置信号X
r
是位移量，即在永磁异步电机推动改进阻抗阻尼器X中的连杆和滑块产生的参考推力F
r
下，减摆机构X所能达到的位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种可实现主动减摆，并在减摆过程中利用阻抗控制，柔顺控制力减震缓冲保护减摆机构，可收放小艇、海洋武器装备和潜航器等装置，解决由于海面复杂环境对母船摇摆使得船用机械臂工作效率下降和无法安全工作的问题，其主要包括减摆锥形吊钩，吊索，减摆机构Y，改进阻抗阻尼器Y，固定件1，固定件2，轴承1，轴承2，减摆机构X，轴承3，改进阻抗阻尼器X，固定件3，固定件4，固定件5，折臂1，轴承4，折臂2，轴承5，固定件6，托架，支柱，轴承6，永磁异步电机，减摆阻抗综合控制箱，母船甲板，位置传感器，滑轮，力传感器，滑块，连杆。本发明还包括这样的特征：(1)各部分功能减摆锥形吊钩可以与被吊物紧密贴合，具有一定的减摆功能。避免普通吊钩在收放作业时可能会松脱，导致被吊物坠落，造成生产安全和生命安全事故情况的发生。特别说明减摆锥形吊钩具有辅助减摆功能。本发明的主动减摆功能需要依靠主动减摆阻抗综合控制系统来实现。减摆机构X与改进阻抗阻尼器X共同完成抑制因海浪的横摇运动或者海风等外界环境的复杂干扰产生的摆角，减摆机构Y与改进阻抗阻尼器Y共同抑制因海浪的纵摇运动或者海风等外界环境的复杂干扰产生的摆角。减摆阻抗综合控制箱，永磁异步电机，改进阻抗阻尼器X，改进阻抗阻尼器Y，减摆机构X，减摆机构Y和减摆锥形吊钩共同构成主动减摆阻抗综合控制系统。主动减摆阻抗综合控制系统具有主动减摆和减震缓冲功能。(2)工作模式介绍以回收工作模式为例，回收工作模式过程为被吊物由海平面上升，船用收放机械臂回收吊索，直至减摆锥形吊钩与滑轮相接，回收工作模式结束。当被吊物和减摆锥形吊钩随吊索上升，母船受到复杂海洋环境的干扰(特别是海风的干扰，海浪的横摇运动与纵摇运动对母船造成的干扰)发生摆动时，减摆阻抗综合控制箱开始进行减摆工作，箱内控制器的输入为被吊物的期望位置。当位置传感器检测被吊物的实际位置与期望位置存在差距，减摆阻抗综合控制箱中的控制器控制永磁异步电机，为改进阻抗阻尼器X和改进阻抗阻尼器Y提供动力。通过连杆推动滑块向“N”或者“W”方向运动，进而能带动轴承3和轴承1，促使减摆机构X和减摆机构Y回到设定的期望位置。但是由于外界环境干扰过于复杂，导致减摆机构X和减摆机构Y需要多次运动回到期望位置。为了防止某一时刻实际位置与期望位置偏差过大或者返回期望位置的频率过高，造成减摆机构X和减摆机构Y发生刚性弯折甚至断裂的情况。特别地，在控制系统中引入阻抗模块，控制系统主动控制减摆机构X和减摆机构Y向期望位置靠近的同时保证改进阻抗阻尼器X和改进阻抗阻尼器Y产生的动力在安全范围内。因此，本发明的改进阻抗阻尼器X、改进阻抗阻尼器Y不仅可以为减摆机构X和减摆机构Y提供动力，而且具有一定程度减震缓冲效果。对于主动减摆阻抗综合控制系统来说，其主要由两部分组成，一部分是针对被吊物收放运动减摆控制的内环，采用减摆模块实现，另一部分是解决力控制的外环，采用阻抗模块实现。为了实现对接触力(永磁异步电机推动改进阻抗阻尼器X中连杆产生的推力)的跟踪，需要通过力传感器引入误差信号F
e
，其表达式为：F
e
＝F
r
‑
F
c
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(1)
其中，F
e
为力误差信号；F
c
为实际接触力信号；F
r
为力参考信号。F
e
的大小不能超过所设计的改进阻抗阻尼器X的极限值。进行减摆时，改进阻抗阻尼器X推动减摆机构X，永磁异步电机推动改进阻抗阻尼器X中连杆产生的推力与减摆机构X的位移动态关系抽象为一个质量
‑
阻尼
‑
弹簧系统，表达式为：式中：M
d
为期望阻抗模型惯性矩阵；K
d
为期望阻抗模型刚度矩阵；B
d

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明晓，王万鹏，栾添添，姬长宇，胡占永，谢春旺，付强，原张杰，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：