題目：基于壓電陶瓷的機器人抑振系統設計
一、本課題的研究意義、研究現狀和發(fā)展趨勢
1、課題的來源和意義
機器人抑震系統的產生是為了解決因機器人在運動時產生有害震動的問題，為了滿足設計師把機械臂設計得更加靈巧，減小機械臂的重量的要求，導致機械臂的剛度減小，撓性增大，機械臂在高速運動時候產生有害而強烈的震動。壓電分流阻尼技術可以很好解決這個問題。
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統設計的核心部分就是壓電分流阻尼技術，這個技術的主要元器件包括壓電陶瓷、電阻、電感，電阻和電感我們都很熟悉，這里我們著重了解一下壓電陶瓷這一電子元器件。
1880年皮埃爾•居里和雅克•居里兄弟發(fā)現電氣石具有壓電效應。1946年美國麻省理工學院絕緣研究室發(fā)現，某些材料在機械應力作用下，引起內部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷的現象，稱為壓電效應。具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷。
設計一種成熟的機器人抑震系統對機器人高效、準確的實現功能具有很大幫助。不能很好地控制機器人的震動，將會給機器人帶來很多危害，甚至無法實現功能。比如，空間站第一階段的裝配約需遙控機器人工作 47 小時，其中等待消除殘余振動的時間約占總時間的 20%-30%，高速激光切割機器人在運行過程中末段操作器大加速度可達 3-5g，而軌跡精度卻要求在±0.2mm范圍內，航天器的柔性附件在展開過程中誘發(fā)的振動可使航天器的姿態(tài)失穩(wěn)，一些系統的展開過程竟達 6-8 小時，需要如此長時間的原因是避免造成大的振動，因此，機器人抑震系統的研究對如何在提高速度，減小機械臂重量的同時保證精度、效率和可靠性十分必要。
2、 課題的研究現狀
隨著科技日新月異的發(fā)展，機器人在生活、生產以及航空航天領域的廣泛使用，使得對機器人抑震系統的研究顯得十分必要和有意義，機器人抑震系統的核心技術就是壓電分流阻尼技術20世紀90年代以來，壓電分流阻尼(shuntpiezoelectric damping)技術在結構振動與噪聲控制中的應用越來越引起專業(yè)研究者們關注。Hagood等首先提出了壓電分流阻尼的概念。該方法的基本原理是通過壓電式作動器把振動結構的機械能轉換為電能，然后通過分流電路中的電阻把電能消耗掉。
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統設計之所以被廣泛應用于機器人抑震系統中，是因為它有眾多其它機器人抑震系統無法比擬的優(yōu)勢，其優(yōu)點主要集中于以下幾點：
1、原理簡單明了，易于理解
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統的核心技術是壓電分流阻尼原理，就是利用震動引起壓電陶瓷的變形，從而產生電動勢，在分流阻尼電路中形成電流而發(fā)熱，實現了將機械能以熱能的形式消耗掉，達到抑震的作用。
2、結構緊湊，占用空間小、無復雜電路
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統有壓電陶瓷和分流阻尼電路兩部分組成，壓電陶瓷體積非常小，分流阻尼回路主要由導線、電阻和電感三部分組成，電感和電阻主要有串聯和并聯兩種，所以說，整個壓電陶瓷分流阻尼系統結構非常緊湊，占用空間也十分小，電路也很簡單。
3、自動化程度高
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統只要設計無誤，正確安裝在需要抑震的機器上，即可實現抑制震動的功能，在實現抑震的過程中無需人工操作。
4、節(jié)能，不需要外接電源
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統不需要外接電路驅動整個系統，十分節(jié)能，其只是將機器震動的機械能轉化成熱能，以達到抑制震動的目的。
5、工作穩(wěn)定，反應快
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統無復雜的電路，而且不需要復雜的軟件處理傳感器采集的信號，抑制震動是將機械能通過電能轉化成熱能從而達到抑制震動的目的，這個速度十分迅速。
3、發(fā)展趨勢
柔性機械臂在震動的過程中不可避免產生彈性震動，對機器人柔性臂的振動抑制成為重要的研究課題，基于壓電陶瓷的機器人抑震的方法也在不斷地發(fā)展和優(yōu)化，有關發(fā)展趨勢主要有以下幾種：
1、對壓電陶瓷布置位置進行優(yōu)化設計，讓壓電陶瓷位于柔性臂的不同位置，進行抑制震動實驗，分析壓電陶瓷在不同位置時候的抑震時間和效果，選取合理的位置。
2、采用先進的控制器，工程領域廣泛使用的PID控制器就是對誤差信號進行比例、積分、微分等運算，并將其運算結果作用于受控對象，將壓電分流回路與PID控制器相結合，組成抑震效果更好的抑震系統。
3、為了更好地抑制低頻震動，采用主動控制方法，主動控制是將作動器和傳感器黏結或嵌入柔性機械臂中，并與控制器相連組成智能結構機械臂，在一定的控制規(guī)律下，有作動器產生的作用力來抵消機械臂的震動能量。
4、震動控制更加智能，隨著科學技術，一種所謂的智能梁被提出，它指內嵌或外貼有分布傳感器和分布作動器的柔性機械臂，通過這些材料產生的做動應變來實施震動控制。
二、研究方案及工作計劃
在機器人逐漸普及的今天，國內外對機器人的研究投入也在迅速增加，對機器人的要求也越來越高，新一代機器人具有高速、重載、高精度、高的靈活性以及結構簡單輕便的特點，尤其在機械臂重量方面，為了減輕機械臂的質量和體積，如今在很多場合的機械臂都使用柔性機械臂，相對于剛性機械臂，柔性機械臂的剛度大大減小，這就給機器人在運動過程中帶來了振動，為了解決機器人在工作中的的振動問題，國內外都有比較深入地研究，但是，機器人抑振系統的研究絕不是一朝一夕的事情，直到機器人發(fā)展到如今地步，關于機器人由于高速運動而帶來的振動問題依然值得研究人員去深入研究。
本課題將采用壓電分流阻尼技術，把振動的機械能轉化成電能，然后通過壓電分流阻尼回路以熱能的形式消耗掉，已達到抑振的效果，為了更好地達到抑振的效果，我們將把機械臂的結構簡化成懸臂梁的模型，采用ANSYS有限元分析軟件，對模型的固有頻率進行測試，根據測試結果，對分流阻尼回路的電路進行優(yōu)化設計，使分流阻尼回路能夠在不同模態(tài)下對機械臂都能有很好的抑制振動的效果。為了更好的設計分流阻尼回路，本文設計了測試系統，該系統測試了基于壓電陶瓷的機器人抑振系統在不同頻率和激勵強度下抑振系統的輸出參數。課題難點是對柔性機械臂建模并用ANSYS軟件對其進行模態(tài)分析，分流阻尼回路的優(yōu)化設計也是一個難點。對于這兩個難點首先ANSYS分析將采用簡化模型的方式解決;分流阻尼回路的優(yōu)化設計將采用加一個負阻抗變換器的方法，使其達到頻率自適應的功能。
三、工作計劃
第一 二周 完成開題報告
第三周 查找資料。選擇方案
第四周 完成方案的選擇
第五周 完成前言部分
第六周 進行框架設計，大體計算結果
第七周 選擇參考文獻，共十五篇，其中英文五篇，并選擇一篇翻譯
第八周 完成說明書的前半部分(草稿)
第九周 完成說明書的正文部分，并準備中期檢查報告
第十周 準備計算及軟件分析
第十一周 完成計算
第十二周 熟悉軟件
第十三周 完成軟件
第十四周 對設計進行完善
第十五周 完成說明書
第十六周 完成后期檢查，并進行修繕
第十七周 修改設計中的不足之處，準備答辯
第十八周 進行答辯
三、閱讀的主要參考文獻
[1] Vladímir Villaverde Huertasa*, Boris Roha-Ilkiv. Vibration Suppression of a Flexible Structure. Procedia Engineering. Slovak University of Technology in Bratisava. 48 ( 2012 ) 233 – 241
[2] Zhang Jianying*, Liu Tun, Zhao Zhiping. Study on Component Synthesis Active Vibration Suppression Method Using Zero-placement Technique. Chinese Journal of Aeronautics . Received 14 August 2007; accepted 12 December 2007
[3] Yuvaraja Ma, Senthilkumar Mb. Comparative study on Vibration Characteristics of a Flexible GFRP Composite beam using SMA and PZT Actuators. Procedia Engineering 64 ( 2013 ) 571 – 581
[4] M. Schwankla*, M. Rübnera, R.F. Singera, C. Körnera. Integration of PZT-ceramic modules using hybrid structures in high pressure die casting. aChair of Metals Science and Technology, University of .Erlangen-Nuremberg, Martensstr. 5, 91058 Erlangen, Germany. Procedia Materials Science 2 ( 2013 ) 166 – 172
[5] Qiu Lei, Yuan Shenfang*, Wang Qiang, Sun Yajie, Yang Weiwei. Design and Experiment of PZT Network-based Structural Health Monitoring Scanning System. Received 7 October 2008; accepted 23 April 2009
[6] Timothy N. Chang, Member, Roger Kwadzogah, and Reggie J. Caudill Vibration Control of Linear Robots Using a Piezoelectric Actuator. IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 8, NO. 4, DECEMBER 2003
[7] Kah How Koha, Chengkuo Leea*, Takeshi Kobayashib. A 3-D MEMS VOA using translational attenuation mechanism based on piezoelectric PZT thin film actuators. Procedia Engineering 5 (2010) 613–616
[8] 董春兵. 基于壓電驅動器的柔性臂扭振控制研究`[J].浙江大學工學碩士學位論文.2005.1
[9] 孫立寧，王洪福,曲東升.柔性臂動力學建模及比較研究[J].壓電與聲光
[10] 褚 明， 空間柔性機械臂的動力學特性與主動控制研究「D].北京郵電大學博士論文
[11] 詹訓慧.分布式壓電智能結構的建模與振動控制[D]中國科技大學博士論文,2007.
[12] 單業(yè)濤. 基于模糊控制的 2R 柔性臂壓電陶瓷抑振跟蹤實驗研究[D].北京工業(yè)大學工學碩士學位論文
[13] 王洪福. 基于雙重驅動的兩連桿機器人柔性手臂控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學博士論文.
[14] 曹青松. 周繼惠. 黎 林. 葉 蘭. 基于模糊自整定PID算法的壓電柔性機械臂振動控制研究[J] 華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室,南昌
[17] 周四新,和青芳. 《Pro/E Wildfire 3.0》[M].電子工業(yè)出版社
[18] 韓建海. 《工業(yè)機器人》[M].華中科技大學出版社.2006.1
[19] 孔祥東.王益群. 《控制工程基礎》[M]. 機械工業(yè)出版社
一、本課題的研究意義、研究現狀和發(fā)展趨勢
1、課題的來源和意義
機器人抑震系統的產生是為了解決因機器人在運動時產生有害震動的問題，為了滿足設計師把機械臂設計得更加靈巧，減小機械臂的重量的要求，導致機械臂的剛度減小，撓性增大，機械臂在高速運動時候產生有害而強烈的震動。壓電分流阻尼技術可以很好解決這個問題。
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統設計的核心部分就是壓電分流阻尼技術，這個技術的主要元器件包括壓電陶瓷、電阻、電感，電阻和電感我們都很熟悉，這里我們著重了解一下壓電陶瓷這一電子元器件。
1880年皮埃爾•居里和雅克•居里兄弟發(fā)現電氣石具有壓電效應。1946年美國麻省理工學院絕緣研究室發(fā)現，某些材料在機械應力作用下，引起內部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷的現象，稱為壓電效應。具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷。
設計一種成熟的機器人抑震系統對機器人高效、準確的實現功能具有很大幫助。不能很好地控制機器人的震動，將會給機器人帶來很多危害，甚至無法實現功能。比如，空間站第一階段的裝配約需遙控機器人工作 47 小時，其中等待消除殘余振動的時間約占總時間的 20%-30%，高速激光切割機器人在運行過程中末段操作器大加速度可達 3-5g，而軌跡精度卻要求在±0.2mm范圍內，航天器的柔性附件在展開過程中誘發(fā)的振動可使航天器的姿態(tài)失穩(wěn)，一些系統的展開過程竟達 6-8 小時，需要如此長時間的原因是避免造成大的振動，因此，機器人抑震系統的研究對如何在提高速度，減小機械臂重量的同時保證精度、效率和可靠性十分必要。
2、 課題的研究現狀
隨著科技日新月異的發(fā)展，機器人在生活、生產以及航空航天領域的廣泛使用，使得對機器人抑震系統的研究顯得十分必要和有意義，機器人抑震系統的核心技術就是壓電分流阻尼技術20世紀90年代以來，壓電分流阻尼(shuntpiezoelectric damping)技術在結構振動與噪聲控制中的應用越來越引起專業(yè)研究者們關注。Hagood等首先提出了壓電分流阻尼的概念。該方法的基本原理是通過壓電式作動器把振動結構的機械能轉換為電能，然后通過分流電路中的電阻把電能消耗掉。
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統設計之所以被廣泛應用于機器人抑震系統中，是因為它有眾多其它機器人抑震系統無法比擬的優(yōu)勢，其優(yōu)點主要集中于以下幾點：
1、原理簡單明了，易于理解
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統的核心技術是壓電分流阻尼原理，就是利用震動引起壓電陶瓷的變形，從而產生電動勢，在分流阻尼電路中形成電流而發(fā)熱，實現了將機械能以熱能的形式消耗掉，達到抑震的作用。
2、結構緊湊，占用空間小、無復雜電路
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統有壓電陶瓷和分流阻尼電路兩部分組成，壓電陶瓷體積非常小，分流阻尼回路主要由導線、電阻和電感三部分組成，電感和電阻主要有串聯和并聯兩種，所以說，整個壓電陶瓷分流阻尼系統結構非常緊湊，占用空間也十分小，電路也很簡單。
3、自動化程度高
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統只要設計無誤，正確安裝在需要抑震的機器上，即可實現抑制震動的功能，在實現抑震的過程中無需人工操作。
4、節(jié)能，不需要外接電源
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統不需要外接電路驅動整個系統，十分節(jié)能，其只是將機器震動的機械能轉化成熱能，以達到抑制震動的目的。
5、工作穩(wěn)定，反應快
基于壓電陶瓷的機器人抑震系統無復雜的電路，而且不需要復雜的軟件處理傳感器采集的信號，抑制震動是將機械能通過電能轉化成熱能從而達到抑制震動的目的，這個速度十分迅速。
3、發(fā)展趨勢
柔性機械臂在震動的過程中不可避免產生彈性震動，對機器人柔性臂的振動抑制成為重要的研究課題，基于壓電陶瓷的機器人抑震的方法也在不斷地發(fā)展和優(yōu)化，有關發(fā)展趨勢主要有以下幾種：
1、對壓電陶瓷布置位置進行優(yōu)化設計，讓壓電陶瓷位于柔性臂的不同位置，進行抑制震動實驗，分析壓電陶瓷在不同位置時候的抑震時間和效果，選取合理的位置。
2、采用先進的控制器，工程領域廣泛使用的PID控制器就是對誤差信號進行比例、積分、微分等運算，并將其運算結果作用于受控對象，將壓電分流回路與PID控制器相結合，組成抑震效果更好的抑震系統。
3、為了更好地抑制低頻震動，采用主動控制方法，主動控制是將作動器和傳感器黏結或嵌入柔性機械臂中，并與控制器相連組成智能結構機械臂，在一定的控制規(guī)律下，有作動器產生的作用力來抵消機械臂的震動能量。
4、震動控制更加智能，隨著科學技術，一種所謂的智能梁被提出，它指內嵌或外貼有分布傳感器和分布作動器的柔性機械臂，通過這些材料產生的做動應變來實施震動控制。
二、研究方案及工作計劃
在機器人逐漸普及的今天，國內外對機器人的研究投入也在迅速增加，對機器人的要求也越來越高，新一代機器人具有高速、重載、高精度、高的靈活性以及結構簡單輕便的特點，尤其在機械臂重量方面，為了減輕機械臂的質量和體積，如今在很多場合的機械臂都使用柔性機械臂，相對于剛性機械臂，柔性機械臂的剛度大大減小，這就給機器人在運動過程中帶來了振動，為了解決機器人在工作中的的振動問題，國內外都有比較深入地研究，但是，機器人抑振系統的研究絕不是一朝一夕的事情，直到機器人發(fā)展到如今地步，關于機器人由于高速運動而帶來的振動問題依然值得研究人員去深入研究。
本課題將采用壓電分流阻尼技術，把振動的機械能轉化成電能，然后通過壓電分流阻尼回路以熱能的形式消耗掉，已達到抑振的效果，為了更好地達到抑振的效果，我們將把機械臂的結構簡化成懸臂梁的模型，采用ANSYS有限元分析軟件，對模型的固有頻率進行測試，根據測試結果，對分流阻尼回路的電路進行優(yōu)化設計，使分流阻尼回路能夠在不同模態(tài)下對機械臂都能有很好的抑制振動的效果。為了更好的設計分流阻尼回路，本文設計了測試系統，該系統測試了基于壓電陶瓷的機器人抑振系統在不同頻率和激勵強度下抑振系統的輸出參數。課題難點是對柔性機械臂建模并用ANSYS軟件對其進行模態(tài)分析，分流阻尼回路的優(yōu)化設計也是一個難點。對于這兩個難點首先ANSYS分析將采用簡化模型的方式解決;分流阻尼回路的優(yōu)化設計將采用加一個負阻抗變換器的方法，使其達到頻率自適應的功能。
三、工作計劃
第一 二周 完成開題報告
第三周 查找資料。選擇方案
第四周 完成方案的選擇
第五周 完成前言部分
第六周 進行框架設計，大體計算結果
第七周 選擇參考文獻，共十五篇，其中英文五篇，并選擇一篇翻譯
第八周 完成說明書的前半部分(草稿)
第九周 完成說明書的正文部分，并準備中期檢查報告
第十周 準備計算及軟件分析
第十一周 完成計算
第十二周 熟悉軟件
第十三周 完成軟件
第十四周 對設計進行完善
第十五周 完成說明書
第十六周 完成后期檢查，并進行修繕
第十七周 修改設計中的不足之處，準備答辯
第十八周 進行答辯
三、閱讀的主要參考文獻
[1] Vladímir Villaverde Huertasa*, Boris Roha-Ilkiv. Vibration Suppression of a Flexible Structure. Procedia Engineering. Slovak University of Technology in Bratisava. 48 ( 2012 ) 233 – 241
[2] Zhang Jianying*, Liu Tun, Zhao Zhiping. Study on Component Synthesis Active Vibration Suppression Method Using Zero-placement Technique. Chinese Journal of Aeronautics . Received 14 August 2007; accepted 12 December 2007
[3] Yuvaraja Ma, Senthilkumar Mb. Comparative study on Vibration Characteristics of a Flexible GFRP Composite beam using SMA and PZT Actuators. Procedia Engineering 64 ( 2013 ) 571 – 581
[4] M. Schwankla*, M. Rübnera, R.F. Singera, C. Körnera. Integration of PZT-ceramic modules using hybrid structures in high pressure die casting. aChair of Metals Science and Technology, University of .Erlangen-Nuremberg, Martensstr. 5, 91058 Erlangen, Germany. Procedia Materials Science 2 ( 2013 ) 166 – 172
[5] Qiu Lei, Yuan Shenfang*, Wang Qiang, Sun Yajie, Yang Weiwei. Design and Experiment of PZT Network-based Structural Health Monitoring Scanning System. Received 7 October 2008; accepted 23 April 2009
[6] Timothy N. Chang, Member, Roger Kwadzogah, and Reggie J. Caudill Vibration Control of Linear Robots Using a Piezoelectric Actuator. IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 8, NO. 4, DECEMBER 2003
[7] Kah How Koha, Chengkuo Leea*, Takeshi Kobayashib. A 3-D MEMS VOA using translational attenuation mechanism based on piezoelectric PZT thin film actuators. Procedia Engineering 5 (2010) 613–616
[8] 董春兵. 基于壓電驅動器的柔性臂扭振控制研究`[J].浙江大學工學碩士學位論文.2005.1
[9] 孫立寧，王洪福,曲東升.柔性臂動力學建模及比較研究[J].壓電與聲光
[10] 褚 明， 空間柔性機械臂的動力學特性與主動控制研究「D].北京郵電大學博士論文
[11] 詹訓慧.分布式壓電智能結構的建模與振動控制[D]中國科技大學博士論文,2007.
[12] 單業(yè)濤. 基于模糊控制的 2R 柔性臂壓電陶瓷抑振跟蹤實驗研究[D].北京工業(yè)大學工學碩士學位論文
[13] 王洪福. 基于雙重驅動的兩連桿機器人柔性手臂控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學博士論文.
[14] 曹青松. 周繼惠. 黎 林. 葉 蘭. 基于模糊自整定PID算法的壓電柔性機械臂振動控制研究[J] 華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室,南昌
[17] 周四新,和青芳. 《Pro/E Wildfire 3.0》[M].電子工業(yè)出版社
[18] 韓建海. 《工業(yè)機器人》[M].華中科技大學出版社.2006.1
[19] 孔祥東.王益群. 《控制工程基礎》[M]. 機械工業(yè)出版社