一种基于阻抗控制的船用主动减摆收放机械臂

本发明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。

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。

实用新型《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：

(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；

(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。

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，与本发明的改进阻抗阻尼器相比，存在以下问题：

(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；

(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。

此外实用新型《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。

发明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。

本发明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。本发明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。

(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Fe，其表达式为：

Fe＝Fr-Fc (1)

其中，Fe为力误差信号；Fc为实际接触力信号；Fr为力参考信号。Fe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：Md为期望阻抗模型惯性矩阵；Kd为期望阻抗模型刚度矩阵；Bd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；Xd为减摆机构X期望加速度、期望速度、期望位置向量。

根据期望位置Xd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Xd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。

式(3)为加速度修正量速度修正量位置修正量Xf为表达式。参考位置信号Xr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Fr下，减摆机构X所能达到的位移。通过阻抗模块将永磁异步电机产生的动力信息转化为减摆机构的位置修正量Xf，与参考位置信号Xr一起作为运动控制内环的输入，主动控制减摆机构X达到力柔顺的效果进而实现减震缓冲的功能。其中：下放工作模式的被吊物的运动方向与回收工作模式相反，其余与回收模式一致。

以减摆机构X为例，定义初始位置为主动减摆控制系统的理想平衡位置，即主动减摆控制系统输入的期望位置。A点为初始位置时轴承2的中心，B点为初始位置时轴承3的中心，C点为改良阻尼缸的末端。B1点为受海浪横摇运动影响，减摆机构X发生角度为θ1偏转之后的轴承3的中心。为B，A两点连线与C，A两点连线之间的初始夹角。lg为初始位置时B点与C点之间的长度。Δlg为受海浪横摇运动等多种复杂环境因素影响，减摆机构X发生角度为θ1偏转之后，B点与C点之间的长度的增量。lm为初始位置时A，B之间距离，lm恒定不变。ln为初始位置时A与C点的距离。ln恒定不变。A,B,C三点构成三角形， A,B1,C三点同样仍能构成三角形，利用三角形的余弦定理，可计算初始位置时B 点与C点之间的长度lg为：

当母船受海风、海浪的横摇运动影响时，减摆机构X不在初始位置，为保持其重新回到期望位置，补偿角由0°变化为θ1时，改进阻抗阻尼器X中连杆的伸缩量发生改变，夹角由增大到此时B点与C点之间的长度lg1变为：

由式(4)，(5)得出发生角度偏转后，B点与C点之间的长度的增量Δlg为：

在实际减摆过程中，通过改良阻尼器X中连杆的伸缩量变化使减摆机构X 到达所需补偿角。当补偿角满足当前海浪情况相应计算值，减摆功能得以实现。减摆机构Y与减摆机构X的减摆机理分析相同。

以减摆机构X为例，假设减摆机构X在某一时刻的实际位置为x，为了实现减摆功能，减摆机构X需要达到期望位置xd。md表示减摆机构X的目标惯量，bd表示改进阻抗阻尼器的内部阻尼系数，kd表示改进阻抗阻尼器的目标刚度，等效于弹簧的弹性系数。kd实际上是由阻抗模块等效产生。而减摆机构X向期望位置xd移动时，除了受到改进阻抗阻尼器中连杆的推力f，还会受到类似于弹簧弹力且方向与运动方向相反的阻力fd。实际工作过程中改进阻抗阻尼器中连杆的推力为f-fd，而不是f。这样设计的优点是既主动控制减摆机构X向期望位置移动又保证改进阻抗阻尼器中连杆产生的推力在安全范围内，具有一定的柔顺性和粘滞阻尼特性，不会使减摆机构X发生刚性弯折或者断裂的情况。减摆机构Y与减摆机构X阻抗机理分析相同。阻抗模块是实现本发明的减震缓冲效果的关键。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用减摆锥形吊钩，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。

(2)本发明采用改进阻抗阻尼器，相比于传统使用的液压粘滞阻尼器，具有如下优点：

①改进阻抗阻尼器结构简单，加工容易成本低且不会发生漏液的情况，不会污染环境，不会因为漏液而引发火灾；

②液压粘滞阻尼器性能受温度影响，温度发生变化时性能有明显影响，而改进阻抗阻尼器不会出现此情况。

(3)本发明可以通过主动减摆阻抗综合控制系统，既可以通过位置传感器检测实际位置进行主动减摆控制，实现被吊物回收或下放时主动减摆功能，并且通过力传感器进行主动力跟踪控制使得改进阻抗阻尼器表现出一定的柔顺性，刚度降低，并具有粘滞阻尼特性，加强减摆控制的稳定性；又可以在减摆同时保护减摆机构不会因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而发生刚性弯折甚至断裂情况，做到持久耐用。

图1为装置结构示意图；

图2回收工作模式流程图

图3主动减摆阻抗综合控制系统结构框图

图4减摆机理分析示意图

图5减摆机构X的减摆工作示意图

图6阻抗机理分析示意图

附图标记：1-减摆锥形吊钩，2-吊索，3-减摆机构Y，4-改进阻抗阻尼器Y， 5-固定件1，6-固定件2，7-轴承1，8-轴承2，9-减摆机构X，10-轴承3，11-改进阻抗阻尼器X，12-固定件3，13-固定件4，14-固定件5，15-折臂1，16-轴承 4，17-折臂2，18-轴承5，19-固定件6，20-托架，21-支柱，22-轴承6，23-永磁异步电机，24-减摆阻抗综合控制箱，25-母船甲板，26-位置传感器，27-滑轮，28- 力传感器，29-滑块，30-连杆。

下面结合附图对本发明进行详细描述：

本次发明所设计一种基于阻抗控制的主动减摆船用收放机械臂，主要包括1- 减摆锥形吊钩，2-吊索，3-减摆机构Y，4-改进阻抗阻尼器Y，5-固定件1，6-固定件2，7-轴承1，8-轴承2，9-减摆机构X，10-轴承3，11-改进阻抗阻尼器X， 12-固定件3，13-固定件4，14-固定件5，15-折臂1，16-轴承4，17-折臂2，18- 轴承5，19-固定件6，20-托架，21-支柱，22-轴承6，23-永磁异步电机，24-减摆阻抗综合控制箱，25-母船甲板，26-位置传感器，27-滑轮，28-力传感器29-滑块， 30-连杆。

其中，减摆锥形吊钩可以固定在被吊物上方，与被吊物相互紧密锁住，不会因被吊物的摆动而脱钩，实现被动式减摆的功能。减摆锥形吊钩、吊索和被吊物通过滑轮减摆机构Y相连。

改进阻抗阻尼器Y由阻尼缸(方便说明，在阻尼缸两端标注“N”，“W”两个方向标识)，滑块，连杆三部分构成。连杆上安装位置传感器和力传感器。连杆与滑块刚性连接，可以在阻尼缸内在“N”，“W”两个方向滑动。改进阻抗阻尼器X结构与改进阻抗阻尼器Y一致。永磁异步电机为改进阻抗阻尼器Y与改进阻抗阻尼器X提供动力，可使连杆与滑块在阻尼缸内进行类似于活塞的往复式运动。进而通过轴承3为减摆机构X与减摆机构Y提供动力。轴承3跟随改进阻抗阻尼器X中滑块和连杆，可在“N”，“W”方向往复运动。特别说明：减摆机构Y只在yoz平面内做单摆运动，减摆机构X只在xoz平面内做单摆运动。

固定件5的一端与折臂1相连，另一端与轴承2相连。轴承2固定不动。固定件5的作用是将减摆机构Y，改进阻抗阻尼器Y，减摆锥形吊钩，减摆机构X，轴承1，改进阻抗阻尼器X等部件与折臂1相连。

折臂1与折臂2通过轴承3相连，可以在xoy平面做水平折叠运动；折臂2 与支柱通过固定件6连接；折臂2通过轴承4连接托架。托架与支柱刚性连接。折臂1，折臂2，支柱共同形成“L”型水平折臂式结构，可以扩大本发明工作范围。支柱与母船甲板通过轴承5相连。减摆阻抗综合控制箱安装在母船甲板上。

减摆阻抗综合控制箱内装有控制器，控制器内置减摆模块和阻抗模块。控制器有两种工作模式，分别是回收工作模式和下放工作模式。

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。本发明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。

(2)工作模式介绍

以回收工作模式为例，如图2所示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Fe，其表达式为：

Fe＝Fr-Fc (1)

其中，Fe为力误差信号；Fc为实际接触力信号；Fr为力参考信号。Fe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：Md为期望阻抗模型惯性矩阵；Kd为期望阻抗模型刚度矩阵；Bd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；Xd为减摆机构X期望加速度、期望速度、期望位置向量。

根据期望位置Xd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Xd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。

式(3)为加速度修正量速度修正量位置修正量Xf为表达式。参考位置信号Xr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Fr下，减摆机构X所能达到的位移。通过阻抗模块将永磁异步电机产生的动力信息转化为减摆机构的位置修正量Xf，与参考位置信号Xr一起作为运动控制内环的输入，主动控制减摆机构X达到力柔顺的效果进而实现减震缓冲的功能。其中：下放工作模式的被吊物的运动方向与回收工作模式相反，其余与回收模式一致。综上，主动减摆阻抗综合控制系统结构如图3所示。

以减摆机构X为例，定义初始位置为主动减摆控制系统的理想平衡位置，即主动减摆控制系统输入的期望位置。A点为初始位置时轴承2的中心，B点为初始位置时轴承3的中心，C点为改良阻尼缸的末端。B1点为受海浪横摇运动影响，减摆机构X发生角度为θ1偏转之后的轴承3的中心。为B，A两点连线与C，A两点连线之间初始夹角。

lg为初始位置时B点与C点之间的长度。Δlg为受海浪横摇运动等多种复杂环境因素影响，减摆机构X发生角度为θ1偏转之后，B点与C点之间的长度的增量。lm为初始位置时A，B之间距离，lm恒定不变。ln为初始位置时A与C点的距离。ln恒定不变。A,B,C三点构成三角形，A,B1,C三点同样仍能构成三角形，利用三角形的余弦定理，可计算初始位置时B点与C点之间的长度lg为：

当母船受海风、海浪的横摇运动影响时，减摆机构X不在初始位置，为保持其重新回到期望位置，补偿角由0°变化为θ1时，改进阻抗阻尼器X中连杆的伸缩量发生改变，夹角由增大到此时B点与C点之间的长度lg1变为：

由式(4)，(5)得出发生角度偏转后，B点与C点之间的长度的增量Δlg为：

在实际减摆过程中，通过改良阻尼器X中连杆的伸缩量变化使减摆机构X 到达所需补偿角。当补偿角满足当前海浪情况相应计算值，减摆功能得以实现。减摆机构Y与减摆机构X的减摆机理分析相同。减摆机构X的减摆工作示意图如图5所示。

以减摆机构X为例，如图6所示。假设减摆机构X在某一时刻的实际位置为x，为了实现减摆功能，减摆机构X需要达到期望位置xd。md表示减摆机构 X的目标惯量，bd表示改进阻抗阻尼器的内部阻尼系数，kd表示改进阻抗阻尼器的目标刚度，等效于弹簧的弹性系数。

kd实际上是由阻抗模块等效产生。而减摆机构X向期望位置xd移动时，除了受到改进阻抗阻尼器中连杆的推力f，还会受到类似于弹簧弹力且方向与运动方向相反的阻力fd。实际工作过程中改进阻抗阻尼器中连杆的推力为f-fd，而不是f。这样设计的优点是既主动控制减摆机构X向期望位置移动又保证改进阻抗阻尼器中连杆产生的推力在安全范围内，具有一定的柔顺性和粘滞阻尼特性，不会使减摆机构X发生刚性弯折或者断裂的情况。减摆机构Y与减摆机构X阻抗机理分析相同。阻抗模块是实现本发明的减震缓冲效果的关键。

通过以上对本发明从装置每个部分名称的介绍，装置装配顺序的叙述，各部分功能的描述和工作模式介绍，得出如下本次发明的优点：

(1)本发明采用减摆锥形吊钩，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。

(2)本发明采用改进阻抗阻尼器，相比于传统使用的液压粘滞阻尼器，具有如下优点：

①改进阻抗阻尼器结构简单，加工容易成本低且不会发生漏液的情况，不会污染环境，不会因为漏液而引发火灾；

②液压粘滞阻尼器性能受温度影响，温度发生变化时性能有明显影响，而改进阻抗阻尼器不会出现此情况。

(3)本发明可以通过主动减摆阻抗综合控制系统，既可以通过位置传感器检测实际位置进行主动减摆控制，实现被吊物收放时主动减摆功能，并且通过力传感器进行主动力跟踪控制使得改进阻抗阻尼器表现出一定的柔顺性，刚度降低，并具有粘滞阻尼特性，加强减摆控制的稳定性；又可以在减摆同时保护减摆机构不会因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而发生刚性弯折甚至断裂情况，做到持久耐用。