[发明专利]一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕及其控制方法

权利要求书

1.一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕，其特征在于，所述的电磁驱动两自由度球型机器人手腕包括三轴亥姆霍兹线圈组(a)和转子随动部分(b)；其中，三轴亥姆霍兹线圈组(a)提供空间万向旋转磁场，转子随动部分(b)提供旋转磁场同轴随动磁矩驱动下侧摆和俯仰两个自由度转动；电磁驱动两自由度球型机器人手腕的具体结构如下：

所述的转子随动部分(b)包括内部十字万向节(d)、外部十字万向节(c)以及固定端(e)；固定端(e)的顶部为固定端支承座(5)，固定端支承座(5)分为四个位于同一轴线的竖直支撑架，竖直支撑架上设有水平的通孔，中间两个竖直支撑架用于安装内部十字万向节(d)，外端的两个竖直支撑架用于安装外部十字万向节(c)；

所述的内部十字万向节(d)包括固定端支承座(5)的中间两个竖直支撑架、内部万向节内环(14)和柱形壳体(2)，其中，内部万向节内环(14)作为十字轴支架，柱形壳体(2)作为从动叉；内部万向节内环(14)的两侧分别通过深沟球轴承a(15)和深沟球轴承b(16)安装在固定端支承座(5)的中间两个竖直支撑架的通孔中，固定端支承座(5)和内部万向节内环(14)实现相对转动，形成俯仰转角转轴；柱形壳体(2)位于内部万向节内环(14)内，连接轴d(23)的一端和连接轴e(26)的一端分别对称固定在柱形壳体(2)的两侧，连接轴d(23)的另一端通过深沟球轴承c(24)安装在内部万向节内环(14)内侧，连接轴e(26)的另一端通过深沟球轴承d(25)安装在内部万向节内环(14)内侧，实现柱形壳体(2)和内部万向节内环(14)相对转动，形成侧摆角转轴；径向磁化永磁体(1)通过轴承(31)安装于柱形壳体(2)内；

所述的外部十字万向节(c)包括固定端支承座(5)外端的两个竖直支撑架、外部万向节内环(3)和外部万向节外环(17)，其中，外部万向节内环(3)作为十字轴支架，外部万向节内环(3)上对称设有四个水平的同轴通孔，外部万向节外环(17)作为从动叉；连接轴a(7)通过法兰轴承a(8)安装在固定端支承座(5)外端的一个竖直支撑架的通孔中，连接轴b(9)通过法兰轴承b(10)安装在固定端支承座(5)外端的另一个竖直支撑架的通孔中；外部万向节内环(3)的两侧同轴通孔中的其中一个通孔通过平键a(6)与连接轴a(7)固定连接，外部万向节内环(3)的两侧同轴通孔中的另外一个通孔通过平键b(11)与连接轴b(9)固定连接，固定端支承座(5)和外部万向节内环(3)实现相对转动，形成俯仰转角转轴；连接轴a(7)外端与编码器a(4)连接，连接轴b(9)一端与阻尼器a(12)连接，另一端与制动器a(13)连接，且编码器a(4)、阻尼器a(12)和制动器a(13)均固定在固定端支承座(5)上；连接轴c(21)通过法兰轴承c(22)安装在外部万向节内环(3)另外两侧的同轴通孔中的其中一个通孔中，连接轴f(28)通过法兰轴承d(27)安装在外部万向节内环(3)另外两侧的同轴通孔中的另外一个通孔中；外部万向节外环(17)由两个半环形结构的支撑杆对称组成，两个支撑杆中的一个支撑杆的一端通过平键c(20)与连接轴c(21)固定连接，两个支撑杆中的另一个支撑杆的一端通过平键d(29)与连接轴f(28)固定连接，且两个支撑杆的端部位于外部万向节内环(3)外部，两个支撑杆的另一端分别固定在外部十字万向节(c)的输出端(33)的两侧；外部万向节外环(17)和外部万向节内环(3)实现相对转动，形成侧摆角转轴；内部十字万向节(d)的连接杆(32)的一端固定在柱形壳体(2)的顶部，另一端与输出端(33)固定连接；连接轴c(21)的两端分别与编码器b(18)和制动器b(19)连接，连接轴f(28)的外端与阻尼器b(30)连接，且编码器b(18)、制动器b(19)和阻尼器b(30)均固定安装在外部万向节内环(3)外侧；

所述的外部十字万向节(c)和内部十字万向节(d)均采用固定端支承座(5)作为输入端，所述的外部十字万向节(c)的输入端和内部十字万向节(d)的输入端同轴连接的前提下，外部十字万向节(c)的输出端和内部十字万向节(d)的输出端通过同轴连接构成手腕的转子随动部分(b)，外部十字万向节(c)和内部十字万向节(d)具有同一转动中心，构成机器人手腕，实现手腕两个自由度的运动解耦，侧摆角度、俯仰角度可单独测量与控制，即编码器a(4)、制动器a(13)、阻尼器a(12)分别实现了俯仰运动的测量、制动、改变阻尼特性的功能，转子随动部分(b)轴线即为手腕转动轴线，实现侧摆、俯仰两自由度定点旋转运动，径向磁化永磁体(1)在空间万向旋转磁场的同轴随动磁矩驱动下，实现手腕侧摆、俯仰两自由度定点运动；

所述的三轴亥姆霍兹线圈组(a)包括大线圈组、小线圈组和中间线圈组，大线圈组、小线圈组和中间线圈组均包括两个完全相同的线圈，且对称布置；大线圈组、小线圈组和中间线圈组的轴线相互垂直，且大线圈组、小线圈组和中间线圈组相互固定，其中大线圈组的底部固定在固定端(e)上，且中间线圈组的轴线与固定端(e)的轴线重合；内部十字万向节(d)位于大线圈组、小线圈组和中间线圈组中间的内部空间内，外部十字万向节(c)位于大线圈组、小线圈组和中间线圈组外部；所述的外部十字万向节(c)、三轴亥姆霍兹线圈组(a)、内部十字万向节(d)在空间上形成三层嵌套结构。

2.权利要求1所述的一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕的控制方法，其特征在于，具体控制过程如下：

(1)作业前姿态零点标定过程

通过三轴亥姆霍兹线圈组(a)产生旋转轴线垂直的空间万向旋转磁场，在同轴随动磁矩驱动下，转子随动部分(b)与固定端(e)的轴线重合，此时，俯仰转角的编码器a(4)和侧摆转角的编码器b(18)相对转角为零，此时分别给编码器a(4)和编码器b(18)上电，边存储并记忆两自由度球型机器人手腕的零点位置；当机器人手腕定位时，驱动侧摆与俯仰使机器人手腕处于主动腕模式，根据公式(3)的同轴随动磁矩与编码器a(4)和编码器b(18)构成转角位置闭环控制；公式(3)如下：

式中，α角为磁矩为m的径向磁化永磁体(1)轴线与旋转磁场B旋转轴线之间的夹角，m₀、B₀分别为磁矩矢量与旋转磁矢量幅值；

(2)两自由度主动模态工作过程

第一步，通电前，制动器a(13)与制动器b(19)一直锁定外部十字万向节(c)，无法进行侧摆、俯仰运动；

第二步，根据目标空间方位，确定应该施加空间万向旋转磁场的旋转轴线方向，向三轴亥姆霍兹线圈组(a)通入三组等频交流电，产生相应方位的空间万向旋转磁场；

第三步，径向磁化永磁体(1)在旋转磁场的作用下开始进行自转，产生同轴随动磁矩，但由于制动器a(13)与制动器b(19)对外部十字万向节(c)两自由度的锁定，转子随动部分(b)无法进行侧摆、俯仰运动；

第四步，制动器a(13)与制动器b(19)通电解除对外部十字万向节(c)的锁定，径向磁化永磁体(1)在旋转磁场的同轴随动磁矩作用下，转子随动部分(b)轴线追随旋转磁场轴线进行侧摆、俯仰运动，俯仰角度通过编码器a(4)测量，侧摆角度通过编码器b(18)测量，运动过程由阻尼器a(12)与阻尼器b(30)提供阻尼，防止发生振动；

第五步，通过编码器a(4)与编码器b(18)实时反馈俯仰、侧摆角度信息；根据反馈的角度信息，对同轴随动磁矩进行反馈控制，直到满足精度为止，手腕到达目标位置，实现两自由度运动的控制；

第六步，三轴亥姆霍兹线圈组(a)断电，制动器a(13)与制动器b(19)断电，再次对外部十字万向节(c)锁定，以固定机器人手腕方位；

(3)单自由度主动模态工作过程

第一步～第三步、第六步分别同两自由度主动模态工作过程中的第一步～第三步、第六步，其余过程如下；

第四步，只对制动器a(13)通电解除外部十字万向节(c)的单轴锁定，径向磁化永磁体(1)在旋转磁场的同轴随动磁矩作用下，转子随动部分(b)轴线追随旋转磁场轴线进行侧摆运动，侧摆角度通过编码器b(18)测量；或者只对制动器b(19)通电解除对外部十字万向节(c)的单轴锁定，径向磁化永磁体(1)在旋转磁场的同轴随动磁矩作用下，转子随动部分(b)轴线追随旋转磁场轴线进行俯仰运动，俯仰角度通过编码器a(4)测量；

第五步，通过编码器a(4)实时反馈俯仰角度信息，或者通过编码器b(18)实时反馈侧摆角度信息；根据反馈的角度信息，对同轴随动磁矩进行反馈控制，直到满足精度为止，手腕到达目标位置，分别实现单自由度运动的控制；

(4)被动模态下同轴随动磁矩控制

首先，假设在末端执行器(f)端部作用力矢量F与末端执行器(f)轴线所构成的平面内，其中，末端执行器(f)与外部十字万向节(c)的输出端(33)连接；F对手腕转动中心产生的力矩方向与同轴随动磁矩方向相反，此时，机器人手腕是一种直接电磁驱动球型关节，电磁驱动原理是旋转磁场同轴随动磁矩效应，同轴随动磁矩计算公式为：

式中，α角为磁矩为m的径向磁化永磁体(1)轴线与旋转磁场B旋转轴线之间的夹角，m₀、B₀分别为磁矩矢量与旋转磁矢量幅值；

式(3)表明，手腕同轴随动磁矩大小同时通过三轴亥姆霍兹线圈组中正弦电流的幅值I₀和径向磁化永磁体(1)轴线与旋转磁场B旋转轴线之间的夹角α进行控制，使手腕变成柔顺腕；

(5)手腕关节变刚度控制

首先，假设在末端执行器(f)端部作用力矢量F与末端执行器(f)轴线所构成的平面内，F对手腕转动中心产生的力矩方向与同轴随动磁矩方向相反，此时，电磁驱动球型关节的刚度是：

式中，s为末端执行器(f)端部沿着作用力方向的变形，L为末端执行器端部作用力矢量F到电磁驱动球型关节中心的距离，则有，s＝Lα；

末端执行器(f)端部作用力矢量F产生的力矩等于旋转磁场同轴随动磁矩，即

将(5)代入(4)得

由于则

式(6)表明，手腕刚度通过旋转磁矢量幅值B₀进行线性控制，即通过三轴亥姆霍兹线圈组中正弦电流的幅值I₀进行控制，使手腕变成柔顺腕。