[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

说明书

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕及其控制方法，具体为一种通过相同转动中心的内、外部万向节两个输出端同轴连接所构成随动机构内置径向磁化永磁体在空间万向旋转磁场同轴随动磁矩直接驱动下实现侧摆、俯仰二自由度转动的机器人高集成主动球型手腕装置。本发明克服了复杂传动机械手腕的弊端，手腕传动系统结构简单轻便、传动效率高、系统静态及动态性能好、控制响应速度快。本发明可克服了现有球形电磁驱动关节三维复杂磁场的建模难题，实现球形电磁驱动关节磁场精确建模和电磁耦合和力学耦合的精准解耦，显著提高电磁驱动球形关节控制的响应灵敏度和定位精度。

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕及其控制方法，具体为一种通过相同转动中心的内、外部万向节两个输出端(从动叉)同轴连接所构成随动机构内置径向磁化永磁体在空间万向旋转磁场同轴随动磁矩直接驱动下实现侧摆、俯仰二自由度转动的机器人高集成主动球型手腕装置。

背景技术

应用于危险和极限环境下的机器人对腕部的性能指标要求苛刻，如空间机器人的显著特征是结构紧凑，集成化程度高，功重比大。空间机器人在航天器和空间站的维护等任务中发挥着越来越重要的作用，如飞船的控制与舱门的开启、空间舱段的组装、航天器的维修等，均可代替宇航员完成。腕部是联结臂与手的重要基础部件，其性能直接影响机器人末端执行器的定位精度、灵活性与作业功能。机器人腕部的功用是通过局部微小调整来改变末端执行器在空间的姿态，实现准确定位，腕部的自由度及姿态范围直接影响机器人的灵活性、稳定性与定位精度，机器人任意位置及姿态的控制需要六个自由度，手腕至少应有两个自由度，手腕位于臂部的前端，腕部的重量又构成小臂的附加载荷而增加能耗。腕部是在狭小的空间实现两轴回转，因此手腕的机构设计复杂、可变参数多，手腕的性能指标已经成为限制机器人在空间等极限环境下应用与扩展的主要瓶颈。

目前，机器人腕部尚不能完全满足空间作业要求，其多自由度运动的传递普遍采用齿轮传动，结构复杂、集成度低，存在运动耦合问题，使得末端执行器的灵活性、姿态调整能力和精确定位能力受限，尚不能通过腕部的调整完成飞船舱门开启等复杂性接触作业。

从结构方面，机器人手腕基本上可分为三类：1)球型手腕，它的三个关节轴线相交于一点,其位置和姿态是解耦的，逆运动学分析简单，结构紧凑,功重比大，所以空间机器人等特殊场合下使用的机器人大多采用球型手腕。由于受机械结构的限制，这种手腕设计难度大，结构复杂，重量难以降低，工作空间小；

2)非球型手腕，它的三个轴线不交于一点，克服了机械结构的局限性,每个关节的转动角度都能达到360°以上，但其缺点是结构不紧凑，体积庞大，限制了功重比指标的提高，运动不能解耦，控制精度低；3)并联结构手腕，此种结构的手腕实际上是一种小型化的并联机构。

The Martin Marietta和美国NASA的宇航飞行中心于1991年研制的一种用于空间站装配的遥控机器人腕部模块，其电机的布置采用俯仰、侧摆和自转分离方式，但其结构不紧凑，功重比小，三个关节的运动不解耦，控制精度低。

1991年Graco Robotics,Inc.研制了紧凑型双万向节万向腕，它的斜齿轮传动链由防倾斜的在齿轮滑轨内运动的凸轮机构导向来保证，克服了以往腕部功重比小和结构强度欠佳的缺点，俯仰和侧摆分别由两个相交的万向节转动轴传动，使结构更加紧凑，但该腕部的缺点仍然是结构复杂，加工难度大，但腕部斜齿轮在载荷的作用下有跳跃的不平稳现象。

NASA研制了新一代的腕部模块，传动系统采用三个并联的螺杆驱动实现侧摆、俯仰，简化了设计，降低了成本，由于其附加的灵活性适于非结构化环境， NASA喷气推力实验室已经将该万向腕成功的应用于处理危险的物品。但该腕部的缺点是要三个驱动实现侧摆、俯仰两个运动。