技术摘要：
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  全部
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 5 CN 111604935 A 说　明　书 2/15 页 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。 从操作方式方面，机器人作业可分为非接触与接触两大类：前者为机器人在自由 空间中运动，不受外界环境约束，采用单纯位置控制即可，机器人位置控制只适合在结构化 可建模环境内作业；后者受外界环境约束，如空间机器人开门、装配，旋转曲柄等任务。在未 建模环境中的抓取、安装、定位等作业机器人具有明显接触作业特征，其腕部应该具有变刚 度柔顺控制功能，以免接触作业时损坏机械臂。 对于接触作业，只采用位置控制已不能胜任，因为作业环境对机器人有接触力影 响，其末端微小位置偏差可导致较大的接触力，极易损坏机械臂或作业目标，可见，未建模 环境中目标抓取等作业绝非易事。目前，空间机械臂等手腕尚不完全具备非结构未建模环 境中接触作业的能力。 迄今为止，柔顺控制主要分为两种：主动式和被动式。机器人通过处理力反馈信息 并采用一定控制策略去主动控制作用力的方式称为主动柔顺控制。相反，机器人不通过力 反馈而只是凭借机械等柔顺机构，使其自然顺从接触环境的方式称为被动柔顺控制。主动 柔顺控制又分为主动阻抗控制和力/位置混合控制。力/位置混合控制方法对外界环境动力 学依赖性强，需要详尽的任务描述。被动柔顺控制的研究主要是通过机械装置本身或特殊 设计的被动柔顺机构来实现，如机器人手腕的RCC弹性附件，缺点是要增加额外的机械装 置，使腕部机构变得复杂笨重，适应能力差。 韩国提出了一种球型两自由度主动驱动机器人腕部关节及主动柔顺控制方法。它 的下半球运动通过齿轮传动实现，上半球通过内部万向节传递运动，两个偏置斜面复合成 腕子的侧摆与俯仰两个运动，结构紧凑、简单，且实现了两个输入运动的解耦，并通过离合 器的啮合程度控制传递力矩的大小，使腕部在一定力矩的作用下成为被动腕，起到了过载 荷保护和避免机械干涉而损坏腕部关节的作用。 大连理工大学提出了一种三自由度等速解耦空间机器人主动球型腕与万向柔顺 控制方法(专利号：ZL201310282753.1)，是一种典型的主动柔顺控制方法，具体通过摩擦力 补偿可实现主、被动腕功能，被动模态下球型腕处于完全柔顺状态，避免接触作业损坏机械 臂。但机器人关节非线性摩擦力模型难以准确确定，摩擦力补偿精度会直接影响柔顺控制 效果，手腕三轴转动控制过程复杂。 综上所述，由于机器人手腕机械系统结构复杂程度高，运动传动系统摩擦具有非 线性特征，最终导致机械结构手腕动态性能差、控制精度低，机械效率低，可靠性差等问题。 尤其是机械手腕复杂的传动结构与实现主动柔顺控制之间存在矛盾，导致柔顺控制难度 大，响应速度低。由于传统机械式手腕减速器系统存在输出端反向传动自锁特性，接触作业 时，必须施加主动控制力矩消除关节摩擦力，才能解除自锁，实现柔顺控制，但由于关节减 速器系统的摩擦力表现为复杂的非线性，导致机械关节柔顺控制功能差而极易损坏机械 臂。 为了克服上述机械传动手腕的弊端，使多自由度手腕传动系统结构简单轻便，并 显著提高运动性能、传动效率、控制响应速度和定位精度，可采用电磁直接驱动多自由度电 机代替复杂传动机械手腕。多自由度电机集成度高，传动链简单且无机械间隙，有效材料和 6 CN 111604935 A 说　明　书 3/15 页 控制系统元件的利用率高，特别是转动的自由度多，可显著简化机械系统结构，避免关节的 非线性摩擦力，提高系统静态及动态性能。 球形电机是集现代电机设计理论、功率电子技术、自动控制理论于一体的高技术， 球形电动机本身就是一种直接驱动的球形主动关节。按原理主要可分成以下几类：自整角 机式、感应式、永磁式(含直流、步进、磁阻式、同步式)等。克服了线圈式球形电机的许多缺 点，永磁式球形电机占用空间小、系统效率高、磁能积高，在机器人、多向传动机构、制造业 等多维空间伺服控制系统领域应用前景良好。 目前，电磁球形电机在本体结构设计、电磁和转矩分析与控制等方面普遍存在以 下问题：1)磁场计算困难。球形电机磁场为三维磁场，异常复杂，目前球形电机磁场计算均 基于理想化假设模型，还不能对磁场进行精确建模和计算。2)电磁耦合问题。球形电机各自 由度间电磁耦合和力学耦合关系复杂，如何根据磁场模型，定量分析这些耦合关系，实现精 准解耦，是球形电机设计与精确控制研究中急需解决的问题。3)新型球形电机的结构参数 优化。必须以球形电机的精确建模为基础，以提高其输出转矩、减小尺寸、提高响应灵敏度 和定位精度为目标，对球形电机本体结构参数进行优化设计。 为了解决上述难题，必须进行电磁驱动球形关节原理方面的创新。新球形电机必 须便于建立准确的力学模型和运动模型，找出合适路径规划算法，提高电机的动态性能和 稳定性，是对球形电机进行精密控制的基础，也是球形电机能够应用于精密工业领域的必 然要求。 为了实现电磁驱动球型关节原理方面的创新，首先要突破空间万向旋转磁场技 术。由于空间万向旋转磁场是三轴正交亥姆霍兹线圈产生的单一均匀旋转磁场，不存在磁 场耦合问题，也不存在磁力耦合问题，磁极只受纯电磁驱动力矩作用，便于建立准确的力学 模型和运动模型，因此，采用空间万向旋转磁场技术优势明显。但旋转磁场方位与旋转方向 控制是关键。 为实现胶囊机器人在弯曲肠道环境中自由行走，国家发明专利“体内医疗微型机 器人万向旋转磁场驱动控制方法”中(专利授权号：ZL  200810011110.2)，提出了旋转轴线 可调的空间万向旋转磁场控制方法，并给出适用于空间第一象限的旋转磁场基本电流叠加 公式。 为了实现旋转磁场轴线的万向可调，将基本电流叠加公式扩展到空间另七个象 限，国家发明专利“空间万向叠加旋转磁场旋转轴线方位与旋向的控制方法”中(专利授权 号：ZL  201210039753.4)中，通过以空间某一固定轴线三个方向角为输入变量的基本电流 叠加公式中三相正弦电流信号的反相位电流的组合驱动方式与三轴正交嵌套亥姆霍兹线 圈装置内叠加的空间万向均匀旋转磁场的旋转轴方位和旋向的变化规律为基础，实现了空 间万向旋转磁场旋转轴线方位与旋向在空间坐标系各个象限内的唯一性控制，在理论上解 决通过数字化控制实现空间万向旋转磁矢量方位、旋向、强度、转速的任意调整的问题，为 实现机器人的姿态调整与定向驱动行走奠定了基础。 为解决胶囊机器人在胃肠道中诊察时的姿态调整与行走两种运动方式相互分离 的问题，国家发明专利“一种主被动双半球形胶囊机器人及其姿态调整与转弯驱动控制方 法”(专利授权号：ZL  201510262778.4)中，利用球形结构的灵活性与万向性，避免了调姿时 球形机器人发生滚动运动，结合空间万向旋转磁场的控制，可实现主、被动双半球结构胶囊 7 CN 111604935 A 说　明　书 4/15 页 机器人在体内自由进行姿态调整与转弯行走，研究表明，空间万向旋转磁场的方位与末端 圆形轨迹误差直接影响机器人的控制精度。空间万向旋转磁场对双半球胶囊进行姿态调整 与控制为两自由度球型机器人手腕研制奠定了基础。 为实现空间万向旋转磁场人机交互控制，国家发明专利“一种空间万向旋转磁场 人机交互控制方法”(专利授权号：ZL  201610009285.4)中，提出经纬坐标系内以侧摆与俯 仰角两个姿态角度为输入变量的电流形式的空间万向旋转磁场叠加公式， 其中 其中θ、δ为机器人轴线侧摆角与俯仰 角，I0为三组正交亥姆霍兹线圈中正弦电流的幅值，ω为施加正弦信号电流的角频率，施加 正弦信号电流的频率为f＝2π/ω。将空间万向旋转磁场的三维叠加问题转化为平面内的两 维叠加问题，并通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角度分离控制，实现低维度可分离变量 交互式控制。三轴正交亥姆霍兹线圈的驱动是产生机器人轴线的侧摆角和俯仰角的方位可 分离变量的空间万向旋转磁场控制模式，完全可以实现新型手腕侧摆角和俯仰角的控制。 为了实现电磁驱动球型关节原理方面的创新，还要解决均匀空间万向旋转磁场下 更有效、快捷、准确的新型电磁驱动技术。在研究胶囊机器人姿态控制过程，发现在万向旋 转磁场驱动下的径向磁化钕铁硼永磁体圆柱体轴线会发生旋转磁场同轴随动磁矩效应，即 当钕铁硼圆柱体轴线与旋转磁场旋转轴线存在夹角时，旋转磁场的同轴随动磁矩将拉动钕 铁硼圆柱体轴线向旋转磁场旋转轴线方向转动，直到重合为止。空间万向旋转磁场同轴随 动磁矩可将永磁体轴线引导到空间任何方位，为球型关节姿态转换的电磁驱动奠定了基 础。 为实现机器人运动关节的在线刚度调整功能，国内外科研人员进行多种结构设 计,通过调查研究国内外变刚度柔性关节结构，变刚度柔性关节按结构原理分为杠杆机构、 凸轮机构两类模型。德国宇航中心机器人及机电一体化协会，研制了一种基于凸轮机构的 变刚度关节VS.Joint，利用关节旋转，带动凸轮滚子在底部凸轮盘内的位置变化，改变弹簧 的压缩量，达到关节变刚度柔性输出；其第二代变刚度柔性关节(Floating  spring  joint， FSJ)并应用于新型DLR手臂系统中，该机构每个凹槽处由原来的一个凸轮滚子增加为两个， 从而实现了低摩擦、低耗能，增大了承受负载的能力。意大利理工学院TSAGARAKIS等研制的 变刚度驱动器CompAct—VSA，该机构利用齿轮齿条传动改变凸轮形状杠杆臂的旋转轴心所 在的位置，凸轮通过滚子与弹簧作用，从而改变机构的输出刚度。总之，机械式变刚度调整 机构体积较大，结构复杂，实际应用效果较差，如果能够摆脱复杂的机械结构，采用关节电 磁驱动直接实现变刚度的线性化控制，则关节的柔顺控制动态性能将显著提高。 对上述机械式手腕所存在的机械结构复杂，机械摩擦力、变刚度控制、柔顺控制困 难等局限性，结合旋转磁场同轴随动磁矩效应驱动原理，本发明提出一种通过同心内、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钕铁硼永磁体在空间 万向旋转磁场同轴随动磁矩引导下实现随动机构输出端侧摆、俯仰的二自由度机器人高集 8 CN 111604935 A 说　明　书 5/15 页 成主动球型手腕机构及变刚度控制方法。在控制方面，是一种通过电磁驱动的前馈补偿途 径实现该球型腕在接触作业条件下的变刚度及柔顺控制方法。通过电磁驱动的前馈补偿途 径可实现主、被动腕功能，当通过侧摆、俯仰主动控制实现执行器末端定位后并拉住舱门； 由于拉开舱门时，会出现机器人末端执行器运动轨迹与舱门转动圆轨迹的干涉，由于干涉 时舱门对腕部的作用力方向已知，根据预知方向施加万向旋转磁场，施加力矩补偿，使腕子 末端执行器的运动轨迹在过腕部末端执行器作用力方向的平面内，使腕子变成松弛的被动 腕，避开干涉，顺利实现舱门的开启等复杂作业。 据掌握的资料和立项查新显示，目前，国内外还没有采用空间万向旋转磁场同轴 随动磁矩效应的新型电磁驱动球型手腕的相关资料报道，也没有通过电磁力矩控制实现 主、被动腕工作模式的报道，因此，本发明具有较为突出的原创性。
技术实现要素：
为解决上述为问题，本发明提供一种通过同心内、外部万向节两个输出端(从动 叉)同轴连接所构成随动机构的内置径向磁化永磁体驱动器在空间万向旋转磁场同轴随动 磁矩直接引导驱动下，实现输出端侧摆、俯仰二自由度主动球型手腕装置，还提供一种通过 电磁直接驱动的前馈控制途径实现该球型腕在接触作业条件下的变刚度及柔顺控制方法。 本发明的技术方案是： 一种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，三轴正交的亥姆霍兹线圈组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；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，支撑 架的上设有水平的通孔，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中间两个竖直支撑架(主动叉)，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a15和深沟球轴承b16安装在与固定端支 承座5上中间的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d23和连接轴e26的一 端分别对称固定在柱形壳体2的两侧，另一端分别通过深沟球轴承c24和深沟球轴承d25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外端两个竖直支撑架(主动叉)，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(十字轴孔)，外部万向节外环17作为从动叉；连接轴a7 和连接轴b9分别通过法兰轴承a8和法兰轴承b10安装在固定端支承座5外端两个竖直支撑 架的通孔中；外部万向节内环3的两侧同轴通孔分别通过普通平键a6和普通平键b11与连接 轴a7和连接轴b9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，形成俯仰角 转轴；连接轴a7外端与编码器a4连接，连接轴b9一端与阻尼器a12连接，另一端与制动器a13 9 CN 111604935 A 说　明　书 6/15 页 连接，且编码器a4、阻尼器a12和制动器a13均固定在固定端支承座5上；连接轴c21和连接轴 f28分别通过法兰轴承c22和法兰轴承d27安装在外部万向节内环3另外两侧的同轴通孔中； 外部万向节外环17由两个半环形结构的支撑杆对称组成，两个支撑杆的一端分别通过普通 平键c20和普通平键d29与连接轴c21和连接轴f28固定连接，且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固定在输出端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；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c21的两端分别与编码器b18和制动器b19连接，连接轴f28的 外端与阻尼器b30连接，且编码器b18、制动器b19和阻尼器b30均固定安装在外部万向节内 环3外侧； 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，每组包括两 个完全相同的线圈，对称布置；三组线圈的轴线相互垂直，且三组线圈相互固定，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位于三组线圈中间的内部空间内，外部十字万向节c位于三组线圈外部；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。 本发明的效果和益处是： 本发明的一种新型电磁驱动两自由度球型机器人手腕的内、外部万向节两个输入 端、输出端分别同轴并联，内、外部万向节具有同一转动中心，因此构成球型腕，实现了手腕 两个自由度的运动解耦，侧摆、俯仰角度可单独测量与控制。内、外部万向节均采用空心结 构，可显著增加内部可嵌套容纳空间，手腕多层嵌套结构紧凑。手腕输出端连接的末端执行 器侧摆、俯仰角度可控，但自转角度始终不发生偏转，可方便的调整末端执行器的法方向， 完成腕部定位。 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。由于传动链简单且无机械间隙，因此定位精 度高。由于没有复杂机械传动系统非线性摩擦力，可通过电磁直接驱动快捷的实现手腕关 节的变刚度控制以及柔顺控制。 本发明克服了现有球形电磁驱动关节三维复杂磁场的建模难题，可实现磁场精确 建模和计算，为定量分析电磁驱动关节各自由度间电磁耦合和力学耦合关系，实现精准解 耦和结构参数优化，最终可望实现电磁驱动球形关节控制的响应灵敏度和定位精度。 附图说明 图1是本发明机器人手腕结构示意图。 图2是本发明机器人手腕转子随动部分示意图。 图3(A)是本发明机器人手腕俯仰传动机构截面示意图。 图3(B)是本发明机器人手腕俯仰传动机构截面示意图Ⅰ处局部放大图。 图3(C)是本发明机器人手腕俯仰传动机构截面示意图Ⅱ处局部放大图。 图3(D)是本发明机器人手腕侧摆传动机构截面示意图。 图3(E)是本发明机器人手腕侧摆传动机构截面示意图Ⅲ处局部放大图。 图3(F)是本发明机器人手腕侧摆传动机构截面示意图Ⅳ处局部放大图。 图3(G)是本发明机器人手腕侧摆传动机构截面示意图Ⅴ处局部放大图。 10 CN 111604935 A 说　明　书 7/15 页 图3(H)是本发明机器人手腕侧摆传动机构截面示意图Ⅵ处局部放大图。 图4(A)是本发明机器人手腕轴线由固定坐标系到赖柴坐标系转换过程示意图。 图4(B)是本发明机器人手腕轴线向量和空间万向旋转磁场旋转轴线向量的空间 位置示意图。 图4(C)是本发明机器人手腕同轴随动磁矩效应驱动模型示意图。 图4(D)是本发明机器人手腕同轴随动磁矩计算坐标系建立示意图。 图5是本发明机器人手腕主被动模式控制原理示意图。 图中：a三轴亥姆霍兹线圈组；b转子随动部分；c外部十字万向节；d内部十字万向 节；e固定端；f末端执行器；g力传感器；h两自由度机器人手腕。 1径向磁化永磁体；2柱形壳体；3外部万向节内环；4编码器a；5固定端支承座；6普 通平键a；7连接轴a；8法兰轴承a；9连接轴b；10法兰轴承b；11普通平键b；12阻尼器a；13制动 器a；14内部万向节内环；15深沟球轴承a；16深沟球轴承b；17外部万向节外环；18编码器b； 19制动器b；20普通平键c；21连接轴c；22法兰轴承c；23连接轴d；24深沟球轴承c；25深沟球 轴承d；26连接轴e；27法兰轴承d；28连接轴f；29普通平键d；30阻尼器b；31轴承；32连接杆； 33输出端。