一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器及控制方法

本发明涉及机器人精密装配，特别涉及一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器及控制方法。

背景技术：

1、在机器人精密装配领域，轴孔装配任务对配合公差要求极高。然而，工业机器人的绝对定位误差、工件装夹偏差等导致轴与孔之间存在毫米级位置偏差与度级角度偏差。若采用刚性装配策略，微小对中误差会立即转化为剧烈的刚性接触力，导致零件损伤、装配过程卡滞甚至失效。

2、目前，赋予机器人柔顺性的技术主要包括：

3、主动力控制（如阻抗控制）：通过传感器反馈实时调节输出，性能优良但系统复杂、成本高昂且控制带宽受限。

4、被动柔顺机构（如远心柔顺机构rcc）：依靠固定机械结构提供顺应性，简单可靠，但其刚度不可调节，无法适应装配过程不同阶段对阻抗特性的差异化需求，泛化能力差。

5、半主动变刚度机构：利用磁流变(mr)或电流变(er)等智能材料，通过外部场快速调节阻尼或刚度，在响应速度与能耗间取得平衡。然而，现有多数半主动机构在实现多自由度、各向异性刚度场在线重构，以及与宏观位姿驱动能力深度集成方面，仍存在不足。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器及控制方法，旨在解决目前机器人柔顺性技术中不足的问题。

2、为实现上述目的，本发明提出的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器，包括静平台和动平台，以及位于所述静平台和所述动平台之间的约束支链和若干连接支链，所述约束支链的其中一端连接所述静平台的中心点，所述约束支链的另一端连接所述动平台的中心点；各所述连接支链沿所述约束支链轴线的周向依次间隔设置；所述约束支链和各所述连接支链分别设置位移传感器；所述约束支链和各所述连接支链分别通过力传感器连接所述动平台。

3、优选的，所述约束支链包括第一弹力弹簧、第一磁流变阻尼器和两第一万向铰，所述第一磁流变阻尼器的其中一端通过其中一所述第一万向铰可拆卸连接所述静平台，所述第一磁流变阻尼器的另一端依次通过另一所述第一万向铰和其中一所述力传感器可拆卸连接所述动平台；所述第一弹力弹簧套设于所述第一磁流变阻尼器的外侧，所述第一弹力弹簧的两端分别连接邻近的所述第一磁流变阻尼器的端部；其中一所述位移传感器分别连接所述第一磁流变阻尼器的两端。

4、优选的，所述连接支链包括第一球铰、第二弹力弹簧、第二磁流变阻尼器和第二万向铰，所述第二磁流变阻尼器的其中一端通过其中一所述第一球铰可拆卸连接所述静平台，所述第二磁流变阻尼器的另一端依次通过另一所述第二万向铰和其中一所述力传感器可拆卸连接所述动平台；所述第二弹力弹簧套设于所述第二磁流变阻尼器的外侧，所述第二弹力弹簧的两端分别连接邻近的所述第二磁流变阻尼器的端部；其中一所述位移传感器分别连接所述第二磁流变阻尼器的两端。

5、为实现上述目的，还提供一种半主动变刚度柔顺装配末端执行控制方法，其特征在于，如上述任一所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器，所述控制方法包括：

6、通过各所述位移传感器和各所述力传感器，分别获取所述约束支链和各所述连接支链的轴向力向量和长度向量；

7、根据各所述长度向量，利用数值方法实时求解动平台位姿及装配平面内倾斜角；

8、根据所述动平台位姿的雅可比矩阵，确定所述动平台末端的力矩信息；

9、将力矩信息转化至轴固连的接触坐标系，进而计算用于卡滞判定的无量纲状态点和装配过程状态；

10、获取摩擦系数，根据所述摩擦系数和所述倾斜角，通过销-孔接触力学模型，确定动态安全区域；

11、根据所述无量纲状态点、所述装配过程状态和所述动态安全区域，确定所述约束支链和各连接支链的控制指令。

12、优选的，所述力矩信息的计算公式如下：

13、；

14、其中，为作用于所述动平台末端的力矩信息；为由所述约束支链和各所述连接支链的长度变化率映射至所述动平台广义速度的雅可比矩阵；为由所述约束支链和各所述连接支链的轴向力组成的轴向力向量；上标表示矩阵转置；上标表示moore-penrose广义逆。

15、优选的，所述无量纲状态点的计算公式如下：

16、

17、其中，为所述无量纲状态点；为所述接触坐标系中沿方向的径向接触力分量；为所述接触坐标系中沿方向的轴向接触力分量；为接触坐标系中绕轴的接触力矩分量；为插入轴的半径；和分别用于对所述径向接触力分量和所述接触力矩分量进行归一化。

18、优选的，所述根据无量纲状态点、装配过程状态和动态安全区域，确定所述约束支链和各连接支链的控制指令的步骤，包括：

19、根据所述无量纲状态点、所述装配过程状态和所述动态安全区域，确定生成期望的力矩调节量；

20、对所述力矩调节量求解，映射为所述约束支链和各所述连接支链的的轴向阻尼力变化量；

21、根据所述阻尼力变化量，确定所述控制指令。

22、优选的，所述力矩调节量的最优阻尼分配映射公式如下：

23、；

24、其中，为受到励磁电流调控的决策向量（即约束支链3和各连接支链4的耗散力幅值）；为主动映射子矩阵（一般取雅可比转置矩阵的前5列）；为瞬态可驱动象限的对角矩阵；为期望的操作空间力矩调节量；为空间维度权重矩阵，用于在秩亏缺条件下优先保障高维方向的逼近收敛；代表正则化系数，用于平滑因速度过零点导致的控制抖振；为上一控制周期各连接支链中磁流变阻尼器的目标阻尼力幅值组成的决策向量。

25、为实现上述目的，提供。

26、与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：

27、1、各向异性刚度在线可调，通过独立、快速调节约束支链和若干连接支链中磁流变阻尼器的电流，可在线、动态地重塑末端执行器在操作空间中的整体刚度矩阵，实现刚度的各向异性分布，突破了传统被动柔顺机构刚度固定不变的局限。

28、2、智能顺应与主动抗卡滞，基于实时的力矩信息反馈和轴孔接触力学模型，能智能识别装配状态（单点接触和两点接触风险等）。通过状态机决策，在需要“柔顺找正”时呈现低刚度以吸收误差，在面临“卡滞风险”时增强特定方向的刚度以稳定姿态，实现了自适应阻抗调节。

29、3、结构紧凑，集成度高，将变刚度模块（阻尼器和弹力弹簧）直接集成于每条支链的移动副中，并与力传感器和位移传感器高度集成，形成了感知和执行一体化的紧凑单元，便于作为标准模块与工业机器人连接。

30、4. 显著提升装配性能，实验表明，在存在±2mm位置偏差与±1°角度偏差的轴孔装配任务中，该方案能有效降低接触力峰值60%以上，并将接触力波动稳定在±5%以内，显著提高了装配的成功率与可靠性。

1.一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器，其特征在于，包括静平台和动平台，以及位于所述静平台和所述动平台之间的约束支链和若干连接支链，所述约束支链的其中一端连接所述静平台的中心点，所述约束支链的另一端连接所述动平台的中心点；各所述连接支链沿所述约束支链轴线的周向依次间隔设置；所述约束支链和各所述连接支链分别设置位移传感器；所述约束支链和各所述连接支链分别通过力传感器连接所述动平台。

2.如权利要求1所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器，其特征在于，所述约束支链包括第一弹力弹簧、第一磁流变阻尼器和两第一万向铰，所述第一磁流变阻尼器的其中一端通过其中一所述第一万向铰可拆卸连接所述静平台，所述第一磁流变阻尼器的另一端依次通过另一所述第一万向铰和其中一所述力传感器可拆卸连接所述动平台；所述第一弹力弹簧套设于所述第一磁流变阻尼器的外侧，所述第一弹力弹簧的两端分别连接邻近的所述第一磁流变阻尼器的端部；其中一所述位移传感器分别连接所述第一磁流变阻尼器的两端。

3.如权利要求1所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器，其特征在于，所述连接支链包括第一球铰、第二弹力弹簧、第二磁流变阻尼器和第二万向铰，所述第二磁流变阻尼器的其中一端通过其中一所述第一球铰可拆卸连接所述静平台，所述第二磁流变阻尼器的另一端依次通过另一所述第二万向铰和其中一所述力传感器可拆卸连接所述动平台；所述第二弹力弹簧套设于所述第二磁流变阻尼器的外侧，所述第二弹力弹簧的两端分别连接邻近的所述第二磁流变阻尼器的端部；其中一所述位移传感器分别连接所述第二磁流变阻尼器的两端。

4.一种半主动变刚度柔顺装配末端执行控制方法，其特征在于，如权利要求1-3任一所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行器，所述控制方法包括：

5.如权利要求4所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行控制方法，其特征在于，所述动平台末端的力矩信息的计算公式如下：

6.如权利要求4所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行控制方法，其特征在于，所述无量纲状态点的计算公式如下：

7.如权利要求4所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行控制方法，其特征在于，所述根据无量纲状态点、装配过程状态和动态安全区域，确定所述约束支链和各连接支链的控制指令的步骤，包括：

8.如权利要求7所述的一种半主动变刚度柔顺装配末端执行控制方法，其特征在于，所述力矩调节量的最优阻尼分配映射公式如下：