一种电随动机械手、刚度补偿控制系统及方法与流程

本发明涉及电随动机械手，具体是一种电随动机械手、刚度补偿控制系统及方法。

背景技术：

1、电随动机械手是应用于核工业的机械手，其依靠齿轮对机械臂对应关节的传动而实现，即机械臂的关节处具有以齿轮组成的角传动机构。

2、当前的电随动机械手，多以直齿圆锥齿轮组成关节处的角传动机构，以承担相交轴之间的角传动任务。然而，由于直齿圆锥齿轮存在接触线短、参与啮合齿对少的技术特性，使得其时变啮合刚度的波动显著，从而易引发扭振与冲击现象，振动若通过传动链传递至末端则会导致轨迹不平滑及定位误差升高。通常，以提高加工精度、及配置减隙机构来缓解电随动机械手的振动现象，但这仅是一定程度的缓解、仍难从机理上消除前述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的技术目的在于：针对于上述电随动机械手的特殊性，以及现有技术的不足，提供一种基于螺旋伞齿轮副传动的、能够增强时变啮合刚度、减少振动现象的电随动机械手，以及基于该电随动机械手结构的刚度补偿控制系统和刚度补偿控制方法。

2、本发明的技术目的通过下述技术方案实现，一种电随动机械手，包括机械臂；

3、所述机械臂的至少一个关节处的角传动机构为螺旋伞齿副传动结构。

4、进一步的，所述螺旋伞齿副的螺旋角为15～35°，齿宽与模数之比为6～12，齿面的接触重合度≥2。

5、进一步的，所述螺旋伞齿副为低合金高强度渗碳钢经渗碳淬火、磨齿精加工而成，齿面的粗糙度ra≤0.4。

6、进一步的，以所述螺旋伞齿副传动结构组成的角传动机构，还包括有背对背排布的预紧圆锥滚子轴承或交叉滚子轴承。

7、进一步的，所述角传动机构与电机、减速器以一体化结构封装；

8、在输入轴端设置有可调间隙机构，所述可调间隙机构是以偏心套或楔块进行双向微量啮合侧隙调节。

9、一种电随动机械手的刚度补偿控制系统，所述刚度补偿控制系统基于上述的电随动机械手结构；

10、所述刚度补偿控制系统包括数据采集单元、全传动链刚度建模单元、复合补偿控制单元和执行驱动单元，各单元之间协同实现刚度参数辨识与动态补偿过程；

11、所述数据采集单元用作采集所述电随动机械手的电机电流、编码器角度、末端力/力矩；

12、所述全传动链刚度建模单元建立如下关系式的末端笛卡尔空间刚度矩阵模型：

13、；

14、式中，表示末端笛卡尔空间刚度矩阵；

15、表示机械臂的雅可比矩阵；

16、表示关节空间对角刚度矩阵；

17、表示由外载及姿态引入的补充刚度矩阵；

18、复合补偿控制单元依据末端笛卡尔空间刚度矩阵，对轨迹进行前馈关节补偿量与反馈调节量的叠加、以生成期望关节指令；

19、所述前馈关节补偿量，是以如下关系式获得：

20、；

21、式中，表示前馈关节角补偿值；

22、表示末端广义力；

23、所述反馈调节量是依据位置误差与速度误差，采用控制或鲁棒控制算法获得；

24、所述执行驱动单元用作接收期望关节指令、驱动电机与减速器运行，以及用作实时接收编码器反馈的实际关节角度。

25、进一步的，所述数据采集单元所采集的观测数据，经在线估计处理而获得啮合刚度与轴承刚度的时变参数；

26、所述在线估计处理调用的是递推最小二乘算法或自适应梯度算法。

27、进一步的，所述末端笛卡尔空间刚度矩阵模型，在对末端笛卡尔空间刚度矩阵更新的过程中，引入遗忘因子与参数投影算子进行优化辨识计算，以约束刚度参数在物理可行域内。

28、一种电随动机械手的刚度补偿控制方法，所述刚度补偿控制方法基于上述的刚度补偿控制系统；

29、所述刚度补偿控制方法具体包括如下工艺过程：

30、s1. 启动刚度补偿控制系统后，全传动链刚度建模单元自动加载机械臂的运动学参数，结合螺旋伞齿轮啮合刚度理论模型、轴承刚度实验数据及关节柔性参数，构建包含时变啮合刚度、轴承刚度与关节柔性的全传动链刚度模型；

31、初始化末端笛卡尔空间刚度矩阵的初始值；

32、s2. 以标定运行方式或在线实时采集方式，获取不同位姿、不同负载状态下的电机电流、关节角度、末端力/力矩数据，经预处理后形成辨识数据集；

33、s3. 调用递推最小二乘算法/自适应梯度算法，基于辨识数据集在线估计啮合刚度、轴承刚度的时变参数，代入末端笛卡尔空间刚度矩阵模型、更新；

34、在对更新的过程中，通过遗忘因子与参数投影算子优化辨识结果，确保能实时反映位姿与负载变化导致的刚度波动；

35、s4. 依据更新后的与末端广义力，计算末端形变；

36、利用末端形变与关节形变的映射关系，求解各关节的角补偿量；

37、若机械臂处于奇异邻域，则采用阻尼最小二乘法、引入阻尼系数进行优化计算，保证数值稳定性、避免补偿量异常；

38、s5. 复合补偿控制单元将前馈关节角补偿量与反馈调节量叠加，生成最终的期望关节指令，发送至执行驱动单元；

39、执行驱动单元驱动电机运转，带动关节运动，同时通过编码器实时反馈位置，动态修正运动偏差、确保末端按预设轨迹平稳运行；

40、s6. 在位姿或负载变化过程中，当位姿变化量超过阈值或负载变化量超过阈值时，动态更新末端笛卡尔空间刚度矩阵模型与控制器参数；

41、循环执行s3～s5，更新与关节角补偿量，抑制刚度波动对电随动机械手性能的影响。

42、本发明的有益技术效果是：上述技术措施针对于上述电随动机械手的特殊性，将机械臂关节处的角传动机构以接触线长、啮合齿对数多、传动平稳、噪声低、承载能力强的螺旋伞齿轮副组成，从而基于螺旋伞齿轮副的高接触重合度来增强上述电随动机械手关节处的时变啮合刚度，降低时变啮合刚度的波动，减少振动现象、保障运行精度。

43、针对于螺旋伞齿轮副组成角传动机构的电随动机械手，上述刚度补偿控制的技术措施，通过构建全传动链刚度模型，结合在线估计、以及前馈-反馈的复合补偿，从而实现对位姿与负载所引起刚度波动的有效抑制，可靠提升动态刚度与轨迹跟踪的精度，以解决螺旋伞齿轮副所存在的、全传动链刚度会随位姿与负载变化而动态演化的技术问题，保障电随动机械手高精度运行。

1.一种电随动机械手，包括机械臂；

2.根据权利要求1所述电随动机械手，其特征在于：

3.根据权利要求1或2所述电随动机械手，其特征在于：

4.根据权利要求1所述电随动机械手，其特征在于：

5.根据权利要求1或4所述电随动机械手，其特征在于：

6.一种电随动机械手的刚度补偿控制系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述电随动机械手的刚度补偿控制系统，其特征在于：

8.根据权利要求6所述电随动机械手的刚度补偿控制系统，其特征在于：

9.一种电随动机械手的刚度补偿控制方法，其特征在于：