磁悬浮机器手臂支撑系统及其轴径向基准调控方法技术方案

本发明专利技术公开了一种磁悬浮机器手臂支撑系统及其控制方法，采用内外定子和支撑旋转体的复合结构，在磁悬浮支撑技术作用下，实现了轴向压控和轴向定位两模式下无摩擦定位和轴向基准柔性可调，基于支撑旋转体的两自由度运动方程和两关节机器手臂模型，实时计算两绕组电流稳态基准，结合实测的支撑旋转体两侧压力、轴向位移以及俯仰角度给出电流动态调整值，在线获得两绕组变流参考，采用PI控制器完成电流参考跟踪控制，实现轴向基准调整，采用状态反馈和干扰自适应补偿方法，完成在恒速运行下的旋转定位控制。该发明专利技术将有效拓宽机器手臂工作空间，解决传统机器手臂支撑系统无法轴向基准调整以及旋转定位精度不高问题。

Arm support system of magnetic levitation machine and its control method of axial and radial datum

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮机器手臂支撑系统及其轴径向基准调控方法
本专利技术涉及一种机器人手臂支撑平台，尤其是一种磁悬浮轴径向基准两维度调控的机器人手臂支撑平台，属于机器人自动化控制领域。
技术介绍
随着智能制造自动化程度的提高，基于机器手臂支持的自动化系统已广泛应用于汽车制造、钢铁生产以及物流搬运等国计民生行业，极大提高了生产效率。众所周知的是机器人自动化系统核心组件为机器人支撑平台，不仅要有效支撑机器人自重以及操作物重量外，还需完成机器手臂轴径向两维度调整能力，以降低上端机器手臂的运动轨迹调整难度，同时提高机器手臂的工作空间。但当前的机器手臂支撑系统多采用基于多级传动齿轮和径向电机结构，但径向电机多为高速电机，但机器人系统本身的非线性性和不稳定特点，使得较高基准定位速度极易导致机器人系统的失稳，为此往往采用变速齿轮降速处理，但变速齿轮齿间隙问题，极易导致基准定位精度误差；同时较重的机器手臂以及抓取物的重量，使得机器手臂旋转定位过程存在较大摩擦损耗，无疑增大机器手臂支撑系统的功耗；另外传统的机器手臂支撑系统的轴向基准无法改变，抓取物高度变化只有通过机器手本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁悬浮机器手臂支撑系统，其特征是，包括支撑塔架、支撑旋转体、机器手臂、被动阻尼、主控单元、变流器单元、气隙传感器、压力传感器、编码器组成，完成机器手臂的轴径向基准调控；所述支撑塔架包括内定子、外定子和支撑底座，所述内定子和外定子轴向高度一致，为支撑旋转体的原始基准，内定子上端设置三相定子绕组，与定子变流器相联，产生电磁转矩，驱动支撑旋转体旋转定位；所述支撑旋转体包括支撑固定体和旋转体转子，所述支撑固定体底端设置4个正交压力传感器，测量支撑旋转体对内定子的压力，上端设置机器手臂伺服和编码器，与两关节机械手臂相联；所述旋转体转子包括16个按照N/S排列的转子绕组，以机器手臂俯仰角度90度为...

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮机器手臂支撑系统，其特征是，包括支撑塔架、支撑旋转体、机器手臂、被动阻尼、主控单元、变流器单元、气隙传感器、压力传感器、编码器组成，完成机器手臂的轴径向基准调控；所述支撑塔架包括内定子、外定子和支撑底座，所述内定子和外定子轴向高度一致，为支撑旋转体的原始基准，内定子上端设置三相定子绕组，与定子变流器相联，产生电磁转矩，驱动支撑旋转体旋转定位；所述支撑旋转体包括支撑固定体和旋转体转子，所述支撑固定体底端设置4个正交压力传感器，测量支撑旋转体对内定子的压力，上端设置机器手臂伺服和编码器，与两关节机械手臂相联；所述旋转体转子包括16个按照N/S排列的转子绕组，以机器手臂俯仰角度90度为界等分为前侧绕组和后侧绕组，分别与前侧变流器和后侧变流器相联；所述气隙传感器正交分布在旋转体转子绕组下侧，分别测量前侧绕组和后侧绕组对支撑底座的气隙高度；所述机器手臂为执行取物的两关节机器手；所述被动阻尼为外定子内侧磁环带和旋转体转子磁槽所组成的一体化结构；所述变流器单元包括前侧变流器、后侧变流器、定子变流器、机器手臂伺服驱动器，所述前侧变流器和后侧变流器为轴向基准调控变流器，拓扑结构为H桥变流器，内置电流传感器，实测绕组电流；所述定子变流器为径向基准调控变流器，拓扑结构为三相桥逆变器，内置三个电流传感器，实测和控制三相绕组电流，旋转支撑旋转体。


2.一种如权利要求1所述的磁悬浮机器手臂支撑系统的控制方法，其特征在于，采用如下步骤：
步骤一，构建支撑旋转体轴向基准调整运动方程



其中：z为轴向气隙，θp为支撑旋转体俯仰角度，ms为支撑旋转体和机器手臂总重量，i1为前侧绕组电流，i2为后侧绕组电流，δ1为前侧气隙，δ2为前侧气隙，△m为抓取物重量，ks为电磁吸力系数，J为支撑旋转体转动惯量，R为绕组到内定子轴心距离，g为重力加速度；
步骤二，分别以qT＝[φ1,φ2]为变量，以τT＝[τ1,τ2]为控制输入，构建机械手运动方程的矩阵形式表示为



其中：D为机器手臂的正定惯性系数矩阵，C为机器手臂的离心和哥氏力项，

m1为机器手长臂质量，r1为机器手长臂质心到关节1处长度，LA为机器手长臂长度，m2为机器手短臂质量，r2为机器手短臂质心到关节2处长度，LB为机器手短臂长度；
步骤三，首先根据支撑旋转体轴向基准设定zref和原始基准zmax判定支撑旋转体的工作模式，当zref和zmax相等时，支撑旋转体运行在轴向压控模式，当zref和zmax不等时，支撑旋转体运行在轴向定位模式；
一)轴向压控模式：控制支撑旋转体对内定子压力严格为零，同时轴向基准为zmax，支撑旋转体和内外定子无压力接触，控制方法如下：
第一步，将式(2)机器手运动方程的变化量和设置为0，求取机器手臂稳态状态时，机器手臂对支撑旋转体的负载转矩为
τ1＝m1gr1cosφ1+m2g(LAcosφ1+r2sinφ2)(3)
第二步，基于式(1)支撑旋转体轴向基准调整运动方程以及式(3)，求取稳态运行时且满足θp＝0，z＝zmax时的前后侧绕组电流稳态值，作为前后侧变流器电流控制参考设定的基准值






第三步，基于四个压力传感器的实测p(i)，其中i＝1,2,3,4，求取支撑旋转体前侧绕组和后侧绕组的实测压力平均值分别为p1＝0.5(p(1)+p(2))和p2＝0.5(p(3)+p(4))，基于轴向压力参考pref＝0，分别求取压力偏差e1＝pref-p1和e2＝pref-p2，基于PID控制器，实时获得前侧绕组和后侧绕组电流参考的实时调整量和其中kp1p、kp1i、kp1d、kp2p、kp2i、kp2d分别为控制器系数；结合式(4)和式(5)，最终计算获得前侧绕组和...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚晓广，孔英，蔡彬，王伟超，王文轩，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37