一种基于磁流变动态刚度控制的机器人单腿液压执行器的制作方法

本发明属于液压足式机器人执行器的技术领域，尤其涉及一种基于磁流变动态刚度控制的机器人单腿液压执行器。

背景技术：

液压足式机器人兼顾液压驱动单元高功率重量比、负载能力强与足式机器人崎岖地形适应能力强的特点，近年来逐步应用于灾难救援、野外物资运输、复杂地形施工及外骨骼助力等人力难以完成及危险性场合。但同时足式机器人动力学相对复杂，多足相互交替着地过程会引起整机震动，高负载下单腿着地瞬间又存在地面对足部的巨大冲击，这种震动与触地冲击不仅会损坏机械元件、破坏机器人运动的平稳性，更有可能会出现机器人倾倒失控等情况。

针对上述问题，现行主要存在两种解决方案。一种方案是被动柔顺控制，即是在机器人腿部及执行器末端安装被动弹簧或其他弹性元件，通过被动弹簧吸收单腿运动过程中的冲击脉动。该种方案能够实现机器人的快速动态运动，但在低速静态范围内表现不佳，在系统中加入弹簧限制了系统的响应带宽，降低了机器人的多功能性。另一种方案是主动柔顺控制，即是通过软件控制，将环境对单腿的交互力引入反馈进行闭环控制，实现机器人执行器的力/位置伺服控制以适应环境的变化。该种方案能够有效提升机器人运动的平稳性，但在较少触地冲击方面表现较差，当机器人机械传动为刚性或者刚度很大时，除非接触时间可以预测，采用主动柔顺控制很难减少触地冲击。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁流变动态刚度控制的机器人单腿液压执行器，不仅结构简单、紧凑，而且可有效解决机器人单腿运动过程中髋关节与膝关节的平稳性控制及触地冲击力大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于磁流变动态刚度控制的机器人单腿液压执行器，包括磁流变阻尼可控后端和双活塞杆液压缸，所述磁流变阻尼可控后端包括壳体，所述壳体的前端固联有端盖，所述端盖的前端固联有连接耳环a，壳体的内部经由浮动活塞分为两个腔室，位于壳体后端的腔室内充满磁流变液；所述双活塞杆液压缸包括缸体、设置于缸体内部的缸体活塞和设置于缸体活塞两边的活塞杆，所述缸体的前端与壳体的后端固联，两边的活塞杆均伸出于缸体外，位于缸体前端的活塞杆伸入位于壳体后端的腔室内部并固联有软磁活塞，所述软磁活塞的内部设置有绕组线圈，软磁活塞上于绕组线圈的外侧套设有隔磁环；位于缸体后端的活塞杆的端部固联有连接耳环b。

进一步的，位于壳体前端的腔室内设有套设在端盖的后端外侧的复位弹簧，所述复位弹簧的前、后端部分别与壳体的前端和浮动活塞相抵接。

进一步的，所述软磁活塞与壳体的内壁之间具有间隙，软磁活塞的外表面沿周向设有用以容置绕组线圈的环形凹部。

进一步的，所述缸体包括前缸体、后缸体以及用以连接前缸体和后缸体的连接套筒，所述前缸体的前端与壳体的后端通过螺栓连接，所述连接套筒的前、后两端分别与前缸体和后缸体螺接；所述缸体活塞与连接套筒的内壁密闭且滑动配合，前缸体的后端部与后缸体的前端部对缸体活塞进行行程限位。

进一步的，所述缸体活塞经由锁紧螺母、防松垫片以及活塞杆上的轴肩进行位置固定。

进一步的，所述前缸体、后缸体以及缸体活塞与活塞杆之间均设置有密封圈a；所述连接套筒的前、后端面与前缸体和后缸体之间分别设有密封圈b；所述缸体活塞与连接套筒的内壁之间设有密封圈c；所述前缸体的前端面与壳体的后端面之间设置有密封圈d。

进一步的，所述软磁活塞与壳体的内壁之间设有密封圈e。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明结构简单、合理且紧凑，可作为一种机器人单腿半主动柔顺控制方案，一方面能够直接吸收震动减少触地冲击，另一方面可作为主动柔顺控制的执行器，通过单腿整体刚度的动态控制与负载进行匹配，提升机器人单腿运动的平稳性。

附图说明：

图1是本发明实施例的构造示意图；

图2是本发明实施例中的使用状态示意图。

图中：

1-端盖；2-复位弹簧；3-壳体；4-浮动活塞；5-磁流变液；6-软磁活塞；7-绕组线圈；8-隔磁环；9-前缸体；10-锁紧螺母；11-缸体活塞；12-活塞杆；13-连接套筒；14-后缸体；15-磁流变阻尼可控后端；16-双活塞杆液压缸；17-连接耳环a；18-连接耳环b；19-防松垫片；20-螺栓；21-螺栓组件；22-密封圈a；23-密封圈b；24-密封圈c；25-密封圈d；26-髋部；27-髋关节；28-大腿；29-膝关节；30-小腿；31-密封圈e。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1～2所示，本发明一种基于磁流变动态刚度控制的机器人单腿液压执行器，包括磁流变阻尼可控后端15和双活塞杆液压缸16，所述磁流变阻尼可控后端15包括壳体3，所述壳体3的前端通过螺栓组件21（螺栓、螺母以及垫片）固联有端盖1，所述端盖1的前端固联有用以与机器人相铰接并构成旋转副的连接耳环a17，壳体3的内部经由浮动活塞4分为两个腔室，位于壳体3后端的腔室内充满磁流变液5；所述双活塞杆液压缸16包括缸体、设置于缸体内部的缸体活塞11和设置于缸体活塞11两边的活塞杆12，所述缸体的前端与壳体3的后端固联，两边的活塞杆12均伸出于缸体外，位于缸体前端的活塞杆12伸入位于壳体3后端的腔室内部并在端部固联有软磁活塞6，所述软磁活塞6的内部设置有绕组线圈7，软磁活塞6上于绕组线圈7的外侧套设有隔磁环8；位于缸体后端的活塞杆12的端部固联有用以与机器人相铰接并构成旋转副的连接耳环b18。将双活塞杆液压缸16与磁流变阻尼可控后端15相结合的方式，利用活塞杆12的沿轴向移动来驱使软磁活塞6在壳体3内部移动，进而使得壳体3内部的磁流变液5产生流动，流动过程中壳体3后端腔室变化通过浮动活塞4进行补偿，以保证磁流变液5充满整个壳体3后端的腔室，而软磁活塞6与壳体3间流动的磁流变液5在通电绕组线圈7磁场的作用下对横向移动的活塞杆12产生阻尼力，阻尼力的大小可由绕组线圈7通电电流大小实时控制。

本实施例中，位于壳体3前端的腔室内设有套设在端盖1的后端外侧的复位弹簧2，所述复位弹簧2的前、后端部分别与壳体3的前端和浮动活塞4相抵接，且始终处于受压状态，以便利用复位弹簧的回弹力驱使浮动活塞回到初始位置。

本实施例中，所述软磁活塞6与壳体3的内壁之间具有间隙，软磁活塞6的外表面沿周向设有用以容置绕组线圈7的环形凹部，隔磁环位于环形凹部的外侧，密封住环形凹部。

本实施例中，所述缸体包括前缸体9、后缸体14以及用以连接前缸体9和后缸体14的连接套筒13，所述前缸体9的前端与壳体3的后端通过螺栓20连接，所述连接套筒13的前、后两端分别与前缸体9和后缸体14螺接；所述缸体活塞11与连接套筒13的内壁密闭且滑动配合，前缸体9的后端部与后缸体14的前端部对缸体活塞11进行行程限位。

本实施例中，所述缸体活塞11经由锁紧螺母10、防松垫片19以及活塞杆12上的轴肩进行位置固定。

本实施例中，所述前缸体9、后缸体14以及缸体活塞11与活塞杆12之间均设置有密封圈a22，以便进行轴向密封；所述连接套筒13的前、后端面与前缸体9和后缸体14之间分别设有密封圈b23，以便进行径向密封；所述缸体活塞11与连接套筒13的内壁之间设有密封圈c24。以便进行轴向密封；所述前缸体9的前端面与壳体3的后端面之间设置有密封圈d25，以便进行径向密封。

本实施例中，所述软磁活塞6与壳体3的内壁之间设有密封圈e31，以便进行轴向密封。

本实施例中，使用时，如图2所示，采用两个基于磁流变动态刚度控制的机器人单腿液压执行器，两个液压执行器上下设置，位于上侧的液压执行器设于机器人髋部26与大腿28之间，该液压执行器的连接耳环a17和连接耳环b18分别与机器人髋部26与大腿28相铰接，构成旋转副。位于下侧的液压执行器设于机器人大腿28与小腿30之间，该液压执行器的连接耳环a17和连接耳环b18分别与机器人大腿28与小腿30相铰接，构成旋转副，利用液压执行器的伸缩与旋转副的旋转实现机器人大腿与小腿的摆动及机器人髋部的上下移动，该动作完成机器人单腿的运动过程。通过磁流变阻尼的实时可控，与负载刚度进行匹配，实现髋关节与膝关节的平稳性控制，通过调大阻尼解决单腿触地冲击力大的问题。

具体实施过程为：液压油进入双活塞杆液压缸的缸体内，驱动活塞杆12的左右横向移动，实现液压执行器的伸缩。而活塞杆12的左右横向移动驱使软磁活塞6在壳体3内部移动，进而使得壳体3内部的磁流变液5产生流动，流动过程中壳体3后端腔室变化通过浮动活塞4进行体积补偿，以保证磁流变液5充满整个壳体3后端的腔室，而软磁活塞6与壳体3间流动的磁流变液5在通电绕组线圈7磁场的作用下对横向移动的活塞杆12产生阻尼力，阻尼力的大小可由绕组线圈7通电电流大小实时控制，进而对整体动态刚度进行改变。在机器人单腿触地的瞬间可通过调大阻尼来吸收对地冲击；机器人双腿交替着地时，可调节阻尼大小改变执行器结构刚度以远离共振点，从而减小液压机器人整体震动，有效解决机器人单腿运动过程中髋关节与膝关节的平稳性控制及触地冲击力大的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。