一种基于磁流变液的混合励磁式机器人柔顺关节的制作方法

本实用新型涉及机器人领域，具体地说，是一种基于磁流变液的混合励磁式机器人柔顺关节。

背景技术：

随着机器人智能感知与控制技术的不断发展，智能机器人逐渐成为人类的工作伙伴，在工业生产、人类生活服务、医疗手术、康复辅助、农业采摘等领域得到了广泛的应用。尤其是关节型串联机器人，由于其拥有显著的优势，在很大程度上代替人类完成了很多可结构化环境中固定流程的工作，特别是在恶劣危险的环境下，机器人可以代替人类完成大部分危险而且枯燥的工作，减轻了人类的劳动强度，改善了人类的作业条件。

近年来，研究人员已不再满足于可结构化环境中关节型串联机器人的固定流程作业应用，不断尝试着把关节型串联机器人应用于多机协同、人机协作等，这对环境感知、智能控制等技术提出了更高的要求，尤其是对机器人的本质安全性设计提出了更高的要求。

传统关节型串联机器人的关节主要由电机、减速机组成，刚性的传动部件为高效、精确的位置控制提供了良好的条件，但在安全性和适应性方面有着明显不足，由于存在刚性冲击，从而无法充分保障机械手在多机协同、人机协作应用时的接触安全，设计开发具有传动刚度自适应能力的机器人柔顺关节，并基于此关节集成开发柔性机器人成为弥补这种不足的有效方式之一。

磁流变液是一种智能材料，具有良好的磁致相变特性。无外加磁场作用时，表现为牛顿流体；而在外加磁场作用下，瞬间由自由流动的牛顿流体变为类固态的黏塑性体，呈现可控的剪切屈服强度，而且这种转变过程是可控、可逆、瞬时响应的。将磁流变液应用于机器人的传动关节，通过改变外加磁场的强度，使机器人的传动关节具有柔顺性，能够实现柔性与刚性的灵活转换，从而使基于此关节的机器人产品在多机协同、人机协作以及易损对象操作时具有更好的安全性。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种基于磁流变液的混合励磁式机器人柔顺关节，将磁流变液填充于多层主、从动盘片交叉排列组成的密封容腔中，将永磁体和电磁线圈作为混合励磁模块安装于密封容腔外部，共同组成混合励磁偶合器并安装于输入、输出机构之间，通过调节励磁电流产生可控、可调的外加磁场，使磁流变液转变成黏塑性体，使混合励磁偶合器获得剪切传动能力，从而实现柔顺关节对前、后杆的输入、输出转矩的有效传输且具有柔顺特性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于磁流变液的混合励磁式机器人柔顺关节，该关节位于机器人的前杆和后杆的连接处，所述柔顺关节包括动力输入机构、混合励磁偶合器、动力输出机构，所述动力输入机构的输出轴与混合励磁偶合器的输入轴连接，所述动力输入机构与后杆固定连接，所述混合励磁偶合器的输出轴与动力输出机构连接，所述动力输出机构与前杆固定连接，所述混合励磁偶合器包括输入轴、励磁线圈、永磁体、隔磁环、主动盘、被动盘、输出轴、磁轭、磁流变液、左端盖和右端盖，所述输入轴安装在左端盖上，所述输出轴安装在右端盖上，所述主动盘的各个主动盘片径向排列间隔安装在挡圈上，伸入所述左端盖内侧的输入轴与最靠近左端盖的主动盘片固定连接；所述被动盘的各个被动盘片径向并排布置在输出轴上，所述主动盘片与被动盘片之间错位布置且相互之间有转动间隙，磁流变液位于所述转动间隙之中，所述转动间隙形成的腔体采用油封进行动密封；

所述左端盖与右端盖之间设置磁轭和隔磁环，所述隔磁环、左端盖和右端盖组成转子容腔，所述主动盘、被动盘均位于所述转子容腔内，所述隔磁环与磁轭之间安装用以改变转子容腔内磁场强度的励磁线圈；所述永磁体分别安装在左端盖和右端盖上。

进一步，所述主动盘包括4个主动盘片，所述被动盘包括3个被动盘片。

再进一步，所述输出轴与最靠近右端盖的主动盘片之间安装向心推力轴承。

所述输入轴与主动盘片通过内六角沉头螺钉连接，所述输入轴与左端盖通过深沟球轴承连接。

所述输出轴与右端盖通过双轴承连接，所述轴承为深沟球轴承。

所述挡圈与主动盘片之间采用了垫片进行密封，并用长螺栓锁紧。

所述被动盘片通过键径向固定在输出轴上，最外层的被动盘片用轴端挡圈进行轴向固定。

所述磁轭通过内六角沉头螺钉安装于左端盖和右端盖之间。所述磁轭是磁力线在电磁线圈外部的通路。

所述动力输入机构包括带减速器的驱动电机和后联轴器，所述驱动电机及减速器的输出轴通过后联轴器和混合励磁偶合器的输入轴相连接，所述伺服电机及减速机安装在后杆腔内。

所述动力输出机构包括前联轴器、轴承座和圆锥滚子轴承，前杆下端安装有轴套，轴套上安装圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承装在轴承座内，轴承座通过螺钉固定在关节外壳上，所述圆锥滚子轴承与前联轴器一端连接，所述前联轴器另一端与混合励磁偶合器的输出轴连接。

本实用新型的技术构思为：混合励磁偶合器由输入轴、左右端盖、主动盘、被动盘、输出轴、轴承、隔磁环、电磁线圈、永磁体、磁轭、磁流变液等组成。输入轴的一端连接动力输出机构中的联轴器及减速器，另一端连接主动盘片，并将减速器的输出传递至主动盘片。混合励磁偶合器采用多盘式结构，主动盘片与被动盘片之间并不直接接触，间隙部分充以磁流变液，隔磁环外侧布置电磁线圈。被动轴一端安装被动盘片，另一端与前杆下端的动力输出机构连接。施加于磁流变液的外磁场由电磁线圈和永磁体共同提供，电磁场的磁通与永磁体的磁通在磁流变液的工作环境中进行矢量运算，达到混合励磁的效果。当总磁场强度为零时，磁流变液呈现牛顿流体，主从动盘片之间失去连接，混合励磁偶合器不能传递扭矩；当总磁场强度不为零时，磁流变液由牛顿流体向黏塑性体转变，从而发挥剪切传动作用。

本实用新型的有益效果主要表现在：基于磁流变液的机器人柔顺关节混合励磁偶合器可以实现变刚度传动，使集成了该柔顺关节的柔性机器人具有很好的柔顺特性，为多机协同、人机协作以及易损对象的安全提供了充足的保障。同时，电磁与永磁相结合的混合励磁方式相较于电磁线圈单一励磁方式，使得偶合器在工作时功耗更低，使得偶合器在不工作时也可以保持合适的静态位姿，进一步提高了柔性机器人的安全性。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的混合励磁控制器示意图。

图3是本实用新型的永磁体示意图。

图中：1—前杆，2—轴承座，3—圆锥滚子轴承，4—前联轴器，5—后杆，6—混合励磁偶合器，7—后联轴器，8—减速器，9—伺服电机，10—端盖，11—输入轴，12—轴端挡圈，13—深沟球轴承，14—轴端挡圈，15—主动盘片，16—永磁体，17—被动盘片，18—左端盖，19—隔磁环，20—挡圈，21—主动盘片，22—磁轭，23—励磁线圈，24—右端盖，25—垫片，26—主动盘片，27—油封，28—向心推力轴承，29—深沟球轴承，30—输出轴，31—主动盘片、32—被动盘片，33—被动盘片，34—永磁体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于磁流变液的混合励磁式机器人柔顺关节，该关节位于机器人的前杆1和后杆5的连接处，所述关节包括动力输入机构、混合励磁偶合器6、动力输出机构。

所述动力输入机构包括带减速器8的驱动电机9、后联轴器7。伺服电机9及减速器8的输出轴通过后联轴器7和混合励磁偶合器6的输入轴11相连接。

所述混合励磁偶合器包括输入轴11、励磁线圈23、隔磁环19、主动盘(包括主动盘片15，21，26，31)、被动盘(包括被动盘片17，32，33)、挡圈20、轴承(13，28，29)、输出轴30、磁轭22、磁流变液、左端盖18和右端盖24，所述后杆5内安装驱动电机9(优选为伺服电机)和减速器8，所述减速器8的输出轴与所述混合励磁偶合器6的输入轴11通过后联轴器7连接，被动盘片和主动盘片相互之间有转动间隙，磁流变液在所述转动间隙处工作，传递扭矩带动被动盘片的旋转，因此在腔体内采用油封27进行动密封。所述输入轴11与主动盘通过内六角沉头螺钉连接，所述主动盘片(15，21，26，31)通过挡圈20间隔固定间距，所述挡圈20与主动盘片(15，21，26，31)之间采用了垫片25进行密封，并用长螺栓锁紧。所述被动盘片(17，32，33)通过键径向固定在输出轴30上，通过铝制挡圈保证间距，最外层的被动盘片用轴端挡圈14进行轴向固定。为了减小滑动摩擦，所述输出轴30与主动盘之间安装了一个向心推力轴承28，进行轴向间距固定，所述输出轴30上采用了双轴承29布置，提高了装置的对中性能。所述永磁体(16，34)分别通过内六角沉头螺钉安装在左端盖18和右端盖24内，当励磁线圈断电时，可以使关节保持静态位姿。所述被动盘片(17，32，33)和主动盘片(15，21，26，31)均位于隔磁环19内，所述隔磁环19上安装用以改变转子容腔内磁场强度的励磁线圈23，所述永磁体(16，34)和电磁线圈23一起共同组成磁流变液混合励磁模块，所述磁轭22通过内六角沉头螺钉安装于左端盖18和右端盖24之间，所述混合励磁偶合器的输出轴30通过前联轴器4与前杆1下端连接。

所述动力输出机构包括前联轴器4、轴承座2、圆锥滚子轴承3，前杆1下端安装有轴套，轴套上安装圆锥滚子轴承3，圆锥滚子轴承3安装在轴承座2内，轴承座2通过螺钉固定在关节外壳上，所述圆锥滚子轴承3与前联轴器4一端连接，前联轴器4的另一端与混合励磁偶合器6的输出轴连接，将转矩传递至前杆1，带动前杆1的旋转运动。

本实施例中，磁流变液填充在所述转动间隙内，电磁线圈通电时刻产生电磁场，永磁体具有固定强度的磁场，二者矢量相加即得外加于磁流变液的总磁场，当总磁场强度为零时，磁流变液呈现牛顿流体，混合励磁偶合器不能传递扭矩；当总磁场强度不为零时，磁流变液呈现黏塑性体，改变电磁线圈励磁电流的大小可以调节总磁场强度，使混合励磁偶合器获得可控、可调的传动刚度，从而使基于此偶合器的机器人柔顺关节具备传动能力及柔顺特性，使基于此柔顺关节的柔性机器人具有更高的安全性。

本实施例的基于磁流变液的混合励磁式机器人柔顺关节由混合励磁偶合器、后杆、前杆组成，以混合励磁偶合器为主要传动装置，电动机及减速器固定在后杆内部，由混合励磁偶合器将电机及减速器的旋转运动传递至前杆，使前杆做摆臂运动。运动控制策略分析如下：

(1)混合励磁偶合器的永磁体产生固定的磁场，电磁线圈则产生可控、可调的电磁场，两者矢量之和作用于偶合器内部的磁流变液并使其发生相变。

(2)当电磁线圈断电时，电磁线圈没有发生励磁作用，此时磁流变液受到永磁体的作用，保持着黏塑性体特征，能发挥一定的传动作用，传动刚度由永磁体的设计参数决定。

(3)当电磁线圈通电后，电磁线圈发生励磁作用，若电磁场与永磁场方向相同，则磁场强度的大小为二者的磁场强度数值之和，传动刚度进一步增加。若电磁场与永磁场方向相反，则磁场强度的大小为二者的磁场强度数值之差，当差值为零时，磁流变液转变为牛顿流体，当二者数值不相等时，磁流变液均表现为黏塑性体，传动刚度由二者差值的大小决定。

(4)混合励磁偶合器的总磁场强度数值等于零时，磁流变液表现为牛顿流体，此时该柔顺关节不能发挥传动作用。总磁场强度数值大于零时，磁流变液表现为黏塑性体，通过控制励磁电流的大小实现对总磁场强度数值的调控从而改变黏塑性体的切变模量，进一步通过控制电机输出，可以驱动前杆做摆臂运动，负载能力及传动刚度由电机输出功率及总磁场强度的大小决定。

(5)当柔顺关节运动到达目标位姿后，电机停止输出，柔顺关节在磁流变液黏塑性体的作用下保持位姿，此时可根据负载情况调节励磁线圈的电流大小，从而实现在最低功耗目标下的卡边运行。

(6)在人机协作或操作易损对象时，可根据安全系数的要求设定相应的励磁电流输入，从而获得相应的传动刚度及负载能力。

(7)当突遇碰撞危险时，可以通过实时改变励磁线圈的磁场强度来改变传动刚度，从而对基于此关节的柔性机器人本体和接触对象起到保护作用。

(8)当电磁线圈故障断电或人为主动停电时，永磁体可以使偶合器中的磁流变液保持黏塑性体形态，从而可以使基于此关节的柔性机器人在永磁体设计参数允许的情况下继续保持位姿，或在黏塑性体发挥阻尼作用的情况下缓慢调整至其他位姿，从而有效保障了柔性机器人本体的安全。