一种机器人踝关节缓冲装置.pdf

本发明涉及一种机器人踝关节缓冲装置，包括壳体、设于壳体内的片簧、绕于壳体外侧的励磁线圈、与励磁线圈相连的电路板，以及装于壳体内的磁流变液；壳体为密封的圆柱体空壳，壳体两端面设有中心孔用于安装与机器人脚板相连的电机转轴；片簧呈弯曲状，安装在壳体内且中心线与电机转轴重合固接，片簧的任一相对边与壳体内壁上固接；励磁线圈与电路板相连接；励磁线圈通过改变励磁电流来改变磁场从而改变磁流变阻尼器的阻尼。本发明采用了磁流变阻尼器用来进行缓冲吸能和耗能，技术比较成熟，易于实现。由于充分利用了磁流变阻尼器的变阻尼

1、  一种机器人踝关节缓冲装置，其特征在于，包括一个磁流变阻尼器，所述磁流变阻尼器包括壳体(1)、设于壳体内的片簧(2)、绕于壳体外侧的励磁线圈(3)、与励磁线圈相连的电路板(7)，以及装于壳体(1)内的磁流变液；
壳体(1)为密封的圆柱体空壳，壳体(1)两端面设有中心孔用于安装与机器人脚板相连的电机转轴(4)；
片簧(2)为曲面结构，安装在壳体(1)内且中心线与电机转轴(4)重合固接，片簧(2)的任一相对边与壳体内壁上固接；
励磁线圈(3)与电路板相连接；励磁线圈(3)通过改变励磁电流来改变磁场从而改变磁流变阻尼器的阻尼。

2、  根据权利要求1所述的机器人踝关节缓冲装置，其特征在于，所述电路板包括控制器及相应的检测控制电路，检测控制电路将通过机器人脚底板上的力传感获取的信号经过处理之后转化为标准的电流或电压信号，控制器根据这个电流或电压信号控制励磁线圈中的励磁电流，以改变磁流变阻尼器中的磁场。

3、  根据权利要求1所述的机器人踝关节缓冲装置，其特征在于，所述填充在壳体中的磁流变液的磁性粒子选用纯铁粉，在合成油中加入表面活性剂油酸。

一种机器人踝关节缓冲装置
技术领域
本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及仿人机器人的踝关节缓冲装置结构。
背景技术
在仿人机器人技术领域，机器人的各个部件之间通常使用类似于人的“关节”进行连接和相互控制。但在许多情况下，关节所连接的各个部件相互之间存在很大的作用力。例如机器人的踝关节，它所连接的是小腿和脚板，在机器人行走过程中脚板落地的时候，地面对脚尖产生很大的冲击力，而脚板自然也会把这个力传递到踝关节上。如果踝关节没有很好的缓冲装置，脚板对踝关节的这个很大的冲击力会继续传至小腿，这是脚板、踝关节和小腿无法承受的。为了解决这个问题，许多学者和专家进行了大量的研究。其中最常用的方法是在踝关节处引入各式弹簧，利用弹簧的伸缩特性来对其进行缓冲。但在一些情况下，仅仅用弹簧进行缓冲是不能达到要求的，因为脚对踝关节的冲击力很大，所以弹簧能够起到的缓冲作用很有限。同时，弹簧只能够把脚对踝关节的作用力产生的能量暂时储存起来，当弹簧恢复形变后会将这一部分能量再释放出来，这可能会对行进中机器人稳定性产生影响。
现有的仿人机器人的踝关节结构，如2008年4月16日公开的，公开号为CN101161427的“仿生踝关节”专利。公开了一种采用关节轴承的踝关节，轴承内圈与小腿相连，轴承外圈与足相连，外圈相对与内圈旋转，带动脚板相对于小腿运动。其踝关节的抬起伸直运动、绕小腿轴线的旋转运动分别通过一对气动肌肉控制。而弹簧一端连结小腿，另一端连接脚板，其作用是在机器人出现侧向倾倒时使之恢复到平衡位置。该踝关节结构主要有以下缺点：
1.该踝关节装置虽然采用气动肌肉主动控制与弹簧被动控制相结合，有一定的缓冲效果，但气动人工肌肉具有高度非线性的特点，并伴随有迟滞现象，使得对其建模和控制困难，并且弹簧是用于在机器人出现侧向倾倒时使之恢复到平衡位置，对于在机器人在行走时脚板对踝关节很大的作用力所具有的缓冲效果有限。
2.由于气动人工肌肉只能提供单向驱动力，故需由两条肌肉以类似生物颉颃肌的方式构成对抗性回转关节以实现操作臂的力闭合，这会增加机器人的成本。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，尤其是仿人机器人踝关节在小腿与脚板之间缓冲方面之不足，本发明的目的是提供一种稳定性好、缓冲效果明显，并且结构简单、成本低的机器人的踝关节缓冲装置。
实现本发明目的的技术方案是：一种机器人踝关节缓冲装置，其特征在于，包括一个磁流变阻尼器，所述磁流变阻尼器包括壳体、设于壳体内的片簧、绕于壳体外侧的励磁线圈、与励磁线圈相连的电路板，以及装于壳体内的磁流变液；
壳体为密封的圆柱体空壳，壳体两端面设有中心孔用于安装与机器人脚板相连的电机转轴；
片簧是曲面结构，安装在壳体内且中心线与电机转轴重合固接，片簧的任一相对边与壳体内壁上固接；
励磁线圈与电路板相连接；励磁线圈通过改变励磁电流来改变磁场从而改变磁流变阻尼器的阻尼。
进一步，所述电路板包括控制器及相应的检测控制电路，检测控制电路将通过机器人脚底板上的力传感获取的信号经过处理之后转化为标准的电流或电压信号，控制器根据这个电流或电压信号控制励磁线圈中的励磁电流，以改变磁流变阻尼器中的磁场。
再进一步，所述填充在壳体中的磁流变液的磁性粒子选用纯铁粉，在合成油中加入表面活性剂油酸。
本发明的工作过程是：当机器人行走时，安装在足上的力传感器与地面接触，受到地面很大的冲击力。力传感器将信号传输给电路板，电路板以转换后的标准电信号作为控制器的输入，控制励磁线圈中的电流，励磁线圈中的电流大小就决定了磁流变阻尼器中磁场大小，即决定磁流变液的粘度大小。当励磁线圈中没有电流时，磁流变液呈现出液体的流体特性；当励磁电流比较大时，磁流变液粘度也比较大，磁流变液呈现出类固体的特性(此过程可逆)。在机器人行走的过程中，脚板会绕着电机转轴一起旋转，因转轴与片簧固定在一起，片簧也有旋转的趋势，但片簧的两边都固定在壳体内壁，于是片簧只能发生形变，形变后的片簧会对转轴的旋转产生一个阻尼作用。地面对脚板冲击力越大，控制器输出励磁电流越大，磁流变液粘度越大，相同形变下阻尼器产生的阻尼作用越大。因此阻尼器有很好的阻尼效果，具有很宽的作用范围和很短的响应时间以及连续可逆变化的阻尼力，实现缓冲吸能与储能。
本发明采用上述技术方案后，具有以下主要优点：
1.本发明采用了磁流变阻尼器用来进行缓冲吸能和耗能，技术比较成熟，易于实现。由于充分利用了磁流变阻尼器的变阻尼特性，使得缓冲具有很大的作用范围，效果明显，同时，磁流变阻尼器响应快，使装置能够及时产生缓冲作用。
2.本装置结构简单，成本较低，并可以同微机控制相结合，具有很好的实用性。
3.本发明将磁流变阻尼器和片簧结合起来，利用磁流变阻尼器吸收能量，利用片簧储存能量，通过调节磁流变阻尼器的电流输入来调节能量的吸收与储存比例，具有使用灵活、缓冲效果明显、作用范围大、响应及时、温度稳定性好、结构简单等特点，而且产品可以很薄，非常适合仿人机器人的关节应用。
附图说明
图1为本发明机器人踝关节缓冲装置的结构示意图。
图2为本发明机器人踝关节缓冲装置的另一种结构示意图。
图3为图1机器人踝关节的(图1)后视图。
图4为机器人踝关节的(图1)右视图。
图中，壳体1，片簧2，励磁线圈3，电机转轴4，脚板5，小腿6，电路板7，电机8，电机齿轮9。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明，但并不对本发明进行限制。
实施例1：
如图1至图4所示，一种机器人的踝关节缓冲装置，对机器人踝关节的能量进行储存与消耗，主要部件是一个磁流变阻尼器，磁流变阻尼器包括盛有磁流变液的圆柱壳体1、片簧2、励磁线圈3以及电路板7。
壳体1为圆柱体空壳，其材料为轻质铝合金，厚度为4.0～6.0mm，在壳体的两个端面设有中心孔，中心孔的直径略大于电机的转轴4，电机转轴4穿过两个中心孔与机器人脚板5相连。壳体1通过螺钉固定安装在机器人的小腿6上。为防止壳体1内的磁流变液泄露，可采用柔性薄垫片对电机转轴4穿过后的壳体1上两个中心孔进行密封。片簧2为市购的普通片簧，价格低廉。片簧2是曲面结构，整个片簧2安装在壳体1内，片簧2的任一两对边(或四个角)分别固定在壳体1内壁上(图1和图2中，片簧2为S形的弯曲面分别以两种不同方式的两对边与壳体连接)，片簧2中心线处的部分和电机转轴4固定在一起，也就是说片簧2的两端和中间部分均是固定不能移动的，并且满足片簧四个角的固定点和片簧中心线处在某一固定平面上。
励磁线圈3与圆柱壳体1同中心轴绕在圆柱壳体1的外侧面上，并与电路板7相连接。励磁线圈3通过改变励磁电流来改变磁场从而改变磁流变阻尼器的阻尼。
电路板7包括控制器及相应的检测控制电路组成，安装在小腿6上。电路板作用是将通过脚底板5上的力传感获取的信号经过处理之后转化为标准的电流或电压信号，控制器根据这个电流或电压信号控制励磁线圈3中的励磁电流，以改变磁流变阻尼器中的磁场。
磁流变液填充在壳体1中。磁性粒子选用实际应用最多的纯铁粉，价格比较便宜，磁饱和度也比其他金属、合金以及氧化物高，载液选用一种非磁性液体基载液，在合成油中加入表面活性剂油酸防止铁粉沉淀和不可逆转的海绵状絮凝。本发明可为仿人机器人的踝关节提供有效的缓冲，也可以应用于其他有腿机器人的受力关节。
本发明保护范围并不仅仅限于此具体实施方式，其还可以在权利要求的保护范围内做出本领域技术人员公知的种种等同变形，其仍然属于本发明保护的范围。