磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节.pdf

本发明涉及的是一种机械技术领域的磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，包括动力机构、传动机构、输出机构、驱动传感部件、变刚度机构，传动机构与输出机构连接，变刚度机构就是磁流变液离合器，磁流变液离合器与动力机构和传动机构连接，驱动传感部件是指伺服电机驱动器和电机传感器。电机驱动器通过编码器反馈来实现利用速度环调节关节速度，利用自带电流环控制电机输出电流，从而控制离合器内磁场强度，进而控制关节刚度和离合器传递力矩。本发明刚度和速度都具有可控性，可以在保持关节性能的同时实现关节的安全性。在万一发生碰撞的时候可以保护电机、机械臂和人的安全。可以实现关节刚和柔的转换，保证末端运动精度。

1、  一种磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，包括动力机构，传动机构、输出机构、驱动传感部件，传动机构与输出机构连接，其特征在于，还包括变刚度机构，所述变刚度机构就是磁流变液离合器，磁流变液离合器与动力机构和传动机构连接，
所述驱动传感部件包括伺服电机驱动器和电机编码器，伺服电机驱动器通过电机编码器线与关节内电机编码器连接，通过CAN线与工控机相连，电机驱动器通过电机编码器反馈利用速度环调节关节速度，并利用电流环控制电机输出电流，从而控制磁流变液离合器内磁场强度，进而控制关节刚度和磁流变液离合器传递力矩。

2、  根据权利要求1所述的磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，其特征是，所述磁流变液离合器包括主动轴、磁流变液、主动件、激磁线圈、转子、滚动轴承、从动轴，与主动轴联接的主动件为一圆柱形的壳体，转子与从动轴联接，从动轴通过滚动轴承支撑在主动件上的，转子上嵌有激磁线圈，磁流变液充填在圆柱形壳体和从动转子的同心环形间隙中，激磁线圈采用多线圈小间隔分布。

3、  根据权利要求1所述的磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，其特征是，所述磁流变液由载液、磁性颗粒、表面活性剂组成，三者重量比为：60％，30％，10％。

4、  根据权利要求3所述的磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，其特征是，所述载液选用硅油，磁性颗粒选用羰基铁粉，表面活性剂选用油酸。

5、  根据权利要求1所述的磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，其特征是，所述动力机构包括带减速器的直流伺服电机、电机法兰、第一联轴器，直流伺服电机是安装在电机法兰上的，电机法兰是固定在关节外壳上，直流伺服电机的电机轴和变刚度机构通过第一联轴器连接。

6、  根据权利要求1所述的磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，其特征是，所述传动机构包括联轴器、传动轴、轴套、轴承座、轴承，传动轴上套有轴套，轴套上安装轴承，轴承是装在轴承座内，联轴器与变刚度机构相连。

7、  根据权利要求1所述的磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，其特征是，所述输出机构包括输出法兰、隔圈，输出法兰与传动机构中的传动轴通过螺钉与隔圈固连在一起。

磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节
技术领域
本发明涉及的是一种机械技术领域的机器人，具体地说，是一种磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节。
背景技术
机器人正在走进人类的生活，为人们提供各种各样的服务。在人与机器人互动上，安全应该是优先考虑的问题。如果能够一种能够实现关节刚度可调节的机械臂从而实现柔顺控制的话，那么机器人将会变的更加安全。万一发生碰撞，可以吸收碰撞能量，降低碰撞危险。而磁流变液离合器是利用磁流变液作为工作介质来传递动力，磁流变液是一种新型的智能液体，在外加磁场作用下能产生磁流变效应，可以通过电流控制器控制磁流变液来实现调节结构刚度和输出转矩。而传统的变刚度方法一般都是利用弹簧等弹性体的变刚度装置，是一种被动变刚度方法。这种传统的机械装置能够实现刚度的变化，但是不能实现刚度可以控制调节。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利号为NO.200710037290.7，公开号为CN 101011825A的专利中公开了一种安全型可变机械关节。它是由多个变刚度约束筒体来达到关节变刚度的，筒体是由内顶杆、电磁体、弹性支撑、刚球、筒壁五部分组成。当电磁体处于通电状态时，整个系统对外表现刚性关节的特性；当电磁体处于断电状态时，整个系统对外表现柔性关节的特性。当它具有作业时的高刚度和冲击缓冲时的低刚度双重刚度特性，提高了对外操作安全性，体积小巧，结构紧凑，安装方便，尤其适用于对体积和重量有较高要求的精细作业机械臂。但这种变刚度的机械臂只有通断电两种状态下所表现出来的不同刚度，不能实现刚度的精确可控，不能对关节刚度进行连续可调的控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的问题和不足，提出一种磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节，利用磁流变液离合器的特殊性能实现关节的扭矩传递和根据负载不同刚度连续可调。利用智能液体-磁流变液作为传动介质，可以实现转矩和速度的无级变化，响应时间短，易获得控制信号(通过外加磁场强度)，在负载较大的情况下关节具有较高刚度，关节速度可以降低以获得更高操作安全性；负载较低时关节刚度较低，关节具有较大柔性，可以在关节速度较快的情形下降低危险。在与人等发生碰撞的时候，离合器分离，关节刚度迅速降低，关节此时具有较大柔顺性，可以保护机械臂和人的安全。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是一种刚度可调关节，包括动力机构、变刚度机构、传动机构、输出机构、驱动传感部件。所述变刚度机构就是磁流变液离合器，通过联轴器与动力机构和传动机构连接。
所述驱动传感部件包括伺服电机驱动器和电机编码器，是控制关节刚度和关节速度的核心。伺服电机驱动器通过电机编码器线与关节内电机编码器连接，通过CAN线与工控机相连。电机驱动器可以通过电机编码器反馈来实现利用速度环调节关节速度，利用电流环控制电机输出电流，从而控制磁流变液离合器内磁场强度，进而控制关节刚度和磁流变液离合器传递力矩。
所述动力机构包括带减速器的直流伺服电机、电机法兰、第一联轴器。直流伺服电机是安装在电机法兰上的，电机法兰是固定在关节外壳上。直流伺服电机的电机轴和变刚度机构通过第一联轴器连接。
所述传动机构包括联轴器、传动轴、轴套、轴承座、轴承，传动轴上套有轴套，轴套上安装轴承，轴承是装在轴承座内，联轴器与变刚度机构相连。
所述输出机构包括输出法兰、隔圈，输出法兰与传动机构中的传动轴通过螺钉与隔圈固连在一起。
所述磁流变液离合器包括主动轴、磁流变液、主动件、激磁线圈、转子、滚动轴承、从动轴。与主动轴联接的主动件为一圆柱形的壳体，转子与从动轴联接，从动轴是通过滚动轴承支撑在主动件上的。转子上嵌有激磁线圈，磁流变液充填在圆柱形壳体和从动转子的同心环形间隙中。当电磁线圈通入电流后，磁流变液中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化，沿磁场方向相互吸引形成链状，这种链状结构增大了磁流变液的剪切应力，依靠这种剪切应力来传递转矩，从而将主动件与从动轴接合起来，离合器处于接合状态。线圈断电后，磁流变液又迅速转变为Newton流体，因此时由流体的粘性产生的转矩很小，不能带动从动轴转动，离合器脱开。
所述磁流变液主要由载液、磁性颗粒，表面活性剂组成，三者按照重量比例分别为：60％，30％，10％。
本发明是通过对磁流变液离合器进行电流控制而达到刚度可调的目的。关节刚度是由磁流变液离合器的刚度决定的，而磁流变液离合器的刚度其实就是磁流变液的刚度。磁流变液在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，即在液态和类固态之间进行快速可逆的转化。磁流变液离合器的电流是通过电机驱动器的电流环来控制的，通过控制电机输出电流控制磁场大小。离合器电流增大，则磁流变液所受磁场增大，磁流变液固化程度越来越高，表明磁流变液的屈服强度变大，对外表现为关节刚度变大。当机械臂负载变大，为了平衡负载，那么离合器产生的扭矩液必须变大，而离合器的扭矩是由磁流变液的剪切力产生的，所以剪切力变大，而剪切力是随电流增大而增大的，即离合器的控制电流必然增大，所以此时对外表现为关节刚度增大；当机械臂负载变小，为了平衡负载，此时离合器产生扭矩必然减小，离合器驱动电流减小，对外表现关节刚度变小。只有当外力低于磁流变液的抗剪切能力时，磁流变液呈类固体状态；当外力超过磁流变液的抗剪切能力时，磁流变液的磁链被剪断，这时磁流变液呈液体状态。所以如果外部力矩过大，离合器会在瞬间刚度急剧下降从而实现对电机和机械臂的保护，如果是与人碰撞，则也可以保护人的安全。
直流伺服电机是由电机驱动器控制的，关节速度可以通过控制伺服电机的速度来控制关节速度，而直流伺服电机速度是由电机驱动器中的速度环来实现控制的，其中编码器提供反馈信号。为了实现安全的机械臂，当负载比较大的时候，由上面的分析可知，关节刚度较大，所以可以控制关节运行在低速状态；当负载比较小的时候，由于关节刚度较小，可以控制关节运行在高速状态，提高工作效率。
本发明可以通过电机驱动器的控制实现关节速度的无级调速和随负载不同而变的关节刚度可变。刚度和速度都具有可控性，可以在保持关节性能的同时实现关节的安全性。在万一发生碰撞的时候可以保护电机、机械臂和人的安全。可以实现关节刚和柔的转换，可以保证末端运动精度。
附图说明
图1为本发明平面结构示意图
图2为本发明的磁流变液离合器平面结构示意图。
图中：关节外壳1、带减速器的直流伺服电机2、电机法兰3、第一联轴器5、磁流变液离合器6、第二联轴器7、传动轴8、下轴承座9、第一轴承11、轴套12、第二轴承13、上轴承座14、输出法兰16、隔圈19、电机驱动器20。电机编码器21；图中4、10、15、17、18为普通连接件螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：包括动力机构，变刚度机构、传动机构、输出机构、驱动传感部件。
动力机构包括带减速器的直流伺服电机2、电机法兰3、第一联轴器5。伺服电机2是通过螺钉18固定在电机法兰3上的，电机法兰3则是通过螺钉4固定在关节外壳1上。第一联轴器5是用于连接动力机构中的直流伺服电机2和变刚度机构。
变刚度机构即磁流变液离合器6，是通过第一联轴器5连接直流伺服电机2，并通过第二联轴器7连接传动机构的传动轴8。
传动机构包括第二联轴器7、传动轴8、轴套12、下轴承座9、上轴承座14、第一轴承11、第二轴承13，传动轴8上套有轴套12，轴套12上安装第一轴承11、13，第一轴承11是装在下轴承座9内，第二轴承13是装在上轴承座14内。下轴承座9通过螺钉10固定在关节外壳1上，上轴承座14通过螺钉15固定在关节外壳1上。
输出机构包括输出法兰16、隔圈19，通过螺钉17与隔圈19将输出法兰16与传动机构中的传动轴8固连在一起。输出机构的输出连接到机械臂下一关节。
驱动传感部件包括伺服电机驱动器20、电机编码器21，伺服电机驱动器20是控制关节刚度和关节速度的核心。由于关节内空间的问题，伺服电机驱动器20不能放置与关节外壳内，本实施例将其放置在单独的一个控制箱内，电机编码器21安装在直流伺服电机2尾端，伺服电机驱动器20是通过电机编码器线与关节内电机编码器21连接，通过辅助电源线与电源相连，通过CAN线与工控机相连。直流伺服电机2转子在磁场的作用下转动，同时编码器21反馈信号给伺服电机驱动器20，伺服电机驱动器20根据反馈值与目标值进行比较，调整直流伺服电机2转动的角度，从而实现对直流伺服电机2速度的控制。电机驱动器20可以通过编码器21的反馈来实现利用速度环调节关节速度，利用电流环控制直流伺服电机2输出电流，从而控制磁流变液离合器6内磁场大小，进而控制关节刚度和磁流变液离合器6传递力矩。
如图2所示，本实施例中，所述的磁流变液离合器包括主动轴22，磁流变液23，主动件24，激磁线圈25，转子27，滚动轴承28，从动轴29。与主动轴22连接的主动件24为一圆柱形的壳体，转子27与从动轴29联接，从动轴29通过滚动轴承28支撑在主动件24上。转子27上嵌有激磁线圈25，磁流变液23充填在圆柱形壳体和从动转子27的同心环形间隙中。部件26为电流和线圈作用产生的截面上的磁力线总数即磁通。当电机驱动器20提供离合器磁流变液23电流，磁流变液23中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化，沿磁场方向相互吸引形成链状，这种链状结构增大了磁流变液23的剪切应力，依靠这种剪切应力来传递转矩，从而将主动件24与从动轴29接合起来，离合器处于接合状态。激磁线圈25断电后，磁流变液23又迅速转变为Newton流体，因此时由流体的粘性产生的转矩很小，不能带动从动轴29转动，离合器脱开。
磁流变液主要由载液、磁性颗粒，表面活性剂组成。三者按照重量比例分别为：60％，30％，10％。
为了尽可能减小离合器结构尺寸，对于磁流变液的材料，尽量采用较大的体积分数或粘度较高的载液，适当的添加剂、适当直径和高磁化强度的颗粒等，可以使得离合器中单位体积磁流变液传递的力矩增加。在选择铁芯材料时，不仅需要高磁导率和高磁饱和，还要确保铁芯材料的剩磁比较小。对于线圈分布则要采用多线圈小间隔分布，能增强工作磁场的均匀性，同时可以增大传递的转矩。
本实施例中，载液选用硅油。磁性颗粒采用羰基铁粉。为确保颗粒的悬浮稳定性，并增加整个磁流变液的流变学性质，加入表面活性剂油酸防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。
关节刚度是由磁流变液离合器的刚度决定的，而磁流变液离合器的刚度其实就是磁流变液23的刚度。磁流变液23在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，即在液态和类固态之间进行快速可逆的转化。伺服电机驱动器20控制电机输出电流，输出电流增大，则磁流变液23所受磁场增大，磁流变液23固化程度越来越高，表明磁流变液22的屈服强度变大，对外表现为关节刚度变大。当机械臂负载变大，为了平衡负载，那么离合器产生的扭矩液必须变大，而离合器的扭矩是由磁流变液23的剪切力产生的，所以剪切力变大，而剪切力是随电流增大而增大的，即离合器的控制电流必然增大，所以此时对外表现为关节刚度增大；当机械臂负载变小，为了平衡负载，此时离合器产生扭矩必然减小，离合器驱动电流减小，对外表现关节刚度变小。只有当外力低于磁流变液23的抗剪切能力时，磁流变液22呈类固体状态；当外力超过磁流变液23的抗剪切能力时，磁流变液23的磁链被剪断，这时磁流变液23呈液体状态。所以如果外部力矩过大，离合器会在瞬间刚度急剧下降从而实现对电机和机械臂的保护，如果是与人碰撞，则也可以保护人的安全。
本实施例可以伺服电机驱动器20的控制实现关节速度的无级调速和随负载不同而变的关节刚度可变，刚度和速度都具有可控性，可以在保持关节性能的同时实现关节的安全性。在万一发生碰撞的时候可以保护电机、机械臂和人的安全。可以实现关节刚和柔的转换，保证末端运动精度。