CN103192408A - 高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆及多连杆机械臂系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，包括连杆本体，连杆本体内设有中心通孔，中心通孔内设有磁流变脂流道，磁流变脂流道内填充有磁流变脂，且磁流变脂外壁与所述中心通孔内壁之间设有相互并联并用于在磁流变脂流道内产生励磁磁场的励磁线圈。本发明还公开了一种高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统，包括末端抓手、至少两根如上所述的机械臂连杆和用于对设置在机械臂连杆内的励磁线圈供电的电源装置，相连两根机械臂连杆之间通过铰接轴铰接连接，且机械臂连杆与所述铰接轴之间通过磁流变脂耦合，相邻两根机械臂连杆之间设有用于驱动所述机械臂连杆动作的驱动振动可控装置，末端抓手安装在位于端部的所述机械臂连杆上。
Description
技术领域
本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆和采用该连杆的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统。
背景技术
轻质柔性机械臂同传统的刚性机械臂相比，具有运动灵活、低能耗和高负载/本体质量比的特点，在航空、航天、空间机器人及工业场合等领域得到了广泛的应用。但柔性机械臂在工作过程中较易产生振动，针对柔性机械臂的有效驱动及精确定位是目前研究的热点问题，如《机器人》2012年1月第34卷第1期公开的《无杆气缸驱动的柔性机械臂振动控制》对柔性机械臂的振动控制进行了阐述。
机械臂的柔性特性主要来自于连杆的柔性、关节的柔性以及连杆与关节之间的耦合作用，这些柔性结构均为机械臂系统引入了额外的自由度，使得原来为有限自由度的刚性机械臂变成了具有无限自由度的柔性机械臂，在运动过程中，柔性机械臂会产生挠曲变形、轴向变形和剪切变形，因而使精确控制变得复杂和困难。
液压传动与机械传动、电气传动并列为三大传动形式，在现代机械设计工作中占有重要的地位。液压传动与机械传动、电气传动相比较，具有尺寸/功率比小、可以获得较大驱动力和驱动扭矩、能省去中间动力减速器、消除了齿轮间隙和磨损（见在先技术：液压传动与控制（第2版），国防工业出版社）的优点。同时，液压缸和液压马达的结构简单，价格低廉，因而使它在工业机器人，特别是大型机器人、机械手的往复运动装置和旋转运动装置上都获得了广泛应用。
其中液压臂架是大型机器人中常用的基础构件，但是，由于结构尺寸大，端点载荷大，液压臂架构件固有的弹性对其动力学特性有相当大影响。另外，与电气传动不同，液压油缸不能置于连杆关节处，其位移与关节转动角是非线性关系，再加上多连杆之间的相互耦合，使控制系统成为一个多输入/多输出（MIMO）的非线性系统，其“相对度”（relative degree）大于3，增加了控制器的设计难度，加上多种不确定因素的存在（如液压臂端点的载荷、液压系统的参数、非线性干扰等），使得对多连杆柔性机械臂位置的准确控制，在理论和实际中的实现，都是十分困难的。
磁流变脂是以溶胶作为连续相的母液，将微米级的磁性颗粒均匀地分散到其中而形成，不仅解决了沉降问题，而且保持了磁流变液的主要优点，在外加磁场作用下具有快速响应、表观粘度和剪切模量均能够产生显著变化的特性。在振动控制、密封等领域得到广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆及多连杆机械臂系统，该柔性多连杆机械臂系统具有控制精度高、减振效果好、控制机构简单和运行快速灵活的优点。
为达到上述目的，本发明首先提出了一种高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，包括连杆本体，所述连杆本体内设有中心通孔，所述中心通孔内设有磁流变脂流道，所述磁流变脂流道内填充有磁流变脂，且所述磁流变脂流道外壁与所述中心通孔内壁之间设有相互并联并用于在所述磁流变脂流道内产生励磁磁场的励磁线圈。
进一步，所述励磁线圈为采用铜线缠绕的单层励磁线圈或多层励磁线圈。
进一步，所述连杆本体上与所述励磁线圈对应设有用于布置励磁线圈引导线的小孔。
进一步，所述连杆本体的径向截面呈圆形、椭圆形或多边形。
进一步，所述磁流变脂流道的径向截面呈圆形或椭圆形。
进一步，所述连杆本体采用金属材料或塑料制成。
本发明还提出了一种高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统，包括末端抓手、至少两根如上所述的机械臂连杆和用于对设置在所述机械臂连杆内的励磁线圈供电的电源装置，相连两根所述机械臂连杆之间通过铰接轴铰接连接，且所述机械臂连杆与所述铰接轴之间通过磁流变脂耦合，相邻两根所述机械臂连杆之间设有用于驱动所述机械臂连杆动作的驱动振动可控装置，所述末端抓手安装在位于端部的所述机械臂连杆上。
进一步，还包括控制系统，所述控制系统包括控制器、安装在两根所述机械臂连杆之间的转角传感器、安装在所述机械臂连杆上的转速传感器和应力应变传感器，所述转角传感器、转速传感器、应力应变传感器和电源装置均与所述控制器电连接。
本发明的有益效果在于：
本发明的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统，通过在机械臂连杆内填充磁流变脂和设置用于控制励磁磁场的励磁线圈，当机械臂在运动过程中产生振动时，通过机械臂连杆将此振动传递到磁流变脂介质中，通过改变励磁磁场的磁场强度，进而快速改变磁流变脂的阻尼，从而将振动削弱，达到吸收振动与缓和冲击的作用；因此，本发明的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统与享有的机械臂系统相比，具有控制精度高、减振效果好、控制机构简单和运行快速灵活的优点。
注：本文所述驱动振动可控装置与在公开号为CN102658553A的专利文献中已经公开的一种机器人臂振动控制与精确定位装置的结构和原理相同。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统实施例的结构示意图。
图2为机械臂连杆的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，为本发明高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统实施例的结构示意图。本实施例的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统，包括末端抓手1、至少两根的机械臂连杆2和用于对设置在机械臂连杆2内的励磁线圈7供电的电源装置，相连两根机械臂连杆2之间通过铰接轴3铰接连接，且机械臂连杆2与铰接轴3之间通过磁流变脂耦合，相邻两根机械臂连杆2之间设有用于驱动机械臂连杆2动作的驱动振动可控装置4，末端抓手1安装在位于端部的机械臂连杆2上。本实施例的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统包括三根机械臂连杆2，驱动振动可控装置4为两个并设置在相邻两根机械臂连杆之间。
如图2所示，为本实施例的高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆的结构示意图，该机械臂连杆2包括连杆本体，连杆本体内设有中心通孔，中心通孔内设有磁流变脂流道6，磁流变脂流道6内填充有磁流变脂，且磁流变脂流道6外壁与中心通孔内壁之间设有相互并联并用于在磁流变脂流道6内产生励磁磁场的励磁线圈7。本实施例的连杆本体内并联设有多个励磁线圈7，通过对励磁线圈7的电流的控制，能够有效控制磁流变脂流道6内的磁场分布，进而控制磁流变脂的阻尼，达到吸收振动与缓和冲击的作用。
进一步，励磁线圈7为采用铜线缠绕的单层励磁线圈或多层励磁线圈，本实施例的励磁线圈7为采用铜线绕制的双层励磁线圈，能够增强磁场强度。优选的，连杆本体上与励磁线圈7对应设有用于布置励磁线圈引导线的小孔5，通过设置小孔5，便于励磁线圈7引导线的布置。
进一步，连杆本体的径向截面呈圆形、椭圆形或多边形，本实施例的连杆本体的径向截面为圆形，连杆本体采用金属材料或塑料制成均可，如采用金属铝制作或采用有机玻璃制作，本实施例的连杆本体采用金属铝制成，具有较好的强度性能。磁流变脂流道6的径向截面呈圆形或椭圆形，本实施例的磁流变脂流道6的径向截面呈圆形，采用该结构磁流变脂流道6，便于控制磁流变脂流道6内的磁场分布。
进一步，本实施例的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统还包括控制系统，控制系统包括控制器、安装在两根机械臂连杆2之间的转角传感器8、安装在机械臂连杆2上的转速传感器9和应力应变传感器10，转角传感器8、转速传感器9、应力应变传感器10和电源装置均与控制器电连接。通过设置控制系统，通过控制系统与驱动振动可控装置4组合使用，能够实现对机械臂系统的主动控制，达到控制精度高和响应速度快的目的。
本实施例的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统，通过在机械臂连杆2内填充磁流变脂和设置用于控制励磁磁场的励磁线圈7，当机械臂在运动过程中产生振动时，通过机械臂连杆2将此振动传递到磁流变脂介质中，通过改变励磁磁场的磁场强度，进而快速改变磁流变脂的阻尼，从而将振动削弱，达到吸收振动与缓和冲击的作用；因此，本实施例的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统与享有的机械臂系统相比，具有控制精度高、减振效果好、控制机构简单和运行快速灵活的优点。
本实施例的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统的工作过程如下：
当励磁线圈7未通电时，无磁场作用于磁流变脂，柔性机械臂系统工作在快速定位阶段；在驱动振动可控装置4作用下，机械臂连杆可以围绕铰接轴3转动，从而产生平面内的位移；同时，转速传感器8、转角传感器9和应力应变传感器10将检测信号传给控制器，通过补偿算法后调整末端抓手1运动到预定的目标位置，本过程动作迅速，但可能产生较大的振动，不能实现精确定位。
当励磁线圈7通电时，产生的外加励磁磁场作用于磁流变脂，柔性机械臂系统在运动过程中产生的振动传递到机械臂连杆2内部，磁流变脂在外加励磁磁场的作用下阻尼力迅速增大，同时产生磁致伸缩效应，将机器臂的振动和冲击控制在可以忽略不计范围之内，消除振动对定位精度的影响；随后通过调节外加励磁磁场的大小，利用磁流变脂伸缩特性控制磁流变脂的伸缩，实现精确定位，其精度可达微米量级；机械臂在运动过程中，转速传感器8、转角传感器9和应力应变传感器10将检测信号传给控制器，通过补偿算法后调整柔性机械臂的末端抓手1快速运动到目标位置。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，其特征在于：包括连杆本体，所述连杆本体内设有中心通孔，所述中心通孔内设有磁流变脂流道，所述磁流变脂流道内填充有磁流变脂，且所述磁流变脂流道外壁与所述中心通孔内壁之间设有相互并联并用于在所述磁流变脂流道内产生励磁磁场的励磁线圈。
2.根据权利要求1所述的高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，其特征在于：所述励磁线圈为采用铜线缠绕的单层励磁线圈或多层励磁线圈。
3.根据权利要求1所述的高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，其特征在于：所述连杆本体上与所述励磁线圈对应设有用于布置励磁线圈引导线的小孔。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，其特征在于：所述连杆本体的径向截面呈圆形、椭圆形或多边形。
5.根据权利要求4所述的高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，其特征在于：所述磁流变脂流道的径向截面呈圆形或椭圆形。
6.根据权利要求5所述的高速高精度磁流变脂柔性机械臂连杆，其特征在于：所述连杆本体采用金属材料或塑料制成。
7.一种高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统，其特征在于：包括末端抓手、至少两根如权利要求1-6任一项所述的机械臂连杆和用于对设置在所述机械臂连杆内的励磁线圈供电的电源装置，相连两根所述机械臂连杆之间通过铰接轴铰接连接，且所述机械臂连杆与所述铰接轴之间通过磁流变脂耦合，相邻两根所述机械臂连杆之间设有用于驱动所述机械臂连杆动作的驱动振动可控装置，所述末端抓手安装在位于端部的所述机械臂连杆上。
8.根据权利要求7所述的高速高精度磁流变脂柔性多连杆机械臂系统，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括控制器、安装在两根所述机械臂连杆之间的转角传感器、安装在所述机械臂连杆上的转速传感器和应力应变传感器，所述转角传感器、转速传感器、应力应变传感器和电源装置均与所述控制器电连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHN Free format text: FORMER OWNER: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY Effective date: 20140904 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 401120 YUBEI, CHONGQING TO: 400714 BEIPEI, CHONGQING |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140904 Address after: 400714 Chongqing Road, Beibei District, No. 266 Applicant after: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of the Chinese Academy of Sciences Address before: 401120 block B, Han Chinese Center, 85 Jin Yu Road, North New District, Chongqing Applicant before: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 402460 5-1 5-1 nineteen building Agricultural Hall, Changlong Avenue, Changzhou street, Rongchang District, Chongqing, China Patentee after: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of the Chinese Academy of Sciences Address before: 400714 No. 266 Fangzheng Road, Beibei District, Chongqing. Patentee before: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of the Chinese Academy of Sciences |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
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| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 400714 No. 266 Fangzheng Road, Beibei District, Chongqing. Patentee after: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Address before: 402460 5-1 5-1 nineteen building Agricultural Hall, Changlong Avenue, Changzhou street, Rongchang District, Chongqing, China Patentee before: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |