CN104526713B - 刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节 - Google Patents

刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节 Download PDF

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一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，该关节位于机器人的前杆和后杆的连接处，所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器，磁流变柔顺控制器包括密封腔体、第一齿轮、第二齿轮和电磁线圈，所述密封腔体内填充磁流变液，第一齿轮轴固定安装在所述前杆的下部；磁控变刚度驱动器包括电机、旋转磁铁摩擦片、离合器腔体、弹簧、弹簧端摩擦片和离合器传动轴，所述第二齿轮轴固定在所述后杆的上部，所述第二齿轮轴与所述离合器传动轴呈相互垂直，所述第二齿轮轴上安装第二伞轮，所述第二伞轮与所述第一伞轮啮合。本发明提供一种同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节。

Description

刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是一种机器人关节。
背景技术
目前，机器人的转动关节驱动原理主要包括两类。一类是通过电机驱动，通过齿轮、绳索、滑轮等传动，这类关节具有较好的刚性及被动柔性，但是不具备主动柔性；另一类是通过流体驱动，这类关节具有较好的主动柔性，但是刚性表现不足。然而，机器人尤其是机器人灵巧手在进行抓、握操作时，一方面需要其根据抓、握对象的不同保持足够的抓持力，并根据需要实时调整抓持力；另一方面又需要其具有较好的主动柔性来保证其本质安全性，同时还要保证被抓、握对象的安全性、舒适性。这就要求机器人仿人灵巧手需要同时具备刚性、被动柔性、主动柔性三种特性。
发明内容
为了克服已有机器人关节的无法同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的不足，本发明提供一种同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，该关节位于机器人的前杆和后杆的连接处，所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器，
所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体、第一齿轮、第二齿轮和电磁线圈，所述密封腔体内填充磁流变液，所述密封腔体内设置第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮啮合，所述第一齿轮的第一齿轮轴、第二齿轮的第二齿轮轴均分别伸出所述密封腔体，所述密封腔体的侧边安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈，所述第一齿轮轴固定安装在所述前杆的下部；
所述磁控变刚度驱动器包括电机、旋转磁铁摩擦片、离合器腔体、弹簧、弹簧端摩擦片和离合器传动轴，所述电机固定安装在所述后杆内，所述电机的输出轴上安装所述旋转磁铁摩擦片，所述旋转磁铁摩擦片为具有调节磁场强度功能的旋转电磁铁，所述旋转磁铁摩擦片与弹簧端摩擦片正对，所述弹簧端摩擦片与离合器传动轴一端连接，所述离合器传动轴的中部安装在离合器腔体上，靠近弹簧端摩擦片侧的离合器传动轴上套装弹簧，所述弹簧一端连接在离合器腔体内，所述弹簧的另一端与弹簧端摩擦片连接；所述离合器传动轴的另一端安装第一伞轮；
所述第二齿轮轴固定在所述后杆的上部，所述第二齿轮轴与所述离合器传动轴呈相互垂直，所述第二齿轮轴上安装第二伞轮，所述第二伞轮与所述第一伞轮啮合。
进一步，所述前杆的下部开有下凹槽，所述密封腔体的上部伸入所述下凹槽内，所述电磁线圈位于下凹槽底部。
再进一步，所述后杆的上部开有上凹槽，所述电机位于所述上凹槽的底部，所述离合器腔体位于上凹槽的中部，所述第二齿轮轴位于所述上凹槽的上部。
更进一步，所述离合器腔体的下部设有开口朝下的圆柱形槽，所述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片大，所述旋转磁铁摩擦片和弹簧端摩擦片大小相等，所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片和弹簧依次位于所述圆柱形槽内。
本发明的有益效果主要表现在：同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的刚性驱动、柔顺调控。
附图说明
图1是刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节的结构图。
图2是自适应机器人关节弯曲工作状态示意图。
图3是磁流变柔顺控制器的结构示意图。
图4是磁控变刚度驱动器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，该关节位于机器人的前杆1和后杆2的连接处，所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器，
所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体3、第一齿轮4、第二齿轮5和电磁线圈6，所述密封腔体3内填充磁流变液7，所述密封腔体1内设置第一齿轮4和第二齿轮5，所述第一齿轮4和第二齿轮5啮合，所述第一齿轮4的第一齿轮轴8、第二齿轮5的第二齿轮轴9均分别伸出所述密封腔体，所述密封腔体3的侧边安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈6，所述第一齿轮轴8固定安装在所述前杆1的下部；
所述磁控变刚度驱动器包括电机10、旋转磁铁摩擦片11、离合器腔体12、弹簧13、弹簧端摩擦片14和离合器传动轴15，所述电机10固定安装在所述后杆2内，所述电机10的输出轴上安装所述旋转磁铁摩擦片11，所述旋转磁铁摩擦片11为具有调节磁场强度功能的旋转电磁铁，所述旋转磁铁摩擦片11与弹簧端摩擦片12正对，所述弹簧端摩擦片12与离合器传动轴15一端连接，所述离合器传动轴15的中部安装在离合器腔体12上，靠近弹簧端摩擦片侧的离合器传动轴15上套装弹簧13，所述弹簧13一端连接在离合器腔体12内，所述弹簧13的另一端与弹簧端摩擦片14连接；所述离合器传动轴15的另一端安装第一伞轮16；
所述第二齿轮轴9固定在所述后杆2的上部，所述第二齿轮轴9与所述离合器传动轴15呈相互垂直，所述第二齿轮轴9上安装第二伞轮17，所述第二伞轮17与所述第一伞轮16啮合。
进一步，所述前杆1的下部开有下凹槽，所述密封腔体3的上部伸入所述下凹槽内，所述电磁线圈6位于下凹槽底部。
再进一步，所述后杆2的上部开有上凹槽，所述电机10位于所述上凹槽的底部，所述离合器腔体12位于上凹槽的中部，所述第二齿轮轴9位于所述上凹槽的上部。
更进一步，所述离合器腔体12的下部设有开口朝下的圆柱形槽，所述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片11、弹簧端摩擦片14大，所述旋转磁铁摩擦片11和弹簧端摩擦片14大小相等，所述旋转磁铁摩擦片11、弹簧端摩擦片14和弹簧13依次位于所述圆柱形槽内。
本实施例中，磁控变刚度驱动器由电机、弹簧、旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片、离合器传动轴等组成，其中旋转磁铁摩擦片是一个旋转电磁铁。当旋转磁铁摩擦片通电时，两摩擦片吸合，离合器可以传递旋转运动；当旋转磁铁摩擦片断电时，两摩擦片在弹簧的作用下分开，离合器失去传动作用；当调节旋转磁铁摩擦片的磁场强度，可以实现两摩擦片之间的有差传动，从而实现对传动比和传动刚度的无极调节。
磁流变柔顺控制器由密封腔体、第一齿轮、第二齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、电磁线圈、磁流变液组成。磁流变液受到磁场作用时会由液态向固态无极变化，磁场强度为零时磁流变液保持液态，磁场强度足够大时磁流变液转变为固态。因此，当磁场强度为零时，柔顺控制器具有零阻尼特性，为零阻尼传动部件；当磁场强度足够大时，相互啮合的两个齿轮均被固定，柔顺控制器处于完全制动状态；改变电磁线圈的电流，可以改变通过磁流变液的磁场强度，从而可以改变磁流变液的粘度，获得需要的阻尼。
本实施例的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节由磁控变刚度驱动器驱动，由第一伞轮、第二伞轮和磁流变柔顺控制器将电机的旋转运动传递至前臂，使前臂做弯曲和伸直运动。运动控制策略分析如下:
1)磁控离合器通电，摩擦片吸合，柔顺控制器的电磁线圈保持断电，此时控制电机旋转，前臂开始做弯曲或者伸直运动。该运动过程表现为刚性。
2)当运动到目标位姿后，降低磁控离合器的磁场强度，减小旋转电磁铁的吸附力，从而减小两摩擦片之间的摩擦力，柔顺控制器通电，磁流变液转变为胶态或固态，胶态或固态的磁流变液使前臂的位姿得到保持。此时，可以通过控制电磁线圈的磁场强度使磁流变液达到需要的粘稠度，从而使前臂得到需要的抓持力，抓持过程中还可以通过改变电磁线圈的磁场强度来改变抓持力。该过程表现为主动柔性。
3)当运动到目标位姿后，通过磁流变液来保持位姿，此时可以通过力反馈与相关补偿策略来协调控制磁控变刚度驱动器、柔顺控制器的接触刚度、磁流变液阻尼、运动速度与运动方向，使前臂保持有效的抓持姿势。该过程表现为被动柔性。

Claims (4)

1.一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，该关节位于机器人的前杆和后杆的连接处，其特征在于：所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器，
所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体、第一齿轮、第二齿轮和电磁线圈，所述密封腔体内填充磁流变液，所述密封腔体内设置第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮啮合，所述第一齿轮的第一齿轮轴、第二齿轮的第二齿轮轴均分别伸出所述密封腔体，所述密封腔体的侧边安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈，所述第一齿轮轴固定安装在所述前杆的下部；
所述磁控变刚度驱动器包括电机、旋转磁铁摩擦片、离合器腔体、弹簧、弹簧端摩擦片和离合器传动轴，所述电机固定安装在所述后杆内，所述电机的输出轴上安装所述旋转磁铁摩擦片，所述旋转磁铁摩擦片为具有调节磁场强度功能的旋转电磁铁，所述旋转磁铁摩擦片与弹簧端摩擦片正对，所述弹簧端摩擦片与离合器传动轴一端连接，所述离合器传动轴的中部安装在离合器腔体上，靠近弹簧端摩擦片侧的离合器传动轴上套装弹簧，所述弹簧一端连接在离合器腔体内，所述弹簧的另一端与弹簧端摩擦片连接；所述离合器传动轴的另一端安装第一伞轮；
所述第二齿轮轴固定在所述后杆的上部，所述第二齿轮轴与所述离合器传动轴呈相互垂直，所述第二齿轮轴上安装第二伞轮，所述第二伞轮与所述第一伞轮啮合。
2.如权利要求1所述的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，其特征在于：所述前杆的下部开有下凹槽，所述密封腔体的上部伸入所述下凹槽内，所述电磁线圈位于下凹槽底部。
3.如权利要求1或2所述的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，其特征在于：所述后杆的上部开有上凹槽，所述电机位于所述上凹槽的底部，所述离合器腔体位于上凹槽的中部，所述第二齿轮轴位于所述上凹槽的上部。
4.如权利要求3所述的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，其特征在于：所述离合器腔体的下部设有开口朝下的圆柱形槽，所述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片大，所述旋转磁铁摩擦片和弹簧端摩擦片大小相等，所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片和弹簧依次位于所述圆柱形槽内。
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