CN104552331A - 机器人关节的磁致超柔性驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种机器人关节的磁致超柔性驱动器，包括主动转子、从动转子和转子保护罩，驱动电机的输出轴与所述主动转子的主动轴连接，所述从动转子与所述主动转子相互嵌入式装配且相互之间设有转动间隙，所述转动间隙的敞口处设有动密封件，所述动密封件和转动间隙形成供磁流变液填充的密封腔体，所述从动转子和主动转子均位于转子保护罩内，所述转子保护罩上安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈，所述从动转子的从动轴与执行机构的下端连接。本发明提供一种能够使超柔性机器人关节实现同时兼有主动柔性、被动柔性和传动刚性，且安全性较高的磁致超柔性驱动器。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是一种机器人关节的驱动器。
背景技术
随着机器人技术的日渐发展，以及各类产业政策的大力推动，机械臂在工农业生产加工、医疗康复、家庭服务、教育科研等领域已经得到了较为广泛的应用，已经在一定程度上减轻了人类的劳动强度，使得人类已经或者可以远离一些危险、极端的作业环境，机械臂作为人类不可或缺的助手，将在众多领域发挥越来越大的作用。
伴随着机械臂应用范围的不断扩大，科研工作者们已经不仅仅将目光停留在劳动强度大、作业环境差等应用场合了，普遍开始关注一些新的应用需求。比如，科研工作者们已经在思考或探索如何让一台机械臂走出铁丝网围成的笼子，能够与人近距离密切配合共同完成一项复杂的装配工作，从而让机械臂不仅仅扮演助手的角色，还能扮演伙伴的角色，这对机械臂的安全性提出了更高的要求。同样对其安全性有更高要求的一些未来的可能应用还包括人体健康理疗、家庭生活服务、助幼助老助残、果蔬采摘拣选包装、人机交互与娱乐等等。
以减速机等刚性传动部件为基础的机械臂转动关节在刚性、精确度、稳定性等方面具有明显优势；以钢丝、齿轮等刚性传动部件为基础的机器人仿人灵巧手指关节同样在刚性、精确度和灵巧性等方面表现良好。科研工作者们为弥补刚性传动关节给机械臂和机器人仿人灵巧手带来的安全性的不足，做了大量的工作并取得了成功，其实现策略大体上都是采用末端力反馈并配合智能算法的方式，可称之为主动柔性。另一类研究成果如基于气动柔性驱动器的机器人仿人灵巧手，可通过调整气压来任意改变指关节的刚度，使之能充分保障被接触对象的安全及其本体安全，可称之为被动柔性，但是却带来了刚性不足的问题。现有的机器人关节无法同时兼顾主动柔性、被动柔性、刚性的需求，从而在本质安全性方面有一定欠缺。
发明内容
为了克服已有机器人关节的无法兼顾主动柔性、被动柔性和传动刚性，从而导致安全性较低的不足，本发明提供一种能够实现同时兼有主动柔性、被动柔性和传动刚性，且安全性较高的机器人关节磁致超柔性驱动器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种机器人关节的磁致超柔性驱动器，包括主动转子、从动转子和转子保护罩，驱动电机的输出轴与所述主动转子的主动轴连接，所述从动转子与所述主动转子相互嵌入式装配且相互之间设有转动间隙，所述转动间隙的敞口处设有动密封件，所述动密封件和转动间隙形成供磁流变液填充的密封腔体，所述从动转子和主动转子均位于转子保护罩内，所述转子保护罩上安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈，所述从动转子的从动轴与执行机构的下端连接。
进一步，所述主动转子上开有供所述从动转子插装的安装腔，所述从动转子的插装段的截面呈齿形，所述安装腔的内壁开有与所述齿形匹配的齿形缺口，所述安装腔的开口与所述插装段之间设有所述动密封件。该方式属于优选的一种方案，当然，只要所述从动转子与所述主动转子相互嵌入式装配且相互之间设有转动间隙，也可以采用其他实现方式。
本发明的技术构思为：磁流变液是一种在磁场环境中具有相变特性的智能材料，当磁场强度为零时表现为液态，当磁场强度足够大时转变为凝固态，相变过程可控、可逆、时间短。本专利定义的基于磁流变液的磁致超柔性驱动器可以作为超柔性机器人关节的主要传动装置，使该关节在运动过程中能够实现同时满足传动刚性、主动柔性与被动柔性的需求，适用于开发具有本质安全性的机械臂或机器人仿人灵巧手产品
本发明的有益效果主要表现在：通过施加前杆受力的反馈控制，能够使所述的超柔性机器人关节兼有主动柔性、被动柔性和传动刚性，从而具有较高的安全性。
附图说明
图1是主动转子的示意图。
图2是从动转子的示意图。
图3是超柔性机器人关节的伸直状态示意图。
图4是超柔性机器人关节的弯曲状态示意图。
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4，一种机器人关节的磁致超柔性驱动器，包括主动转子3、从动转子4和转子保护罩5，驱动电机的输出轴与所述主动转子3的主动轴6连接，所述从动转子4与所述主动转子3相互嵌入式装配且相互之间设有转动间隙，所述转动间隙的敞口处设有动密封件，所述动密封件和转动间隙形成供磁流变液7填充的密封腔体，所述从动转子4和主动转子3均位于转子保护罩5内，所述转子保护罩5上安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈8，所述从动转子4的从动轴9与执行机构的下端连接，所述执行机构的上端与所述前杆1连接。
进一步，所述主动转子4上开有供所述从动转子4插装的安装腔，所述从动转子4的插装段的截面呈齿形，所述安装腔的内壁开有与所述齿形匹配的齿形缺口，所述安装腔的开口与所述插装段之间设有所述动密封件。该方式属于优选的一种方案，当然，只要所述从动转子与所述主动转子相互嵌入式装配且相互之间设有转动间隙，也可以采用其他实现方式。
本实施例中，磁流变液7填充在所述密封腔体内，当电磁线圈8断电时，磁场强度为零，磁流变液7为液态，主从动转子之间不能传递扭矩，磁致超柔性驱动器无扭矩传递功能；当电磁线圈8通电时，磁场强度增大，磁流变液7向凝固态转变呈现半固态，磁致超柔性驱动器可实现变速传动，传动比可调；当磁场强度足够大时，磁流变液7转变为凝固态，主从动转子之间实现硬连接。
本实施例的超柔性机器人关节，该关节位于机器人的前杆1和后杆2的连接处，所述关节包括磁致超柔性驱动器，所述后杆2内安装驱动电机，驱动电机的输出轴与磁致超柔性驱动器的输入轴相连，所述从动转子4的从动轴9与执行机构的下端连接，所述执行机构的上端与所述前杆1连接。所述执行机构为弯曲执行机构，所述弯曲执行结构包括主动锥齿轮10和从动锥齿轮11，所述从动轴9上安装所述主动锥齿轮10，所述主动锥齿轮10与所述从动锥齿轮11啮合，所述从动锥齿轮11的转轴安装在所述前杆1的下端。上述方案为弯曲执行机构的一种方式，当然，也可以采用其他机构来实现；再者，执行结构也可以是旋转执行机构等具有其他功能的结构。
基于本专利磁致超柔性驱动器的超柔性机器人关节的主从动锥齿轮将磁致超柔性驱动器从动轴的旋转运动转变为前杆的弯曲和伸直运动。运动控制策略分析如下：
1)磁致超柔性驱动器的电磁线圈通电后，磁流变液由液态向凝固态转变，此时控制电机旋转，前杆可以做弯曲或伸直运动。当磁流变液处于半固态时，可以实现变速传动，传动比可控可调；当磁流变液处于凝固态时，传动过程表现为刚性；
2)当关节运动到达目标位姿后，电动机停止输出，通过调节磁致超柔性驱动器电磁线圈的磁场强度来保持关节位姿，同时使前杆得到需要的扭矩，过程中还可以通过改变电磁线圈的磁场强度来调整扭矩大小；
3)当前杆突遇碰撞危险时，可通过前杆受力的反馈控制实时改变电磁线圈的磁场强度，进而改变关节的刚度，从而对关节本身和被接触对象同时起到保护作用；当前杆突遇碰撞危险时，即使传感装置或控制装置失效，也能通过固态/半固态磁流变液的剪切破坏效应对关节本身和被接触对象进行保护，从而提高了机器人产品的本质安全性。
Claims (2)
1.一种机器人关节的磁致超柔性驱动器，其特征在于：包括主动转子、从动转子和转子保护罩，驱动电机的输出轴与所述主动转子的主动轴连接，所述从动转子与所述主动转子相互嵌入式装配且相互之间设有转动间隙，所述转动间隙的敞口处设有动密封件，所述动密封件和转动间隙形成供磁流变液填充的密封腔体，所述从动转子和主动转子均位于转子保护罩内，所述转子保护罩上安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈，所述从动转子的从动轴与执行机构的下端连接。
2.如权利要求1所述的机器人关节的磁致超柔性驱动器，其特征在于：所述主动转子上开有供所述从动转子插装的安装腔，所述从动转子的插装段的截面呈齿形，所述安装腔的内壁开有与所述齿形匹配的齿形缺口，所述安装腔的开口与所述插装段之间设有所述动密封件。
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