CN108527435B - 一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变刚度的关节结构，其特征在于，所述关节结构包括关节外壳、第一导磁薄片、第二导磁薄片、绕制线圈、骨架、轴承、第一端盖、第二端盖、输出连杆，其中第一导磁薄片、第二导磁薄片、绕制线圈、骨架、轴承按顺序封装在关节外壳中，绕制线圈放置在骨架内部，第一端盖和第二端盖分别设置在关节外壳的两侧，输出连杆安装在关节外壳的一侧且相对关节外壳可旋转。本发明结构简单、制作方便、成本低廉，并具有响应时间快、刚度变化连续可控，并且变化范围大的特点。

Description

一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节

技术领域

本发明属于工业机器人机构领域，尤其涉及一种可实现连续可控变刚度的关节结构。

背景技术

随着科技水平的快速发展和机器人相关技术的不断进步，机器人技术在工业生产和日常生活中的应用已越来越广泛。在工业场景中应用的机器人要应用在日常生活中，安全性是一个十分重要的问题。随着机器人与人之间的交互越来越普遍，为减轻机器人与人或其他障碍物发生碰撞时产生的冲击力，以及保护人和机器人自身的安全，柔性机器人的研究日益广泛。因此，设计具有较强灵敏性、较大刚度变化范围的机器人关节，已成为机器人技术领域的一项研究热点。

针对变刚度关节的研究设计问题，国内外研究者已经研究设计了很多不同原理的变刚度关节。目前的变刚度关节设计主要是从机械结构上考虑，常见的变刚度关节主要有两种类型：一种是在输入与输出之间串联一个弹性结构，在关节运动过程中通过挤压弹性元件来实现变刚度，这种结构若要实现较为精确的刚度改变，需要通过复杂的计算来设计弹性元件，并且对弹性元件的材料需要较高的要求；另一种是通过增加一个调整电机和弹簧等弹性元件来配合使用从而改变关节的刚度，该结构一般能实现刚度较为精确的控制，但是增加一个电机无疑也增加了关节的体积和制作成本。

公开号为CN105108771A的中国专利文献公开了一种可变刚度机器人结构，其特征是采用弹簧片作为刚度调节部件，且弹簧片作为力传递部件，其刚度会根据作用长度变化而改变，变刚度过程中通过滑动一个移动滑座即可轻松调整弹簧片的作用长度。该专利申请可以实现关节刚度值的改变，但是该结构需使用两个电机和涡轮蜗杆等结构，其大大增加了结构质量和制作成本，并且使用弹簧片实现变刚度，刚度调整范围有限。若长期使用，则存在疲劳的风险，并且对弹簧片的要求较高。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提出了一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其结构简单、制作方便、成本低廉，并具有响应时间快、刚度变化范围大且连续可控等特点。

本发明为解决以上技术问题所采用的技术方案如下：

一种可变刚度的关节结构，所述关节结构包括关节外壳、第一导磁薄片、第二导磁薄片、绕制线圈、骨架、轴承、第一端盖、第二端盖、输出连杆和磁流变液。其中第一导磁薄片、第二导磁薄片、绕制线圈、骨架、轴承按顺序封装在关节外壳中，所述磁流变液均匀分布在第一导磁薄片和第二导磁薄片之间，绕制线圈设置在骨架内部并套合在第一端盖的圆柱凸台上，第一端盖和第二端盖分别设置在关节外壳的两侧，输出连杆安装在关节外壳的一侧且能够相对关节外壳旋转。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，输出连杆与关节外壳之间还安装有弹簧机构，弹簧机构安装在关节外壳的一侧且能够相对关节外壳旋转，输出连杆连接在弹簧机构上。

作为本发明上述技术方案的优选实施方式，所述弹簧机构包括弹簧挡板、弹簧、滑块和弹簧盖。

作为本发明上述技术方案的优选实施方式，所述关节外壳靠近弹簧机构的一端具有滑道，用以放置弹簧。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，弹簧盖具有凸起，当弹簧盖相对关节外壳发生旋转时，滑块会挤压弹簧。

作为本发明上述技术方案的优选实施方式，第一导磁薄片与关节外壳位置相对固定，第二导磁薄片和骨架位置相对固定。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，第一端盖和第二端盖上均具有凸起，以嵌合在骨架的两侧。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，所述磁流变充盈于由第一端盖、轴承、骨架、关节外壳和第二端盖构成的关节结构的封闭空间内中。

作为本发明上述技术方案的优选实施方式，第一端盖具有孔口，通过孔口引出绕制线圈。

作为本发明上述技术方案的优选实施方式，通过改变线圈中的电流，以产生磁场来改变磁流变液的物理状态，进而在关节外壳和第一端盖、第二端盖发生相对运动时产生剪切力矩，从而改变关节的输出力矩和柔顺性。

本发明相对现有技术，具有以下的有益技术效果：

本发明通过控制励磁线圈中电流的大小可以实现整个关节刚度可调、连续、大范围的变化，柔顺性能好，控制方法简单便捷有效；

本发明将磁流变液与机器人关节的变刚度控制相结合，简化了传统通过纯机械结构来实现关节刚度变化的方式，减轻了关节的质量；

本发明可以实现只使用一个电机就能控制关节在工作范围内任意位置任意刚度的连续控制，减小了关节体积，节省了制作成本，设计新颖，应用前景广阔。

附图说明

图1为根据本发明可变刚度的关节结构的实施例的爆炸图；

图2为图1的可变刚度的关节结构的右视图；

图3为图1的可变刚度的关节结构沿剖面线A-A的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的各个实施例作进一步详细的说明。

根据本发明一种可变刚度的关节结构的一个实施例，如图1所示，所述关节结构可以包括关节外壳1、第一导磁薄片2、第二导磁薄片3、绕制线圈(在此图中未画出)、骨架5、轴承6、第一端盖7、第二端盖8、输出连杆10，其中第一导磁薄片2、第二导磁薄片3、绕制线圈、骨架5、轴承6按顺序封装在关节外壳1中，绕制线圈可以安装在骨架5内部，并套合在第一端盖7的圆柱凸台上，第一端盖7和第二端盖8分别设置在关节外壳1的两侧，输出连杆10安装在关节外壳1的一侧且相对关节外壳1可旋转，从而可以来具体测试或利用关节的变刚度性能。优选地，关节外壳1为无盖圆筒形。优选地，第一导磁薄片2和第二导磁薄片3交错放置，其具体个数需根据目标需求依据相关计算得出。

根据本发明一种可变刚度的关节结构的一个实施例，其包括上述实施例的基本结构，并在上述实施例的基础之上，所述关节结构还可以包括弹簧机构9，如图1所示，其可以安装在输出连杆10与关节外壳1之间，使得弹簧机构9安装在关节外壳1的一侧且相对关节外壳1可旋转，输出连杆10则连接在弹簧机构9上，从而来具体测试或利用关节的变刚度性能。所述关节结构的俯视图如图2所示。优选地，可以在关节外壳1的一侧连接扭矩输出结构，如电机、减速机等。

作为本发明上述实施例的优选实施方式，所述弹簧机构9可以包括弹簧挡板91、弹簧92、滑块93和弹簧盖94。优选地，弹簧92的两端均有滑块93。更优选地，所述关节外壳1靠近弹簧机构9的一端具有滑道，用以放置弹簧92。进一步，弹簧盖94可以具有凸起，当弹簧盖94相对关节外壳1发生旋转时，滑块93会挤压弹簧92。优选地，弹簧盖94可以是具有凸起的圆形盖板。进而，弹簧盖94的凸起、关节外壳1以及弹簧挡板91可以共同作用在滑块93上，弹簧盖94和相对关节外壳1发生旋转时使弹簧具有一定的压缩量。

作为本发明上述实施例的优选实施方式，第一导磁薄片2与关节外壳1位置相对固定。更优选地，第一导磁薄片2可以是一种外圈均匀分布半圆齿的薄片，关节外壳1的内壁可以具有齿槽，进而第一导磁薄片2的半圆齿可以和关节外壳1的齿槽可以相互配合，使第一导磁薄片2与关节外壳1不能发生相对运动。更优选地，第一导磁薄片2的内直径大于或稍大于骨架5的外直径，从而第一导磁薄片2的内圈与骨架5不相接触。

作为本发明上述实施例的优选实施方式，第二导磁薄片3和骨架5位置相对固定。更优选地，第二导磁薄片3可以是一种内圈均匀分布半圆齿的薄片，骨架5可以具有齿槽，进而第二导磁薄片3的半圆齿可以和骨架5的齿槽相互配合，使第二导磁薄片3与骨架5不能发生相对运动。更优选地，第二导磁薄片3的外直径小于或稍小于关节外壳1的内直径，从而第二导磁薄片3的外圈与关节外壳1不相接触。

作为本发明上述实施例的进一步改进，第一端盖7和第二端盖8上均具有凸起，以嵌合在骨架5的两侧，用于传递扭矩。作为本实施例优选的实施方式，第一端盖7和第二端盖8的断面上都可以开有螺纹孔，用于二者螺纹连接固连在一起。

如图3所示，根据本发明的另一个实施例，其包括上述实施例的基本结构，并在上述实施例的基础之上，所述关节结构还包括磁流变液11，所述磁流变液11均匀分布在第一导磁薄片2和第二导磁薄片3之间。优选地，第一导磁薄片2和第二导磁薄片3交错放置。在该实施例中，第一导磁薄片2、第二导磁薄片3、第一端盖7和第二端盖8可以是由较高导磁率的材料加工而成，关节外壳1、骨架5、弹簧盖94可以是由导磁性能极差的材料构成，从而用于防止漏磁。绕制线圈4缠绕在第一端盖7的圆柱凸台上形成励磁线圈，线圈可以通过第一端盖7的孔口中引出引线。使用时将引出的线圈通入合适的电流，此时关节外壳1内表面和线圈骨架5外沿之间的空间中充满了磁场，磁场强度和电流大小成正相关。磁流变液11在磁场作用下迅速的由流体状态变为粘弹性固态，磁流变液11中的导磁颗粒受磁场作用，颗粒自发磁化进而形成链状，磁场越大，颗粒链越粗，所能承受的剪切应力也越大，导磁薄片表面的磁流变液也因为链状的导磁颗粒而使导磁薄片在相互运动时受到阻力，从而形成一定的阻力矩。关节外壳1作为输入端，其连接的力矩输入装置(电机、减速机等)所输出的力矩在通过本发明的变刚度柔顺关节后将发生改变，进而可以实现变刚度的功能。由于电流大小可以做到连续可控的变化，进而也可以实现关节刚度或者柔顺性的连续可控变化。作为本实施例优选的实施方式，可以由第一端盖7、轴承6、骨架5、关节外壳1和第二端盖8构成所述关节结构的封闭空间，所述磁流变液11可以充满所述封闭空间。

根据本发明的另一个实施例，其包括上述实施例的基本结构，并在上述实施例的基础之上，绕制线圈4可以是由漆包线以第一端盖7的中心轴为旋转轴按一定方向绕制在第一端盖7的圆柱凸台上形成线圈4(图未示出)，同时绕制线圈4可以置于骨架5内部，并通过第一端盖7上的孔口将漆包线引出。第一导磁薄片2和第二导磁薄片3可以是交替固定在骨架5上，并在第一导磁薄片2与第二导磁薄片3之间填充有磁流变液11。第一端盖7和第二端盖8通过轴承6和关节外壳1连接在一起，并通过端盖上的凸起和骨架5连接在一起。优选地，两个端盖也通过螺丝连接在一起。关节外壳1可以具有滑道，滑道中可以放置弹簧92。优选地，弹簧盖94和第二端盖8可以通过螺丝连接在一起，也可以通过其他方式连接在一起，当旋转带动第二端盖8的时候，可以同时通过滑块93挤压弹簧92。而输出连杆10和弹簧盖94连接在一起，由此形成了一个通过电流和弹簧压缩来控制输出连杆刚度的变刚度关节装置，同时弹簧可用于外力补偿和储存能量。优选地，输出连杆10和弹簧盖94通过螺丝连接在一起。其中，需要根据实际使用情况来确定绕制线圈4的匝数，同时需要保证线圈4在和骨架5相配合时不发生漆包线表面磨损从而短路的情况。进一步，可以适当在绕制线圈4的表面涂抹导热硅脂。值得指出的是，在第一端盖7、第二端盖8和轴承6配合安装之后，要注意轴承6的内圈和端盖之间的密封，防止磁流变液漏出。

在本发明以上的各个实施例中，通过改变线圈4中的电流，以产生磁场来改变磁流变液11的物理状态，进而在关节外壳1和第一端盖7、第二端盖8发生相对运动时产生剪切力矩，从而改变关节的输出力矩和柔顺性。考虑到线圈4中电流大小可连续可控的变化，进而可以实现关节输出力矩或者柔顺性的连续可控的变化。

应当理解，根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在结合附图来阅读，其中附图被认为是整个书面描述的一部分。因此在本公开发明的实施例描述中，任何方向或方位的引用仅为了方便描述而非任何方式限制本发明的范围。除非另有明确描述，术语例如“连接”、“相互连接”和类似的所指的是一种关系，其中结构是直接或通过中间结构间接地相互固定或附接，以及可移动或刚性附接或关系。进一步地，发明的特征和有益效果由引用示例性实施例说明。因此，本发明明确地不应限于这样的示例性实施例，其说明了可以单独存在的特征或特征的其他组合中的一些可能的非限制性特征组合。

此外，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

以上是对本发明的较佳实施例进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，关节结构包括关节外壳(1)、第一导磁薄片(2)、第二导磁薄片(3)、绕制线圈(4)、骨架(5)、轴承(6)、第一端盖(7)、第二端盖(8)、输出连杆(10)和磁流变液(11)，其中：

所述关节外壳(1)作为输入端，用于连接力矩输入装置；

第一导磁薄片(2)、第二导磁薄片(3)、绕制线圈(4)、骨架(5)、轴承(6)依次封装在关节外壳(1)中，在所述第一导磁薄片(2)的外圈均匀分布有半圆齿，所述关节外壳(1)的内壁具有与所述半圆齿相互配合的齿槽，以使所述第一导磁薄片(2)与关节外壳(1)的位置相对固定，所述第二导磁薄片(3)的内圈均匀分布有半圆齿，所述骨架(5)具有与所述半圆齿相互配合的齿槽，以使所述第二导磁薄片(3)和所述骨架(5)的位置相对固定，所述第一导磁薄片(2)的内直径大于骨架(5)的外直径，所述第二导磁薄片(3)的外直径小于关节外壳(1)的内直径，所述第一导磁薄片(2)和所述第二导磁薄片(3)交错放置，并且所述磁流变液(11)均匀分布在所述第一导磁薄片(2)和所述第二导磁薄片(3)之间；

绕制线圈(4)设置在骨架(5)内部，并套合在第一端盖(7)的圆柱凸台上，所述绕制线圈(4)是由漆包线以第一端盖(7)的中心轴为旋转轴绕制在第一端盖(7)的圆柱凸台上形成的励磁线圈；

第一端盖(7)和第二端盖(8)分别设置在关节外壳(1)的两侧，输出连杆(10)安装在关节外壳(1)的一侧且能够相对关节外壳(1)旋转，输出连杆(10)与关节外壳(1)之间还安装有弹簧机构(9)，弹簧机构(9)安装在关节外壳(1)的一侧且能够相对关节外壳(1)旋转，输出连杆(10)连接在弹簧机构(9)上，所述弹簧机构(9)包括弹簧盖(94)；

第一端盖(7)和第二端盖(8)上均具有凸起，以嵌合在骨架(5)的两侧，且第一端盖(7)和第二端盖(8)固连，用于传递扭矩；

所述输出连杆(10)和所述弹簧盖(94)通过螺丝连接，并且所述弹簧盖(94)和所述第二端盖(8)螺丝连接；

所述第一导磁薄片(2)、第二导磁薄片(3)、第一端盖(7)和第二端盖(8)由高导磁率的材料构成，所述关节外壳(1)、骨架(5)、弹簧盖(94)由导磁性能极差的材料构成，由第一端盖(7)、轴承(6)、骨架(5)、关节外壳(1)和第二端盖(8)构成关节结构的封闭空间，所述磁流变液(11)充盈于所述封闭空间中。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，所述弹簧机构(9)还包括弹簧挡板(91)、弹簧(92)和滑块(93)。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，所述关节外壳(1)靠近弹簧机构(9)的一端具有滑道，用以放置弹簧(92)。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，弹簧盖(94)具有凸起，当弹簧盖(94)相对关节外壳(1)发生旋转时，滑块(93)会挤压弹簧(92)。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，第一端盖(7)具有孔口，通过该孔口引出绕制线圈(4)。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，通过改变线圈(4)中的电流，以产生磁场来改变磁流变液(11)的物理状态，进而在关节外壳(1)和第一端盖(7)、第二端盖(8)发生相对运动时产生剪切力矩，从而改变关节的输出力矩和柔顺性。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，在所述绕制线圈(4)的表面涂抹有导热硅脂。

8.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，所述力矩输入装置包括电机或减速机。

9.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的连续可控变刚度机器人柔顺关节，其特征在于，所述第一端盖(7)和第二端盖(8)的断面上都开有螺纹孔，用于使第一端盖(7)和第二端盖(8)螺纹连接固连。

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