專利名稱：磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機械技術領域的機器人，具體地說，是一種磁流變液離 合器的安全型剛度可調機械關節(jié)。
背景技術：
機器人正在走進人類的生活，為人們提供各種各樣的服務。在人與機器人互 動上，安全應該是優(yōu)先考慮的問題。如果能夠一種能夠實現(xiàn)關節(jié)剛度可調節(jié)的機 械臂從而實現(xiàn)柔順控制的話，那么機器人將會變的更加安全。萬一發(fā)生碰撞，可 以吸收碰撞能量，降低碰撞危險。而磁流變液離合器是利用磁流變液作為工作介 質來傳遞動力，磁流變液是一種新型的智能液體，在外加磁場作用下能產生磁流 變效應，可以通過電流控制器控制磁流變液來實現(xiàn)調節(jié)結構剛度和輸出轉矩。而 傳統(tǒng)的變剛度方法一般都是利用彈簧等彈性體的變剛度裝置，是一種被動變剛度 方法。這種傳統(tǒng)的機械裝置能夠實現(xiàn)剛度的變化，但是不能實現(xiàn)剛度可以控制調 節(jié)。
經對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號為NO. 200710037290. 7，公開號 為CN 101011825A的專利中公開了一種安全型可變機械關節(jié)。它是由多個變剛度 約束筒體來達到關節(jié)變剛度的，筒體是由內頂桿、電磁體、彈性支撐、剛球、筒 壁五部分組成。當電磁體處于通電狀態(tài)時，整個系統(tǒng)對外表現(xiàn)剛性關節(jié)的特性； 當電磁體處于斷電狀態(tài)時，整個系統(tǒng)對外表現(xiàn)柔性關節(jié)的特性。當它具有作業(yè)時 的高剛度和沖擊緩沖時的低剛度雙重剛度特性，提高了對外操作安全性，體積小 巧，結構緊湊，安裝方便，尤其適用于對體積和重量有較高要求的精細作業(yè)機械 臂。但這種變剛度的機械臂只有通斷電兩種狀態(tài)下所表現(xiàn)出來的不同剛度，不能 實現(xiàn)剛度的精確可控，不能對關節(jié)剛度進行連續(xù)可調的控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術所存在的問題和不足，提出一種磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，利用磁流變液離合器的特殊性能實現(xiàn)關節(jié)的扭 矩傳遞和根據(jù)負載不同剛度連續(xù)可調。利用智能液體-磁流變液作為傳動介質， 可以實現(xiàn)轉矩和速度的無級變化，響應時間短，易獲得控制信號(通過外加磁場 強度)，在負載較大的情況下關節(jié)具有較高剛度，關節(jié)速度可以降低以獲得更高 操作安全性；負載較低時關節(jié)剛度較低，關節(jié)具有較大柔性，可以在關節(jié)速度較 快的情形下降低危險。在與人等發(fā)生碰撞的時候，離合器分離，關節(jié)剛度迅速降 低，關節(jié)此時具有較大柔順性，可以保護機械臂和人的安全。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明是一種剛度可調關節(jié)，包括動力 機構、變剛度機構、傳動機構、輸出機構、驅動傳感部件。所述變剛度機構就是 磁流變液離合器，通過聯(lián)軸器與動力機構和傳動機構連接。
所述驅動傳感部件包括伺服電機驅動器和電機編碼器，是控制關節(jié)剛度和關 節(jié)速度的核心。伺服電機驅動器通過電機編碼器線與關節(jié)內電機編碼器連接，通 過CAN線與工控機相連。電機驅動器可以通過電機編碼器反饋來實現(xiàn)利用速度環(huán) 調節(jié)關節(jié)速度，利用電流環(huán)控制電機輸出電流，從而控制磁流變液離合器內磁場 強度，進而控制關節(jié)剛度和磁流變液離合器傳遞力矩。
所述動力機構包括帶減速器的直流伺服電機、電機法蘭、第一聯(lián)軸器。直流 伺服電機是安裝在電機法蘭上的，電機法蘭是固定在關節(jié)外殼上。直流伺服電機 的電機軸和變剛度機構通過第一聯(lián)軸器連接。
所述傳動機構包括聯(lián)軸器、傳動軸、軸套、軸承座、軸承，傳動軸上套有軸 套，軸套上安裝軸承，軸承是裝在軸承座內，聯(lián)軸器與變剛度機構相連。
所述輸出機構包括輸出法蘭、隔圈，輸出法蘭與傳動機構中的傳動軸通過螺 釘與隔圈固連在一起。
所述磁流變液離合器包括主動軸、磁流變液、主動件、激磁線圈、轉子、滾 動軸承、從動軸。與主動軸聯(lián)接的主動件為一圓柱形的殼體，轉子與從動軸聯(lián)接， 從動軸是通過滾動軸承支撐在主動件上的。轉子上嵌有激磁線圈，磁流變液充填 在圓柱形殼體和從動轉子的同心環(huán)形間隙中。當電磁線圈通入電流后，磁流變液 中的懸浮粒子在磁場作用下產生磁化，沿磁場方向相互吸引形成鏈狀，這種鏈狀 結構增大了磁流變液的剪切應力，依靠這種剪切應力來傳遞轉矩，從而將主動件 與從動軸接合起來，離合器處于接合狀態(tài)。線圈斷電后，磁流變液又迅速轉變?yōu)镹ewton流體，因此時由流體的粘性產生的轉矩很小，不能帶動從動軸轉動，離 合器脫開。
所述磁流變液主要由載液、磁性顆粒，表面活性劑組成，三者按照重量比例 分別為60%， 30%， 10%。
本發(fā)明是通過對磁流變液離合器進行電流控制而達到剛度可調的目的。關節(jié) 剛度是由磁流變液離合器的剛度決定的，而磁流變液離合器的剛度其實就是磁流 變液的剛度。磁流變液在磁場的作用下能產生明顯的磁流變效應，即在液態(tài)和類 固態(tài)之間進行快速可逆的轉化。磁流變液離合器的電流是通過電機驅動器的電流 環(huán)來控制的，通過控制電機輸出電流控制磁場大小。離合器電流增大，則磁流變 液所受磁場增大，磁流變液固化程度越來越高，表明磁流變液的屈服強度變大， 對外表現(xiàn)為關節(jié)剛度變大。當機械臂負載變大，為了平衡負載，那么離合器產生 的扭矩液必須變大，而離合器的扭矩是由磁流變液的剪切力產生的，所以剪切力 變大，而剪切力是隨電流增大而增大的，即離合器的控制電流必然增大，所以此 時對外表現(xiàn)為關節(jié)剛度增大；當機械臂負載變小，為了平衡負載，此時離合器產 生扭矩必然減小，離合器驅動電流減小，對外表現(xiàn)關節(jié)剛度變小。只有當外力低 于磁流變液的抗剪切能力時，磁流變液呈類固體狀態(tài)；當外力超過磁流變液的抗 剪切能力時，磁流變液的磁鏈被剪斷，這時磁流變液呈液體狀態(tài)。所以如果外部 力矩過大，離合器會在瞬間剛度急劇下降從而實現(xiàn)對電機和機械臂的保護，如果 是與人碰撞，則也可以保護人的安全。
直流伺服電機是由電機驅動器控制的，關節(jié)速度可以通過控制伺服電機的速 度來控制關節(jié)速度，而直流伺服電機速度是由電機驅動器中的速度環(huán)來實現(xiàn)控制 的，其中編碼器提供反饋信號。為了實現(xiàn)安全的機械臂，當負載比較大的時候， 由上面的分析可知，關節(jié)剛度較大，所以可以控制關節(jié)運行在低速狀態(tài)；當負載 比較小的時候，由于關節(jié)剛度較小，可以控制關節(jié)運行在高速狀態(tài)，提高工作效 率。
本發(fā)明可以通過電機驅動器的控制實現(xiàn)關節(jié)速度的無級調速和隨負載不同 而變的關節(jié)剛度可變。剛度和速度都具有可控性，可以在保持關節(jié)性能的同時實 現(xiàn)關節(jié)的安全性。在萬一發(fā)生碰撞的時候可以保護電機、機械臂和人的安全。可 以實現(xiàn)關節(jié)剛和柔的轉換，可以保證末端運動精度。


圖1為本發(fā)明平面結構示意圖
圖2為本發(fā)明的磁流變液離合器平面結構示意圖。
圖中關節(jié)外殼1、帶減速器的直流伺服電機2、電機法蘭3、第一聯(lián)軸器5、 磁流變液離合器6、第二聯(lián)軸器7、傳動軸8、下軸承座9、第一軸承l(wèi)l、軸套 12、第二軸承13、上軸承座14、輸出法蘭16、隔圈19 、電機驅動器20。電機 編碼器21;圖中4、 10、 15、 17、 18為普通連接件蟪釘。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括包括動力機構，變剛度機構、傳動機構、輸出
機構、驅動傳感部件。
動力機構包括帶減速器的直流伺服電機2、電機法蘭3、第一聯(lián)軸器5。伺 服電機2是通過螺釘18固定在電機法蘭3上的，電機法蘭3則是通過螺釘4固 定在關節(jié)外殼1上。第一聯(lián)軸器5是用于連接動力機構中的直流伺服電機2和變 剛度機構。
變剛度機構即磁流變液離合器6，是通過第一聯(lián)軸器5連接直流伺服電機2， 并通過第二聯(lián)軸器7連接傳動機構的傳動軸8。
傳動機構包括第二聯(lián)軸器7、傳動軸8、軸套12、下軸承座9、上軸承座14、 第一軸承l(wèi)l、第二軸承13，傳動軸8上套有軸套12，軸套12上安裝第一軸承 11、 13，第一軸承l(wèi)l是裝在下軸承座9內，第二軸承13是裝在上軸承座14內。 下軸承座9通過螺釘10固定在關節(jié)外殼1上，上軸承座14通過螺釘15固定在 關節(jié)外殼1上。
輸出機構包括輸出法蘭16、隔圈19，通過螺釘17與隔圈19將輸出法蘭16 與傳動機構中的傳動軸8固連在一起。輸出機構的輸出連接到機械臂下一關節(jié)。
驅動傳感部件包括伺服電機驅動器20、電機編碼器21，伺服電機驅動器20 是控制關節(jié)剛度和關節(jié)速度的核心。由于關節(jié)內空間的問題，伺服電機驅動器 20不能放置與關節(jié)外殼內，本實施例將其放置在單獨的一個控制箱內，電機編碼器21安裝在直流伺服電機2尾端，伺服電機驅動器20是通過電機編碼器線與 關節(jié)內電機編碼器21連接，通過輔助電源線與電源相連，通過CAN線與工控機 相連。直流伺服電機2轉子在磁場的作用下轉動，同時編碼器21反饋信號給伺 服電機驅動器20，伺服電機驅動器20根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整直流 伺服電機2轉動的角度，從而實現(xiàn)對直流伺服電機2速度的控制。電機驅動器 20可以通過編碼器21的反饋來實現(xiàn)利用速度環(huán)調節(jié)關節(jié)速度，利用電流環(huán)控制 直流伺服電機2輸出電流，從而控制磁流變液離合器6內磁場大小，進而控制關 節(jié)剛度和磁流變液離合器6傳遞力矩。
如圖2所示，本實施例中，所述的磁流變液離合器包括主動軸22，磁流變 液23，主動件24，激磁線圈25，轉子27，滾動軸承28，從動軸29。與主動軸 22連接的主動件24為一圓柱形的殼體，轉子27與從動軸29聯(lián)接，從動軸29 通過滾動軸承28支撐在主動件24上。轉子27上嵌有激磁線圈25，磁流變液23 充填在圓柱形殼體和從動轉子27的同心環(huán)形間隙中。部件26為電流和線圈作用 產生的截面上的磁力線總數(shù)即磁通。當電機驅動器20提供離合器磁流變液23 電流，磁流變液23中的懸浮粒子在磁場作用下產生磁化，沿磁場方向相互吸引 形成鏈狀，這種鏈狀結構增大了磁流變液23的剪切應力，依靠這種剪切應力來 傳遞轉矩，從而將主動件24與從動軸29接合起來，離合器處于接合狀態(tài)。激磁 線圈25斷電后，磁流變液23又迅速轉變?yōu)镹ewton流體，因此時由流體的粘性 產生的轉矩很小，不能帶動從動軸29轉動，離合器脫開。
磁流變液主要由載液、磁性顆粒，表面活性劑組成。三者按照重量比例分別 為60%， 30%， 10%。
為了盡可能減小離合器結構尺寸，對于磁流變液的材料，盡量采用較大的體 積分數(shù)或粘度較高的載液，適當?shù)奶砑觿?、適當直徑和高磁化強度的顆粒等，可 以使得離合器中單位體積磁流變液傳遞的力矩增加。在選擇鐵芯材料時，不僅需 要高磁導率和高磁飽和，還要確保鐵芯材料的剩磁比較小。對于線圈分布則要采 用多線圈小間隔分布，能增強工作磁場的均勻性，同時可以增大傳遞的轉矩。
本實施例中，載液選用硅油。磁性顆粒采用羰基鐵粉。為確保顆粒的懸浮穩(wěn) 定性，并增加整個磁流變液的流變學性質，加入表面活性劑油酸防止磁性顆粒 沉淀及不可逆轉的海綿狀絮凝。關節(jié)剛度是由磁流變液離合器的剛度決定的，而磁流變液離合器的剛度其實 就是磁流變液23的剛度。磁流變液23在磁場的作用下能產生明顯的磁流變效應， 即在液態(tài)和類固態(tài)之間進行快速可逆的轉化。伺服電機驅動器20控制電機輸出 電流，輸出電流增大，則磁流變液23所受磁場增大，磁流變液23固化程度越來 越高，表明磁流變液22的屈服強度變大，對外表現(xiàn)為關節(jié)剛度變大。當機械臂 負載變大，為了平衡負載，那么離合器產生的扭矩液必須變大，而離合器的扭矩 是由磁流變液23的剪切力產生的，所以剪切力變大，而剪切力是隨電流增大而 增大的，即離合器的控制電流必然增大，所以此時對外表現(xiàn)為關節(jié)剛度增大；當 機械臂負載變小，為了平衡負載，此時離合器產生扭矩必然減小，離合器驅動電 流減小，對外表現(xiàn)關節(jié)剛度變小。只有當外力低于磁流變液23的抗剪切能力時， 磁流變液22呈類固體狀態(tài)；當外力超過磁流變液23的抗剪切能力時，磁流變液 23的磁鏈被剪斷，這時磁流變液23呈液體狀態(tài)。所以如果外部力矩過大，離合 器會在瞬間剛度急劇下降從而實現(xiàn)對電機和機械臂的保護，如果是與人碰撞，則 也可以保護人的安全。
本實施例可以伺服電機驅動器20的控制實現(xiàn)關節(jié)速度的無級調速和隨負載 不同而變的關節(jié)剛度可變，剛度和速度都具有可控性，可以在保持關節(jié)性能的同 時實現(xiàn)關節(jié)的安全性。在萬一發(fā)生碰撞的時候可以保護電機、機械臂和人的安全。 可以實現(xiàn)關節(jié)剛和柔的轉換，保證末端運動精度。
權利要求
1、一種磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，包括動力機構，傳動機構、輸出機構、驅動傳感部件，傳動機構與輸出機構連接，其特征在于，還包括變剛度機構，所述變剛度機構就是磁流變液離合器，磁流變液離合器與動力機構和傳動機構連接，所述驅動傳感部件包括伺服電機驅動器和電機編碼器，伺服電機驅動器通過電機編碼器線與關節(jié)內電機編碼器連接，通過CAN線與工控機相連，電機驅動器通過電機編碼器反饋利用速度環(huán)調節(jié)關節(jié)速度，并利用電流環(huán)控制電機輸出電流，從而控制磁流變液離合器內磁場強度，進而控制關節(jié)剛度和磁流變液離合器傳遞力矩。
2、 根據(jù)權利要求1所述的磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，其 特征是，所述磁流變液離合器包括主動軸、磁流變液、主動件、激磁線圈、轉子、 滾動軸承、從動軸，與主動軸聯(lián)接的主動件為一圓柱形的殼體，轉子與從動軸聯(lián) 接，從動軸通過滾動軸承支撐在主動件上的，轉子上嵌有激磁線圈，磁流變液充 填在圓柱形殼體和從動轉子的同心環(huán)形間隙中，激磁線圈采用多線圈小間隔分 布。
3、 根據(jù)權利要求1所述的磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，其 特征是，所述磁流變液由載液、磁性顆粒、表面活性劑組成，三者重量比為60%， 30%， 10%。
4、 根據(jù)權利要求3所述的磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，其 特征是，所述載液選用硅油，磁性顆粒選用羰基鐵粉，表面活性劑選用油酸。
5、 根據(jù)權利要求1所述的磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，其 特征是，所述動力機構包括帶減速器的直流伺服電機、電機法蘭、第一聯(lián)軸器， 直流伺服電機是安裝在電機法蘭上的，電機法蘭是固定在關節(jié)外殼上，直流伺服 電機的電機軸和變剛度機構通過第一聯(lián)軸器連接。
6、 根據(jù)權利要求1所述的磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，其 特征是，所述傳動機構包括聯(lián)軸器、傳動軸、軸套、軸承座、軸承，傳動軸上套 有軸套，軸套上安裝軸承，軸承是裝在軸承座內，聯(lián)軸器與變剛度機構相連。
7、根據(jù)權利要求1所述的磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，其 特征是，所述輸出機構包括輸出法蘭、隔圈，輸出法蘭與傳動機構中的傳動軸通 過螺釘與隔圈固連在一起。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種機械技術領域的磁流變液離合器的安全型剛度可調機械關節(jié)，包括動力機構、傳動機構、輸出機構、驅動傳感部件、變剛度機構，傳動機構與輸出機構連接，變剛度機構就是磁流變液離合器，磁流變液離合器與動力機構和傳動機構連接，驅動傳感部件是指伺服電機驅動器和電機傳感器。電機驅動器通過編碼器反饋來實現(xiàn)利用速度環(huán)調節(jié)關節(jié)速度，利用自帶電流環(huán)控制電機輸出電流，從而控制離合器內磁場強度，進而控制關節(jié)剛度和離合器傳遞力矩。本發(fā)明剛度和速度都具有可控性，可以在保持關節(jié)性能的同時實現(xiàn)關節(jié)的安全性。在萬一發(fā)生碰撞的時候可以保護電機、機械臂和人的安全?？梢詫崿F(xiàn)關節(jié)剛和柔的轉換，保證末端運動精度。
文檔編號B25J13/00GK101293351SQ200810038539
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2008年6月5日
發(fā)明者偉 平, 王松海, 霞 趙, 頓向勇, 頓向明 申請人:上海交通大學