一种基于磁流变液的柔性关节和控制方法

本发明属于磁流变液关节，具体是涉及一种基于磁流变液的柔性关节和控制方法。

背景技术：

1、随着机器人技术的发展，机械臂的应用范围已慢慢扩展到了生产、生活的很多方面。尤其是在工业生产方面，机械臂的应用已经随处可见。虽然传统刚性机械臂也可以通过传感器和特定算法实现类似柔性抓手的效果，但是由齿轮、减速机、铰链等纯机械部件构成的传统刚性机械臂关节在安全性和适应性方面明显不足，无论是工、农业生产过程还是服务机械臂领域，都对机械臂的柔顺性及安全性提出了更高的要求。借助于智能材料和新型驱动技术的柔性机械轴关节一般具有充分的柔性、适应性以及自由度，甚至可以任意改变自身形状和尺寸以适应环境和目标，以保证目标和环境安全性，但是由于结构材质的柔软性，导致难以建立准确的数学模型以及实施精准控制。

2、磁流变液(magnetorheological fluid,简称mr流体)属流动性可控的新型流体，是由微米级可磁化颗粒均匀分散在特定载体母液和添加剂中所形成的特殊悬浮体系。在外加磁场作用下，呈现为高粘度、低流动性的宾汉流体(bingham)。液体的粘度大小与磁通量存在对应关系。这种转换能耗低、易于控制、响应迅速(毫秒级)。磁流变液作为一种智能材料，具有流变过程可控、可调的特性，而且流变过程响应时间在毫秒级，磁流变液的这一特性使其在智能器件领域获得了很多应用，尤其是在离合器、联轴器、阻尼器等传动部件中已经得到较多的研究和应用。

3、目前的传统的磁流变液关节主要分为三种结构形式，分别为：圆盘式、圆柱式和圆筒式。其结构都要传递扭矩，因此体积较大且无法实现多角度多方位的扭转或者摆动，而要保证机械关节能够达到柔性要求的同时还能够实现多自由度转动则少之又少。现今人们渴望一种能够实现变刚度并且柔性化的关节机构。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于磁流变液的柔性关节和控制方法，用以基于磁流变液的柔性关节通过利用磁流变液的阻尼变化特性，达到从动轴柔性动作的目的。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁流变液的柔性关节，包括驱动轴外壳，在驱动轴外壳的顶面设有滚珠环形支撑，球状关节头放置于滚珠环形支撑上，围绕球状关节头设有一组磁流变液瓣片组合体，磁流变液瓣片组合体与球状关节头一起位于外置亥姆霍兹线圈装置的中心区域；磁流变液瓣片组合体的底部与驱动轴外壳转动连接，内部中空用以通入磁流变液；

3、球状关节头内部中空且设有内置电磁铁，内置电磁铁与球状关节头的内壁为可拆卸连接。

4、作为本发明的一种基于磁流变液的柔性关节的改进：

5、磁流变液瓣片组合体包括羽状的瓣片，瓣片包括限制层和变形层，限制层与变形层之间固定连接且围合成上下至少三层的腔室，每层腔室均左右对称，容积从中间往两侧逐步减小；在限制层最下层的腔室壁上开有一个输送孔，每层腔室之间开有流通孔，输送孔通过输送软管与蠕动泵相连接。

6、作为本发明的一种基于磁流变液的柔性关节的进一步改进：

7、所述驱动轴外壳的顶面为环形；

8、所述滚珠环形支撑设于驱动轴外壳顶面的内环开口处，包括一体成型的支撑环和支撑脚，在支撑环上间隔均匀地镶嵌有一组滚珠，支撑脚与驱动轴外壳固定连接；

9、所述球状关节头顶部设有一个从动轴，从动轴与球状关节头通过螺纹连接。

10、作为本发明的一种基于磁流变液的柔性关节的进一步改进：

11、所述瓣片的底部与轴肩螺栓固定连接，轴肩螺栓两侧各穿过一个滑动轴承，可以在滑动轴承内转动；滑动轴承通过固定底座与驱动轴外壳的顶面固定连接；轴肩螺栓一端装有一个六角预紧螺母。

12、本发明还同时提供了柔性关节的控制方法，包括准备状态、移动控制和复位控制：

13、s1、准备状态：柔性关节开始工作前，先调节蠕动泵的流量使得每个瓣片中的磁流变液维持在中上部和下方腔室，然后通过外力驱使从动轴回到初始位置，内置电磁铁通电使得瓣片包裹住球状关节头；

14、s2、移动控制：先将磁流变液充满瓣片上下各层腔室，内置电磁铁保持通电，瓣片包裹住球状关节头伴随球状关节头一起转动；再通过外力驱使从动轴从初始位置转动到达目标位置附近，然后通过瓣片细微调节球状关节头的转动角度，带动从动轴到达目标位置；

15、s3、复位控制：先通过外力驱使从动轴回到初始位置，然后通过瓣片包裹住球状关节头固定在初始位置。

16、作为本发明的柔性关节的控制方法的进一步改进：

17、步骤s1中所述内置电磁铁通电使得瓣片包裹住球状关节头的具体方法为：

18、内置电磁铁通电时，瓣片中上部和下部的限制层发生弯曲且变形层膨胀，瓣片中上部和下部均紧密贴合包裹住球状关节头。

19、作为本发明的柔性关节的控制方法的进一步改进：

20、步骤s2中所述瓣片细微调节球状关节头的转动角度的具体方法为：

21、s2.1、从动轴临近目标位置后，内置电磁铁断电，磁流变液瓣片组合体在六角预紧螺母的预紧力下保持静止；磁流变液回流并维持在瓣片的下部和中部腔室中；

22、s2.2、转动外置亥姆霍兹线圈装置，调整磁力线n-s的方向与球状关节头的转动方向一致，外置亥姆霍兹线圈装置通电，限制层与磁场方向线相切的瓣片不发生形变，其余瓣片下部和中部的限制层弯曲且变形层膨胀变形而包裹球状关节头；

23、s2.3、通过调整外置磁场的磁力大小，使得包裹住球状关节头的两组瓣片的变形层的膨胀程度变化而细微调节球状关节头的转动角度，带动从动轴到达目标指定位置。

24、作为本发明的柔性关节的控制方法的进一步改进：

25、步骤s3中所述通过瓣片包裹住球状关节头固定在初始位置的具体方法为：

26、s3.1、外置亥姆霍兹线圈装置失电，内置电磁铁通电，使得包裹住球状关节头的两组瓣片继续包裹住球状关节头，再施加外力驱使从动轴回到初始位置；

27、s3.2、瓣片中的磁流变液回流至下方腔室；增大内置电磁铁的电流，瓣片下部的限制层弯曲且变形层膨胀，使得瓣片下部包裹球状关节头而托起球状关节头；

28、然后，磁流变液充满瓣片的上方腔室，瓣片上部的限制层弯曲且变形层膨胀完成瓣片上部也包裹球状关节头。

29、本发明的有益效果主要体现在：

30、1、本发明的柔性关节实现方式使得柔性关节不参与和驱动机构的扭矩和力的传递，避免柔性关节主要部件与传动机构直接连接，减少了柔性关节中磁流变液瓣片组合体的磨损，内外磁场的设计增加了从动轴工作中摆动角度的可控性，瓣式结构包裹住球状关节头，使从动轴上抬或下降的动作刚度变化量区间缩减，从而更能配合执行机构实现微小或易碎物体的抓取作业。

31、2、本发明的磁流变液瓣片组合体内部分为七层腔室，每层腔室均左右对称且容积从中间往两侧逐步减小，最外侧腔室与磁流变液接触的面积最小，磁流变液表面张力增大，抵消一部分弯曲应力，这样的设计使得瓣片在磁场作用下不发生剧烈变形和严重破坏。

32、3、本发明经过驱动机构的粗调和柔性关节的微调后，从动轴能够精确到达目标指定位置且控制简单、操作方便、响应速度快。