專利名稱：高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿及多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械臂技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿和采用該連桿的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
輕質(zhì)柔性機(jī)械臂同傳統(tǒng)的剛性機(jī)械臂相比，具有運(yùn)動(dòng)靈活、低能耗和高負(fù)載/本體質(zhì)量比的特點(diǎn)，在航空、航天、空間機(jī)器人及工業(yè)場(chǎng)合等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但柔性機(jī)械臂在工作過程中較易產(chǎn)生振動(dòng)，針對(duì)柔性機(jī)械臂的有效驅(qū)動(dòng)及精確定位是目前研究的熱點(diǎn)問題，如《機(jī)器人》2012年I月第34卷第I期公開的《無桿氣缸驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制》對(duì)柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制進(jìn)行了闡述。機(jī)械臂的柔性特性主要來自于連桿的柔性、關(guān)節(jié)的柔性以及連桿與關(guān)節(jié)之間的耦合作用，這些柔性結(jié)構(gòu)均為機(jī)械臂系統(tǒng)引入了額外的自由度，使得原來為有限自由度的剛性機(jī)械臂變成了具有無限自由度的柔性機(jī)械臂，在運(yùn)動(dòng)過程中，柔性機(jī)械臂會(huì)產(chǎn)生撓曲變形、軸向變形和剪切變形，因而使精確控制變得復(fù)雜和困難。液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)并列為三大傳動(dòng)形式，在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)工作中占有重要的地位。液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比較，具有尺寸/功率比小、可以獲得較大驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)扭矩、能省去中間動(dòng)力減速器、消除了齒輪間隙和磨損(見在先技術(shù):液壓傳動(dòng)與控制(第2版)，國防工業(yè)出版社)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，液壓缸和液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，因而使它在工業(yè)機(jī)器人，特別是大型機(jī)器人、機(jī)械手的往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置上都獲得了廣泛應(yīng)用。其中液壓臂架是大型機(jī)器人中常用的基礎(chǔ)構(gòu)件，但是，由于結(jié)構(gòu)尺寸大，端點(diǎn)載荷大，液壓臂架構(gòu)件固有的彈性對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性有相當(dāng)大影響。另外，與電氣傳動(dòng)不同，液壓油缸不能置于連桿關(guān)節(jié)處，其位移與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角是非線性關(guān)系，再加上多連桿之間的相互耦合，使控制系統(tǒng)成為一個(gè)多輸入/多輸出(MIMO)的非線性系統(tǒng)，其“相對(duì)度”(relativedegree)大于3，增加了控制器的設(shè)計(jì)難度，加上多種不確定因素的存在(如液壓臂端點(diǎn)的載荷、液壓系統(tǒng)的參數(shù)、非線性干擾等)，使得對(duì)多連桿柔性機(jī)械臂位置的準(zhǔn)確控制，在理論和實(shí)際中的實(shí)現(xiàn)，都是十分困難的。磁流變脂是以溶膠作為連續(xù)相的母液，將微米級(jí)的磁性顆粒均勻地分散到其中而形成，不僅解決了沉降問題，而且保持了磁流變液的主要優(yōu)點(diǎn)，在外加磁場(chǎng)作用下具有快速響應(yīng)、表觀粘度和剪切模量均能夠產(chǎn)生顯著變化的特性。在振動(dòng)控制、密封等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿及多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，該柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)具有控制精度高、減振效果好、控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行快速靈活的優(yōu)點(diǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先提出了一種高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，包括連桿本體，所述連桿本體內(nèi)設(shè)有中心通孔，所述中心通孔內(nèi)設(shè)有磁流變脂流道，所述磁流變脂流道內(nèi)填充有磁流變脂，且所述磁流變脂流道外壁與所述中心通孔內(nèi)壁之間設(shè)有相互并聯(lián)并用于在所述磁流變脂流道內(nèi)產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈。
進(jìn)一步，所述勵(lì)磁線圈為采用銅線纏繞的單層勵(lì)磁線圈或多層勵(lì)磁線圈。
進(jìn)一步，所述連桿本體上與所述勵(lì)磁線圈對(duì)應(yīng)設(shè)有用于布置勵(lì)磁線圈引導(dǎo)線的小孔。
進(jìn)一步，所述連桿本體的徑向截面呈圓形、橢圓形或多邊形。
進(jìn)一步，所述磁流變脂流道的徑向截面呈圓形或橢圓形。
進(jìn)一步，所述連桿本體采用金屬材料或塑料制成。
本發(fā)明還提出了一種高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，包括末端抓手、至少兩根如上所述的機(jī)械臂連桿和用于對(duì)設(shè)置在所述機(jī)械臂連桿內(nèi)的勵(lì)磁線圈供電的電源裝置，相連兩根所述機(jī)械臂連桿之間通過鉸接軸鉸接連接，且所述機(jī)械臂連桿與所述鉸接軸之間通過磁流變脂耦合，相鄰兩根所述機(jī)械臂連桿之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)所述機(jī)械臂連桿動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置，所述末端抓手安裝在位于端部的所述機(jī)械臂連桿上。
進(jìn)一步，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括控制器、安裝在兩根所述機(jī)械臂連桿之間的轉(zhuǎn)角傳感器、安裝在所述機(jī)械臂連桿上的轉(zhuǎn)速傳感器和應(yīng)力應(yīng)變傳感器，所述轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器和電源裝置均與所述控制器電連接。
本發(fā)明的有益效果在于: 本發(fā)明的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，通過在機(jī)械臂連桿內(nèi)填充磁流變脂和設(shè)置用于控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈，當(dāng)機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，通過機(jī)械臂連桿將此振動(dòng)傳遞到磁流變脂介質(zhì)中，通過改變勵(lì)磁磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而快速改變磁流變脂的阻尼，從而將振動(dòng)削弱，達(dá)到吸收振動(dòng)與緩和沖擊的作用；因此，本發(fā)明的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)與享有的機(jī)械臂系統(tǒng)相比，具有控制精度高、減振效果好、控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行快速靈活的優(yōu)點(diǎn)。
注:本文所述驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置與在公開號(hào)為CN102658553A的專利文獻(xiàn)中已經(jīng)公開的一種機(jī)器人臂振動(dòng)控制與精確定位裝置的結(jié)構(gòu)和原理相同。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明: 圖1為本發(fā)明高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為機(jī)械臂連桿的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖1所示，為本發(fā)明高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，包括末端抓手1、至少兩根的機(jī)械臂連桿2和用于對(duì)設(shè)置在機(jī)械臂連桿2內(nèi)的勵(lì)磁線圈7供電的電源裝置，相連兩根機(jī)械臂連桿2之間通過鉸接軸3鉸接連接，且機(jī)械臂連桿2與鉸接軸3之間通過磁流變脂耦合，相鄰兩根機(jī)械臂連桿2之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂連桿2動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置4，末端抓手I安裝在位于端部的機(jī)械臂連桿2上。本實(shí)施例的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)包括三根機(jī)械臂連桿2，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置4為兩個(gè)并設(shè)置在相鄰兩根機(jī)械臂連桿之間。如圖2所不，為本實(shí)施例的聞速聞精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿的結(jié)構(gòu)不意圖，該機(jī)械臂連桿2包括連桿本體，連桿本體內(nèi)設(shè)有中心通孔，中心通孔內(nèi)設(shè)有磁流變脂流道6，磁流變脂流道6內(nèi)填充有磁流變脂，且磁流變脂流道6外壁與中心通孔內(nèi)壁之間設(shè)有相互并聯(lián)并用于在磁流變脂流道6內(nèi)產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈7。本實(shí)施例的連桿本體內(nèi)并聯(lián)設(shè)有多個(gè)勵(lì)磁線圈7，通過對(duì)勵(lì)磁線圈7的電流的控制，能夠有效控制磁流變脂流道6內(nèi)的磁場(chǎng)分布，進(jìn)而控制磁流變脂的阻尼，達(dá)到吸收振動(dòng)與緩和沖擊的作用。進(jìn)一步，勵(lì)磁線圈7為采用銅線纏繞的單層勵(lì)磁線圈或多層勵(lì)磁線圈，本實(shí)施例的勵(lì)磁線圈7為采用銅線繞制的雙層勵(lì)磁線圈，能夠增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。優(yōu)選的，連桿本體上與勵(lì)磁線圈7對(duì)應(yīng)設(shè)有用于布置勵(lì)磁線圈引導(dǎo)線的小孔5，通過設(shè)置小孔5，便于勵(lì)磁線圈7引導(dǎo)線的布置。進(jìn)一步，連桿本體的徑向截面呈圓形、橢圓形或多邊形，本實(shí)施例的連桿本體的徑向截面為圓形，連桿本體采用金屬材料或塑料制成均可，如采用金屬鋁制作或采用有機(jī)玻璃制作，本實(shí)施例的連桿本體采用金屬鋁制成，具有較好的強(qiáng)度性能。磁流變脂流道6的徑向截面呈圓形或橢圓形，本實(shí)施例的磁流變脂流道6的徑向截面呈圓形，采用該結(jié)構(gòu)磁流變脂流道6，便于控制磁流變脂流道6內(nèi)的磁場(chǎng)分布。進(jìn)一步，本實(shí)施例的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括控制器、安裝在兩根機(jī)械臂連桿2之間的轉(zhuǎn)角傳感器8、安裝在機(jī)械臂連桿2上的轉(zhuǎn)速傳感器9和應(yīng)力應(yīng)變傳感器10，轉(zhuǎn)角傳感器8、轉(zhuǎn)速傳感器9、應(yīng)力應(yīng)變傳感器10和電源裝置均與控制器電連接。通過設(shè)置控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置4組合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)的主動(dòng)控制，達(dá)到控制精度高和響應(yīng)速度快的目的。本實(shí)施例的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，通過在機(jī)械臂連桿2內(nèi)填充磁流變脂和設(shè)置用于控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈7，當(dāng)機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，通過機(jī)械臂連桿2將此振動(dòng)傳遞到磁流變脂介質(zhì)中，通過改變勵(lì)磁磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而快速改變磁流變脂的阻尼，從而將振動(dòng)削弱，達(dá)到吸收振動(dòng)與緩和沖擊的作用；因此，本實(shí)施例的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)與享有的機(jī)械臂系統(tǒng)相比，具有控制精度高、減振效果好、控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單和運(yùn)行快速靈活的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)施例的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)的工作過程如下:
當(dāng)勵(lì)磁線圈7未通電時(shí)，無磁場(chǎng)作用于磁流變脂，柔性機(jī)械臂系統(tǒng)工作在快速定位階段；在驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置4作用下，機(jī)械臂連桿可以圍繞鉸接軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生平面內(nèi)的位移；同時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器8、轉(zhuǎn)角傳感器9和應(yīng)力應(yīng)變傳感器10將檢測(cè)信號(hào)傳給控制器，通過補(bǔ)償算法后調(diào)整末端抓手I運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的目標(biāo)位置，本過程動(dòng)作迅速，但可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)精確定位。當(dāng)勵(lì)磁線圈7通電時(shí)，產(chǎn)生的外加勵(lì)磁磁場(chǎng)作用于磁流變脂，柔性機(jī)械臂系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到機(jī)械臂連桿2內(nèi)部，磁流變脂在外加勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用下阻尼力迅速增大，同時(shí)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，將機(jī)器臂的振動(dòng)和沖擊控制在可以忽略不計(jì)范圍之內(nèi)，消除振動(dòng)對(duì)定位精度的影響；隨后通過調(diào)節(jié)外加勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小，利用磁流變脂伸縮特性控制磁流變脂的伸縮，實(shí)現(xiàn)精確定位，其精度可達(dá)微米量級(jí)；機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)速傳感器8、轉(zhuǎn)角傳感器9和應(yīng)力應(yīng)變傳感器10將檢測(cè)信號(hào)傳給控制器，通過補(bǔ)償算法后調(diào)整柔性機(jī)械臂的末端抓手I快速運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。
最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，其特征在于:包括連桿本體，所述連桿本體內(nèi)設(shè)有中心通孔，所述中心通孔內(nèi)設(shè)有磁流變脂流道，所述磁流變脂流道內(nèi)填充有磁流變脂，且所述磁流變脂流道外壁與所述中心通孔內(nèi)壁之間設(shè)有相互并聯(lián)并用于在所述磁流變脂流道內(nèi)產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，其特征在于:所述勵(lì)磁線圈為采用銅線纏繞的單層勵(lì)磁線圈或多層勵(lì)磁線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，其特征在于:所述連桿本體上與所述勵(lì)磁線圈對(duì)應(yīng)設(shè)有用于布置勵(lì)磁線圈引導(dǎo)線的小孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，其特征在于:所述連桿本體的徑向截面呈圓形、橢圓形或多邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，其特征在于:所述磁流變脂流道的徑向截面呈圓形或橢圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，其特征在于:所述連桿本體采用金屬材料或塑料制成。
7.一種高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于:包括末端抓手、至少兩根如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的機(jī)械臂連桿和用于對(duì)設(shè)置在所述機(jī)械臂連桿內(nèi)的勵(lì)磁線圈供電的電源裝置，相連兩根所述機(jī)械臂連桿之間通過鉸接軸鉸接連接，且所述機(jī)械臂連桿與所述鉸接軸之間通過磁流變脂耦合，相鄰兩根所述機(jī)械臂連桿之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)所述機(jī)械臂連桿動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置，所述末端抓手安裝在位于端部的所述機(jī)械臂連桿上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于:還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括控制器、安裝在兩根所述機(jī)械臂連桿之間的轉(zhuǎn)角傳感器、安裝在所述機(jī)械臂連桿上的轉(zhuǎn)速傳感器和應(yīng)力應(yīng)變傳感器，所述轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、應(yīng)力應(yīng)變傳感器和電源裝置均與所述控制器電連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速高精度磁流變脂柔性機(jī)械臂連桿，包括連桿本體，連桿本體內(nèi)設(shè)有中心通孔，中心通孔內(nèi)設(shè)有磁流變脂流道，磁流變脂流道內(nèi)填充有磁流變脂，且磁流變脂外壁與所述中心通孔內(nèi)壁之間設(shè)有相互并聯(lián)并用于在磁流變脂流道內(nèi)產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈。本發(fā)明還公開了一種高速高精度磁流變脂柔性多連桿機(jī)械臂系統(tǒng)，包括末端抓手、至少兩根如上所述的機(jī)械臂連桿和用于對(duì)設(shè)置在機(jī)械臂連桿內(nèi)的勵(lì)磁線圈供電的電源裝置，相連兩根機(jī)械臂連桿之間通過鉸接軸鉸接連接，且機(jī)械臂連桿與所述鉸接軸之間通過磁流變脂耦合，相鄰兩根機(jī)械臂連桿之間設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)所述機(jī)械臂連桿動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)可控裝置，末端抓手安裝在位于端部的所述機(jī)械臂連桿上。
文檔編號(hào)B25J18/00GK103192408SQ20131011476
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者何田國, 陳昭明, 王仲勛, 陳希, 朱曉強(qiáng), 徐澤宇, 林遠(yuǎn)長(zhǎng), 谷明信, 劉永福, 趙健 申請(qǐng)人:重慶綠色智能技術(shù)研究院