基于磁流變液的機器人柔順關節(jié)設計與實驗研究.pdf

1、針對現(xiàn)有剛性機器人在柔順性和安全性方面存在不足，而軟體機器人在準確性方面存在不足的問題，研發(fā)一種兼具剛性和柔性的關節(jié)結(jié)構(gòu)具有重要意義。磁流變液是一種在磁場環(huán)境中具有相變特性的智能材料。當磁場強度為零時表現(xiàn)為液態(tài)，當磁場強度足夠大時轉(zhuǎn)變?yōu)槟虘B(tài)，其相變過程連續(xù)可控、可逆、頻響高。本文設計一種基于磁流變液的機器人柔順關節(jié)，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)基于磁流變技術提出一種新型機器人柔順關節(jié)原理。在傳統(tǒng)的機器人關節(jié)剛性結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌入磁流

2、變液傳動機構(gòu)，使其成為一種兼具剛性和柔性的關節(jié)結(jié)構(gòu)。從而既能保持操作的精確性，又具有足夠的柔順性和安全性。
　　(2)設計了一種磁流變液傳動裝置，利用電磁仿真軟件MAXWELL對該裝置的工作間隙大小和線圈安匝數(shù)進行有限元仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果得到最優(yōu)參數(shù)以加工樣機。模型最優(yōu)的參數(shù)為:2mm的工作間隙和300匝的勵磁線圈。另外，設計了磁流變液柔順關節(jié)整體結(jié)構(gòu)。
　　(3)建立了兼顧宏觀特性和微觀行為的機器人柔順關節(jié)可變剛度模型

3、。分析磁流變液傳動中控制電流與傳遞扭矩/轉(zhuǎn)角的對應關系，建立運動學模型，并利用MATLAB對理論模型進行驗證。仿真結(jié)果表明:關節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩隨著線圈電流的增大而近似線性增大;在相同時間內(nèi)，當輸入電流越大，轉(zhuǎn)動角度越大，而且當工作時間增加后，轉(zhuǎn)動角度的增幅增大。
　　(4)研究磁流變液柔順關節(jié)的控制機理，選用模糊邏輯控制作為柔順關節(jié)的控制方法，制定柔順關節(jié)控制規(guī)則，設計適用于磁流變液柔順關節(jié)的模糊控制器。
　　(5)加工磁流變液柔

4、順關節(jié)樣機，搭建磁流變液柔順關節(jié)傳動性能測試實驗臺，并進行磁流變液傳動裝置的扭矩輸出測試實驗和被動桿的轉(zhuǎn)角輸出測試及力輸出測試實驗。實驗結(jié)果表明磁流變液傳動裝置輸出的扭矩與線圈電流之間基本成線性關系，即磁流變液傳動裝置具有良好的線性度，能有效保證關節(jié)操作的準確性。從被動桿實驗結(jié)果可以看出該裝置響應時間很短，可以達到200ms以內(nèi)，能滿足關節(jié)操作的實時性要求。
　　本文設計并加工制作的第一代磁流變液柔順關節(jié)樣機，外部尺寸為:長120