基于磁流变液的机器人柔顺关节设计与实验研究

摘要

针对现有刚性机器人在柔顺性和安全性方面存在不足，而软体机器人在准确性方面存在不足的问题，研发一种兼具刚性和柔性的关节结构具有重要意义。磁流变液是一种在磁场环境中具有相变特性的智能材料。当磁场强度为零时表现为液态，当磁场强度足够大时转变为凝固态，其相变过程连续可控、可逆、频响高。本文设计一种基于磁流变液的机器人柔顺关节，主要研究内容如下:
　　(1)基于磁流变技术提出一种新型机器人柔顺关节原理。在传统的机器人关节刚性结构内部嵌入磁流变液传动机构，使其成为一种兼具刚性和柔性的关节结构。从而既能保持操作的精确性，又具有足够的柔顺性和安全性。
　　(2)设计了一种磁流变液传动装置，利用电磁仿真软件MAXWELL对该装置的工作间隙大小和线圈安匝数进行有限元仿真分析。根据仿真结果得到最优参数以加工样机。模型最优的参数为:2mm的工作间隙和300匝的励磁线圈。另外，设计了磁流变液柔顺关节整体结构。
　　(3)建立了兼顾宏观特性和微观行为的机器人柔顺关节可变刚度模型。分析磁流变液传动中控制电流与传递扭矩/转角的对应关系，建立运动学模型，并利用MATLAB对理论模型进行验证。仿真结果表明:关节输出转矩随着线圈电流的增大而近似线性增大;在相同时间内，当输入电流越大，转动角度越大，而且当工作时间增加后，转动角度的增幅增大。
　　(4)研究磁流变液柔顺关节的控制机理，选用模糊逻辑控制作为柔顺关节的控制方法，制定柔顺关节控制规则，设计适用于磁流变液柔顺关节的模糊控制器。
　　(5)加工磁流变液柔顺关节样机，搭建磁流变液柔顺关节传动性能测试实验台，并进行磁流变液传动装置的扭矩输出测试实验和被动杆的转角输出测试及力输出测试实验。实验结果表明磁流变液传动装置输出的扭矩与线圈电流之间基本成线性关系，即磁流变液传动装置具有良好的线性度，能有效保证关节操作的准确性。从被动杆实验结果可以看出该装置响应时间很短，可以达到200ms以内，能满足关节操作的实时性要求。
　　本文设计并加工制作的第一代磁流变液柔顺关节样机，外部尺寸为:长120mm，宽125mm，高400mm;执行器的最大输出力为0.2N。该样机基本实现磁流变液柔顺关节的动力传递功能，对后续研究具有指导意义。

目录

声明

摘要

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景

1．3 国内外研究现状

1．3．1 磁流变液传动理论研究概况

1．3．2 国外磁流变液离合器类器件的研究现状

1．3．3 国内磁流变液离合器类器件的研究现状

1．4 课题主要研究内容

1．5 本章小结

2．1 引言

2．2 磁流变液流变特性

2．2．1 无外磁场时磁流变液的黏度

2．2．2 磁场对磁流变液黏度的影响

2．3 磁流变液传动理论

2．3．1 磁流变液传动的定义及原理

2．3．2 磁流变液传动的特点

2．3．3 磁流变液传动的失效形式

2．4 磁流变液传动装置结构设计基础

2．4．1 磁流变液的工作结构模式

2．4．2 磁流变液传动线圈的布置

2．5 磁流变液传动装置磁学设计基础

2．5．1 磁路设计准则和磁学方程

2．5．2 磁学原理

2．5．3 材料的选取原则

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 磁流变液传动装置结构设计

3．2．1 机械结构设计所需考虑的因素

3．2．2 传动装置机械设计

3．3 磁流变液传动装置磁路的有限元仿真

3．3．1 仿真基本参数

3．3．2 边界条件及载荷的施加

3．3．3 仿真结果与分析

3．4 柔顺关节整体结构设计

3．5 柔顺关节转角的运动学建模

3．5．1 柔顺关节可变刚度模型

3．5．2 柔顺关节传动系统

3．5．3 转角控制模型的建立

3．5．4 输出角度的时间响应分析

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 柔顺关节控制机理

4．3 模糊逻辑控制的理论基础

4．3．1 模糊逻辑控制理论的适用场合

4．3．2 模糊控制的基本思想

4．3．3 模糊控制系统的元素

4．4 柔顺关节模糊控制器的设计

4．4．1 模糊控制器结构的确定

4．4．2 建立模糊控制规则

4．4．3 确定模糊变量的赋值表

4．4．4 建立模糊控制表

4．4．5 计算模糊控制查询表

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 磁流变液柔顾关节样机与实验台搭建

5．2．1 磁流变液柔顺关节样机

5．2．2 实验台基本构成

5．2．3 主要设备及其技术参数

5．3 实验内容与结果分析

5．3．1 实验内容

5．3．2 实验结果及分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果