一种阻尼可调的机械臂柔性关节
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域，特别涉及一种阻尼可调的机械臂柔性关节。
背景技术
近年来，随着机器人技术的发展，应用高速度、高精度、高负载自重比的机器人结构受到工业和航空航天领域的关注。由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形从而使任务执行的精度降低。所以，机器人机械臂结构的柔性设计被广泛研究，但目前许多柔性关节设计都存在着弊端。因此一种可以实现更高精度和反馈补偿的柔性机械臂亟待出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻尼可调的机械臂柔性关节，利用磁流变液阻尼器阻尼大小可以迅速调控的特性，不仅可以实现普通阻尼器对机械臂振动的控制，还可以迅速调节阻尼大小实现反馈补偿，进一步极大提高机械臂的精度控制。
为了解决上述问题，本发明提供了一种阻尼可调的机械臂柔性关节，包括前臂、后臂和磁流变液阻尼器，所述前臂与所述后臂铰接，所述磁流变液阻尼器的两端分别与所述前臂和后臂铰接；当所述前臂受力时，所述前臂会产生相对于所述后臂的旋转运动，从而推动所述磁流变液阻尼器的活塞杆运动，所述活塞杆受到阻尼力的作用；
所述磁流变液阻尼器的活塞上设有加速度传感器，所述加速度传感器和所述磁流变液阻尼器的驱动线圈均与控制中心电连接，所述加速度传感器用于采集所述活塞相对于所述磁流变液阻尼器的缸体的加速度数据，并将此数据传到所述控制中心，所述控制中心用于控制所述驱动线圈的输入电流来改变磁场的大小，进而使得所述阻尼力发生变化，实现反馈补偿。
较佳地，所述前臂的下端通过转轴转动设置在所述后臂上。
较佳地，所述磁流变液阻尼器包括所述缸体以及分别密封设置在所述缸体的上下两端的上端盖和下端盖，所述下端盖与所述后臂转动连接；
所述活塞设置在所述缸体内，所述活塞与所述活塞杆固定连接，所述活塞杆穿过所述上端盖并与所述前臂转动连接。
较佳地，所述下端盖通过轴承一转动设置在所述后臂上，所述活塞杆通过轴承二与所述前臂转动连接。
较佳地，所述后臂上固定设置连接杆一，所述连接杆一上设有轴承一，所述轴承一的内圈固定套设在所述连接杆一上，外圈固定设置在轴承套一内，所述轴承套一与所述下端盖固定连接；
所述前臂上固定设置连接杆二，所述连接杆二上设有轴承二，所述轴承二的内圈固定套设在所述连接杆二上，外圈固定设置在轴承套二内，所述轴承套二与所述活塞杆固定连接。
较佳地，所述连接杆一的两端均设有螺纹，所述连接杆一两端的螺纹均通过螺纹紧固件紧固在所述后臂上；
所述连接杆二的两端均设有螺纹，所述连接杆二两端的螺纹均通过螺纹紧固件紧固在所述前臂上。
较佳地，所述上端盖和下端盖分别与所述缸体通过凸块插入凹槽的连接方式定位。
较佳地，所述上端盖和下端盖分别与所述缸体通过螺纹紧固件紧固连接。
较佳地，所述上端盖和下端盖分别与所述缸体之间通过O型密封圈密封。
较佳地，所述前臂和后臂均采用肋板式结构。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明提供的阻尼可调的机械臂柔性关节，利用磁流变液阻尼器阻尼大小可以迅速调控的特性，不仅可以实现普通阻尼器对机械臂振动的控制，还可以迅速调节阻尼大小实现反馈补偿，进一步极大提高机械臂的精度控制；
2、前臂和后臂均采用肋板式结构设计，可以在加大强度的同时，减轻手臂的质量；
3、磁流变液阻尼器的两端与前臂2和后臂1的连接处采用滚动轴承，它在整个机构运动时实现与之相协同的旋转运动，可以减小摩擦损耗、节能和提高使用寿命；
4、上下端盖与缸体的结合处采用凸块插入凹槽的连接方式连接，并用O型密封圈进行密封，进一步调高密封性能。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明的优选实施例提供的一种阻尼可调的机械臂柔性关节的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例提供的后臂的结构示意图；
图3为本发明的优选实施例提供的前臂的结构示意图；
图4为本发明的优选实施例提供的缸体的结构示意图；
图5为本发明的优选实施例提供的下端盖的结构示意图；
图6为本发明的优选实施例提供的上端盖的结构示意图；
图7为本发明的优选实施例提供的活塞与活塞杆的结构示意图；
图8为本发明的优选实施例提供的轴承套二的结构示意图；
图9为本发明的优选实施例提供的阻尼力的闭环控制系统的示意图。
具体实施方式
以下将结合图1至图9对本发明提供的一种阻尼可调的机械臂柔性关节进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1至图9，一种阻尼可调的机械臂柔性关节，包括前臂2、后臂1和磁流变液阻尼器3，所述前臂2与所述后臂1铰接，所述磁流变液阻尼器3的两端分别与所述前臂2和后臂1铰接。当所述前臂2受力时，所述前臂2会产生相对于所述后臂1的旋转运动，从而推动所述磁流变液阻尼器3的活塞杆35运动，所述活塞杆35受到阻尼力的作用；
所述磁流变液阻尼器3的活塞34上设有加速度传感器，所述加速度传感器和所述磁流变液阻尼器3的驱动线圈均与控制中心电连接，所述加速度传感器用于采集所述活塞34相对于所述磁流变液阻尼器3的缸体31的加速度数据，并将此数据传到所述控制中心，所述控制中心用于控制所述驱动线圈的输入电流来改变磁场的大小，进而使得所述阻尼力发生变化，实现反馈补偿。
在本实施例中，所述前臂2的下端通过转轴转动设置在所述后臂1上，具体的，所述前臂2和后臂1均采用肋板式结构，可以在加大强度的同时，减轻手臂的质量。如后臂1包括一底板一，所述底板一上间隔固设三个肋板一，肋板一沿底板一的长度方向上设置，且肋板一和底板一的端部平齐，三个肋板一在底板上形成两个条形凹槽。底板一和三个肋板一一体制成。
前臂2包括一肩部21和两臂部22，两臂部22平行设置在肩部21的同一侧，且其上端均与肩部21固定连接，所述臂部22包括一底板二，所述底板二的两侧分别设置一肋板二，肋板二沿底板二的长度方向设置，且肋板二和底板二的端部平齐。所述肩部21为短板结构，且肩部21和两臂部22一体制成。
两臂部22的下端分别插入前臂2的两个条形凹槽内，在对应位置，肋板一和肋板二上均设有通孔，转轴分别穿过肋板一和肋板二上通孔。转轴固定在肋板一的通孔内，转动设置在肋板二的通孔内；或转轴固定在肋板二的通孔内，转动设置在肋板一的通孔内。转轴可以是轴销。
在本实施例中，所述磁流变液阻尼器3为单出杆，即只有一个活塞杆35，活塞杆35与前臂2或后臂1连接，本实施例以活塞杆35与前臂2连接为例，所述磁流变液阻尼器3包括缸体31、上端盖33和下端盖32，缸体31的两端均无底，为筒状结构，所述上端盖33和下端盖32分别与所述缸体31通过凸块插入凹槽的连接方式连接，即凸起和凹槽分别设置在两个不同的构件上，当将这两个构件进行连接时，将凸块分别插入凹槽内即可，如所述上端盖33和下端盖32的内侧均设有若干凸块(331，321)，对应的，缸体31的两端分别设有若干凹槽311，若干凸块(331，321)分别插入若干凹槽311内。若凹槽设置在上端盖33和下端盖32的内侧，凸起设置在缸体31上也可以。所述上端盖33和下端盖32分别与所述缸体31的上下两端通过O型密封圈密封。所述上端盖33和下端盖32分别与所述缸体31的上下两端通过螺纹紧固件(如螺钉)紧固连接。所述下端盖32与所述后臂1转动连接。所述缸体31内设有活塞34，所述活塞34与活塞杆35固定连接；所述上端盖33上开设一可供活塞杆35穿过的通孔332，所述活塞杆35穿过此通孔332并与所述前臂2转动连接。
具体的，连接杆一6的两端均设有螺纹，所述连接杆一6两端的螺纹均通过螺纹紧固件(如螺母)紧固在所述后臂1上。所述连接杆一6上设有轴承一4，所述轴承一4的内圈固定套设在所述连接杆一6上，外圈固定设置在轴承套一5内，所述轴承套一5与所述下端盖32固定连接。
连接杆二7的两端均设有螺纹，所述连接杆二7两端的螺纹均通过螺纹紧固件(如螺母)紧固在所述前臂2的中上部。所述连接杆二7上设有轴承二，所述轴承二的内圈固定套设在所述连接杆二7上，外圈固定设置在轴承套二8内。轴承套二8的外壁上设置一内螺纹孔81，活塞杆35外端设有外螺纹，此外螺纹与内螺纹孔81螺纹连接。
磁流变液阻尼器3的两端与前臂2和后臂1的连接处采用滚动轴承，它在整个机构运动时实现与之相协同的旋转运动，可以减小摩擦损耗、节能和提高使用寿命。
当前臂2受到力的作用时，推动活塞杆35的运动，活塞杆35受到阻尼力的作用，起到减震和精确控制的效果；并且此时通过改变磁流变液阻尼器3的驱动线圈内电流大小，来改变磁场强度，从而实现其阻尼大小的动态控制，实现反馈补偿，从而进一步提高控制的精确度；对于活塞杆35、连接杆与机械臂的连接处的滚动轴承，它在整个结构运动时实现与之相协同的旋转运动。
如当所述前臂2受力时，会产生相对于所述后臂1的旋转运动，从而推动所述磁流变液阻尼器3的活塞杆35运动，此时所述磁流变液阻尼器3起到阻尼作用。在活塞杆35向下做压缩运动时，增大外界通入的电流，由于磁流体的特性，其阻尼力增大，产生反馈补偿作用；并且外界通入的电流大小随着其振幅的变化而变化，使之保持对应的可实现最优效果的阻尼力，从而实现更精确的减振控制和补偿效果。
在本实施例中，磁流变液阻尼器3的阻尼大小可以迅速调节，在实现控制振动的同时，实现反馈补偿，从而达到更加高精度的控制。具体的，在活塞34上设有加速度传感器，所述加速度传感器和磁流变液阻尼器3的驱动线圈均与一控制中心电连接，加速度传感器进行实时采集数据，此数据为活塞相对于缸体的加速度，加速度传感器并将此数据传到控制中心，控制中心在处理加速度传感器收到的信息后，自动算出最合理的电流竖直，并控制磁流变液阻尼器3的驱动线圈的输入电流来改变磁场的大小，进而使得磁流变液阻尼器3的阻尼力发生变化。
进一步的，请参考图9，本发明采用的反馈系统为阻尼力的闭环控制系统，此系统利用具体的PID控制算法根据振动反馈信息量进行偏差值计算，通过D/A转换器的输出参数控制驱动线圈电流，并在磁场的作用下，磁流变阻尼器的阻尼力发生变化，然后进一步通过加速度传感器来测量活塞相对于缸体的加速度，再通过A/D转换器把参数转化为电压值，并通过变送电路把电压量反馈到控制器进行参数的比较和处理，然后把处理结果输出到D/A转换器，由此形成闭环控制系统。
