技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种机器人关节。

背景技术

目前，机器人的转动关节驱动原理主要包括两类。一类是通过电 机驱动，通过齿轮、绳索、滑轮等传动，这类关节具有较好的刚性及 被动柔性，但是不具备主动柔性；另一类是通过流体驱动，这类关节 具有较好的主动柔性，但是刚性表现不足。然而，机器人尤其是机器 人灵巧手在进行抓、握操作时，一方面需要其根据抓、握对象的不同 保持足够的抓持力，并根据需要实时调整抓持力；另一方面又需要其 具有较好的主动柔性来保证其本质安全性，同时还要保证被抓、握对 象的安全性、舒适性。这就要求机器人仿人灵巧手需要同时具备刚性、 被动柔性、主动柔性三种特性。

发明内容

为了克服已有机器人关节的无法同时具备刚性、被动柔性、主动 柔性的不足，本发明提供一种同时具备刚性、被动柔性、主动柔性的 刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节，该关节位于机器 人的前杆和后杆的连接处，所述自适应机器人关节包括磁流变柔顺控 制器和磁控变刚度驱动器，

所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体、第一齿轮、第二齿轮和电 磁线圈，所述密封腔体内填充磁流变液，所述密封腔体内设置第一齿 轮和第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮啮合，所述第一齿轮的第一 齿轮轴、第二齿轮的第二齿轮轴均分别伸出所述密封腔体，所述密封 腔体的侧边安装用以改变密封腔体内磁场强度的电磁线圈，所述第一 齿轮轴固定安装在所述前杆的下部；

所述磁控变刚度驱动器包括电机、旋转磁铁摩擦片、离合器腔体、 弹簧、弹簧端摩擦片和离合器传动轴，所述电机固定安装在所述后杆 内，所述电机的输出轴上安装所述旋转磁铁摩擦片，所述旋转磁铁摩 擦片为具有调节磁场强度功能的旋转电磁铁，所述旋转磁铁摩擦片与 弹簧端摩擦片正对，所述弹簧端摩擦片与离合器传动轴一端连接，所 述离合器传动轴的中部安装在离合器腔体上，靠近弹簧端摩擦片侧的 离合器传动轴上套装弹簧，所述弹簧一端连接在离合器腔体内，所述 弹簧的另一端与弹簧端摩擦片连接；所述离合器传动轴的另一端安装 第一伞轮；

所述第二齿轮轴固定在所述后杆的上部，所述第二齿轮轴与所述 离合器传动轴呈相互垂直，所述第二齿轮轴上安装第二伞轮，所述第 二伞轮与所述第一伞轮啮合。

进一步，所述前杆的下部开有下凹槽，所述密封腔体的上部伸入 所述下凹槽内，所述电磁线圈位于下凹槽底部。

再进一步，所述后杆的上部开有上凹槽，所述电机位于所述上凹 槽的底部，所述离合器腔体位于上凹槽的中部，所述第二齿轮轴位于 所述上凹槽的上部。

更进一步，所述离合器腔体的下部设有开口朝下的圆柱形槽，所 述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片、弹簧端摩擦片大，所述旋 转磁铁摩擦片和弹簧端摩擦片大小相等，所述旋转磁铁摩擦片、弹簧 端摩擦片和弹簧依次位于所述圆柱形槽内。

本发明的有益效果主要表现在：同时具备刚性、被动柔性、主动 柔性的刚性驱动、柔顺调控。

附图说明

图1是刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节的结构图。

图2是自适应机器人关节弯曲工作状态示意图。

图3是磁流变柔顺控制器的结构示意图。

图4是磁控变刚度驱动器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节， 该关节位于机器人的前杆1和后杆2的连接处，所述自适应机器人关 节包括磁流变柔顺控制器和磁控变刚度驱动器，

所述磁流变柔顺控制器包括密封腔体3、第一齿轮4、第二齿轮5 和电磁线圈6，所述密封腔体3内填充磁流变液7，所述密封腔体1 内设置第一齿轮4和第二齿轮5，所述第一齿轮4和第二齿轮5啮合， 所述第一齿轮4的第一齿轮轴8、第二齿轮5的第二齿轮轴9均分别 伸出所述密封腔体，所述密封腔体3的侧边安装用以改变密封腔体内 磁场强度的电磁线圈6，所述第一齿轮轴8固定安装在所述前杆1的 下部；

所述磁控变刚度驱动器包括电机10、旋转磁铁摩擦片11、离合器 腔体12、弹簧13、弹簧端摩擦片14和离合器传动轴15，所述电机10 固定安装在所述后杆2内，所述电机10的输出轴上安装所述旋转磁铁 摩擦片11，所述旋转磁铁摩擦片11为具有调节磁场强度功能的旋转 电磁铁，所述旋转磁铁摩擦片11与弹簧端摩擦片12正对，所述弹簧 端摩擦片12与离合器传动轴15一端连接，所述离合器传动轴15的中 部安装在离合器腔体12上，靠近弹簧端摩擦片侧的离合器传动轴15 上套装弹簧13，所述弹簧13一端连接在离合器腔体12内，所述弹簧 13的另一端与弹簧端摩擦片14连接；所述离合器传动轴15的另一端 安装第一伞轮16；

所述第二齿轮轴9固定在所述后杆2的上部，所述第二齿轮轴9 与所述离合器传动轴15呈相互垂直，所述第二齿轮轴9上安装第二伞 轮17，所述第二伞轮17与所述第一伞轮16啮合。

进一步，所述前杆1的下部开有下凹槽，所述密封腔体3的上部 伸入所述下凹槽内，所述电磁线圈6位于下凹槽底部。

再进一步，所述后杆2的上部开有上凹槽，所述电机10位于所述 上凹槽的底部，所述离合器腔体12位于上凹槽的中部，所述第二齿轮 轴9位于所述上凹槽的上部。

更进一步，所述离合器腔体12的下部设有开口朝下的圆柱形槽， 所述圆柱形槽的内径比所述旋转磁铁摩擦片11、弹簧端摩擦片14大， 所述旋转磁铁摩擦片11和弹簧端摩擦片14大小相等，所述旋转磁铁 摩擦片11、弹簧端摩擦片14和弹簧13依次位于所述圆柱形槽内。

本实施例中，磁控变刚度驱动器由电机、弹簧、旋转磁铁摩擦片、 弹簧端摩擦片、离合器传动轴等组成，其中旋转磁铁摩擦片是一个旋 转电磁铁。当旋转磁铁摩擦片通电时，两摩擦片吸合，离合器可以传 递旋转运动；当旋转磁铁摩擦片断电时，两摩擦片在弹簧的作用下分 开，离合器失去传动作用；当调节旋转磁铁摩擦片的磁场强度，可以 实现两摩擦片之间的有差传动，从而实现对传动比和传动刚度的无极 调节。

磁流变柔顺控制器由密封腔体、第一齿轮、第二齿轮、第一齿轮 轴、第二齿轮轴、电磁线圈、磁流变液组成。磁流变液受到磁场作用 时会由液态向固态无极变化，磁场强度为零时磁流变液保持液态，磁 场强度足够大时磁流变液转变为固态。因此，当磁场强度为零时，柔 顺控制器具有零阻尼特性，为零阻尼传动部件；当磁场强度足够大时， 相互啮合的两个齿轮均被固定，柔顺控制器处于完全制动状态；改变 电磁线圈的电流，可以改变通过磁流变液的磁场强度，从而可以改变 磁流变液的粘度，获得需要的阻尼。

本实施例的刚性驱动、柔顺调控的自适应机器人关节由磁控变刚 度驱动器驱动，由第一伞轮、第二伞轮和磁流变柔顺控制器将电机的 旋转运动传递至前臂，使前臂做弯曲和伸直运动。运动控制策略分析 如下:

1)磁控离合器通电，摩擦片吸合，柔顺控制器的电磁线圈保持断 电，此时控制电机旋转，前臂开始做弯曲或者伸直运动。该运动过程 表现为刚性。

2)当运动到目标位姿后，降低磁控离合器的磁场强度，减小旋转 电磁铁的吸附力，从而减小两摩擦片之间的摩擦力，柔顺控制器通电， 磁流变液转变为胶态或固态，胶态或固态的磁流变液使前臂的位姿得 到保持。此时，可以通过控制电磁线圈的磁场强度使磁流变液达到需 要的粘稠度，从而使前臂得到需要的抓持力，抓持过程中还可以通过 改变电磁线圈的磁场强度来改变抓持力。该过程表现为主动柔性。

3)当运动到目标位姿后，通过磁流变液来保持位姿，此时可以通 过力反馈与相关补偿策略来协调控制磁控变刚度驱动器、柔顺控制器 的接触刚度、磁流变液阻尼、运动速度与运动方向，使前臂保持有效 的抓持姿势。该过程表现为被动柔性。