王文東, 孫銅森, 袁小慶, 李金哲, 明杏

(西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安 710072)

在人機(jī)交互領(lǐng)域，當(dāng)機(jī)器人需要與未知環(huán)境交互時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性傳動(dòng)存在很大的安全隱患。安全性是人機(jī)協(xié)作完成任務(wù)的重要保障。趙京等[1]通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外人機(jī)交互研究現(xiàn)狀，指出了機(jī)器人安全性的研究正向著剛?cè)峄旌弦惑w化機(jī)構(gòu)、準(zhǔn)確快速的環(huán)境判斷、良好的柔順控制的方向發(fā)展。機(jī)械系統(tǒng)的安全性是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)保證的。當(dāng)人與機(jī)器人發(fā)生意外碰撞，控制系統(tǒng)失靈時(shí)，設(shè)計(jì)柔順性機(jī)械臂，可通過(guò)降低動(dòng)能和慣性來(lái)減小沖擊力[2]。但是不能一味地降低機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度，否則會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，比如機(jī)器人則會(huì)變得不穩(wěn)定，無(wú)法達(dá)到期望的精度，動(dòng)態(tài)性能變差。

生物學(xué)表明，人類(lèi)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)通過(guò)骨骼肌肉系統(tǒng)完成，當(dāng)面臨突發(fā)碰撞和復(fù)雜工況時(shí)，骨骼肌肉系統(tǒng)能表現(xiàn)出很好的變剛度能力來(lái)保護(hù)人體。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)變剛度柔性驅(qū)動(dòng)器或柔性關(guān)節(jié)等已做了諸多研究，也取得了一定的成果。Furnémont團(tuán)隊(duì)[3]設(shè)計(jì)的 MACCEPA，通過(guò)調(diào)節(jié)彈性元件的預(yù)張力來(lái)調(diào)節(jié)剛度，但是改變剛度需要克服彈性元件偏轉(zhuǎn)所引起的力，能量有損耗，并且引入的彈性元件會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器的帶寬，所能實(shí)現(xiàn)的變剛度范圍較小。如Jafari等[4]設(shè)計(jì)的ASAW-Ⅱ和Mathijssen等[5]設(shè)計(jì)的自閉合串并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器SPEA等，雖然可實(shí)現(xiàn)大范圍的變剛度能力，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大等問(wèn)題。武漢大學(xué)的孫建濤等[6]利用杠桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了緊湊型變剛度驅(qū)動(dòng)器SVSA，結(jié)構(gòu)緊湊，能實(shí)現(xiàn)大范圍剛度能力，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)仍然較為復(fù)雜。

本文利用磁流變液的磁流變特性，以磁流變液作為傳動(dòng)介質(zhì)，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制的模塊化變剛度關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)器，在外接負(fù)載變化的情況下，實(shí)時(shí)地改變驅(qū)動(dòng)器的輸出剛度，即可有效解決上述問(wèn)題。所設(shè)計(jì)柔性驅(qū)動(dòng)器主要工作于磁流變液的剪切模式下。分析了磁流變液的工作間隙以及工作區(qū)域?qū)︱?qū)動(dòng)性能的影響，完成了驅(qū)動(dòng)器性能的仿真，最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器的變剛度效果。

1 磁流變液柔性驅(qū)動(dòng)器原理

本文的磁流變液驅(qū)動(dòng)器是基于磁流變液的剪切模型設(shè)計(jì)的，剪切力矩與磁流變液的黏度有關(guān)。主動(dòng)摩擦片和轉(zhuǎn)軸固連在一起，當(dāng)電機(jī)以轉(zhuǎn)速ω工作時(shí)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸與主動(dòng)摩擦片旋轉(zhuǎn)。線圈未通電時(shí)，磁流變液呈現(xiàn)出可以自由流動(dòng)的牛頓流體特性，此時(shí)剪切力矩非常小，驅(qū)動(dòng)器幾乎處于不工作的狀態(tài)，剛度很小。當(dāng)線圈通電時(shí)，磁流變液組成中的磁性粒子部分在外加磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生了流變效應(yīng)，其剪切屈服強(qiáng)度迅速增大，此時(shí)若轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)摩擦片旋轉(zhuǎn)時(shí)受到阻力，由此帶動(dòng)從動(dòng)摩擦片和大隔圈，進(jìn)而帶動(dòng)輸出端外殼輸出相應(yīng)扭矩。隨著電流的增加，液體的黏度隨之增大，直至到達(dá)臨界點(diǎn)表現(xiàn)出固體具有的特性，剪切力矩也隨之增大。通過(guò)改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)而改變磁流變液流體狀態(tài)，使磁流變液的剪切屈服應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了變剛度功能。其中，由勵(lì)磁線圈生成磁場(chǎng)，通過(guò)改變線圈的通電電流大小改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

2 磁流變液驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)MR驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)傳動(dòng)裝置時(shí)，為了提高驅(qū)動(dòng)力矩，采用了多片傳動(dòng)裝置(主動(dòng)摩擦片數(shù)為10、從動(dòng)摩擦片數(shù)為9)，加上兩側(cè)的封閉端蓋，剪切面積約為單盤(pán)式的20倍。主、從動(dòng)摩擦片分別由主、從動(dòng)隔環(huán)隔開(kāi)，形成一定寬度的工作間隙，磁流變液被灌在工作間隙之中，并通過(guò)密封裝置防止其泄露。本文中工作間隙選擇為0.75 mm，由仿真結(jié)果可知，能夠滿足驅(qū)動(dòng)力矩要求。

圖1為磁流變液驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理圖。輸入端包括輸入軸、主動(dòng)摩擦片和主動(dòng)隔環(huán)，輸入軸由電機(jī)帶動(dòng)，主動(dòng)摩擦片和隔環(huán)通過(guò)花鍵與輸入軸相連。輸出端包括從動(dòng)摩擦片、從動(dòng)隔環(huán)、大隔圈和外殼，從動(dòng)摩擦片和隔環(huán)通過(guò)花鍵與大隔圈固連在一起，外殼與大隔圈通過(guò)多個(gè)螺栓接合。磁流變液通過(guò)注入孔注入工作間隙之中。用于建立磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈則放置在線圈骨架與外殼建立的空腔之中。

圖1 磁流變液驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理圖

MR驅(qū)動(dòng)器的磁路設(shè)計(jì)至關(guān)重要，磁感應(yīng)線從左側(cè)外殼、磁流變液、主、從動(dòng)摩擦片、右側(cè)外殼和外殼上端這些部分穿過(guò)，形成閉合回路。為形成所要求的磁路，外殼和摩擦片材料均選擇導(dǎo)磁性較高的電工磁鐵DT4。其余部分如輸入軸、隔環(huán)、大隔圈選擇不導(dǎo)磁的奧氏體不銹鋼。

3 磁流變液驅(qū)動(dòng)器力學(xué)分析

為了表述驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流大小、MRF(magnetorheological fluids)的剪切強(qiáng)度等的關(guān)系，需要對(duì)本驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行力學(xué)建模與分析。通過(guò)磁流變液的流變特性可知，當(dāng)在外加磁場(chǎng)的作用下，剪切應(yīng)力和磁場(chǎng)強(qiáng)度呈非線性關(guān)系，MR流體的主要優(yōu)點(diǎn)在于其高動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。

驅(qū)動(dòng)器的工作區(qū)域?yàn)橹鲃?dòng)摩擦片外徑R2和從動(dòng)摩擦片外徑R1包圍的圓盤(pán)環(huán)狀區(qū)域。本文采用Bingham流體模型來(lái)表示磁流變液的本構(gòu)關(guān)系[7-8]。Bingham模型是最流行的MR流體模型,表達(dá)式簡(jiǎn)單,易于使用,只需較少的參數(shù),就能夠足夠精確地表示適中的剪切速率下的MR流體特性。

(1)

式中:τ0(B)是磁流變液在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的剪切屈服應(yīng)力,跟磁場(chǎng)強(qiáng)度H有關(guān);γ為MRF的剪切應(yīng)變率;η為零場(chǎng)黏度,在本模型中假設(shè)它為定值。

r為在R2與R1區(qū)域之間的任意磁流變液工作半徑,轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為ω,假設(shè)磁流變液工作在理想情況下,則工作間隙處的剪應(yīng)變率為

(2)

Δω/h是磁場(chǎng)方向的速度梯度,代入(1)式可得

(3)

由磁流變液的工作區(qū)域圖可知,在任取一半徑為r的微圓環(huán),圓環(huán)處驅(qū)動(dòng)力矩為

dT=r×dF=r×τ×dS=r×τ×2πrdr

(4)

將(3)式代入(4)式得

(5)

故,單面摩擦片的驅(qū)動(dòng)力矩為

(6)

從(6)式可以看出,驅(qū)動(dòng)力矩由兩方面組成,一個(gè)為磁流變液在磁場(chǎng)作用下的磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的力矩T0,這部分力矩可以通過(guò)改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度而控制;另一部分為磁流變液本身的黏性產(chǎn)生的力矩Tγ,與其參數(shù)相關(guān),因此這部分力矩不可控。上述的驅(qū)動(dòng)力矩僅為單面摩擦片產(chǎn)生的力矩,為了增大輸出力矩,實(shí)際上整體結(jié)構(gòu)上有20個(gè)工作面,因此整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩的值為20 T。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體尺寸不大,卻大大增大了輸出力矩的值。

4 磁流變液驅(qū)動(dòng)器磁場(chǎng)分析

4.1 磁路分析

為了更好地進(jìn)行磁流變液變剛度驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì),對(duì)磁路進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計(jì),反映磁回路中磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布,觀察作用在磁流變液上磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此,本文采用Ansoft Maxwell對(duì)所設(shè)計(jì)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行磁場(chǎng)仿真。獲得勵(lì)磁線圈工作在3.0 A時(shí)的仿真結(jié)果,如圖2所示。

圖2 磁流變?nèi)嵝则?qū)動(dòng)器磁場(chǎng)與磁感線分布

隨著電流的增大,工作間隙處磁流變液上的磁感應(yīng)強(qiáng)度有明顯的增加。當(dāng)電流為3.0 A時(shí),磁流變液工作間處的磁感應(yīng)強(qiáng)度約在0.6～0.8 T之間。磁路中最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度大約為1.5 T,所以磁路中不存在磁飽和現(xiàn)象。根據(jù)磁感線的分布可知,磁感線全部垂直穿過(guò)磁流變液,符合磁路設(shè)計(jì)要求。

4.2 磁路磁阻

磁路是在安培環(huán)路定理和磁路歐姆定律的理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,由安培環(huán)路定理可得出磁場(chǎng)的強(qiáng)度與勵(lì)磁電流大小的關(guān)系;通過(guò)磁路歐姆定律可以驗(yàn)證磁通量與磁通勢(shì)的關(guān)系。

已知安培環(huán)路定律為

∮LH·dl=∑I

(7)

磁路歐姆定律為

(8)

式中:Φ為磁通,單位為Wb;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位為T(mén);μ為磁導(dǎo)率,單位為H/m;L為磁路等效長(zhǎng)度,單位為m;S為磁路橫截面積,單位為m2。

令磁阻Rm為

(9)

磁場(chǎng)強(qiáng)度B為

(10)

本文設(shè)計(jì)的磁流變液驅(qū)動(dòng)器的勵(lì)磁線圈通電后產(chǎn)生的磁路如圖3中虛線所示的區(qū)域,分別經(jīng)過(guò)左側(cè)外殼、磁流變液、主動(dòng)摩擦片、從動(dòng)摩擦片、右側(cè)外殼和外殼上端形成閉合回路。由于所選導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率,因此空氣處的漏磁通非常小,在計(jì)算時(shí)不予考慮。

圖3 磁流變液驅(qū)動(dòng)器磁路分布及磁阻計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖中,主、從動(dòng)隔環(huán)的厚度為L(zhǎng)1,磁流變液間隙的厚度為L(zhǎng)2,主、從動(dòng)摩擦片的厚度為L(zhǎng)3,殼體厚度為L(zhǎng)4,最外層線圈外殼的厚度為L(zhǎng)5;磁流變液的工作最小半徑為R1,最大半徑為R2,殼體外半徑為R3,從動(dòng)隔環(huán)的內(nèi)半徑為R4,從動(dòng)摩擦片外半徑為R5,大隔圈外半徑為R6,殼體內(nèi)半徑為R7,從動(dòng)摩擦片內(nèi)半徑為R8。

將所給的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別代入磁阻計(jì)算公式中,磁流變液的磁阻Rm1為

(11)

主動(dòng)摩擦片的磁阻Rm2為

(12)

從動(dòng)摩擦片的磁阻Rm3為

(13)

左右殼體的磁阻Rm4為

(14)

最外層線圈外殼的磁阻Rm5為

(15)

磁路的總磁阻Rm為

Rm=Rm1×20+Rm2×10+Rm3×9+Rm4×2+Rm5

(16)

式中:μ1為磁流變液的磁導(dǎo)率,值不定;μ2為所選的導(dǎo)磁材料——電工純鐵DT4的磁導(dǎo)率。μ1遠(yuǎn)比μ2小很多,查找資料可得μ2≥0.007 5 H/m。

5 磁流變液驅(qū)動(dòng)器的性能仿真分析

5.1 MR驅(qū)動(dòng)器仿真

為得到不同勵(lì)磁電流下柔性驅(qū)動(dòng)器輸出的最大扭矩值,分析變剛度效果,本文采用Matlab/Simulink對(duì)柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行建模與仿真。磁流變液選用LORD公司生產(chǎn)的MRF-132DG,其本構(gòu)關(guān)系經(jīng)過(guò)Matlab擬合可得

τ0(B)=-79.44B3+109.8B2+17.77B

(17)

建立如圖4所示的仿真模型。假設(shè)電機(jī)的角速度恒定,該模型以勵(lì)磁電流I為輸入,驅(qū)動(dòng)力矩T為輸出。其中(6)式的Δω以柔性驅(qū)動(dòng)器輸入與輸出為1 r/s的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度為準(zhǔn),故Δω=2π。η為磁流變液黏度,其剪切應(yīng)力與剪應(yīng)變率近似線性,所以取η為定值,計(jì)算可得η=0.112 Pa·s。

圖4 驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試仿真模型

勵(lì)磁電流與驅(qū)動(dòng)力矩仿真結(jié)果如圖5所示,輸出力矩隨著電流的增大而增大,并且呈非線性關(guān)系,具有變剛度能力。當(dāng)電流為1,2,3 A時(shí),輸出力矩分別為4.582,8.283,10.81 N·m。驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)輸出范圍是衡量變剛度效果的方式之一,為總驅(qū)動(dòng)力矩與不可控驅(qū)動(dòng)力矩之比K=(T0+Tγ):Tγ?？梢运愠霎?dāng)電流達(dá)到3 A時(shí),輸出剛度范圍為0.004 594～10.91 N·m,幾乎是從0到最大輸出力矩,輸出帶寬很大,能量損耗非常小。驅(qū)動(dòng)力矩調(diào)控也非常簡(jiǎn)單,調(diào)節(jié)電流即可改變動(dòng)態(tài)輸出范圍,控制更為方便,容易應(yīng)對(duì)沖擊力。

圖5 勵(lì)磁電流-驅(qū)動(dòng)力矩仿真結(jié)果

5.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能影響分析

為研究驅(qū)動(dòng)器工作間隙與工作區(qū)域半徑這兩項(xiàng)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩的影響,首先改變磁流變液工作間隙,并進(jìn)行仿真分析。取電流值為3,2,1 A,工作間隙0～3 mm,分析工作間隙的改變對(duì)磁流變液驅(qū)動(dòng)器輸出力矩的影響,如圖6所示。不同電流下,隨工作間隙增大,驅(qū)動(dòng)力矩都減小,但是電流越大,驅(qū)動(dòng)力矩減小的趨勢(shì)越小;當(dāng)工作間隙在0～0.75 mm之間時(shí),驅(qū)動(dòng)力矩急劇減小;當(dāng)工作間隙大于0.75 mm之后,驅(qū)動(dòng)力矩減小的趨勢(shì)慢慢變緩。當(dāng)工作間隙大于2.5 mm后,驅(qū)動(dòng)力矩改變非常微小?？紤]到加工成本與裝配的問(wèn)題以及工作間隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致磁流變液壽命降低的問(wèn)題,本文在設(shè)計(jì)時(shí)選取工作間隙的值為0.75 mm。

圖6 工作間隙-驅(qū)動(dòng)力矩仿真結(jié)果

另外,以工作區(qū)域半徑改變?yōu)檩斎雽?duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析。驅(qū)動(dòng)器工作區(qū)域半徑初始值為R2=20.5 mm,R1=12 mm。分別取R2=25.5 mm,R1=12 mm和R2=20.5 mm,R1=5 mm,仿真結(jié)果如圖7所示。增加R2的值或者減小R1的值都能使驅(qū)動(dòng)力矩變大,但是由于增加工作區(qū)域的外半徑R2時(shí),工作區(qū)域面積增加的更為明顯。因此改變R2的值對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩的性能影響更大。

圖7 工作區(qū)域半徑-驅(qū)動(dòng)力矩仿真結(jié)果

6 樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器的性能和變剛度的有效性，需要對(duì)制作好的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，搭建如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于實(shí)驗(yàn)需要測(cè)試柔性驅(qū)動(dòng)器不同勵(lì)磁電流下的最大輸出扭矩，所以需要扭矩測(cè)量工具。本文使用DG2-030AR數(shù)字扭矩扳手作為柔性驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩的測(cè)試工具。勵(lì)磁線圈采用直流穩(wěn)壓電源供電，雖然穩(wěn)壓電源自帶電流顯示，但是其精度較低，所以采用串聯(lián)萬(wàn)用表的方式檢測(cè)勵(lì)磁線圈電流。

輸出扭矩測(cè)試主要測(cè)試不同勵(lì)磁電流下，柔性驅(qū)動(dòng)器的輸出能力。受實(shí)驗(yàn)條件影響，本文只測(cè)試了勵(lì)磁電流以步長(zhǎng)為0.1 A從0.3～2.6 A的情況下，柔性驅(qū)動(dòng)器所對(duì)應(yīng)的最大輸出力矩。為了得到更為準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在每個(gè)勵(lì)磁電流的情況下，進(jìn)行多次測(cè)量，最后計(jì)算平均值作為當(dāng)前勵(lì)磁電流柔性驅(qū)動(dòng)器的最大輸出扭矩。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

最大輸出扭矩測(cè)量方法為：不斷增加測(cè)試負(fù)載，讀取輸入端與輸出端發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩值即為最大輸出扭矩。

將測(cè)試結(jié)果利用Matlab按照3次多項(xiàng)式擬合所測(cè)試的數(shù)據(jù)，然后繪制擬合曲線。與此同時(shí)，為了便于測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果之間的對(duì)比，繪制了磁流變?nèi)嵝则?qū)動(dòng)器勵(lì)磁電流與輸出扭矩之間的仿真與測(cè)試對(duì)比圖，如圖9所示。

圖9 仿真與測(cè)試對(duì)比

測(cè)試數(shù)據(jù)擬合出來(lái)的曲線存在一個(gè)很小的扭矩值，并且擬合曲線與仿真結(jié)果之間存在一定的差距。分析造成上述問(wèn)題的可能原因如下：

1) 數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)存在誤差。由于使用力矩扳手測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中無(wú)法保持絕對(duì)的勻速運(yùn)動(dòng)，施加力的方向有可能存在偏差。因此，這些操作都有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)測(cè)量存在波動(dòng)。

2) 擬合曲線并不嚴(yán)格通過(guò)原點(diǎn)，分析是由于柔性驅(qū)動(dòng)器存在初始阻力。因?yàn)榇帕髯円菏谴嬖诹銏?chǎng)黏度的，即使勵(lì)磁電流為零，磁流變液依舊會(huì)產(chǎn)生阻力。加工與裝配的誤差也會(huì)導(dǎo)致初始阻力的產(chǎn)生。相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的零件之間存在摩擦，尤其是動(dòng)密封處。

3) 柔性驅(qū)動(dòng)器在加工與裝配過(guò)程中存在一定的誤差，導(dǎo)致磁流變液工作空間的間隙發(fā)生變化，磁流變液所受到的外加磁場(chǎng)不能達(dá)到仿真的效果。另外可能是磁流變液在封裝的過(guò)程中未能保證磁流變液均勻分布在工作空間，以及柔性驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間未使用，導(dǎo)致內(nèi)部磁流變液發(fā)生沉降。

隨著勵(lì)磁電流的增加，本文所設(shè)計(jì)的磁流變?nèi)嵝则?qū)動(dòng)器的輸出能力也不斷增加。由圖10可知，當(dāng)勵(lì)磁電流為3 A時(shí)，柔性驅(qū)動(dòng)器所能夠輸出的扭矩趨近于8 N·m。由此可見(jiàn)，本文所設(shè)計(jì)的基于磁流變液的柔性驅(qū)動(dòng)器完全具備變剛度效果，而根據(jù)柔性驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)看，8 N·m的輸出能力能夠表明變剛度效果良好。

7 結(jié) 論

1)針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人關(guān)節(jié)存在的一些問(wèn)題，利用磁流變液在變化磁場(chǎng)下的磁流變效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種剛度可變可控的柔性關(guān)節(jié)。

2)建立了磁流變液柔性驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型，并采用Maxwell進(jìn)行了柔順關(guān)節(jié)的磁路仿真，驗(yàn)證表明磁路設(shè)計(jì)的合理性。

3)通過(guò)Simulink和Maxwell對(duì)柔性關(guān)節(jié)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型和電磁學(xué)模型的聯(lián)合仿真，重點(diǎn)分析了磁流變液工作區(qū)域和間隙參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能的影響，在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上得出了柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，并在最后搭建使用平臺(tái)驗(yàn)證了柔性驅(qū)動(dòng)器的性能。

結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的磁流變液柔順關(guān)節(jié)通過(guò)磁流變液的流變效應(yīng)解決了機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔順控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)剛度的主動(dòng)控制，柔性關(guān)節(jié)采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的方式，符合當(dāng)下機(jī)器人關(guān)節(jié)常用的關(guān)節(jié)傳動(dòng)形式，并且能夠吸收振動(dòng)或者沖擊帶來(lái)的能量,在機(jī)器人人機(jī)交互領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。