【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械臂，更具体的说是涉及一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节。
技术介绍
1、随着机器人使用场景不断向复杂化、多样化发展，例如工业设备维护、医疗手术、灾害救援等场景，作业任务环境越来狭小复杂，传统机器人的刚性结构难以在复杂狭小的非结构环境有效地完成作业任务，线驱柔性机器人以软质、高弹性的硅胶类、凝胶类高分子复合材料作为本体或部件，并使用绳索作为驱动器，具有良好的人-机-环境共融能力，在医疗手术、辅助康复、复杂/极端环境探测等领域展现了良好的应用前景。
2、但是，现有的线驱机器人，采用“柔性杆件+节盘+驱动绳索”结构驱动机械臂，虽然结构简单柔顺性强，但是存在刚度不足、负载能力小的问题；采用“离散式刚性连杆+驱动绳索”驱动机械臂，虽然通过刚性组件提升了机械臂的负载能力和运动精度，但是显著增加了系统复杂度，体积庞大，对复杂的非结构环境适应性较差。
3、因此，如何提供一种满足刚度和负载输出要求，同时又满足机械臂非结构化环境适应性要求的线驱关节是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，通过控制磁流变中心体、驱动绳索，并配合连杆结构使关节实现两个自由度类球面运动，满足刚度和负载输出要求。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术公开了一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，包括：基座、移动平台、磁流变中心体、线圈、连杆
4、所述磁流变中心体两端分别固定连接在所述基座上表面和所述移动平台下表面；
5、所述线圈设置在所述基座和所述移动平台上，所述线圈通电时在关节轴线方向上产生磁场，通过控制所述线圈电流大小调节磁场强度，改变所述磁流变中心体的力学性质；
6、所述连杆机构两端分别与设置在所述基座和所述移动平台上的连接部铰接，能够两自由度活动，所述连杆机构为弯曲状以避免在运动过程中与所述磁流变中心体之间产生干涉；
7、所述驱动绳索两端分别固定在所述基座和所述移动平台上，驱动所述移动平台两自由度类球面运动。
8、进一步的，所述磁流变中心体由弹性基体和磁性材料组成。
9、进一步的，所述连杆机构为uu连杆机构，通过uu连接件与所述连接部连接；所述连杆机构在关节的径向方向呈s型，轴向方向呈c型。
10、进一步的，所述驱动绳索包含有驱动机构，通过驱动机构调节绳索的移动量。
11、进一步的，所述驱动绳索分组设置，每组对称设置在所述磁流变中心体两侧，每组驱动绳索通过驱动机构调节大小相同但方向相反的移动量，使关节实现一个自由度的运动，所述驱动绳索至少设置两组。
12、进一步的，通过计算磁流变中心体变刚度模型和绳索变刚度模型，并耦合得到关节变刚度模型，从而得到不同磁场强度和关节弯曲角度的关节刚度值。
13、进一步的，根据绳索间距、绳索杨氏模量、关节弯曲角度基于虚功原理推导得到所述绳索变刚度模型，公式如下：
14、
15、式中，k1为绳索刚度，w为绳索间距，kcable为绳索杨氏模量，θ为关节弯曲角度
16、进一步的，根据所述磁流变中心体磁性颗粒的颗粒体积分数、颗粒直径、颗粒间距、相对磁导率、磁偶极矩建立磁偶极子模型，计算所述磁流变中心体的剪切模量δg，公式如下：
17、
18、式中，σ为剪应力，φ为颗粒体积分数，ε为应变，m为磁偶极矩，d为颗粒直径，μ0为真空磁导率，μ1为相对磁导率，r0为应变前颗粒间距。
19、将所述磁流变中心体简化为悬臂梁模型，并根据所述磁偶极子模型推导得到所述磁流变中心体变刚度模型，公式如下：
20、
21、式中，k2为磁流变中心体刚度，d为中心体直径，l为中心体长度，g0为剪切模量，υ为泊松比。
22、耦合得到的所述关节变刚度模型公式如下：
23、
24、式中，k为关节刚度。
25、进一步的，所述磁偶极矩由所述磁流变中心体的直径、相对磁导率、磁化率、真空磁导率以及所述磁流变中心体所在空间的磁场强度计算得到；所述磁场强度根据两个所述线圈的直径、电流大小、匝数以及线圈之间的距离计算得到，公式如下：
26、
27、式中χ为磁化率，h为磁场强度，计算公式如下：
28、
29、式中，h1、h2分别为两线圈磁场强度，r为线圈半径，n为线圈匝数，i为线圈电流，x为关节中轴线上任意一点位置，a为线圈至坐标原点距离。
30、进一步的，两个所述基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，能够通过设置在所述基座下表面和所述移动平台上表面的连接结构固定连接。
31、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，采用uu并联机构同磁流变弹性体所组成的刚柔耦合的驱动方式，可实现关节二自由度类球面纯滚动，保证了关节运动的柔顺性，满足了机械臂非结构化环境适应性要求。关节通过改变经过线圈的电流大小来改变生成磁场的磁场强度并最终改变磁流变中心体力学性质，解决了输出能力较差的问题，不同磁场强度小对应不同刚度，关节变刚度可控性强。采用模块化设计，可根据性能需要添加关节数目以增加柔性线驱机械臂长度与自由度，使机械臂有更好的环境适应性以及人机交互的安全性；通过模块化设计以及uu并联机构同磁流变弹性体所组成的刚柔耦合的驱动方式，解决了在纯柔性关节中高流动性磁流变弹性体导致的蠕变问题，以及低流动性磁流变弹性体刚度变化不明显的问题，同时满足了机械臂刚度负载和非结构化环境适应性要求。
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1.一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，包括：基座(1)、移动平台(2)、磁流变中心体(3)、线圈(4)、连杆机构(5)、驱动绳索(6)；
2.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述磁流变中心体(3)由弹性基体和磁性材料组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述连杆机构(5)为uu连杆机构，通过uu连接件(7)与所述连接部连接；所述连杆机构(5)在关节的径向方向呈S型，轴向方向呈C型。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述驱动绳索(6)包含有驱动机构，通过驱动机构调节绳索的移动量。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述驱动绳索(6)分组设置，每组对称设置在所述磁流变中心体(3)两侧，每组驱动绳索通过驱动机构调节大小相同但方向相反的移动量，使关节实现一个自由度的运动，所述驱动绳索(6)至少设置两组。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁致变
7.根据权利要求6所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，根据绳索间距、绳索杨氏模量、关节弯曲角度基于虚功原理推导得到所述绳索变刚度模型。
8.根据权利要求6所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，根据所述磁流变中心体(3)磁性颗粒的颗粒体积分数、颗粒直径、颗粒间距、相对磁导率、磁偶极矩建立磁偶极子模型，计算所述磁流变中心体(3)的剪切模量；将所述磁流变中心体(3)简化为悬臂梁模型，并根据所述磁偶极子模型推导得到所述磁流变中心体变刚度模型。
9.根据权利要求8所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述磁偶极矩由所述磁流变中心体(3)的直径、相对磁导率、磁化率、真空磁导率以及所述磁流变中心体(3)所在空间的磁场强度计算得到；所述磁场强度根据两个所述线圈(4)的直径、电流大小、匝数以及线圈之间的距离计算得到。
10.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，两个所述基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，能够通过设置在所述基座(1)下表面和所述移动平台(2)上表面的连接结构固定连接。
...【技术特征摘要】
1.一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，包括：基座(1)、移动平台(2)、磁流变中心体(3)、线圈(4)、连杆机构(5)、驱动绳索(6)；
2.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述磁流变中心体(3)由弹性基体和磁性材料组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述连杆机构(5)为uu连杆机构，通过uu连接件(7)与所述连接部连接；所述连杆机构(5)在关节的径向方向呈s型，轴向方向呈c型。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述驱动绳索(6)包含有驱动机构，通过驱动机构调节绳索的移动量。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，所述驱动绳索(6)分组设置，每组对称设置在所述磁流变中心体(3)两侧，每组驱动绳索通过驱动机构调节大小相同但方向相反的移动量，使关节实现一个自由度的运动，所述驱动绳索(6)至少设置两组。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁致变刚度的线驱动刚柔耦合关节，其特征在于，通过计算磁流变中心体变刚度模型和绳索变刚度模型，并耦合得到...
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