磁流變液振動(dòng)控制阻尼器在柔性機(jī)器人中的運(yùn)用

崔廣宇 馮 巖 鄒俊俊

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710014）

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磁流變液振動(dòng)控制阻尼器在柔性機(jī)器人中的運(yùn)用

崔廣宇 馮 巖 鄒俊俊

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710014）

摘 要：分析一種基于磁流變液的振動(dòng)控制阻尼器在對(duì)柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)振動(dòng)的半主動(dòng)控制，并將其與傳統(tǒng)的主動(dòng)控制及動(dòng)態(tài)吸震器等方法相比，發(fā)現(xiàn)其具有在磁場(chǎng)作用下磁流變液固液相轉(zhuǎn)換快速、連續(xù)、可逆性能強(qiáng)，能夠根據(jù)振動(dòng)情況快速、連續(xù)、可逆地調(diào)整阻尼力的特點(diǎn)。進(jìn)行仿真分析與實(shí)驗(yàn)分析后，表明該阻尼器控制方法不但不會(huì)產(chǎn)生額外的振動(dòng)，同時(shí)體積小、環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，且因其材料的原因，其內(nèi)部提供的阻尼力連續(xù)可調(diào)、調(diào)整范圍較大，具有較好的操作穩(wěn)定性，在快速、柔性機(jī)器人振動(dòng)控制中具有良好的技術(shù)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：變液振動(dòng) 機(jī)器人 控制

1 傳統(tǒng)柔性機(jī)器人振動(dòng)控制方法

傳統(tǒng)的機(jī)器振動(dòng)控制系統(tǒng)主要可分為主動(dòng)振動(dòng)控制、被動(dòng)振動(dòng)控制和半主動(dòng)振動(dòng)控制。主動(dòng)控制根據(jù)檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器向機(jī)械結(jié)構(gòu)施加一定的影響，從而抑制或消除振動(dòng)。被動(dòng)振動(dòng)控制就是由彈簧、質(zhì)子和阻尼器等零件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來吸收、耗散頻段內(nèi)模態(tài)的應(yīng)變能。而半主動(dòng)控制是根據(jù)不同振動(dòng)情況隨時(shí)調(diào)整改變預(yù)先設(shè)置的被動(dòng)吸振器中阻尼器或相應(yīng)彈簧的特征參數(shù)，從而獲得相對(duì)良好的工作環(huán)境，減少振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。半主動(dòng)控制保留了主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，且其能量耗費(fèi)和系統(tǒng)構(gòu)件復(fù)雜度也并未增加。

2 磁流變液振動(dòng)控制阻尼器的控制方法與動(dòng)力學(xué)模型

磁流變液振動(dòng)控制阻尼器控制是在系統(tǒng)內(nèi)部通電的情況下，隨著阻尼器內(nèi)部磁場(chǎng)的大小、有無等變化，磁流變液阻尼系數(shù)也隨之改變的控制方法。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過程中，內(nèi)圈轉(zhuǎn)子剪切磁流變液，從而產(chǎn)生阻尼力，其大小受磁流變液材料及配比的影響。當(dāng)機(jī)器能夠作用于磁流變液的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大時(shí)，磁流變液的屈服應(yīng)力也將增大，直至兩者同時(shí)達(dá)到最大。該阻尼器控制方法不但不會(huì)產(chǎn)生額外的振動(dòng)，同時(shí)體積小、環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，且因其材料的原因，其內(nèi)部提供的阻尼力連續(xù)可調(diào)、調(diào)整范圍較大，具有較好的操作穩(wěn)定性。

2.1 磁流變液阻尼器的結(jié)構(gòu)和原理

磁流變液是一種新型智能材料，將主動(dòng)控制中融入被動(dòng)控制的元素。當(dāng)系統(tǒng)通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁流變液的流變學(xué)特性（如表觀粘度、阻尼力）將隨磁場(chǎng)改變發(fā)生變化，其狀態(tài)有牛頓流體狀態(tài)、半固體甚至固體狀態(tài)。這一轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)了快速、連續(xù)、可逆的力傳遞，但沒有直接的機(jī)械接觸。因?yàn)槠渲械囊后w存在，它在運(yùn)行中不但不會(huì)再次產(chǎn)生振動(dòng)，而且能夠吸收部分振動(dòng)。磁流變液振動(dòng)控制阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。線圈未通電時(shí)，殼體內(nèi)的磁流變液處于牛頓流體狀態(tài)，其性能有線性函數(shù)關(guān)系。這時(shí)軸可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，磁流變液的阻尼力影響幾乎為零。當(dāng)線圈施加電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)的作用使得轉(zhuǎn)子與殼體工作間隙中的磁流變液產(chǎn)生力的效應(yīng)而粘度變大，從而阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型

假設(shè)磁流變液不能壓縮其本構(gòu)模型為賓漢模型，磁流變液在轉(zhuǎn)子和殼體間的工作間隙內(nèi)為可流動(dòng)薄片狀，則阻尼器動(dòng)力學(xué)模型為：

圖1 磁流變液振動(dòng)控制阻尼器結(jié)構(gòu)

總的輸出力矩由剪切磁流變液屈服應(yīng)力力矩TM、磁流變液動(dòng)力粘度力矩TV及裝置中摩擦力力矩Tf三項(xiàng)內(nèi)容相加組成。其中，摩擦力矩是一個(gè)常量，可看作系統(tǒng)誤差。所以，計(jì)算輸出力矩的關(guān)鍵是得到屈服力矩及動(dòng)力粘度力矩兩項(xiàng)內(nèi)容。如圖2所示，阻尼器工作間隙磁流變液剪切模型在忽摩力矩Tf后，得到磁流變液剪切力矩。

圖2 阻尼器工作間隙磁流變液剪切模型

這里，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，h為磁流變液的厚度，τy（B）為磁流變液的屈服應(yīng)力（磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈指數(shù)關(guān)系），μ 和m為通過實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)。

通過有限元分析軟件，可得磁流變液阻尼器電磁場(chǎng)分布。阻尼器總輸出力矩與系統(tǒng)不可控力矩比，即為阻尼器動(dòng)態(tài)輸出的范圍：

3 磁流變液振動(dòng)控制阻尼器控制方法性能分析

圖3 防化移動(dòng)機(jī)器人3自由度機(jī)械臂

圖4 肩關(guān)節(jié)的振動(dòng)模型

制造磁流變液阻尼器原型，并將其安裝于防化移動(dòng)機(jī)器人3自由度機(jī)械臂上（見圖3），模型如圖4所示，可得肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可以用下式表示：

其中，J為部件的慣量，C為粘性阻尼系數(shù)，K為扭轉(zhuǎn)剛度，To為阻尼力矩，ωn為固有頻率，ξ為阻尼比。

解單自由度系統(tǒng)二階微分方程如下：

式（10）為機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)系統(tǒng)自由振動(dòng)響應(yīng)，包括粘性阻尼力矩的振動(dòng)衰減與由磁流變液阻尼器對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的影響兩部分。隨著施加電流改變，磁流變液阻尼器中的阻尼力矩隨之產(chǎn)生改變，從而使系統(tǒng)振動(dòng)得到有效控制。進(jìn)行沒有增加磁流變液系統(tǒng)控制器振動(dòng)與有磁流變液系統(tǒng)控制器后，如圖5所示。從兩種效果的比較可以看出，使用磁流變液阻尼器對(duì)機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)進(jìn)行控制后，機(jī)械臂系統(tǒng)振動(dòng)衰減比控制前要快得多。磁流變液阻尼器輸出力矩包括剪切力矩和粘滯性力矩兩種，其中剪切力矩通過電機(jī)控制，粘滯性力矩通過感應(yīng)磁場(chǎng)控制，因此其輸出力矩的動(dòng)態(tài)范圍很大。而兩者都是用電力進(jìn)行力的控制，不需要增加中間力傳遞機(jī)構(gòu)，降低了機(jī)械系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。

圖5 肩關(guān)節(jié)振動(dòng)衰減情況

4 總結(jié)

磁流變液振動(dòng)控制阻尼器控制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)衰減，在磁流變液阻尼器作用下產(chǎn)生的屈服應(yīng)力具有連續(xù)可調(diào)、調(diào)整范圍較大、操作穩(wěn)定等特征。系統(tǒng)間接控制了通過剪切磁場(chǎng)的磁流變液輸出的被動(dòng)力矩，也具備了連續(xù)可調(diào)、調(diào)整范圍較大、操作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)結(jié)果說明了在柔性機(jī)器人振動(dòng)控制中添加磁流變液阻尼器結(jié)構(gòu)的合理性、理論分析的正確性及半主動(dòng)控制方法的有效性?？梢灶A(yù)計(jì)，基于磁流變液阻尼器組成的控制振動(dòng)方法將在機(jī)械振動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其是在柔性機(jī)器人振動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］戴金橋，王愛民，宋愛國(guó).基于磁流變液的柔性機(jī)器人振動(dòng)控制阻尼器［J］.機(jī)器人，2010，（3）：358-362.

［2］陳煒，余躍慶，張緒平，等.欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人的振動(dòng)可控性分析［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，（4）：391-398.

Application of MR Fluid Vibration Control Damper in Flexible Robot

CUI Guangyu，F(xiàn)ENG Yan，ZOU Junjun
（Xi'an Institute of Railway Technology， Xi'an 710014）

Abstract:Based on a vibration based on magnetorheological fluid damper control in on the vibration of the flexible robot joint of semi active control are analyzed， and the traditional active control and dynamic ceiling shock absorber etc. compared with under the action of magnetic field in the magnetic rheological liquid phase conversion is continuous， rapid， reversible performance is strong， can according to the vibration rapid， continuous and reversible adjust damping force. After the simulation analysis and experimental analysis shows that the damper control not only produce additional vibration， at the s ame time， small volume， to adapt to the environm ent ability is strong， because of its material，it provides the damping force of continuous adjustment， adjustment range is large and has good stability， has a good application prospect of technology in fast， vibration control of flexible robot.

Key words:fluid vibration， robot， control