第 1 章 绪论
1.1 课题来源
本文基于智能材料磁流变液提出了一种新型的机器人柔顺关节，课题相关研究内容分别是国家自然科学基金青年项目“磁流变液柔顺关节固液界面预运动微动机理及其适应性刚度控制研究”（编号：51605434，起止日期：2017 年 1 月-2019 年 12 月）、NSFC-浙江省两化融合联合基金项目“面向低压电器制造业的机器人柔性装配关键技术与方法研究”（编号：U1509212，起止日期：2016 年 1 月-2019 年 12 月）的研究内容之一。
随着机器人技术的发展，机器人的应用范围已慢慢扩展到了生产、生活的很多方面。尤其是在工业生产方面，机械臂的应用已经随处可见，在一些无人车间里，已经完全没有了昔日人头攒动的景象，取而代之的是一台台关在“笼子”里或者无人车间里忙碌的机械臂，如图 1-1 所示。
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1.2国内外研究现状
1.2.1机器人柔顺关节实现方法 近些年，研究人员针对协作型机器人的应用需求，不断尝试从机器人本体的创新性设计出发，试图设计出具有本体柔顺性的机器人硬件平台，再辅以柔顺控制方法，从而获得具有本质安全性的协作机器人。通过坚持不懈的努力，研究人员相继提出了不少新型的可变刚度传动装置，并设计开发了很多行之有效的机器人柔顺关节。依据不同的标准可以将这些柔顺关节分成不同的类型，如根据电机数量可分为单电机驱动型柔顺关节和双电机驱动型柔顺关节，根据结构形式可分为串联结构柔顺关节和并联结构柔顺关节，
根据关节变刚度特性的作用形式不同还可将其分为主动柔顺关节和被动柔顺关节[14-16]。
本文根据柔顺关节变刚度特性产生方式的不同，将其分为弹性元件柔顺关节、磁场力柔顺关节、气动柔顺关节、智能材料柔顺关节。
1）弹性元件柔顺关节
弹性元件柔顺关节中，将螺旋弹簧、弹簧片或其他新型结构的弹性体作为弹性元件安装在关节内，借助杠杆原理、拮抗原理等作用行为为关节提供变刚度特性。针对这一类柔顺关节的研究工作已经比较深入，取得了不少研究成果。
杭州电子科技大学张亚平等人[17]提出了一种含有弹性环的机器人关节变刚度驱动器，如图 1-4 所示，输入/输出轴的连接处有 3 个扇形凸台，弹性环即安装在此凸台上，当输入轴转动时，会挤压弹性环产生变形，当变形量达到一定值时开始将转矩传递到输出轴上，通过选用不同弹性模量的弹性环可以设计出不同的刚度调节范围的机器人柔顺关节。
德国宇航中心 Wolf S 等人[18]设计的新型柔顺关节如图 1-5 所示，驱动电机具有较大的输出功率，通过谐波传动装置与负载相连，另一台具有较小输出功率的电机用于调节传动刚度，螺旋弹簧的预紧力将凸轮顶压在凸轮圆盘上，凸轮和凸轮圆盘用于扭矩的传递，刚度调节电机作用于弹簧基座滑块使其达到调节螺旋弹簧预紧力的目的，通过改变螺旋弹簧预紧力的大小可以改变凸轮与凸轮滑块所能传递扭矩的大小，进而达到变刚度传动的目的。
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第 2 章 面向柔顺关节的磁流变液流变模型
2.1 引言
磁流变液已普遍应用于离合器、联轴器、阻尼器等器件，利用磁流变液的可控流变特性使这些器件成为了可控智能器件，从而具备了更加优良的特性和先进的功能，得到了更广泛的应用。对这些智能器件进行控制时，首先需要建立有效的流变模型对磁流变液的流变过程进行准确的描述，研究人员利用 Bingham Plastic 模型、Herschel-Bulkley模型等模型对磁流变液流变特性进行描述，但是这些智能器件并不能直接应用于机器人柔顺关节，在设计面向机器人柔顺关节的磁流变器件时，需要充分考虑机器人的运动特点、作业要求等，而现有的流变模型均不能很好的适应这些需求，研究新的、更适合的磁流变液流变模型成为机器人磁流变液柔顺关节应用研究的重要基础。
磁流变液主要由软磁材料颗粒（一般为羟基铁粉）、载液、表面活性剂等构成，软磁材料颗粒均匀分散并悬浮在载液中。磁流变液在零磁场环境中，表现为牛顿流体，当在磁流变液所处环境中施加一定的磁场时，载液中的悬浮颗粒被磁化，形成一条条磁化颗粒链，沿着磁力线的方向生长，正是由于大量均匀分布的磁化颗粒链的作用，使得本身就具有一定黏度的磁流变液表现出黏度增加的特性，在一定范围内，这一变化过程近似线性且可逆。当磁场强度增大到一定程度时，此时的磁流变液近似发生了相变，呈现出类固态的特性，称之为黏塑性体。由于这一过程是连续的相变过程，响应速度在毫秒级别，因此在宏观上可表述为磁流变液可根据外加磁场而调整其黏度。
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2.2 面向机器人的磁流变主动柔顺关节
本文正是基于磁流变液的上述可控黏度特性，设计了一种机器人柔顺关节：将磁流变液填充于主、从动部件之间，主、从动部件之间并不直接联结，仅利用磁流变液的黏性在主、从动部件之间传递力矩，由电机输出作动力矩，通过填充有磁流变液的传动部件传输力矩驱动负载，通过电磁线圈提供外磁场来调节磁流变液的黏性，进而改变其传输力矩的能力，由于磁流变液黏塑性体的黏性是可以通过励磁电流主动调控的，因此这一传动过程表现出传动刚度主动可调，进而使该关节具备主动柔顺特性，结构示意图如图 2-1 所示。
将上述主动柔顺关节应用于机械臂时，一方面要对其传动位置进行精确的控制，另一方面要对其传输力矩的能力进行精确的控制，更重要的是要对其传动的刚度进行主动调控。要达到上述目标，就需要完成以下几个方面的工作：
一是建立适用于机器人柔顺关节的磁流变液流变模型，通过流变模型对磁流变液随磁感应强度变化而发生的流变过程进行描述；
二是建立磁流变液柔顺关节的动力学模型、运动学模型，并且定义其刚度；
三是研究出适合于该磁流变液柔顺关节的控制方法。
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第 3 章 磁流变液柔顺关节耦合器耦合模型 ·························· 43 3.1 引言 ···························· 43
3.2 磁流变液柔顺关节耦合器及其特征分析 ······················ 43
第 4 章 磁流变液柔顺关节柔顺控制方法 ······················· 65
4.1 引言 ··························· 65
4.2 面向磁流变液柔顺关节的主动柔顺双环控制策略 ·················· 65
第 5 章 磁流变液柔顺关节实验研究 ·························· 87
5.1 引言 ···························· 87
5.2 实验系统设计 ······························· 87
第 5 章 磁流变液柔顺关节实验研究
5.1 引言
在前面各章节，建立了磁流变液的全域剪切应力模型，面向机器人的协作应用和触力保持应用设计了基于磁流变液的机器人主动柔顺关节，并针对该关节的核心部件——磁流变液柔顺关节耦合器进行了深入的研究，分析了其结构特征、磁学特征和温漂特性，分别建立了其 I-B 模型、耦合刚度模型、力矩耦合模型、位置耦合模型，研究了针对该柔顺关节的柔顺控制方法，提出了一种面向磁流变液柔顺关节的主动柔顺双环控制策略，并提出在位置伺服控制环采用模糊自适应整定的 PID 控制算法作为位置控制器对自由空间目标位置进行跟踪控制，在力矩控制环采用带约束的 MPC 控制算法作为力矩控制器对约束空间目标力矩进行跟踪控制。
本章基于磁流变液柔顺关节设计方案制造了柔顺关节耦合器实验样机，并且搭建了实验平台，通过实验数据对相关模型参数进行了拟合，并对提出的控制算法那进行了实验验证。
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第 6 章 总结与展望
6.1 全文总结
针对刚度主动可调特性的柔性机器人的研发需求，本文提出了一种新型的机器人柔顺关节，该关节集成了智能材料磁流变液，将磁流变液作为传动部件的一个重要组成部分，利用其剪切传动效果实现位置和力矩的耦合。
充分分析关节型机械臂的工作特点和工作要求并结合磁流变液剪切传动特性，提出了磁流变液的全域剪切应力模型，该分段式全域模型对柔顺关节的研究提供了重要基础。对该模型进行了仿真，仿真结果表明该模型符合磁流变液剪切传动的特性。
提出了一种基于磁流变液剪切传动的机器人柔顺关节，磁流变液柔顺关节耦合器是该关节中的主动柔顺机构，对其磁学特征、温漂特性进行了详细的论述，建立了其电流与磁感应强度之间的解析式，即 I-B 模型。提出了耦合刚度，利用耦合刚度对磁流变液柔顺关节的传动刚度进行了定义，并基于 I-B 模型建立了耦合刚度模型的解析式，为机器人柔顺关节及基于此关节的柔性机械臂的变刚度控制及刚度约束提供了有效的途径。基于 I-B 模型分析了磁流变液柔顺关节耦合器的力矩耦合关系和位置耦合关系，给出了其力矩耦合模型和位置耦合模型。仿真分析结果表明该力矩耦合模型符合力矩耦合关系。 对磁流变液柔顺关节的不同应用场景进行了分析，并将其应用场景分为自由空间和约束空间两种情况，分别对其控制需求进行了分析，提出当磁流变液柔顺关节工作在自由空间时，其内部磁流变液处于同步传动阶段，当磁流变液柔顺关节工作在约束空间时，其内部磁流变液处于屈服阶段，通过主动调节耦合刚度进行传动刚度约束。针对磁流变液柔顺关节的柔顺控制需求，提出了一种主动柔顺双环控制策略，位置控制环进行目标位置的跟踪控制，力矩控制环进行基于耦合刚度约束的输出力矩控制，位置控制环和力矩控制环之间，利用阻抗模型式将位置变化变换成力矩约束修正量。采用模糊自适应整定 PID 控制算法进行耦合位置控制，并且提出采用带约束的模型预测控制算法进行耦合力矩的控制。对耦合力矩的控制进行了仿真，仿真结果表明带约束的模型预测控制算法符合力矩控制环的控制需求。
参考文献(略)