紧凑型电机—离合器耦合式磁流变柔顺关节及其耦合工作方法

本发明属于机器人柔顺执行机构及磁流变传动控制，具体涉及一种紧凑型电机—离合器耦合式磁流变柔顺关节，以及应用于该柔顺关节的电机—磁流变离合器耦合工作方法。

背景技术：

1、随着机器人及机电执行机构向高集成度、高功率密度和安全交互方向发展，关节执行单元除需要实现位置、速度和扭矩等基本运动输出外，还需要在外部冲击、负载突变或过载条件下具备一定的柔顺响应和传动保护能力。传统刚性传动关节通常由电机通过传动机构直接驱动负载，受到瞬态冲击时，冲击载荷容易沿传动链传递至电机及内部部件，不利于系统安全运行。

2、现有柔顺关节通常通过在主动驱动单元与负载之间设置弹性元件、阻尼元件或可控离合装置提高柔顺性。但主动驱动单元与柔顺传力单元相互独立设置时，容易造成轴向尺寸增加、传力链较长及结构复杂，不利于关节紧凑化设计，同时增加运动输出与柔顺扭矩调节的协调难度。

3、磁流变传力元件能够通过改变励磁电流调节磁流变材料的剪切传力能力，具有响应快、传递扭矩可调等特点。然而，其传递扭矩与励磁电流之间通常具有非线性关系，并受到温度、输入输出滑差、迟滞状态及实际输出扭矩偏差等因素影响。现有控制方式难以同时兼顾主动运动输出、精确扭矩调节以及冲击、脱锁和过载状态下的安全保护。因此，有必要设计一种结构紧凑、传力路径短，并能够实现电机驱动与磁流变柔顺传力协同控制的柔顺关节。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种紧凑型电机—离合器耦合式磁流变柔顺关节，以解决现有主动驱动单元与柔顺传力单元相互独立设置所导致的结构尺寸较大、传力链较长以及运动输出与柔顺扭矩调节难以协调的问题。本发明通过将中空无刷电机模块与磁流变离合器模块同轴集成，使输入轴贯穿中空转子并直接延伸至磁流变离合器内部，形成连续的同轴传力路径；同时利用磁流变介质剪切界面对电机输出扭矩进行可控传递，从而在紧凑结构内实现主动运动输出、可传递扭矩调节以及冲击或过载状态下的柔顺保护。

2、实现本发明的技术解决方案为：一种紧凑型电机—离合器耦合式磁流变柔顺关节，包括控制驱动模块、控制驱动模块外壳、中空无刷电机模块、电机—离合器复合外壳、磁流变离合器模块、输入轴、输出轴和柔顺关节引线接口。

3、控制驱动模块外壳固定在电机—离合器复合外壳的前端面，控制驱动模块设置于控制驱动模块外壳内；中空无刷电机模块与磁流变离合器模块沿同一轴线依次设置于电机—离合器复合外壳内；输入轴贯穿中空无刷电机模块的中空转子，并与中空转子周向固定连接；输入轴的离合器连接段直接延伸至磁流变离合器模块内部，并与磁流变离合器模块的主动传力部件周向固定连接；输出轴与磁流变离合器模块的从动传力部件连接；中空无刷电机模块的输出扭矩依次经输入轴、主动传力部件、磁流变介质剪切界面和从动传力部件传递至输出轴。

4、控制驱动模块用于生成中空无刷电机模块的电机驱动指令和磁流变离合器模块的励磁电流指令；中空无刷电机模块用于产生主动运动输出；磁流变离合器模块用于根据励磁电流调节输入轴与输出轴之间的可传递扭矩；柔顺关节引线接口设置在控制驱动模块外壳的前端面，用于引出电源线、通信线、电机相线、传感信号线或磁流变离合器励磁线。

5、本发明还提供一种应用于上述紧凑型电机—离合器耦合式磁流变柔顺关节的耦合工作方法，包括以下步骤：

6、步骤1、控制驱动模块接收目标运动指令和目标扭矩指令，并采集中空无刷电机模块在当前控制周期时的电机电流、输入转速、输出轴的输出转速和输出扭矩；转入步骤2。

7、步骤2、控制驱动模块根据和计算输入输出滑差：

8、，

9、其中，表示当前控制周期时的输入轴与输出轴之间的输入输出滑差。

10、并根据当前控制周期的关节输出扭矩和上一控制周期的关节输出扭矩计算输出扭矩变化量：

11、，

12、其中，表示相邻控制周期之间的输出扭矩变化量，转入步骤3。

13、步骤3、控制驱动模块将输入输出滑差、输出扭矩变化量以及关节输出扭矩分别与安全阈值进行比较：

14、当输出扭矩变化量达到或超过对应安全阈值时，判定关节处于冲击状态；

15、当输入输出滑差达到或超过对应安全阈值时，判定关节处于脱锁状态；

16、当电机电流、输出扭矩中的至少一项达到或超过对应安全阈值时，判定关节处于过载状态；

17、当检测到冲击状态、脱锁状态或过载状态中的至少一种时，控制驱动模块进入保护模式，降低磁流变离合器模块的励磁电流，并限制中空无刷电机模块的输出扭矩，随后返回步骤1，再次采集安全状态并进行保护判断；

18、当未检测到冲击状态、脱锁状态、过载状态，或保护模式下的各项状态参数恢复至预设安全范围时，转入步骤4。

19、步骤4、控制驱动模块根据外部传入的目标扭矩指令和输出扭矩，计算当前控制周期的输出扭矩误差：

20、，

21、控制驱动模块根据目标运动指令确定中空无刷电机模块的运动方向，并根据输出扭矩误差调整中空无刷电机模块的电机驱动指令。

22、中空无刷电机模块的中空转子按照上述电机驱动指令运动，通过与中空转子周向固定连接的输入轴带动磁流变离合器模块的主动盘片运动。

23、同时，将目标扭矩指令的幅值确定为磁流变离合器模块的目标传递扭矩：

24、，

25、转入步骤5。

26、步骤5、控制驱动模块根据步骤4确定的目标传递扭矩，调用励磁电流—传递扭矩非线性标定关系，反查得到磁流变离合器模块的初始励磁电流：

27、，

28、其中，f表示励磁电流—传递扭矩非线性标定关系，表示当前控制周期未进行运行状态补偿的初始励磁电流。

29、控制驱动模块将初始励磁电流发送至磁流变离合器模块的励磁线圈，使励磁线圈产生穿过盘片间隙的磁场。

30、盘片间隙内的磁流变粉体在上述磁场作用下产生可控剪切阻力，使主动盘片将输入轴的运动和扭矩传递至从动盘片，从动盘片通过传力套筒带动输出轴运动，从而建立中空无刷电机模块与输出轴之间的可控传力关系；转入步骤6。

31、步骤6、将初始励磁电流作为基准励磁电流，在磁流变离合器模块以初始励磁电流工作后，控制驱动模块采集磁流变离合器模块的工作温度，并重新采集输入转速和输出轴输出转速，以更新输入输出滑差，转入步骤7。

32、步骤7、重复步骤1~步骤6，对初始励磁电流进行补偿修正，确定励磁电流修正量；控制驱动模块将得到的初始励磁电流与励磁电流修正量叠加，得到当前控制周期的最终励磁电流指令：

33、，

34、当磁流变离合器模块的工作温度达到或超过预设温度阈值时，控制驱动模块降低磁流变离合器模块的最大允许励磁电流，并按照降低后的最大允许励磁电流对最终励磁电流指令进行限流。

35、将最终励磁电流指令发送至磁流变离合器模块，转入步骤8。

36、步骤8、磁流变离合器模块根据上述最终励磁电流指令调节主动盘片与从动盘片之间的可传递扭矩，并通过从动盘片、传力套筒和输出轴输出运动和扭矩。

37、完成当前工作周期后，返回步骤1，重新接收目标指令、获取关节运行状态并执行下一工作周期。

38、当下一工作周期检测到冲击状态、脱锁状态或过载状态时，按照步骤3进入保护模式；当关节运行参数恢复至预设安全范围后，恢复中空无刷电机模块的运动输出和磁流变离合器模块的可传递扭矩。

39、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

40、（1）中空无刷电机模块与磁流变离合器模块同轴集成，输入轴贯穿中空转子并直接与离合器主动传力部件连接，可缩短传力链，提高关节结构紧凑性与集成度。

41、（2）通过多盘片磁流变剪切传力结构及闭合磁路设计，在有限空间内增大有效剪切面积，实现可传递扭矩的连续调节。

42、（3）通过识别冲击、脱锁及过载状态，降低离合器励磁电流并限制电机输出，使输入轴与输出轴产生可控滑差，实现柔顺限矩与安全保护。

43、（4）能够在刚性传动、精密扭矩和安全滑移模式之间切换，兼顾运动输出、扭矩调节与安全柔顺需求。