[发明专利]一种基于超磁致伸缩材料的变刚度液压驱动机构及其变刚度调控方法

说明书

本发明公开了一种基于超磁致伸缩材料的变刚度液压驱动机构及其变刚度调控方法，包括有外壳、设置于外壳内的GMM棒、GMM棒驱动控制装置、液压装置和负载位移和受力反馈装置；所述的GMM棒驱动控制装置包括有电磁线圈与直流偏置线圈；该负载位移和受力反馈装置包括有位移传感器和力传感器；还包括有变刚度控制器，变刚度控制器接收位移传感器和力传感器的传感信号并计算出机械负载的刚度，该变刚度控制器根据负载的刚度，调节直流偏置线圈的输入电压，使得GMM棒通过液压装置输出给机械负载的驱动刚度与机械负载所反馈的刚度相匹配。本发明的优点是解决传统液压驱动机构中频响和传动效率问题。

技术领域

本发明属于液压驱动控制领域，具体是指一种基于超磁致伸缩材料的变刚度液压驱动机构。

背景技术

液压驱动是一种以油液为介质来传递机械运动的动力传输方法，具有传动功率大、低速、平稳、布置灵活等特点，在装备制造、汽车工业、航空航天、国防等领域有广泛应用。然而，受制于能量传递过程复杂、能量损耗大等因素的影响，传动效率低一直以来是制约其应用的基础性难题。此外，由于油液介质的启动性能差，频率响应低的特点，导致传统液压驱动机构整体响应速度慢，工作带宽低。如何提升液压传动机构的传动效率，并且在不影响机构输出性能的基础上提高其工作带宽，是目前液压驱动研究领域的热点问题之一。

提升液压工作压强，并将之与固态致动器进行融合，采用致动器直接驱动的工作方式，是提高传统液压驱动机构工作频率和传动效率的有效途径。图1所示为一个典型的用于精密定位控制的直驱式液压驱动机构示意图，其驱动过程基于帕斯卡原理实现。固态致动器以电流或者电压为驱动信号，直接将电能转化为机械能，大活塞受到致动器的推动而挤压油液运动，从而在小活塞端获得放大后的驱动位移信号。一般行程在数十或者数百微米范围，主要用于精密位移定位、精密流量控制或者振动控制等领域。常见的固态致动器包括电磁式伺服电机、压电陶瓷电机等。然而受制于驱动元件动力学特性、固-液相互融合工作模式等因素的影响，频率响应和传动效率等问题至今仍没有得到很好解决。伺服电机在大功率输出方面具有优势，然而在工作带宽、定位精度等指标上仍有不足。压电陶瓷可以一定程度弥补响应速度和控制精度的缺陷，然而不到1 kJ/m³的能量密度，限制了其在大多数场合的应用。寻找动态性能优良、能量密度大的固态驱动元件，是提升直驱式液压驱动机构频响和效率的途径之一。

另一方面，现有的直驱式液压驱动机构的工作模式，主要从减少能量传递环节的角度来提升传动效率，并未解决固-液工作模式固有缺陷。

超磁致伸缩材料(Ginat Magnetosrtietive Material，简写为GMM)是继稀土永磁，稀土磁光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料，被誉为21世纪战略性高科技功能材料，能有效的实现电磁能—机械能的可逆转化，具有应变大，响应速度快，能量传输密度高和输出力大等优异性能。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于超磁致伸缩材料的变刚度液压驱动机构，该驱动机构针对现有直驱式液压驱动机构的不足以及刚度匹配原理，以GMM材料为驱动元件，用于精密位移驱动的智能型变刚度液压驱动机构。该驱动机构采用变刚度设计，构建负载刚度自适应匹配的高效率液压驱动机构，从整体上解决传统液压驱动机构中频响和传动效率问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括有外壳、设置于外壳内的GMM棒、GMM棒驱动控制装置、液压装置和负载位移和受力反馈装置；

所述的GMM棒驱动控制装置包括有电磁线圈与直流偏置线圈，所述的电磁线圈缠绕在GMM棒的外侧并为GMM棒提供激励磁场，所述的直流偏置线圈设置于GMM棒边侧并为GMM棒提供偏置磁场；

所述的液压装置包括有输入端和输出端，GMM棒的驱动位移输出端传动连接于输入端，液压装置还包括有用于将驱动位移从输入端传递至输出端的液压油，输出端用于连接机械负载；