CN105626755A - 一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，其中转轴两侧分别固定转筒，构成转子；前端盖和后端盖分别通过间隔片与绕线筒连接，构成定子；转子、定子，以及隔磁密封环之间的空隙内填充磁流变液，定子与外壳之间的空腔内缠绕励磁线圈。考虑到阻尼器的体积、励磁线圈的发热量，以及阻尼器的输出阻尼力矩等因素，该阻尼器中的转轴和间隔片均采用非导磁金属材料制成，这样可使阻尼器工作时，由励磁线圈激发的磁力线在工作间隙附近沿蛇形路径传播，有效提高了磁流变液的利用效率；同时可用较小的励磁电流控制阻尼器产生较大的阻尼力矩，相对减少阻尼器的体积、励磁线圈的匝数和发热量，以及阻尼器的输出力矩范围。

Description

一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器

技术领域

本发明属于被动力觉再现装置，主要涉及一种旋转式阻尼器，尤其是基于蛇形磁路的小型旋转式磁流变液阻尼器。

背景技术

力觉是人类获取外界信息的一种重要感觉通道。力觉能够帮助操作者有效感知操作对象的多种属性，实现对操作对象的精细操作和精确控制，如人在触摸物体时，会主动施加一定的力来感知物体的硬度、柔软性、重量等属性信息。力觉再现是借助带有力反馈的装置模拟人主动触摸、按压和抓取物体等过程中产生的力的感觉，如人在与远地或虚拟环境中的物体进行交互时，带有力反馈的装置能够增强操作者的临场感和沉浸感，从而提高人机交互效果和工作效率。

在人机交互过程中，力觉再现装置利用内部集成的执行机构为操作者提供力反馈，执行机构的类型按驱动方式可分为主动式执行器、被动式执行器和半主动式执行器。其中主动式执行器的特点是需要外部的能量输入，如电机等，具有控制性能好、响应速度快、适用范围广等优点，但也具有可能引起系统失稳，无能量输入就无法工作等缺点，同时这种方式并不符合人主动探索物体特征的过程。被动式执行器的特点是不依赖外部的能量输入，如弹簧等，具有结构简单、工作稳定、安全可靠等优点，但其动力学特性不能根据外部扰动特性的变化而变化，控制效果受外部条件的影响较大，适应能力差。半主动式执行器工作时，不需要外部向其有效工作部分输入能量，但其能够根据外部控制条件的改变，实时调整自身结构的动力学特性，以便跟随受控对象的状态变化，实现对受控对象的最优控制；该类执行器可随着有效载荷和使用模式的变化而变化，既具有响应速度快、适应能力强等特点，又能保证装置结构简单、工作稳定和安全可靠。

磁流变液是一种新型智能材料，通常以悬浮液的形式存在。在磁场的作用下，磁流变液能够发生流变效应，并随着磁场强度的变化，在牛顿流体状态和Bingham半固体状态之间迅速转换，且这种状态的转换具有快速、连续、可逆等特点。因此，基于磁流变液研制的阻尼器能够通过改变阻尼器内励磁线圈中输入电流的大小，动态的调节加在磁流变液上的磁场强度，引起磁流变液剪切屈服强度的变化，从而控制阻尼器的输出阻尼力矩，实现输出阻尼力矩的连续可调。磁流变液阻尼器即是一种半主动式执行器，其工作过程中不会向受控系统输入能量。研制基于磁流变液阻尼器的力觉再现装置，可使操作者感受到可变大小的被动阻尼力矩，从而再现远地或虚拟环境中物体的多种属性。

随着力触觉交互技术的发展，带有力触觉再现功能的人机接口装置受到极大关注。目前已应用于力觉再现装置的磁流变液阻尼器主要有直动式和旋转式。直动式又分单出杆和双出杆两种形式，其工作方式主要是活塞杆带动活塞相对外壳运动的过程中，填充在活塞与外壳内壁之间的磁流变液在磁场的作用下发生流变效应，产生阻尼力；这类阻尼器一般使用的磁流变液较多，且需要重点解决漏液问题，即阻尼器的密封结构简单时，不能有效控制漏液，密封结构过于复杂时，又会导致零电流初始阻尼力增大。旋转式磁流变液阻尼器的转子和定子空间位置相对固定，能相对的减少漏液，但传统的旋转式磁流变液阻尼器一般体积较大，存在磁流变液的使用量大、利用率不高，以及阻尼器工作效率不高、发热量大、能耗大和可调阻尼力矩范围有限等问题，不便于集成于小型化的力觉再现装置中。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，并针对小型化力觉再现装置的需要，设计了一种可集成于小型化力觉再现装置中的小型旋转式磁流变液阻尼器。该阻尼器采用蛇形磁路设计，有效提高了磁流变液的利用效率，使阻尼器在不增加体积的情况下，可以输出更大的阻尼力矩；同时阻尼器具有体积小、能耗低、磁流变液用量少、零电流初始阻尼力矩小和力反馈连续可调的特点。

技术方案：本发明的一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，该阻尼器包括转轴、O型密封圈、前封盖、引出线、前端盖、外壳、励磁线圈、后端盖、间隔片、后封盖、转筒、绕线筒、螺钉、磁流变液、隔磁密封环和轴承；转轴的轴向中部设有隔环，在该隔环的两侧分别固定转筒，构成转子；前端盖和后端盖分别通过间隔片与绕线筒连接，构成定子；转子、定子，以及隔磁密封环之间的空隙内填充磁流变液，定子与外壳之间的空腔内缠绕励磁线圈；O型密封圈、轴承、隔磁密封环分别套在转轴的两侧，前封盖和前端盖均开有引出线经过的小孔；前封盖和后封盖套在转轴的两侧，与外壳通过螺钉连接，固定整个阻尼器。

所述的前端盖、外壳、后端盖、转筒、绕线筒均由导磁金属材料制成；转轴、O型密封圈、前封盖、间隔片、后封盖、螺钉、隔磁密封环和轴承均由非导磁金属材料制成；励磁线圈由漆包铜导线在间隔片和绕线筒的外壁上绕制而成；磁流变液为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。

所述的转轴中部有一个隔环，隔环的两侧分别与转筒通过矩形花键联接，隔环的外径与转筒相同，转轴和两侧转筒构成转子。

所述的间隔片是两侧有凸起的法兰垫片，前端盖、后端盖和绕线筒的两侧均有与间隔片配合的槽，且三者具有相同的内径。

所述的轴承用于固定转轴，并减少转轴转动时的摩擦力；O型密封圈用于对转轴、轴承和前封盖和后封盖进行密封；前封盖、前端盖、外壳和后封盖上均开有三个呈120°分布的螺纹孔，它们通过螺钉连接在一起，固定整个阻尼器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、阻尼器的输出阻尼力矩符合人主动感受物体特征信息时施加力的范围，可方便的集成到小型化力觉再现装置中，实现操作者通过力反馈感受远地或虚拟环境中物体的力觉信息。

2、阻尼器具有较小的零电流初始阻尼力矩，且输出阻尼力矩连续可调，能够精确再现不同物体的多种特征信息，如硬度、柔软性、重量和惯性等。

3、磁流变液的用量少、利用率高。阻尼器中使用的磁流变液填充在转子、定子，以及隔磁密封环之间的狭小空隙内，工作间隙仅为0.3mm，有效减少了磁流变液的用量；同时，阻尼器的设计中，利用非导磁金属材料制造间隔片和转轴，使磁力线四次穿过工作间隙内的磁流变液，提高了磁流变液的利用率，本发明的阻尼器在不增加体积的情况下，可以输出更大的阻尼力矩。

4、阻尼器的体积小、耗能少、发热量小。磁流变液利用率的提高，使阻尼器在较小磁场强度的作用下，就可以得到较大的输出阻尼力矩，从而可相对减少阻尼器中励磁线圈的匝数，以及减小输入励磁线圈中的电流，这样就能减小阻尼器的体积、降低能耗和减少励磁线圈的发热量。

附图说明

图1为本发明的左视结构示意图；

图2为本发明的主剖结构示意图，也是图1的A-A向剖视结构示意图；

图3为图1的B-B向剖视结构示意图；

图4为本发明的磁力线的走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步叙述本发明。

如图1、图2和图3所示，发明的一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，包括转轴1、O型密封圈2、前封盖3、引出线4、前端盖5、外壳6、励磁线圈7、后端盖8、间隔片9、后封盖10、转筒11、绕线筒12、螺钉13、磁流变液14、隔磁密封环15和轴承16；转轴1两侧分别固定转筒11，构成转子；前端盖5和后端盖8分别通过间隔片9与绕线筒12连接，构成定子；转子、定子，以及隔磁密封环15之间的空隙内填充磁流变液14，定子与外壳6之间的空腔内缠绕励磁线圈7；O型密封圈2、轴承16、隔磁密封环15分别套在转轴1的两侧，前封盖3和前端盖5均开有引出线4经过的小孔；前封盖3和后封盖10套在转轴1的两侧，与外壳6通过螺钉13连接，固定整个阻尼器。

进一步，所述的前端盖5、外壳6、后端盖8、转筒11、绕线筒12均由导磁金属材料制成；转轴1、O型密封圈2、前封盖3、间隔片9、后封盖10、螺钉13、隔磁密封环15和轴承16均由非导磁金属材料制成。这样既可规划磁力线的传播路径，又可防止漏磁。图4表示了磁力线的蛇形传播路径，其中的一条闭合磁力线的传播路径为：分别通过前端盖5、外壳6、后端盖8、磁流变液14、转筒11、磁流变液14、绕线筒12、磁流变液14、转筒11、磁流变液14，最后回到前端盖5形成闭合磁路，从而使磁力线四次穿过磁流变液14，提高了磁流变液的利用率。

进一步，所述的励磁线圈7由漆包铜导线在间隔片9和绕线筒12的外壁上绕制而成，绕制完成后，引出两根引出线4与外部励磁控制电路相连；磁流变液14为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液，采用磁流变液作为工作介质，通过控制输入励磁线圈中的电流大小，可动态的调节加在磁流变液上的磁场强度，引起磁流变液工作状态和剪切屈服强度的变化，使阻尼器在较宽的范围内输出连续可调的阻尼力矩。

进一步，所述的转轴1中部有一个圆形挡板，圆形挡板的两侧分别与转筒11通过矩形花键联接，转筒11内侧与花键采用紧配合，可使转筒11较好的固定在转轴1上；圆形挡板的外径与转筒11相同，转轴1和两侧转筒11构成转子；如图3所示，转轴1两端有与齿轮配合的开槽。

进一步，所述的间隔片9是两侧有凸起的法兰垫片，前端盖5、后端盖8和绕线筒12的两侧均有与间隔片9配合的槽，且三者具有相同的内径，这样的设计使定子中各个部件的位置相对固定，结构更加紧凑，便于绕线。

进一步，所述的轴承16为自带密封圈的微型轴承，用于固定转轴1，两者配合使用减少了转子转动时的摩擦力，且降低了阻尼器零电流时的初始阻尼力矩；O型密封圈2采用密封和耐磨性能较好的氟胶圈，用于对转轴1、轴承16、前封盖3和后封盖10进行密封；隔磁密封环15套在转轴1的两侧，能够防止磁流变液和磁力线的泄漏；前封盖3、前端盖5、外壳6和后封盖10上均开有三个呈120°分布的螺纹孔，它们通过螺钉13连接在一起，固定整个阻尼器。

工作原理：当磁流变液阻尼器用于再现远地或虚拟环境中物体的属性特征时，控制电路向阻尼器中输入励磁电流，励磁线圈在励磁电流的作用下产生感应磁场，磁场穿过磁流变液时，磁流变液发生流变效应。此时，操作者通过齿轮和齿条等机构带动阻尼器的转子转动，工作间隙内的磁流变液由于转子和定子的相对运动而产生剪切变形，操作者将会感受到阻尼器提供的剪切阻力。根据物体特征的变化，控制电路向励磁线圈输入变化的励磁电流，从而控制阻尼器产生连续可调的阻尼力矩。

本发明设计的一种可集成于小型化力觉再现装置中的小型旋转式磁流变液阻尼器。该阻尼器采用蛇形磁路设计，有效提高了磁流变液的利用效率，使阻尼器在不增加体积的情况下，可以输出更大的阻尼力矩；同时阻尼器具有体积小、能耗低、磁流变液用量少、零电流初始阻尼力矩小和力反馈连续可调的特点，非常适用于集成在小型化的力觉再现装置中。

Claims (5)

1.一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：该阻尼器包括转轴(1)、O型密封圈(2)、前封盖(3)、引出线(4)、前端盖(5)、外壳(6)、励磁线圈(7)、后端盖(8)、间隔片(9)、后封盖(10)、转筒(11)、绕线筒(12)、螺钉(13)、磁流变液(14)、隔磁密封环(15)和轴承(16)；转轴(1)的轴向中部设有隔环，在该隔环的两侧分别固定转筒(11)，构成转子；前端盖(5)和后端盖(8)分别通过间隔片(9)与绕线筒(12)连接，构成定子；转子、定子，以及隔磁密封环(15)之间的空隙内填充磁流变液(14)，定子与外壳(6)之间的空腔内缠绕励磁线圈(7)；O型密封圈(2)、轴承(16)、隔磁密封环(15)分别套在转轴(1)的两侧，前封盖(3)和前端盖(5)均开有引出线(4)经过的小孔；前封盖(3)和后封盖(10)套在转轴(1)的两侧，与外壳(6)通过螺钉(13)连接，固定整个阻尼器。

2.根据权利要求1所述的一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的前端盖(5)、外壳(6)、后端盖(8)、转筒(11)、绕线筒(12)均由导磁金属材料制成；转轴(1)、O型密封圈(2)、前封盖(3)、间隔片(9)、后封盖(10)、螺钉(13)、隔磁密封环(15)和轴承(16)均由非导磁金属材料制成；励磁线圈(7)由漆包铜导线在间隔片(9)和绕线筒(12)的外壁上绕制而成；磁流变液(14)为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。

3.根据权利要求1所述的一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的转轴(1)中部有一个隔环，隔环的两侧分别与转筒(11)通过矩形花键联接，隔环的外径与转筒(11)相同，转轴(1)和两侧转筒(11)构成转子。

4.根据权利要求1所述的一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的间隔片(9)是两侧有凸起的法兰垫片，前端盖(5)、后端盖(8)和绕线筒(12)的两侧均有与间隔片(9)配合的槽，且三者具有相同的内径。

5.根据权利要求1所述的一种用于被动力觉再现的小型旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的轴承(16)用于固定转轴(1)，并减少转轴(1)转动时的摩擦力；O型密封圈(2)用于对转轴(1)、轴承(16)和前封盖(3)和后封盖(10)进行密封；前封盖(3)、前端盖(5)、外壳(6)和后封盖(10)上均开有三个呈120°分布的螺纹孔，它们通过螺钉(13)连接在一起，固定整个阻尼器。