CN109822615A - 可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，包括传动连接的转动输入轴、中间组件及转动输出轴；所述中间组件包括沿轴向间隔设置在转动输入轴上的用于控制关节有效阻尼的外磁流变阻尼器和用于控制关节有效刚度的内阻尼器；所述内阻尼器包括内磁流变阻尼器和与内磁流变阻尼器连接的弹性元件；所述弹性元件及外磁流变阻尼器分别与转动输出轴且能与转动输出轴同轴转动。本发明提供的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，能够具有刚度和阻尼可变的特性，并且能够单独控制刚度或单独控制阻尼，调节范围大，能够满足柔性机械臂关节在旋转运动传动时的需求，提高机械人在动作时的减震性能和安全性能。

Description

可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置

技术领域

本发明涉及柔性机器人关节装置领域，具体涉及一种可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置。

背景技术

随着机器人技术的不断革新，应用范围逐渐从工业领域拓展到社会服务领域，机器人的工作环境也不再是固定，而充满变动和未知。进入到社会服务领机器人工作时与和周围环境的交互极其频繁，这对其操作精确性、柔顺性有了更高的要求。关节驱动器是机人重组成部分之一，其设计好坏很大程度上影响了机器人整体性能的表现。由电机、减速等纯机械部件构成的传统刚性器人关节在安全和适应方面明显不足。借助于智能材料和新型驱动技术的软体机器人一般具有充分柔性、适应超冗余自由度或无限，甚至可以任意改变自身形状和尺寸适应环境目标，保证目标和环境安全性，但是由于结构材质的柔软导致难以建立准确数学模型及实施精准控制。所以如何将柔顺性与控制精确性相结合一直是机器人设计领域的重要课题，可变阻尼和可变刚度柔性机械臂也成为相关学者的研究课题，具有较高的现实意义。

因此，为解决以上问题，需要一种可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，能够具有刚度和阻尼可变的特性，并且能够单独控制刚度或单独控制阻尼，调节范围大，能够满足柔性机械臂关节在旋转运动传动时的需求，提高机械人在动作时的减震性能和安全性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，能够具有刚度和阻尼可变的特性，并且能够单独控制刚度或单独控制阻尼，调节范围大，能够满足柔性机械臂关节在旋转运动传动时的需求，提高机械人在动作时的减震性能和安全性能。

本发明的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，包括传动连接的转动输入轴、中间组件及转动输出轴；所述中间组件包括沿轴向间隔设置在转动输入轴上的用于控制关节有效阻尼的外磁流变阻尼器和用于控制关节有效刚度的内阻尼器；所述内阻尼器包括内磁流变阻尼器和与内磁流变阻尼器连接的弹性元件；所述弹性元件及外磁流变阻尼器分别与转动输出轴且能与转动输出轴同轴转动。

进一步的，所述外磁流变阻尼器包括与转动输入轴连接并可相对转动的外壳体组件、设置在外壳体组件内的与转动输入轴连接并可同步转动的第一径向盘、由外壳体组件和第一径向盘形成的第一腔体；所述内磁流变阻尼器包括与转动输入轴连接并可相对转动的内壳体组件、设置在内壳体组件内的与转动输入轴连接并可同步转动的第二径向盘、由内壳体组件和第二径向盘形成的第二腔体；所述第一腔体和第二腔体用于容置磁流变液并且内部均设置有用于产生外加磁场的励磁线圈；所述外壳体组件与转动输出轴连接且能与转动输出轴同步转动；所述内壳体组件与弹性元件连接且能与弹性元件同轴转动。

进一步的，所述外壳体组件和内壳体组件间设置有隔磁盘。

进一步的，所述外壳体组件包括以可相对转动的方式与转动输入轴连接且以可同步转动的方式与转动输出轴连接的外输出筒和外壳体端盖，所述外输出筒与外壳体端盖连接形成用于容置第一径向盘的空腔Ⅰ。

进一步的，所述转动输出轴为盖状，所述转动输出轴与外壳体端盖配合形成用于容置内阻尼器的空腔Ⅱ。

进一步的，所述内壳体组件包括可相对转动的方式与转动输入轴连接且以可同轴转动的方式与弹性元件连接的内输出筒和内壳体端盖，所述内输出筒与内壳体端盖连接形成用于容置第二径向盘的空腔Ⅲ。

进一步的，所述弹性元件为柔性材料制成的圆盘，所述弹性元件沿周向均匀设置有多组通孔，每组通孔沿径向设置有至少一个通孔。

进一步的，所述弹性元件中部与转动输出轴连接，所述弹性元件通过紧固件与内壳体组件连接并且紧固件与圆盘圆心的距离不小于通孔与圆盘圆心的距离。

进一步的，所述转动输入轴、转动输出轴及弹性元件均采用阻磁材料制成，所述第一径向盘、第二径向盘、外壳体组件及内壳体组件均采用导磁材料制成。

进一步的，所述第一腔体和第二腔体内均设置有用于将励磁线圈与磁流变液隔离的支撑环。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，转动输入轴通过外磁流变阻尼器和内阻尼器将动力分别传递至转动输出轴；外磁流变阻尼器通过改变磁场强度改变磁流变液的流变特性从而改变外磁流变阻尼器的阻尼，以调节转动输入轴和转动输出轴之间的等效阻尼，从而达到调节关节整体有效阻尼的目的；内阻尼器的内磁流变阻尼器通过改变磁场强度改变磁流变液的流变特性从而改变内磁流变阻尼器的阻尼，内磁流变阻尼器与弹性元件串联输出，以调节转动输入轴和转动输出轴之间的等效刚度，从而达到调节关节整体有效刚度的目的；外磁流变阻尼器和内阻尼器是并联输出，能够单独控制刚度或单独控制阻尼，调节范围大，能够满足柔性机械臂关节在旋转运动传动时的需求，使关节能够刚度和阻尼可变且可控，提高机械人在动作时的减震性能和安全性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的工作原理力学简化模型图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本实施例中的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，包括传动连接的转动输入轴1、中间组件及转动输出轴5；所述中间组件包括沿轴向间隔设置在转动输入轴1上的用于控制关节有效阻尼的外磁流变阻尼器2和用于控制关节有效刚度的内阻尼器；所述内阻尼器包括内磁流变阻尼器3和与内磁流变阻尼器3连接的弹性元件4；所述弹性元件4及外磁流变阻尼器2分别与转动输出轴5且能与转动输出轴5同轴转动。转动输入轴1通过外磁流变阻尼器2和内阻尼器将动力分别传递至转动输出轴5；外磁流变阻尼器2通过改变磁场强度改变磁流变液的流变特性从而改变外磁流变阻尼器2的阻尼，以调节转动输入轴1和转动输出轴5之间的等效阻尼，从而达到调节关节整体有效阻尼的目的；内阻尼器的内磁流变阻尼器3通过改变磁场强度改变磁流变液的流变特性从而改变内磁流变阻尼器3的阻尼，内磁流变阻尼器3与弹性元件4串联输出，以调节转动输入轴1和转动输出轴5之间的等效刚度，从而达到调节关节整体有效刚度的目的；外磁流变阻尼器2和内阻尼器是并联输出，能够单独控制刚度或单独控制阻尼，调节范围大，能够满足柔性机械臂关节在旋转运动传动时的需求，使关节能够刚度和阻尼可变且可控，提高机械人在动作时的减震性能和安全性能。

本实施例中，所述外磁流变阻尼器2包括与转动输入轴1连接并可相对转动的外壳体组件、设置在外壳体组件内的与转动输入轴1连接并可同步转动的第一径向盘21、由外壳体组件和第一径向盘21形成的第一腔体；所述内磁流变阻尼器3包括与转动输入轴1连接并可相对转动的内壳体组件、设置在内壳体组件内的与转动输入轴1连接并可同步转动的第二径向盘31、由内壳体组件和第二径向盘31形成的第二腔体；所述第一腔体和第二腔体用于容置磁流变液并且内部均设置有用于产生外加磁场的励磁线圈(24和34)；所述外壳体组件与转动输出轴5连接且能与转动输出轴5同步转动；所述内壳体组件与弹性元件4连接且能与弹性元件4同轴转动。第一径向盘21和第二径向盘31通过键与转动输入轴1连接，如如图中所示，第一腔体内的励磁线圈为励磁线圈Ⅰ24，第二腔体内的励磁线圈为励磁线圈Ⅱ34，第一腔体内的磁流变液为磁流变液Ⅰ25，第二腔体内的磁流变液为磁流变液Ⅱ35；通过调节励磁线圈Ⅰ24内通过的的电流强度可以控制第一腔体中的磁场强度，从而改变第一腔体内的磁流变液Ⅰ25的流变特性，进而控制转动输入轴1与外壳体组件之间的阻尼力；通过调节励磁线圈Ⅱ34内通过的的电流强度可以控制第二腔体中的磁场强度，从而改变第二腔体内的磁流变液Ⅱ35的流变特性，进而控制转动输入轴1与内壳体组件之间的阻尼力，再通过弹性元件4串联输出，达到控制转动输入轴1与转动输出轴5之间的刚度的目的；两个腔体中的励磁线圈互相独立，能够单独控制，共同调节关节有效刚度和阻尼，减震效果优良。

本实施例中，所述外壳体组件和内壳体组件间设置有隔磁盘6，隔磁盘6采用阻磁材料制成，固定在内壳体组件靠近外壳体组件一面，避免第一腔体或第二腔体内的励磁线圈对另一腔体中的磁流变液产生干扰。

本实施例中，所述外壳体组件包括以可相对转动的方式与转动输入轴1连接且以可同步转动的方式与转动输出轴5连接的外输出筒22和外壳体端盖23，所述外输出筒22与外壳体端盖23连接形成用于容置第一径向盘21的空腔Ⅰ。所述外输出筒22和外壳体端盖23与转动输入轴1间设置有轴承，所述外输出筒22和外壳体端盖23通过紧固件与转动输入轴1连接，外壳体组件内的空腔Ⅰ与第一径向盘21有间隙用于容置磁流变液，并且外壳体组件与第一径向盘21间设置有防止磁流变液Ⅰ25泄露的密封装置，使空腔Ⅰ密闭。

本实施例中，所述转动输出轴5为盖状，所述转动输出轴5与外壳体端盖23配合形成用于容置内阻尼器的空腔Ⅱ。盖状转动输出轴5的底部与外壳体端盖23通过紧固件连接，防止外界灰尘和水汽使弹性元件4老化或损坏；盖状转动输出轴5与转动输入轴1间有间隙，不直接接触。

本实施例中，所述内壳体组件包括可相对转动的方式与转动输入轴1连接且以可同轴转动的方式与弹性元件4连接的内输出筒32和内壳体端盖33，所述内输出筒32与内壳体端盖33连接形成用于容置第二径向盘31的空腔Ⅲ。所述内输出筒32和内壳体端盖33与转动输入轴1间设置有轴承，所述内输出筒32和内壳体端盖33通过紧固件与弹性元件4连接，内壳体组件内的空腔Ⅲ与第二径向盘31有间隙用于容置磁流变液Ⅱ35，并且内壳体组件与第二径向盘31间设置有防止磁流变液Ⅱ35泄露的密封装置，使空腔Ⅲ密闭。

本实施例中，所述弹性元件4为柔性材料制成的圆盘，所述弹性元件4沿周向均匀设置有多组缓冲孔41，每组通孔41沿径向设置有至少一个通孔41。内磁流变阻尼器3中的磁流变液粘度最小时，弹性元件4无作用关节的刚度处于最大状态，随着内磁流变阻尼器3中的磁流变液粘度变大，关节的刚度逐渐减小，设置可以变形的通孔可以使柔性材料制成的圆盘的缓冲减震能力更强。

本实施例中，所述弹性元件4中部与转动输出轴5连接，所述弹性元件4通过紧固件与内壳体组件连接并且紧固件与圆盘圆心的距离不小于通孔与圆盘圆心的距离。弹性元件4中部与转动输出轴5能够同轴转动，圆盘四周的紧固件将弹性元件4和内壳体组件连接，转动输入轴1旋转带动第二径向盘31切割磁流变液Ⅱ35，带动内壳体组件旋转，然后内壳体组件旋转带动弹性元件4旋转，带动弹性元件4旋转时弹性元件4能够变形缓冲吸震，最终弹性元件4旋转带动转动输出轴5旋转。

本实施例中，所述转动输入轴1、转动输出轴5及弹性元件4均采用阻磁材料制成，所述第一径向盘21、第二径向盘31、外壳体组件及内壳体组件均采用导磁材料制成。

本实施例中，所述第一腔体内均设置有用于将励磁线圈Ⅰ24与磁流变液隔离的支撑环Ⅰ26，第一腔体设置有与支撑环Ⅰ26两侧凸起配合卡接的凹槽Ⅰ，支撑环Ⅰ26将励磁线圈Ⅰ24固定在第一腔体上并将励磁线圈Ⅰ24与磁流变液Ⅰ25隔离；所述第二腔体内设置有用于将励磁线圈Ⅱ34与磁流变液隔离的支撑环Ⅱ36，第二腔体设置有与支撑环Ⅱ36两侧凸起配合卡接的凹槽Ⅱ，支撑环Ⅱ36将励磁线圈Ⅱ34固定在第二腔体上并将励磁线圈Ⅱ34与磁流变液Ⅱ35隔离。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：包括传动连接的转动输入轴、中间组件及转动输出轴；所述中间组件包括沿轴向间隔设置在转动输入轴上的用于控制关节有效阻尼的外磁流变阻尼器和用于控制关节有效刚度的内阻尼器；所述内阻尼器包括内磁流变阻尼器和与内磁流变阻尼器连接的弹性元件；所述弹性元件及外磁流变阻尼器分别与转动输出轴且能与转动输出轴同轴转动。

2.根据权利要求1所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述外磁流变阻尼器包括与转动输入轴连接并可相对转动的外壳体组件、设置在外壳体组件内的与转动输入轴连接并可同步转动的第一径向盘、由外壳体组件和第一径向盘形成的第一腔体；所述内磁流变阻尼器包括与转动输入轴连接并可相对转动的内壳体组件、设置在内壳体组件内的与转动输入轴连接并可同步转动的第二径向盘、由内壳体组件和第二径向盘形成的第二腔体；所述第一腔体和第二腔体用于容置磁流变液并且内部均设置有用于产生外加磁场的励磁线圈；所述外壳体组件与转动输出轴连接且能与转动输出轴同步转动；所述内壳体组件与弹性元件连接且能与弹性元件同轴转动。

3.根据权利要求2所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述外壳体组件和内壳体组件间设置有隔磁盘。

4.根据权利要求2所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述外壳体组件包括以可相对转动的方式与转动输入轴连接且以可同步转动的方式与转动输出轴连接的外输出筒和外壳体端盖，所述外输出筒与外壳体端盖连接形成用于容置第一径向盘的空腔Ⅰ。

5.根据权利要求4所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述转动输出轴为盖状，所述转动输出轴与外壳体端盖配合形成用于容置内阻尼器的空腔Ⅱ。

6.根据权利要求5所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述内壳体组件包括可相对转动的方式与转动输入轴连接且以可同轴转动的方式与弹性元件连接的内输出筒和内壳体端盖，所述内输出筒与内壳体端盖连接形成用于容置第二径向盘的空腔Ⅲ。

7.根据权利要求6所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述弹性元件为柔性材料制成的圆盘，所述弹性元件沿周向均匀设置有多组通孔，每组通孔沿径向设置有至少一个通孔。

8.根据权利要求7所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述弹性元件中部与转动输出轴连接，所述弹性元件通过紧固件与内壳体组件连接并且紧固件与圆盘圆心的距离不小于通孔与圆盘圆心的距离。

9.根据权利要求2所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述转动输入轴、转动输出轴及弹性元件均采用阻磁材料制成，所述第一径向盘、第二径向盘、外壳体组件及内壳体组件均采用导磁材料制成。

10.根据权利要求2所述的可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，其特征在于：所述第一腔体和第二腔体内均设置有用于将励磁线圈与磁流变液隔离的支撑环。