CN109953885B - 一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头，由连杆机构和按摩头组件组成；连杆机构位于舵机支架侧面，用于连接舵机输出轴和按摩头组件，按摩头组件与铰链连杆机构通过舵机带动实现下压运动。按摩头组件刚度可通过调节励磁线圈的输入电流进行调节；在工作时内部的磁流变液呈类固态；当按摩力度过大时按摩头刚度会产生变化，磁流变液囊表面形状随按摩部位的不同而发生变化，从而起到对力的缓冲和对人体的保护作用，按摩头可实现敲击、推、揉多种按摩手法。按摩头结构简单，接触表面刚度易于控制，有助于提高按摩过程的舒适性和按摩效果。在使用时，通过调节电流大小来实现按摩头的刚度控制及对身体不同部位的按摩需求。

Description

一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头

技术领域

本发明涉及按摩机器人及康复器械技术领域，具体地说，涉及一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头。

背景技术

随着人们对于生活质量要求的提高，按摩保健成为广大人群，尤其是中老年人和对肌肉、关节、骨骼疾病患者治疗、放松和保健的重要手段。然而，由于执证上岗的按摩医师的数量有限，无法满足市场需求，按摩机器人应运而生。发明专利CN108721104A公开了“一种智能按摩机器人”,该按摩机器人包括运动引导系统、多关节机械臂、仿手型按摩装置、保护装置、底座以及控制单元。在发明专利CN 107648026公开了“一种按摩头和包括其按摩头的按摩仪”，该按摩仪的按摩头有安装底座、安装在所述安装底座上的叠置在一起的多个按摩垫。其中，多个按摩垫分别具有不同的硬度数值，在远离安装底座的方向上，多个按摩垫的硬度值是逐渐减小的。该发明利用多个硬度数值不同的按摩垫来达到按摩效果的不同。发明专利CN 104546400公开了“一种自适应按摩头”，该按摩头包括中空的柔性连接部以及位于所述柔性连接部一端部的按摩块；利用柔性连接使按摩机器人的舒适程度，有着良好的效果。

现有技术分析发现按摩机器人存在按摩头刚度可控性差、人体背部形状适应性差的问题，这些不足会在很大程度上影响按摩的舒适性和按摩效果。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头；该按摩头刚度可通过调节励磁线圈的输入电流进行调节；按摩头工作时，内部的磁流变液呈类固态，具有足够的刚度实现各种按摩动作。当按摩力度过大时，按摩头刚度会产生变化，其表面形状会随按摩部位的不同而变化，从而起到对力的缓冲和对人体的保护作用，机器人按摩头可实现敲击、推、揉多种按摩手法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括连杆机构和按摩头组件，连杆机构位于舵机支架侧面，用于连接舵机输出轴和按摩头组件，按摩头组件与铰链连杆机构通过舵机带动实现下压运动；

所述连杆机构包括传动臂盘、舵机支架、舵机输出轴、U型板上轴、U型板下轴、下支架轴、上连杆、下连杆、U型板和舵机，所述舵机固定在舵机支架上，舵机输出轴穿过舵机支架上的圆孔与传动臂盘相连接，传动臂盘和上连杆连接，下支架轴的一端通过传动轴承座固定在舵机支架下侧的圆孔处，另一端连接下连杆，下支架轴两端别设置尼龙垫片，通过尼龙垫片和螺钉对连杆进行限位；两根连杆分别通过U型板上轴和U型板下轴与U型板相连，该连接处分别设有上端轴承座和下端轴承座，上连杆与下连杆在空间相互平行；机构运动时，舵机通过传动臂盘带动上连杆，从而通过U型板带动按摩头运动，下连杆作为辅助连杆；

所述按摩头包括磁流变液囊、轭铁、铁芯、线圈端盖、塑料夹盖、垫圈、永磁体和励磁线圈，所述磁流变液囊为半球形，周边有凸缘，磁流变液囊和线圈端盖组成用于储存磁流变液的空间，塑料夹盖与磁流变液囊配合，塑料夹盖通过密封垫圈密封磁流变液囊的外缘部分；所述轭铁为中空圆柱形，铁芯一端与轭铁上端固连，另一端与永磁体通过螺栓固连，铁芯位于轭铁中间部位用于放置励磁线圈和线圈骨架，永磁体为圆台结构，中间有圆孔，永磁体大端面放置有垫圈，置于线圈端盖的凹槽内用于密封,并对铁芯与永磁体隔离，永磁体的小端面放置有密封垫片用于固定永磁体，从而实现磁流变液的密封；按摩头工作时，两个方向相反的线圈根据使用需求交替供电，分别对永磁体的磁场增强或削弱，实现按摩头的变刚度范围；线圈端盖将磁流变液与线圈相隔离。

两个励磁线圈绕制方向相反，反向线圈用于减少电感。

所述永磁体采用钕铁硼材料。

有益效果

本发明提出的一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头；按摩头整体结构简单，接触表面刚度易于控制，可实现按摩过程的柔顺接触，有助于提高按摩过程的舒适性和按摩效果。按摩头可实现被动柔顺控制的仿拟人手法按摩，其刚度主动可调节。在设计磁路时，采用励磁线圈与永磁体相结合的方式为磁流变液提供外界磁场。选择一定磁感应强度的永磁体，只要位置安装合适，可降低励磁线圈和匝数和励磁电流的大小，因而可减小磁流变液按摩头的尺寸和质量，提高按摩头的实用性。在使用过程中，使用者通过调节电流大小来实现柔顺按摩头的刚度控制，从而满足不同使用者及身体不同部位的按摩需求。在使用过程中，由于磁流变液的特性，在按摩力度超过安全范围时，按摩头会自动适应变柔软，从而产生一定程度的形变，能较好地适应人身体不同部位的各种形状，起到对使用者和按摩头的双向保护作用。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头作进一步详细说明。

图1为本发明基于磁流变液的变刚度机器人按摩头结构侧视图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为本发明的磁流变液囊示意图。

图4为本发明的轭铁示意图。

图5为本发明的铁芯示意图。

图6为本发明的永磁体示意图。

图7为本发明变刚度机器人按摩头示意图。

图8为本发明基于磁流变液的变刚度机器人按摩头工作原理框图。

图中:

1.传动臂盘 2.舵机支架 3.舵机输出轴 4.传动轴承座 5.U型板上轴 6.上连杆7.下连杆 8.U型板 9.上端轴承座 10.下端轴承座 11.下支架轴 12.U型板下轴13.磁流变液囊 14.轭铁 15.铁芯 16.线圈端盖 17.塑料夹盖 18.垫圈 19.永磁体20.励磁线圈

具体实施方式

本实施例是一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头。

参阅图1～图8，本实施例基于磁流变液的变刚度机器人按摩头，由连杆机构和按摩头组件组成，连杆机构位于舵机支架侧面，用于连接舵机输出轴和按摩头组件，按摩头组件与铰链连杆机构通过舵机带动实现下压运动；其中，连杆机构包括传动臂盘1、舵机支架2、舵机输出轴3、U型板上轴5、U型板下轴12、下支架轴11、上连杆6、下连杆7、U型板8和舵机；舵机固定在舵机支架2上，舵机输出轴3穿过舵机支架2上的圆孔与传动臂盘1相连接，两者可通过螺钉或销固定。传动臂盘1和上连杆6连接，下支架轴11的一端通过传动轴承座4固定于舵机支架下侧的孔处，另一端连接下连杆7；下支架轴11两端别设置有尼龙垫片，通过尼龙垫片和螺钉对连杆进行限位。两根连杆分别通过U型板上轴5和U型板下轴12与U型板8相连，该连接处分别设有上端轴承座9和下端轴承座10，上连杆6与下连杆7在空间相互平行。机构运动时，舵机通过传动臂盘1带动上连杆6，从而通过U型板8带动按摩头运动，下连杆7则起到辅助构成四杆机构来运动的作用。

本实施例中，按摩头组件由磁流变液囊13、轭铁14、铁芯15、线圈端盖16、塑料夹盖17、垫圈18、永磁体19和励磁线圈20组成。其中，磁流变液囊13和线圈端盖16共同组成用于储存磁流变液的空间，塑料夹盖17用于密封磁流变液囊的外沿部分；轭铁14和铁芯15组成的空间，则用于存放励磁线圈20及其线圈骨架。永磁体19通过特制低碳钢螺栓连接于铁芯上，并在磁铁的大端面放置垫圈18，置于线圈端盖16的凹槽中，用于密封并隔开铁芯与磁铁，减少磁铁对铁芯磁饱和强度的影响，小端面放置有密封垫片，用于固定磁铁的螺栓加固，从而实现磁流变液的密封。磁流变液囊13采用半球形结构，作为存储磁流变液的关键部件，半球形按摩头的直径应符合设计要素，但过大的直径会造成远离磁场中心的编码磁场偏弱，引起按摩力度不足。磁流变液的密封是磁流变液器件关键的设计要素，磁流变液泄漏可能会对通电线圈造成破坏，也会沾染按摩头表面，影响使用者安全。本实施例设计将磁流变液密封于半球磁流变液囊中，在半球形囊周围设有草帽状边沿，采用挤压式密封，塑料夹盖17边缘采用圆角设计以免扎破硅胶囊造成漏液。

工作模式

轭铁14为中空圆筒形结构，可减少磁路间隙，同时抑制线圈漏磁。轭铁14的壁厚通过综合考虑以下条件进行选择，其壁厚小会影响结构的刚度，且不利于螺纹孔加工，同时还可能影响按摩头磁场的饱和强度；其壁厚大则导致按摩头整体重量过大，限制驱动电机的选择及正常工作，过大的结构尺寸会影响患者的实际应用。

铁芯15采用圆柱形结构，该长度略长于轭铁14高度，其中线圈骨架外径与铁芯一致。线圈端盖16用于固定线圈并隔离磁流变液，线圈端盖为二层圆柱台阶状，小径卡在轭铁14端口内，采用过盈配合以减小固定螺栓组的压力。

本实施例中,永磁体15采用圆台形结构，为使其最大限度发挥其对磁场的增幅作用，将永磁体15置于按摩头的头部与磁流变液囊13相邻。该设计保证了磁流变液囊13中磁场有效通过，且不影响整体结构性能。励磁线圈20在工作时，长时间大电流的输入会导致线圈过热。为防止励磁线圈20过热的前提下提高磁流变液所处区域的磁场强度，本实施例在铁芯15的上端增设了永磁体19对磁场进行补偿。根据磁路叠加原理，利用永磁体的磁场对励磁线圈产生的磁场进行增幅。永磁体形状为圆盘形，根据仿真数据发现，随着工作点轴向距离的增加，磁场强度的衰减是导致按摩头磁场无法达到要求的主要因素，圆盘形的永磁体无法缩短轴向距离，而半球形的永磁体是实现磁场补偿的理想选择。然而，半球形磁体目前仍难以制作，容易发生上磁不均匀的情况，且磁能积不如片状磁铁性能好，同时为了保证按摩头的有效按摩体积，故采用圆台形的磁体永磁体19用于磁场补偿。本实施例中永磁体采用钕铁硼材料。

工作过程

按摩过程中，磁流变液在按摩头的磁流变液囊13内，在竖直方向受挤压力，导致磁流变液囊13变形，形成横向流动，且磁场方向与流动方向相垂直，符合挤压工作模式。磁流变液囊13受按摩部位摩擦产生部分切向运动，但磁流变液囊固定在按摩头上，切向位移很小，磁流变液的剪切运动可以忽略。因此，磁流变液的工作模式为挤压模式。通过改变磁场强度而改变磁流变液的流动阻力，实现按摩头刚度的变化。

本实施例中,通过施加线圈电流和永磁体产生的磁场，生成作用于磁流变液的复合磁场，从而实现磁流变液从自由流动的液态到高黏度、低流动性的类固态之间的转换。按摩头在工作时，励磁线圈通电，电流大小视工作需求而定。根据磁场叠加原理，线圈产生磁场与永磁体的磁场进行叠加，产生磁流变液器件工作所需磁场。线圈通电后，磁流变液受到外界磁场刺激，由液态转化为类固态，并具有一定的屈服极限强度。本实施例利用永磁体与励磁线圈共同产生激励磁场，磁场的总体强度较之单一磁场显著增强。当电流较小时，磁流变液所处区域的磁场强度还是较大。本实施例在电路设计中增加有三挡六脚开关从而实现对励磁线圈的反向供电，增大了按摩头的刚度变化范围，使得按摩头的使用更加灵活。工作时，舵机通电，驱动铰链四杆机构使按摩头在竖直方向上作往返运动，以达到仿人手法的按摩效果。

本实施例可根据使用者需求，在按摩头工作前设置一定的刚度，当按摩力度过大时，按摩头前端会由类固态转变为液态，按摩头会自动适应人体不同部位的形状而发生形变，从而避免了刚体冲击对人体所产生的伤害与不舒适感，使按摩机器人的操作体验更加舒适。按摩头的刚度通过改变励磁线圈中电流大小和磁铁的型号、形状来改变。

Claims (1)

1.一种基于磁流变液的变刚度机器人按摩头，包括连杆机构和按摩头组件，连杆机构位于舵机支架侧面，用于连接舵机输出轴和按摩头组件，按摩头组件与铰链连杆机构通过舵机带动实现下压运动，其特征在于:所述连杆机构包括传动臂盘、舵机支架、舵机输出轴、U型板上轴、U型板下轴、下支架轴、上连杆、下连杆、U型板和舵机，所述舵机固定在舵机支架上，舵机输出轴穿过舵机支架上的圆孔与传动臂盘相连接，传动臂盘和上连杆连接，下支架轴的一端通过传动轴承座固定在舵机支架下侧的圆孔处，另一端连接下连杆，下支架轴两端别设置尼龙垫片，通过尼龙垫片和螺钉对连杆进行限位；两根连杆分别通过U型板上轴和U型板下轴与U型板相连，该连接处分别设有上端轴承座和下端轴承座，上连杆与下连杆在空间相互平行；机构运动时，舵机通过传动臂盘带动上连杆，从而通过U型板带动按摩头运动，下连杆作为辅助连杆；

所述按摩头包括磁流变液囊、轭铁、铁芯、线圈端盖、塑料夹盖、垫圈、永磁体和励磁线圈，所述磁流变液囊为半球形，周边有凸缘，磁流变液囊和线圈端盖组成用于储存磁流变液的空间，塑料夹盖与磁流变液囊配合，塑料夹盖通过密封垫圈密封磁流变液囊的外缘部分；所述轭铁为中空圆柱形，铁芯一端与轭铁上端固连，另一端与永磁体通过螺栓固连，铁芯位于轭铁中间部位用于放置励磁线圈和线圈骨架，两个励磁线圈绕制方向相反，反向线圈用于减少电感；永磁体为圆台结构，中间有圆孔，永磁体大端面放置有垫圈，置于线圈端盖的凹槽内用于密封,并对铁芯与永磁体隔离，永磁体的小端面放置有密封垫片用于固定永磁体，从而实现磁流变液的密封；按摩头工作时，两个方向相反的线圈根据使用需求交替供电，分别对永磁体的磁场增强或削弱，实现按摩头的变刚度范围；线圈端盖将磁流变液与线圈相隔离；所述永磁体采用钕铁硼材料。

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