CN110454526A - 磁流变制动装置及基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁流变技术领域，尤其涉及一种基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其包括磁流变制动器、谐波减速器和电机，磁流变制动器包括外壳、通过成对的轴承安装于外壳内的传动轴、固定于传动轴上的制动盘以及设置于外壳内的电磁线圈，外壳与传动轴之间形成密闭空腔，密闭空腔内能够填充有磁流变液；谐波减速器包括固定于外壳上的刚轮、固定于传动轴的第一端上的波发生器以及设置于刚轮与波发生器之间的柔轮，柔轮能够与穿戴式外骨骼连接。另外，本发明还提供一种磁流变制动装置。本发明的技术方案通过改变磁流变液的状态，实现制动力实时控制，为外骨骼穿戴者减轻疲劳，提高舒适感。

Description

磁流变制动装置及基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统

技术领域

本发明涉及磁流变技术领域，尤其涉及一种磁流变制动装置以及基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统。

背景技术

磁流变液是一种新型智能材料，由高导磁率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，其在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性，在强磁场的作用下呈现出高粘度、低流动性的宾汉(Bingham)体特性。磁流变液在强磁场下剪切屈服高，即使在较弱的磁场下也可产生较大的剪切屈服强度。磁流变液温度的适用范围宽，可以在很大的温度范围保持特性，且可以在较长的时间下保持不分层。

另外，经过文献研究发现，现有的穿戴式外骨骼体积较大，外骨骼穿戴者的运动僵直，并且由于穿戴者背负的装备很重，穿戴时间长易产生疲劳，严重影响穿戴效果。其次，现有穿戴式外骨骼大都没有相应减振缓冲装置，只是由电机的简单驱动，对于有负重穿戴者从高处落下时对腿部的缓冲效果并不好，所以针对于穿戴式外骨骼的缓冲减振装置的设计，就显得尤为必要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，旨在解决现有制动机构缓冲制动效果不突出的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统包括：

磁流变制动器，所述磁流变制动器包括外壳、通过成对的轴承安装于所述外壳内的传动轴、固定于所述传动轴上的制动盘以及设置于所述外壳内的电磁线圈，所述外壳与所述传动轴之间形成密闭空腔，所述密闭空腔内能够填充有磁流变液；

谐波减速器，所述谐波减速器包括固定于所述外壳上的刚轮、固定于所述传动轴的第一端上的波发生器以及设置于所述刚轮与所述波发生器之间的柔轮，所述柔轮能够与穿戴式外骨骼连接；以及，

电机，所述电机包括固定于所述外壳内的定子、固定于所述传动轴的第二端上的转子以及设置于所述外壳的一端且用于封闭所述定子和所述转子的电机端盖。

优选地，所述外壳包括筒体和两个法兰盖，所述法兰盖分别设置于所述筒体的端部，所述法兰盖均通过所述轴承安装于所述传动轴上，所述电机端盖封闭其中一个所述法兰盖上的开口，所述定子设置于所述法兰盖内。

优选地，所述筒体上形成有向内延伸的环形隔板，所述环形隔板的中部开设有安装空腔，所述电磁线圈设置于所述安装空腔内。

优选地，所述磁流变制动器包括沿轴向间隔分布的多个所述制动盘，相邻的所述制动盘之间设置有所述环形隔板。

优选地，所述制动盘包括固定于所述传动轴上的安装套筒和从所述安装套筒上向外延伸出的环形制动片，所述安装套筒与所述法兰盖之间设置有第一骨架油封，所述安装套筒与所述环形隔板之间设置有第二骨架油封。

优选地，所述传动轴上形成有凸棱环，所述安装套筒的一端抵接于所述凸棱环上；所述环形隔板对应所述凸棱环设置，所述第二骨架油封的一侧抵接于所述凸棱环上。

优选地，所述磁流变制动器还包括设置于所述外壳的与所述电机端盖相对的一端上的连接端盖，所述连接端盖上开设有与所述传动轴的第一端适配的通孔，所述刚轮固定于所述连接端盖上。

优选地，所述磁流变制动器还包括用于将磁流变液注入所述外壳内或从所述外壳内吸出的吸注机构。

优选地，所述磁流变制动系统还包括控制器，所述电磁线圈和所述电机分别与所述控制器电连接。

进一步地，本发明还提供一种磁流变制动装置，其包括：

磁流变制动器，所述磁流变制动器包括外壳、通过成对的轴承安装于所述外壳内的传动轴、固定于所述传动轴上的制动盘以及设置于所述外壳内的电磁线圈，所述外壳与所述传动轴之间形成密闭空腔，所述密闭空腔内填充有磁流变液；以及，

电机，所述电机包括固定于所述外壳内的定子、固定于所述传动轴的一端上的转子以及设置于所述外壳的一端且用于封闭所述定子和所述转子的电机端盖。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

在上述技术方案中，谐波减速器能够设置于磁流变制动器和穿戴式外骨骼之间，当磁流变制动器不进行制动时，谐波减速器可以降低传动轴转速，达到穿戴式外骨骼的转速要求，并提高力矩。当磁流变制动器进行制动时，电机停止工作，传动轴的转动由外骨骼带动，谐波减速器可以将外骨骼的转速按比例放大，可以增强制动效果。其中，在磁流变制动器的外壳内添加电磁线圈，可以通过控制电磁线圈内的电流，来改变磁流变液的状态，实现制动力实时控制，为外骨骼穿戴者减轻疲劳，提高舒适感。

另外，谐波减速器包括刚轮、柔轮和波发生器，刚轮设置于磁流变制动器上用于固定谐波减速器，波发生器由传动轴带动为动力输入端，柔轮能够与穿戴式外骨骼螺栓连接作为动力输出端，为穿戴式外骨骼提供动力或者制动力。而且，电机由定子、转子等组成，通过固定在外壳之中，与磁流变制动器结合一体化，从而能够提高系统精度、刚度和可靠性，减少部件数量，降低成本，减少了故障率，提高了容错率。并且，将电机和磁流变制动器结合为一个整体，在尽量减小尺寸、重量和响应时间的同时，还能够最大限度地提高速度和位置精度。本发明结构紧凑，占用空间小，操作简便，节约能源。

附图说明

图1为本发明的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统的主视图；

图2为本发明的磁流变制动装置的剖视图；

图3为本发明的磁流变制动装置的分解图；

图4为本发明的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统的其中一视角的结构图。

【附图标记说明】

10：磁流变制动器；11：外壳；111：筒体；112：法兰盖；12：传动轴；13：制动盘；14：电磁线圈；15：轴承；16：连接端盖；17：环形隔板；18：第一骨架油封；19：第二骨架油封；

20：谐波减速器；21：刚轮；22：柔轮；23：波发生器；

30：电机；31：定子；32：转子；33：电机端盖。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，如图1所示，其包括磁流变制动器10、谐波减速器20以及电机30。其中，如图2所示，磁流变制动器10包括外壳11、通过成对的轴承15安装于外壳11内的传动轴12、固定于传动轴12上的制动盘13以及设置于外壳11内的电磁线圈14，外壳11与传动轴12之间形成密闭空腔，密闭空腔内能够填充有磁流变液。其中，磁流变制动器10通过改变电磁线圈14内的电流大小来改变磁场强度进而实现对制动力的控制，而磁流变液根据电磁场强度改变自身性能，从低粘度的牛顿流体变为高粘度且低流动性的宾汉体，使得外壳11与制动盘13之间形成粘性连接，以产生缓冲制动效果。另外，轴承15可以为球轴承，轴承15的内圈与传动轴12固定配合并能够同步旋转。

具体参见图4，谐波减速器20包括固定于外壳11上的刚轮21、固定于传动轴12的第一端上的波发生器23以及设置于刚轮21与波发生器23之间的柔轮22，柔轮22能够与穿戴式外骨骼连接，通过使用谐波减速器20可以将磁流变制动器10应用到外骨骼穿戴设备。其中，谐波减速器20可以优选采用本润公司生产的BHD-I型系列谐波减速器，柔轮22为短杯帽型结构，传动轴12直接与波发生器23通过平键连接。

具体参见图3，电机30可以为无框电机，其包括固定于外壳11内的定子31、固定于传动轴12的第二端上的转子32以及设置于外壳11的一端且用于封闭定子31和转子32的电机端盖33。具体地，定子31安装在外壳11的止口处，用电机端盖33压紧，转子32的外层覆盖永磁体，具体可为钕-铁-硼磁体材料，转子32放入定子31的内孔，并用连接螺栓将转子32和传动轴12相连固定。通过对定子31施加交流电驱动转子32转动，转子32的转速由交流电的频率决定，而电机30的输出扭力由电流强度决定。其中，磁流变制动器10中电磁线圈14的电流的大小由系统单独控制，与电机30中的控制电流分别开来，以保证磁流变制动系统的正常工作。

上述技术方案的具体工作过程如下：电机30提供动力，通过传动轴12经过磁流变制动器10，由系统决定磁流变制动器10是否产生制动效果，最后经传动轴12传递动力给波发生器23，经过谐波减速器20减速，最后传递动力给穿戴式外骨骼。谐波减速器20用于将电机30的高转速转化为穿戴式外骨骼所需要的低转速，并提供较大力矩。当磁流变制动器10进行制动时，谐波减速器20可以将穿戴式外骨骼的低转速转化为高转速，可以获得良好的制动效果。

在穿戴式外骨骼的实际使用过程中，当电机30工作时，磁流变制动器10不工作，谐波减速器20将传动轴12的高转速低转矩转化为低转速高转矩，为穿戴者提供动力，当外骨骼穿戴者从高处下落或者存在任何腿部歪弯曲的动作时，电机30停止工作，磁流变制动器10中电磁线圈14通电，磁流变制动器10工作，由于腿部发生弯曲，经由谐波减速器20将穿戴式外骨骼的低转速转化为高转速，更好地提升了制动效果，很好地起到了缓冲作用。具体地，磁流变制动器10制动的时候，人的腿是正在弯曲的过程，例如从高处下落的时候腿弯曲，人的腿弯曲带动穿戴式外骨骼经由柔轮22把这个转动的趋势传递给波发生器23，波发生器23联接传动轴12，这个时候磁流变制动器10工作以阻止传动轴12上制动盘13的转动，此时穿戴式外骨骼自身的弯曲趋势减弱，从而对人的腿进行支撑。波发生器23转动越快，传动轴12上的制动盘13也转的快，制动效果也就更明显。其中，磁流变制动器10中通过电磁线圈14的电流和通过电机30的电流是分别控制的，两者协同控制整个系统的运转，还可以通过传动轴12的转速设定通过电磁线圈的电流，转速越快通入的电流越大。

在上述技术方案中，谐波减速器20能够设置于磁流变制动器10和穿戴式外骨骼之间，当磁流变制动器10不进行制动时，谐波减速器20可以降低传动轴12的转速，达到穿戴式外骨骼的转速要求，并提高力矩。当磁流变制动器10进行制动时，电机30停止工作，传动轴12的转动由外骨骼带动，谐波减速器20可以将外骨骼的转速按比例放大，可以增强制动效果。其中，在磁流变制动器10的外壳11内添加电磁线圈14，可以通过控制电磁线圈14内的电流，来改变磁流变液的状态，实现制动力实时控制，为外骨骼穿戴者减轻疲劳，提高舒适感。

另外，谐波减速器20的刚轮21设置于磁流变制动器10上，以用于固定安装谐波减速器20，波发生器23由传动轴12带动为动力输入端，柔轮22能够与穿戴式外骨骼螺栓连接作为动力输出端，为穿戴式外骨骼提供动力或者制动力。而且，电机30由定子31、转子32等组成，通过固定在外壳11之中，与磁流变制动器10结合一体化，从而能够提高系统精度、刚度和可靠性，减少部件数量，降低成本，减少了故障率，提高了容错率。并且，将电机30和磁流变制动器10结合为一个整体，在尽量减小尺寸、重量和响应时间的同时，还能够最大限度地提高速度和位置精度。本发明结构紧凑，占用空间小，操作简便，节约能源。

在优选的实施方式中，再次参见图2，外壳11包括筒体111和两个法兰盖112，法兰盖112分别设置于筒体111的端部，法兰盖112均通过轴承15安装于传动轴12上，电机端盖33封闭其中一个法兰盖112上的开口，定子31设置于法兰盖112内。其中，法兰盖112包括圆筒结构以及从圆筒结构的一端向外延伸的环形盖板，环形盖板的周缘能够与筒体111紧固连接，而圆筒结构的内径大于与传动轴12的外径，以使轴承15能够安装于圆筒结构与传动轴12之间，从而在不进行制动时使得传动轴12能够相对于圆筒结构转动。由于制动盘13的周缘在外壳11内靠近外壳11的圆周壁设置，当筒体111和法兰盖112采用能够相互拆分的结构，可以便于制动盘13的安装。具体地，参见图3，筒体111和法兰盖112可以通过呈圆周阵列分布的多个螺栓进行紧固连接，以保证外壳11安装的稳定性，也提升磁流变制动器10的工作可靠性。

为了便于电磁线圈14的安装，如图2所示，筒体111上形成有向内延伸的环形隔板17，环形隔板17的中部开设有安装空腔，电磁线圈14设置于安装空腔内，安装空腔可以为电磁线圈14提供稳定且洁净的工作环境，以保证电磁线圈14的使用寿命。而且，环形隔板17从筒体111上向内延伸，即，环形隔板17整个浸泡于填充有磁流变液的外壳11与传动轴12之间形成的密闭空腔内，以使得电磁线圈14通电后产生的电磁场能够对磁流变液充分作用，使磁流变液呈现出更稳定的高粘度、低流动性的宾汉体特性，以保证制动盘13与外壳11之间具有较大的制动阻力。

进一步地，再次参见图2，在优选的实施方式中，磁流变制动器10包括沿轴向间隔分布的多个制动盘13，相邻的制动盘13之间设置有环形隔板17，环形隔板17内的电磁线圈14能够为相邻的制动盘13提供稳定的电磁场，而且位于环形隔板17两侧的制动盘13均能够受到均衡的磁场作用，以保证多个制动盘在磁流变液的作用下都能够提供更均衡的制动力，从而能够提升对传动轴12进行制动的平衡性。在图2所示的实施方式中，磁流变制动器10采用双制动盘，电磁线圈14采用中置的结构方式，充分节省空间，减少自身重量。并且，由于采用双制动盘且线圈中置的配置方式，对应用于外骨骼的各种场合都可以提供更合适的制动力。

其中，为了实现对制动盘13的稳定安装，如图2所示，制动盘13包括固定于传动轴12上的安装套筒和从安装套筒上向外延伸出的环形制动片，安装套筒与传动轴12可以通过键连接，具体可以为平键连接，以实现同步转动，而环形制动片、环形隔板17与法兰盖112的环形盖板相对设置(在垂直于轴向的投影面上，环形制动片、环形隔板17与环形盖板都有较大的重叠面积)，且之间还填充有磁流变液，当磁流变液受到电磁场作用时，可以使环形制动片与环形盖板之间变成大面积的高粘度连接，从而为传动轴12提供较强的制动力。

另外，同样参见图2，安装套筒与法兰盖112之间设置有第一骨架油封18，安装套筒与环形隔板17之间设置有第二骨架油封19。第一骨架油封18由法兰盖112的止口限位，通过第一骨架油封18可以保证传动轴12与外壳11之间的密封可靠性，防止磁流变液从外壳11与传动轴12之间形成的密闭空腔内泄漏。通过第二骨架油封19可以使相邻的制动盘13之间相互隔离，形成多个单独的磁流变液容纳腔，以避免出现因磁流变制动器10倾斜而使得磁流变液全部集中到外壳11内的某一端的情况，从而使得各个制动盘13在电磁场的作用下能够均衡地产生制动力。

其中，传动轴12上形成有凸棱环(未标示)，即，可以形成轴肩。安装套筒的一端抵接于凸棱环上；环形隔板17对应凸棱环设置，第二骨架油封19的一侧抵接于凸棱环上，通过位于传动轴12中部的凸棱环，对各个制动盘13和第二骨架油封19进行定位，从而实现稳定的结构安装。而在制动盘13的安装套筒与轴承15之间还设置有定位垫圈，以用于调整磁流变制动器10的装配误差。

此外，为了保证磁流变制动器10的完整性，再次参见图2，磁流变制动器10还包括设置于外壳11的与电机端盖33相对的一端上的连接端盖16，连接端盖16上开设有与传动轴12的第一端适配的通孔，刚轮21固定于连接端盖16上。传动轴12能够贯穿连接端盖16的通孔，并相对于连接端盖16转动，而连接端盖16能够对轴承15进行限位，还能够为磁流变制动器10的内部结构起到挡尘的作用，以延长磁流变制动器10的使用寿命。

其中，磁流变制动器10还包括用于将磁流变液注入外壳内或从外壳内吸出的吸注机构(未图示)，帮助自助添加或去除磁流变液，以能够提升装置整体的自动化程度。

在更优选的实施方式中，磁流变制动系统还可以包括控制器(未图示)，电磁线圈14和电机30分别与控制器电连接。其中，磁流变制动器10中电磁线圈14的电流与电机30中的控制电流，由控制器分别进行单独控制，以使得磁流变制动器10和电机30的工作能够分别进行，从而优化磁流变制动系统的工作状态，具体为，在步态分析和采集肌表电信号后，通过控制器进行动力学分析、控制参数计算后决定各组成部分是否工作。

进一步地，本发明还提供一种磁流变制动装置，如图2所示，其包括磁流变制动器10以及电机30。磁流变制动器10包括外壳11、通过成对的轴承15安装于外壳11内的传动轴12、固定于传动轴12上的制动盘13以及设置于外壳11内的电磁线圈14，外壳11与传动轴12之间形成密闭空腔，密闭空腔内填充有磁流变液。电机30包括固定于外壳11内的定子31、固定于传动轴12的一端上的转子32以及设置于外壳11的一端且用于封闭定子31和转子32的电机端盖33。

上述的磁流变制动装置中，传动轴12和外壳11能够分别与需要相对制动的两个机构连接，传动轴12和外壳11通过浸泡于磁流变液里的制动盘13进行制动，从而使需要相对制动的两个机构相互制动，以达到缓冲制动的目的。电机30与磁流变制动器10结合一体化，从而能够提高系统精度、刚度和可靠性，减少部件数量，降低成本，减少了故障率，提高了容错率。并且，将电机30和磁流变制动器10结合为一个整体，在尽量减小尺寸、重量和响应时间的同时，还能够最大限度地提高速度和位置精度。其中，磁流变制动器10中电磁线圈14的电流的大小单独控制，与电机30中的控制电流分别开来，以保证磁流变制动装置的正常工作。另外，磁流变制动装置的各个结构及其作用，在前文已经详细阐述，在此不再赘述。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施方式进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于，所述磁流变制动系统包括：

磁流变制动器，所述磁流变制动器包括外壳、通过成对的轴承安装于所述外壳内的传动轴、固定于所述传动轴上的制动盘以及设置于所述外壳内的电磁线圈，所述外壳与所述传动轴之间形成密闭空腔，所述密闭空腔内能够填充有磁流变液；

谐波减速器，所述谐波减速器包括固定于所述外壳上的刚轮、固定于所述传动轴的第一端上的波发生器以及设置于所述刚轮与所述波发生器之间的柔轮，所述柔轮能够与穿戴式外骨骼连接；以及，

电机，所述电机包括固定于所述外壳内的定子、固定于所述传动轴的第二端上的转子以及设置于所述外壳的一端且用于封闭所述定子和所述转子的电机端盖。

2.如权利要求1所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述外壳包括筒体和两个法兰盖，所述法兰盖分别设置于所述筒体的端部，所述法兰盖均通过所述轴承安装于所述传动轴上，所述电机端盖封闭其中一个所述法兰盖上的开口，所述定子设置于所述法兰盖内。

3.如权利要求2所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述筒体上形成有向内延伸的环形隔板，所述环形隔板的中部开设有安装空腔，所述电磁线圈设置于所述安装空腔内。

4.如权利要求3所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述磁流变制动器包括沿轴向间隔分布的多个所述制动盘，相邻的所述制动盘之间设置有所述环形隔板。

5.如权利要求3所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述制动盘包括固定于所述传动轴上的安装套筒和从所述安装套筒上向外延伸出的环形制动片，所述安装套筒与所述法兰盖之间设置有第一骨架油封，所述安装套筒与所述环形隔板之间设置有第二骨架油封。

6.如权利要求5所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述传动轴上形成有凸棱环，所述安装套筒的一端抵接于所述凸棱环上；所述环形隔板对应所述凸棱环设置，所述第二骨架油封的一侧抵接于所述凸棱环上。

7.如权利要求1-6中任一项所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述磁流变制动器还包括设置于所述外壳的与所述电机端盖相对的一端上的连接端盖，所述连接端盖上开设有与所述传动轴的第一端适配的通孔，所述刚轮固定于所述连接端盖上。

8.如权利要求1-6中任一项所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述磁流变制动器还包括用于将磁流变液注入所述外壳内或从所述外壳内吸出的吸注机构。

9.如权利要求1-6中任一项所述的基于穿戴式外骨骼的磁流变制动系统，其特征在于：所述磁流变制动系统还包括控制器，所述电磁线圈和所述电机分别与所述控制器电连接。

10.一种磁流变制动装置，其特征在于，所述磁流变制动装置包括：

磁流变制动器，所述磁流变制动器包括外壳、通过成对的轴承安装于所述外壳内的传动轴、固定于所述传动轴上的制动盘以及设置于所述外壳内的电磁线圈，所述外壳与所述传动轴之间形成密闭空腔，所述密闭空腔内填充有磁流变液；以及，

电机，所述电机包括固定于所述外壳内的定子、固定于所述传动轴的一端上的转子以及设置于所述外壳的一端且用于封闭所述定子和所述转子的电机端盖。