CN110822008B - 一种基于磁流变液的驱动器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于磁流变液的驱动器，包括相对设置的动平台和静平台，所述动平台与静平台之间连接有驱动件，所述驱动件包括柔性管和柔性管管内填充的磁流变液，所述静平台上设有励磁线圈，所述磁流变液在励磁线圈产生的磁场作用下带动柔性管共同变形，用于带动动平台远离或靠近静平台，利用磁流变液在磁场不同条件下具有不同的特性，将其作为驱动器的驱动元件，对其施加不同强度的磁场，从而能够精准输出，配合多个驱动件，能够实现多角度驱动的需求，具有温度稳定性好、响应速度快、准确性高的优点。

Description

一种基于磁流变液的驱动器

技术领域

本申请涉及一种基于磁流变液的驱动器。

背景技术

随着航天航空、微电子、生物医学等高技术领域对高精度机械系统需求日益增加,精密机械系统得到广泛的关注。微驱动器作为精密机械系统的核心部件，起着至关重要的作用。目前的微驱动器主要有磁致伸缩式、压电陶瓷微进给方式。

发明人发现，在微驱动器工作时，存在不同的缺陷，磁致伸缩式驱动器由于磁致伸缩材料的应变量受温度限制，一般在室温或室温以上使用才能发挥其效果，在一些环境较为恶劣的场景，受到温度的影响较大，难以实时保持其驱动精度；压电陶瓷由于利用材料的机械应力驱动，容易产生疲劳，随着使用时间的延长，会导致驱动精度不足的问题；并且，目前的微驱动器其驱动力度是固定的，随着精密机械系统的多样化，还有其他特殊的驱动需求，比如驱动力度、驱动角度的变化，但目前的微驱动器难以实现驱动力度随位移的变化而变化，对于一些需求不同输出角度的工作元件，也难以满足其需求。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于磁流变液的驱动器，利用磁流变液在磁场不同条件下具有不同的特性，将其作为驱动器的驱动元件，对其施加不同强度的磁场，从而能够精准输出，配合多个驱动件，能够实现多角度驱动的需求，具有温度稳定性好、响应速度快、准确性高的优点。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种基于磁流变液的驱动器，包括相对设置的动平台和静平台，所述动平台与静平台之间连接有驱动件，所述驱动件包括柔性管和柔性管管内填充的磁流变液，所述静平台上设有励磁线圈，所述磁流变液在励磁线圈产生的磁场作用下带动柔性管共同变形，用于带动动平台远离或靠近静平台。

进一步地，所述的驱动件有多个，沿动平台环向均匀分布，用于对动平台的多个位置分别施加驱动力，改变动平台与水平面的夹角。

进一步地，所述励磁线圈有多个，励磁线圈与驱动件一一对应，每个励磁线圈分别对对应的驱动件施加磁场。

进一步地，相邻励磁线圈之间设有沿静平台径向分布的隔磁板，所有隔磁板近心端均连接在同一隔磁套筒上，所述隔磁套筒与静平台同轴布置。

进一步地，所述静平台和动平台之间设有套筒，所述套筒一端固定在静平台上，另一端配合有圆盘，所述圆盘用于接触并支撑动平台。

进一步地，所述励磁线圈位于套筒的近心侧，所述驱动件位于套筒的远心侧，所述套筒用于隔离外部对近心侧元件的干涉。

进一步地，所述磁流变液在柔性管的约束下呈弧形，并在磁场的作用下改变弧度，所述磁流变液能够在磁场作用下由牛顿流体变为Bingham体，形成对动平台的支撑。

进一步地，所述柔性管两端密封，两端分别连接动平台和静平台，所述动平台和静平台同轴设置。

进一步地，所述柔性管的轴线与动平台、静平台的轴线保持共面。

进一步地，所述励磁线圈连接有对应的控制组件，所述控制组件通过调节励磁线圈的电流从而调节其作用于对应磁流变液的磁场。

与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：

(1)利用磁流变液配合励磁线圈作为驱动机构，励磁线圈对磁流变液施加不同强度的磁场，从而能够使驱动件在励磁线圈磁力作用下靠近或远离励磁线圈，使其弧度发生改变，驱动件的端部带动动平台产生不同程度的位移，达到精准的微动输出的目的；

(2)将多个驱动件布置在静平台的环向，在不同的驱动件输出时，能够使动平台的不同位置受到驱动力，从而使动平台能够输出不同角度的驱动，满足元件对多角度驱动的需求；

(3)在驱动器的驱动位移较大时，相应的驱动件的弧度改变越大，越趋近于直线，驱动件也越靠近励磁线圈，磁流变液在更强磁场作用下转变为Bingham 体的刚度也随之增强，从而满足刚度随驱动位移变化的需求；

(4)利用磁流变液的特性，其温度稳定性好、响应快、准确性高，作为驱动器的驱动元件时能够输出满足高精度机械系统需求的驱动，达到稳定性好、适用温度范围大的技术效果；

(5)在配置多个驱动件时，采用隔磁板配合隔磁套筒将多个励磁线圈进行隔离，每个励磁线圈只作用于其对应的一个驱动件，避免了励磁线圈之间相互干扰、降低驱动精度的问题，保证每个励磁线圈能够针对性的工作，便于后续驱动件隔离动作实现驱动角度的改变；

(6)利用套筒配合圆盘，在实现顶部对动平台进行支撑的同时，还能够从环向对内部的励磁线圈进行隔离保护，在驱动器工作于复杂机械环境时，将励磁线圈与其他部件进行隔离，避免外部元件对较为脆弱的励磁线圈的干涉；对于一些特殊的环境，采用导磁的套筒配合圆盘和静平台，能够将励磁线圈等电力元件与水体、腐蚀性环境等隔离，保证电力元件的正常工作。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例1中基于磁流变液的驱动器的主视图；

图2为本申请实施例1中基于磁流变液的驱动器的俯视图；

图3为本申请实施例1中动平台产生一定位移后的结构示意图；

图4为本申请实施例1中动平台改变角度驱动时的结构示意图。

其中，1、静平台，2、支撑块，3、控制组件，4、励磁线圈，5、保护外壳， 6、磁流变液，7、柔性管，8、圆盘，9、动平台，10、套筒，11、隔磁板，12、隔磁套筒。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有技术在微驱动器时，存在不同的缺陷，磁致伸缩式驱动器由于磁致伸缩材料的应变量受温度限制，一般在室温或室温以上使用才能发挥其效果，在一些环境较为恶劣的场景，收到温度的影响较大，难以实时保持其驱动精度；压电陶瓷由于利用材料的机械应力驱动，容易产生疲劳，随着使用时间的延长，会导致驱动精度不足的问题，在一些；并且，目前的微驱动器其驱动力度是固定的，随着精密机械系统的多样化，还有其他特殊的驱动需求，比如驱动力度、驱动角度的变化，但目前的微驱动器难以实现驱动力度随位移的变化而变化，对于一些需求不同输出角度的工作元件，也难以满足其需求，针对上述技术问题，本申请提出了一种基于磁流变液的驱动器。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-4所示，提出了一种基于磁流变液的驱动器。

主要包括静平台1、动平台9和驱动件，所述的静平台与外部机架固定，动平台作为输出端连接执行机构，通过驱动件改变静平台与动平台之间的间距从而使动平台输出位移，达到驱动执行机构的目的。

静平台和动平台在驱动件处于自由状态时存在一个最小的间距，在此间距之间配置一个套筒10，所述套筒一端安装在静平台上，另一端连接有圆盘8，动平台接触此圆盘，圆盘在驱动件自由状态下实现对动平台的支撑，使其保持与静平台的最小间距，也能够辅助动平台克服外部元件对动平台的过大推力，避免动平台与静平台之间间距过小导致的损伤内部元件的问题。

具体的，对于驱动件，所述驱动件包括柔性管7和柔性管内填充的磁流变液 6，柔性管两端封闭，且其两端分别连接动平台和静平台，所述动平台和静平台同轴设置，柔性管对磁流变液的基础形状进行约束，磁流变液在柔性管内形成与柔性管相同的形状；所述静平台上设有励磁线圈4，所述磁流变液在励磁线圈产生的磁场作用下带动柔性管共同变形，用于带动动平台远离或靠近静平台。

所述磁流变液在柔性管的约束下呈弧形，并在磁场的作用下改变弧度，所述磁流变液能够在磁场作用下由牛顿流体变为Bingham体，形成对动平台的支撑。

为了保证驱动件对动平台驱动时的准确性，柔性管在自由状态下呈弧形，其轴线与动平台的轴线共面，即柔性管分布在动平台的径向；作为驱动磁流变液的励磁线圈，布置在静平台上，并且位于套筒的近心侧，励磁线圈通入电流后，产生磁场对柔性管内部的磁流变液产生磁力吸附作用，使磁流变液靠近套筒，从而使其上端顶升动平台，实现微动输出；

在磁流变液受磁力吸附移动的同时，其磁流变液在磁场的作用下，由牛顿流体变成剪切屈服应力较高的Bingham体，形成具有一定刚度的支撑结构，从而阻止磁流变液向套筒的进一步靠近，磁流变液受到的磁力和在磁场作用下产生的抗弯刚度能力达到平衡，此位置是固定的，动平台的输出位移也是固定的，因此，可以使动平台输出所需距离的位移；

在驱动器的驱动位移较大时，相应的驱动件的弧度改变越大，越趋近于直线，驱动件也越靠近励磁线圈，磁流变液在更强磁场作用下转变为变为Bingham体的刚度也随之增强，从而满足刚度随驱动位移变化的需求；

在撤去磁场后，所述的磁流变液呈现牛顿流体特性，在柔性管的作用下，回复其原有的弧形状态，使动平台恢复至接触圆盘的状态。

利用磁流变液配合励磁线圈作为驱动机构，励磁线圈对磁流变液施加不同强度的磁场，从而能够使驱动件在励磁线圈磁力作用下靠近或远离励磁线圈，使其弧度发生改变，驱动件的端部带动动平台产生不同程度的位移，达到精准的微动输出的目的。

当然，可以理解的是，所述的柔性管的截面形状并不限定，只要能够实现保持在静平台径向的弧度变化即可；在本实施例中，优选为截面为长方形的柔性管；

对于套筒内部，所述励磁线圈外部包裹有保护外壳5，在不影响磁场分布的情况下，提高励磁线圈的抗冲击性能，对励磁线圈进行保护，所述励磁线圈通过支撑块2连接静平台，一方面隔离来自静平台的振动干扰，另一方面能够使励磁线圈尽可能处于磁流变液的中间位置，从而能够对磁流变液施加更为均匀、平衡的磁场，提高驱动精度。

进一步地，所述的驱动件有多个，沿动平台环向均匀分布，用于对动平台的多个位置分别施加驱动力，改变动平台与水平面的夹角；

所述励磁线圈有多个，励磁线圈与驱动件一一对应，每个励磁线圈分别对对应的驱动件施加磁场。

对于需求不同角度输出的情况，通过动平台的环向布置多个驱动件，分别对其工作状态进行控制，便可以达到调整动平台角度的需求；如图3和图4所示，利用不同的励磁线圈对对应的驱动件进行不同强度的磁场作用，便可以使动平台的不同位置受到不同长度的推动，从而使动平台呈现出与水平面具有一定夹角的状态，改变不同的励磁线圈的磁力，便可以使动平台实现不同角度的输出。

进一步地，相邻励磁线圈之间设有沿静平台径向分布的隔磁板11，所有隔磁板近心端均连接在同一隔磁套筒上12，所述隔磁套筒与静平台同轴布置；所述励磁线圈连接有对应的控制组件3，所述控制组件通过调节励磁线圈的电流从而调节其作用于对应磁流变液的磁场。

在配置多个驱动件时，采用隔磁板配合隔磁套筒将多个励磁线圈进行隔离，每个励磁线圈只作用于其对应的一个驱动件，避免了励磁线圈之间相互干扰、降低驱动精度的问题，保证每个励磁线圈能够针对性的工作，便于后续驱动件隔离动作实现驱动角度的改变。

进一步地，所述励磁线圈位于套筒的近心侧，所述驱动件位于套筒的远心侧，所述套筒用于隔离外部对近心侧元件的干涉。

利用套筒配合圆盘，在实现顶部对动平台进行支撑的同时，还能够从环向对内部的励磁线圈进行隔离保护，在驱动器工作于复杂机械环境时，将励磁线圈与其他部件进行隔离，避免外部元件对较为脆弱的励磁线圈的干涉；对于一些特殊的环境，采用导磁的套筒配合圆盘和静平台，能够将励磁线圈等电力元件与水体、腐蚀性环境等隔离，保证电力元件的正常工作。

利用磁流变液的特性，其温度稳定性好、响应快、准确性高，作为驱动器的驱动元件时能够输出满足高精度机械系统需求的驱动，达到稳定性好、适用温度范围大的技术效果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁流变液的驱动器，其特征在于，包括相对设置的动平台和静平台，所述动平台与静平台之间连接有驱动件，所述驱动件包括柔性管和柔性管管内填充的磁流变液，所述静平台上设有励磁线圈，所述磁流变液在励磁线圈产生的磁场作用下带动柔性管共同变形，用于带动动平台远离或靠近静平台；

磁流变液作为驱动器的驱动元件，对其施加不同强度的磁场，使精准输出，配合多个驱动件，多个驱动件布置在静平台的环向，实现多角度驱动，设置隔磁板配合隔磁套筒将多个励磁线圈进行隔离，避免相互干扰。

2.如权利要求1所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述的驱动件有多个，沿动平台环向均匀分布，用于对动平台的多个位置分别施加驱动力，改变动平台与水平面的夹角。

3.如权利要求2所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述励磁线圈有多个，励磁线圈与驱动件一一对应，每个励磁线圈分别对对应的驱动件施加磁场。

4.如权利要求3所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，相邻励磁线圈之间设有沿静平台径向分布的隔磁板，所有隔磁板近心端均连接在同一隔磁套筒上，所述隔磁套筒与静平台同轴布置。

5.如权利要求1所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述静平台和动平台之间设有套筒，所述套筒一端固定在静平台上，另一端配合有圆盘，所述圆盘用于接触并支撑动平台。

6.如权利要求5所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述励磁线圈位于套筒的近心侧，所述驱动件位于套筒的远心侧，所述套筒用于隔离外部对近心侧元件的干涉。

7.如权利要求1所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述磁流变液在柔性管的约束下呈弧形，并在磁场的作用下改变弧度，所述磁流变液能够在磁场作用下由牛顿流体变为Bingham体，形成对动平台的支撑。

8.如权利要求1所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述柔性管两端密封，两端分别连接动平台和静平台，所述动平台和静平台同轴设置。

9.如权利要求8所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述柔性管的轴线与动平台、静平台的轴线保持共面。

10.如权利要求1-9任一项所述的基于磁流变液的驱动器，其特征在于，所述励磁线圈连接有对应的控制组件，所述控制组件通过调节励磁线圈的电流从而调节其作用于对应磁流变液的磁场。

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