CN114017468B - 一种可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器 - Google Patents

一种可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机器人足部可实现多方向振动控制的磁流变弹性体复合式隔振器，包括铁芯、第一电磁线圈、第二电磁线圈、下圆环、下壳体、减振圆环、垫圈、外壳、第一减振圆盘、圆盘垫片、第二减振圆盘；减振圆环、第一减振圆盘和第二减振圆盘选用磁流变弹性体制成。在机器人行走、奔跑、跳跃等过程中，足部所受振动与冲击在垂直方向由减振圆环和第一减振圆盘复合隔振，在水平方向由第二减振圆盘进行隔振，并通过控制绕制在铁芯上的第一电磁线圈和第二电磁线圈的输入电流提供可控的强磁场，从而控制弹性体刚度变化，达到减振隔振的目的。

Description

一种可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器
技术领域
本发明属于结构振动控制领域，具体涉及一种可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器。
背景技术
目前机器人腿部结构大多采用刚性结构，这将导致在行走过程中，机器人与地面接触时受到较大的振动与冲击，并随之传递至机器人躯干，影响机器人的运动稳定性、环境自适应性及控制的精确性，更严重的是随着时间与次数的增加，这种振动与冲击会对机器人内部的关节连接处、内部的精密传感器、伺服电机、控制系统等关键部件造成损伤。因而，机器人足腿部减振设计具有重要的意义。
机器人常用的被动隔振元件通常由金属弹簧、空气弹簧、橡胶等材料制成，这些常用隔振材料由于自身性能在某些工作环境下有着较好的效果，且结构简单，稳定性较好，但机器人实际的工作环境中振动常是复杂且多变的，被动隔振元件并不能很好地发挥其隔振作用。
磁流变弹性体是一种新型的磁流变材料，它是由软铁磁性颗粒和聚合物基体组成，由于其响应快（ms量级）、可逆性好（撤去磁场后，又恢复初始状态），可以通过调节磁场大小来控制材料的刚度、阻尼连续变化，从而实时改变系统的固有频率，切断外界振动传递到系统内部的途径，从根本上达到工程结构隔震的目的，因而近年来磁流变弹性体成为半主动隔振研究的一个热点。目前大多数磁流变弹性体隔振器均针对某一方向提供较好的隔振性能，如将其应用于机器人足部隔振的话，只能针对到主要隔振方向上的振动与冲击，但是随着受振次数的增加，次要方向的振动与冲击势必会对关键部件造成一定的损伤。而如果在主要和次要隔振方向上分别设置一个隔振器，这样虽然可以得到较好的隔振效果，但是由于隔振器本身具有相当的重量，使用两个隔振器会导致前进动力需要增加，能源上的负担将会加重；同时两个隔振器均需通入电流以调控刚度，这也将进一步对机器人的能耗问题造成一定的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器，克服传统的磁流变弹性体隔振器只能在某一方向上提供隔振效果的问题，本发明能够在垂直方向和水平方向上进行隔振。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种可实现多方向振动控制的磁流变弹性体复合式隔振器，包括铁芯、第一电磁线圈、第二电磁线圈、下圆环、下壳体、减振圆环、垫圈、外壳、第一减振圆盘、圆盘垫片、第二减振圆盘；减振圆环、第一减振圆盘和第二减振圆盘选用磁流变弹性体制成。
所述下壳体顶面中心开有圆形凹槽，第二减振圆盘固定在上述凹槽内，圆盘垫片固连在下圆环中心，并将下圆环设置在下壳体顶面，同时将圆盘垫片与第二减振圆盘固连；下圆环的圆周外壁上设有一圈凸台，外壳底面与下圆环的凸台固连，铁芯为回转体，由自上而下依次设置的上部连接轴、端盖和芯柱，其中芯柱设置于外壳内，两者之间留有环形空腔，且端盖与外壳的内壁间隙配合；在芯柱上平行间隔开有第一环形凹槽和第二环形凹槽，其中第一环形凹槽一侧紧邻端盖，第一电磁线圈设置在第一环形凹槽内，第二电磁线圈设置在第二环形凹槽内；减振圆环套在第一环形凹槽和第二环形凹槽之间的芯柱上，垫圈套在减振圆环外壁，并通过若干内六角紧固螺钉将外壳、垫圈、减振圆环和铁芯固定；第一减振圆盘设置在铁芯与下圆环之间，并分别与铁芯和圆盘垫片固连。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)本发明在垂直隔振方向采用了剪切-拉压混合模式，其中减振圆环工作在剪切模式下，第一减振圆盘工作在拉压模式下，保留了磁流变弹性体较大刚度、阻尼可控范围的同时大大增加了承载能力。
(2)本发明使用第一电磁线圈和第二电磁线圈双线圈提供强磁场，通过通入相反电流获取更均匀更强的磁场，同时通过导磁材料制成的圆盘垫片和非导磁材料制成的下圆环的磁导率差距，使磁路合理地分布到各个磁流变弹性体上，保证其刚度、阻尼可控范围。
(3)本发明通过若干内六角紧固螺钉将外壳、垫圈、减振圆环固定在铁芯第一环形凹槽与第二环形凹槽之间，方便加工与装配的同时，保证了隔振圆环处于磁力线较为密集的地方。
(4)本发明在垂直隔振方向通过减振圆环与第一减振圆盘复合隔振，在水平隔振方向通过第二减振圆盘进行隔振，两者互不干涉，也即垂直方向与水平方向的隔振互不影响。
附图说明
图1为本发明的可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器示意图。
图2为本发明的可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器磁场回路图。
图3为本发明的可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明：
结合图1，本发明的一种可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器，包括铁芯1、第一电磁线圈2、第二电磁线圈3、下圆环4、下壳体5、减振圆环6、垫圈7、外壳8、第一减振圆盘9、圆盘垫片10、第二减振圆盘11。
所述下壳体5为圆柱状，其顶面中心开有圆形凹槽，用于与第二减振圆盘11相连接，同时下壳体5的底部安装在机器人足底。所述下圆环4由非导磁材料构成，其中心与导磁材料制成的圆盘垫片10相连，以引导磁力线尽可能地经过第二减振圆盘11，保证其可控刚度性能，并将其设置在下壳体5顶面，下圆环4的圆周外壁上设有一圈凸台与外壳8底部固连，圆盘垫片4与第二减振圆盘固连，以保证整体结构一体性。所述铁芯1为回转体，由自上而下依次设置的上部连接轴、端盖和芯柱，其中芯柱设置于外壳8内，端盖与外壳8的内壁间隙配合。在芯柱上平行间隔开有第一环形凹槽和第二环形凹槽，其中第一环形凹槽一侧紧邻端盖，第一电磁线圈2设置在第一环形凹槽内，第二电磁线圈3设置在第二环形凹槽内，线圈直径选择为0.5mm，安全载流量可达4A，由可控直流源提供输入电流，从而控制磁场强度改变磁流变弹性体刚度进行隔振；所述减振圆环6套在第一环形凹槽和第二环形凹槽之间的芯柱上，垫圈7套在减振圆环外壁，并通过若干内六角紧固螺钉将外壳8、垫圈7、减振圆环6和铁芯1固定。第一减振圆盘9设置在铁芯1与下圆环4之间，并分别与铁芯1和圆盘垫片10固连。
优选的，所述下圆环4采用非导磁性材料，如铝合金、不锈钢，铜锌合金等。
进一步的，所述铁芯1、下壳体5、垫圈7、外壳8、圆盘垫片10均采用导磁性良好的20#钢。
进一步的，所述内六角紧固螺钉采用非导磁性材料，如304不锈钢、5052铝合金、c11000锑铜等。
进一步的，芯柱与外壳8间留有环形空腔，以供垂直减振时上下移动。
进一步的，下壳体的圆形凹槽面积大于第二减振圆盘11面积，为第二减振圆盘11进行水平隔振时留有一定的变形空间。
进一步的，第一电磁线圈2通入正向电流，第二电磁线圈3通入负向电流，以形成如图2所示的磁场回路。
进一步的，所述减振圆环6、第一减振圆盘9、第二减振圆盘11均选用具有大磁致伸缩系数和低磁晶各向异性的磁性颗粒作为磁性填充颗粒，如羰基铁为磁性填充颗粒，以聚二甲基硅氧烷为基体，以二甲基硅油为添加剂，可显著提高其变刚度能力。
作为一种实施方式，与所述减振圆环6、第一减振圆盘9、第二减振圆盘11相连处均为胶结。
结合图3，本发明的磁流变弹性体隔振器的工作原理是：铁芯1的上部连接轴与机器人踝关节通过螺纹连接，下壳体5与足底也通过螺纹连接，螺纹连接的方式简单且可靠性好。机器人行走过程中，所受振动与冲击主要来自垂直方向，因此在足部垂直方向设置一个加速度传感器，根据传感器信号并结合相应的算法动态地得出减振所需的电流，向第一电磁线圈2和第二电磁线圈3通电，产生相应的强磁场，改变磁流变弹性体刚度，从而改变隔振器固有频率达到隔振效果。磁流变弹性体工作示意图如图3所示，当发生铁芯1垂直移动时，减振圆环6承受垂直剪切承载，剪切模式下的高磁流变效应保证了垂直方向的隔振能力，第一减振圆盘9承受挤压承载，硬磁性颗粒及聚二甲基硅氧烷基质的材料性能保证了其良好的承载能力；同时下壳体5与上部发生水平移动时，第二减振圆盘11承受剪切承载，能为水平方向提供一定的隔振效果。
本发明的可实现多方向振动控制的复合式磁流变弹性体隔振器通过相关设备测试，在通入2A电流后，其垂直方向的等效刚度最大增加量为257.1%，等效阻尼最大增加量为221.6%，其水平方向等的等效刚度最大增加量为45%，等效阻尼最大增加量为84.7%，在两个方向上均有着较好的变刚度变阻尼性能体现。

Claims (1)

1.一种可实现多方向振动控制的磁流变弹性体复合式隔振器，其特征在于：包括铁芯（1）、第一电磁线圈（2）、第二电磁线圈（3）、下圆环（4）、下壳体（5）、减振圆环（6）、垫圈（7）、外壳（8）、第一减振圆盘（9）、圆盘垫片（10）、第二减振圆盘（11）；减振圆环（6）、第一减振圆盘（9）和第二减振圆盘（11）选用磁流变弹性体制成；
所述下壳体（5）顶面中心开有圆形凹槽，第二减振圆盘（11）固定在上述圆形凹槽内，圆盘垫片（10）固连在下圆环（4）中心，并将下圆环（4）设置在下壳体（5）顶面，同时将圆盘垫片（10）与第二减振圆盘（11）固连；下圆环（4）的圆周外壁上设有一圈凸台，外壳（8）底面与下圆环（4）的凸台固连，铁芯（1）为回转体，由自上而下依次设置的上部连接轴、端盖和芯柱组成，其中芯柱设置于外壳（8）内，两者之间留有环形空腔，且端盖与外壳（8）的内壁间隙配合；在芯柱上平行间隔开有第一环形凹槽和第二环形凹槽，其中第一环形凹槽一侧紧邻端盖，第一电磁线圈（2）设置在第一环形凹槽内，第二电磁线圈（3）设置在第二环形凹槽内；减振圆环（6）套在第一环形凹槽和第二环形凹槽之间的芯柱上，垫圈（7）套在减振圆环（6）外壁，并通过若干内六角紧固螺钉将外壳（8）、垫圈（7）、减振圆环（6）和铁芯（1）固定；第一减振圆盘（9）设置在铁芯（1）与下圆环（4）之间，并分别与铁芯（1）和圆盘垫片（10）固连；
下壳体（5）顶面中心的圆形凹槽面积大于第二减振圆盘（11）的面积；
圆盘垫片（10）的面积小于第二减振圆盘（11）的面积，且圆盘垫片（10）的面积小于第一减振圆盘（9）的面积，铁芯（1）的底面面积大于第一减振圆盘（9）的面积；
铁芯（1）、下壳体（5）、垫圈（7）、外壳（8）、圆盘垫片（10）均采用20#钢；
在第一电磁线圈（2）、第二电磁线圈（3）通入相反的电流，且第二电磁线圈（3）产生的磁场大于第一电磁线圈（2）产生的磁场；
减振圆环（6）、第一减振圆盘（9）和第二减振圆盘（11）的磁性填充颗粒为羰基铁，基质材料为聚二甲基硅氧烷。
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