CN114800455B - 一种基于磁流变的可控关节驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变液的可控关节驱动器，属于外骨骼机器人技术领域。包括电机、T型齿轮传动机构、减速器和机壳；T型齿轮传动机构包括小锥齿轮和一对大锥齿轮。一对大锥齿轮与对应的传动轴之间分别设有电磁线圈，安装一对大锥齿轮的深沟球轴承内注入磁流变液。一侧电磁线圈通电时，一侧形成电磁闭合回路，使该侧轴承的内外圈不发生相对转动，实现该侧输出；当该侧电磁线圈断电时，磁场消失，该侧轴承恢复正常转动，使得该侧大锥齿轮与传动轴分离，在不改变电机方向的情况下达到快速换向的目的。另一侧电磁线圈的工作情况相同。当一对大锥齿轮同时与传动轴接合时，实现“锁死”状态，可控关节驱动器能够以极小的功率承受极大的负载。

Description

一种基于磁流变的可控关节驱动器

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种基于磁流变的可控关节驱动。

背景技术

关节驱动器是外骨骼机器人的关键部件，其技术发展直接影响外骨骼机器人的发展。外骨骼机器人在很多应用场合可以协助或代替人类工作。外骨骼机器人关节运动特点和动物类似，如运动速度快，机动性能好，步幅和步频变化，能量新陈代谢变化，高速碰撞等。这些运动特点要求驱动器具有高功率密度、高响应性、低能耗和耐冲击性等特性。关节驱动器按动力来源可以分为液压、气动、电机驱动、记忆金属、生物类(心肌细胞) 等，其中电机驱动应用最为广泛。电机作为动力来源的典型关节作动器由电机、减速器、编码器、控制板和控制软件组成。电机通过减速器安装在关节中，以提供驱动力以促进关节运动。通过关节协同作用，关节驱动式机器人可以进行越障或负载等任务。在一些特殊工况下，比如四足机器人在承载重物时需要对关节驱动器进行持续的力矩保证运输的平稳，但是保持大力矩往往意味着消耗很大的电机功率。关节驱动器更高的极限换向频率和低能耗承载重物，能使四足机器人的奔跑速度大幅提升和承载重物的能耗大幅降低。

磁流变技术是一种典型的半主动控制技术，其中磁流变液因其快速响应、显著的流变学变化、对污染不敏感以及易于制备而最受欢迎。通过附加的电磁场效应，其行为发生变化，可以在几毫秒内从液态形成半固态（链状结构）。移除磁场后，其物理状态以相同的方式恢复到原始状态。在磁流变液中，电磁场的作用使液体的触变性瞬间从可自由流动的液体变为半固态，且屈服强度可控。电磁铁的简单电流控制提供了一种控制磁流变液的有效手段。通过精确改变外加磁场的强度，可以按比例控制流体的稠度或屈服强度。

综上所述，当前关节驱动器难以满足越障或负载等任务需求。因此开发一种机动性更高的关节驱动器来满足机器人关节低能耗负载的需求十分关键。为解决这一问题，本发明提出了一种基于磁流变液的可控关节驱动器。这一新型关节驱动器能够在主动助力时，在保证输出稳定的同时表现更高的换向和响应频率，在被动负载时，以极低的能耗保持极大的力矩，为更高机动性和更小负载消耗需求提供解决方案。同时无电状态下的离合设计，也具有一定的故障安全特性，在外部冲击意外过大时不破坏整体关节驱动器。

发明内容

为了实现机器人关节驱动器在主动助力和被动负载时对机动性和低能耗需求，具体表现在，机器人关节驱动器能够在机器人正常运动时保持高精度换向和响应频率保证机器人快速奔跑时的稳定性，当机器人需要承载重物时降低电机能耗从而减少运行成本，本发明提供一种基于磁流变的可控关节驱动器。

一种基于磁流变的可控关节驱动器，包括电机9、T型齿轮传动机构、减速器1和机壳；

所述电机9的机体固定设于机壳内底板5上；

所述T型齿轮传动机构包括小锥齿轮11、一对大锥齿轮和传动轴13；

所述小锥齿轮11固定设于电机9的输出轴上；

所述传动轴13包括左传动轴16、右传动轴19和套筒18，左传动轴16的一端通过销钉17固定连接着套筒18的一端、右传动轴19的一端通过销钉固定连接着套筒18的另一端，形成一个整体；

所述一对大锥齿轮为左锥齿轮12和右锥齿轮14；所述左锥齿轮12通过一对左轴承固定设于左传动轴16上，一对左轴承和左传动轴16的空隙之间设有磁流变液25，一对左轴承之间的左传动轴16上套设有左电磁线圈23；所述右锥齿轮14通过一对右轴承固定设于右传动轴19上，一对右轴承和右传动轴19的空隙之间设有磁流变液25，一对右轴承之间的右传动轴19上套设有右电磁线圈26；所述一对大锥齿轮分别与小锥齿轮11啮合传动；

所述左传动轴16的另一端固定连接着减速器1的输入端，所述右传动轴19的另一端固定设于右侧板6外侧面的轴承座7上；

当左电磁线圈23通电时，经过左传动轴16、左轴承、磁流变液25、左锥齿轮12成一个电磁闭合回路，磁场沿左传动轴16的径向穿过磁流变液25；使左轴承的内外圈不发生相对转动，使得在左锥齿轮12和左传动轴16接合；此时的传动路线：由小锥齿轮11通过左锥齿轮12、传动轴13、减速器1实现输出；

当左电磁线圈23断电时，磁场消失，左轴承恢复正常转动，使得左锥齿轮12和左传动轴16分离；

所述右电磁线圈26的工作情况与左电磁线圈23的工作情况相同，此时的传动路线：由小锥齿轮11通过右锥齿轮14、传动轴13、减速器1实现输出；

当一对大锥齿轮同时与传动轴接合时，实现“锁死”状态，可控关节驱动器能够以极小的功率承受极大的负载；

使用时，所述可控关节驱动器通过减速器1固定安装在下肢外骨骼机器人31的膝关节上。

进一步的技术方案如下：

所述电机9为无刷直流盘式电机。

所述减速器1为谐波减速器，减速比30：1。

所述磁流变液25是一种流动性可控的新型流体，由羟基铁粉与聚烯烃合成油混合均匀制成，羟基铁粉的质量含量占磁流变液总质量的85.5％左右，铁粉粒径2微米。在无外磁场的作用下呈低粘度的牛顿流体特性，在外磁场的作用下呈高粘度、低流动性的宾汉流体。

所述左轴承和右轴承均为深沟球轴承。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明针对现有电机式刚性关节驱动器难以兼具机器人在奔跑和低能耗承重地目标需求，提出了一种基于磁流变液地可控关节驱动。该设计在机器人快速奔跑时可以提供更高更稳定地换向频率保证机器人地高速奔跑地稳定性，而在承载大负重时降低能量消耗满足目标要求。于此同时，本发明提出的磁流变液可控关节驱动器，也可切换为传统电机式刚性驱动器，实用性强。此外，本发明提出的关节驱动器，基于磁流变液地设计，使驱动器在无电状态下表现输入端输出端分离状态，能够实现驱动器受到意外冲击的情况下依然保持关节驱动器不受干扰，从而具备故障安全特性。

2.在相同的电机转速下对传统电机和磁流变液控制关节驱动器的换向频率进行对比。二者的不同在于，磁流变控制换向是通过控制一对大锥齿轮与传动轴的接合情况控制关节驱动器的转动方向，电机的转动方向不变；而传统的电机控制通过改变电机的转动方向实现控制关节驱动器输出。换向频率指的是单位时间内允驱动器换向的次数。如表1所示，当电机处在高转速情况下，磁流变控制换向的频率高于传统的电机控制。当转速达到2200rpm时，磁流变液控制的换向频率是电机控制的1.75倍。

传统电机控制换向时，电机需要经历加速、减速再加速的过程，换向时角速度存在明显峰值，这就导致了电机角速度的不稳定，使得作动器转动角度发生偏移。于此同时，由于电机换向时角速度和扭矩都在减小难以抵抗大锥齿轮齿轮换向的转动惯量和摩擦，所以电机能够控制控制的角度范围更小。与之相反，磁流变液控制换向不改变大锥齿轮自身的转动方向和速度大小，只改变总体运动方向且受到的转动惯量和摩擦影响较小，所以磁流变液控制的角度范围更大更精准。与此同时，MRF控制换向时受到由于齿轮的间隙而产生的运动误差相对于电机直接控制要小，减小由于齿轮的方向变化产生的轮系运动误差和电机正反转速度误差的影响，使得关节驱动器的控制误差下降，稳定性提高。相对于电机直接控制时换向需要减速在加速的过程，磁流变轴承控制并不需要对电机的方向进行改变，大大提高装置的稳定性、持久性和能耗问题。

3．传统电机控制和磁流变液控制关节驱动器刹车制动响应时间对比如表2所示。刹车制动响应时间指的是在转速从目标值下降到0且几乎不在变化的时间。无论有无负载MRF作动器的响应时间比电机驱动的响应时间要短。图14显示了刹车的具体过程，在负载的情况下（10N.m），当转速达到916rpm时，MRF控制刹车的响应时间为240ms相对于电机控制时的响应时间700ms少65.71%。

在作动器运行2s以后分别通过这两种方式控制其制动并给出了仿真结果。可以看到电机制动时往往会有一个较大的超调量，这对作动器的精确控制往往是不友好的，并且超调量往往伴随着响应时间的增加，这降低了关节驱动器的位置控制的精确性。磁流变液控制的响应时间往往比传统电机控制小。随着转速的提高，值得注意的是在负载的情况下，电机响应时间比电机大很多。当关节驱动器承载时，电机控制受到负载转动惯量等因素影响使得超调量变大，响应时间变大。与之相反，MRF控制制动时，特殊的T型齿轮传动机构产生“锁死”效果，电机和负载同时停止转动，使得作动器和负载转动惯量对控制的影响减小以此减小响应时间。在机器人承载且关节转动惯量时，采用磁流变液控制的关节驱动器相比于传统的电机控制能减小惯量对关节驱动器的影响从而提高关节驱动器的位置控制。

4. 如图15所示，在被动承载负重的工作模式下，传统电机控制和磁流变控制的能量损耗。分别通过传统电机的位置控制和两个大锥齿轮电磁线圈通电来比较电机控制和MRF控制作动器保持力矩的能量消耗情况。由于线圈的消耗功率极小（一个线圈的功率在1.15-2w左右）且两种控制方式线圈消耗功率相差不大，这里忽略线圈发热所带来的能量损耗。MRF控制作动器保持力矩时的功率保持在0.1-0.2w，而传统电机的功耗随着负重的增加极具增加。在机器人承载负重时能够极大减小关节驱动器的能量损耗。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2 为图1的后视结构示意图。

图3为去掉机壳前侧板的本发明结构示意图。

图4为图3的剖视图。

图5为传动轴结构示意图。

图6为图5的剖视图。

图7为左齿轮和传动轴的装配示意图。

图8为图7的局部放大图。

图9为左锥齿轮与传动轴接合时磁路及关节驱动器传动示意图。

图10为右锥齿轮与传动轴接合时磁路及关节驱动器传动示意图。

图11外骨骼机器人示意图。

图12 为左锥齿轮与传动轴接合时图11的关节传动放大图。

图13为右锥齿轮与传动轴接合时图11的关节传动放大图。

图14为刹车制动的响应时间示意图。

图15为不同负载下能耗示意图。

上图中序号：减速器1、左侧板2、顶板3、前侧板4、底板5、右侧板6、轴承座7、后侧板8、电机9、驱动轴10、小锥齿轮11、左锥齿轮12、传动轴13、右锥齿轮14、垫片15、左传动轴16、销钉17、套筒18、右传动轴19、左挡片20、右挡片21、线圈垫22、左电磁线圈23、卡簧24、磁流变液25、右电磁线圈26、卡槽27、径向出线孔28、轴向出线孔29、线圈垫径向出线孔30、下肢外骨骼机器人31。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。

参见图1和图2，一种基于磁流变液的可控关节驱动器包括电机9、T型齿轮传动机构、减速器1和机壳。电机9为无刷直流盘式电机。减速器1为谐波减速器，减速比30：1。机壳包括左侧板2、顶板3、前侧板4、底板5和右侧板6。

参见图3，电机9的机体固定安装于机壳内的底板5上。T型齿轮传动机构包括小锥齿轮11、一对大锥齿轮和传动轴13；一对大锥齿轮分别与小锥齿轮11啮合传动；小锥齿轮11通过驱动轴10固定安装于电机9的输出轴上。一对大锥齿轮和小锥齿轮11的传动比30：15，模数为2，材质为25钢。

参见图5和图6，传动轴13包括左传动轴16、右传动轴19和套筒18，左传动轴16的一端通过销钉17固定连接着套筒18的一端，右传动轴19的一端通过销钉17固定连接着套筒18的另一端，形成一个整体。参见图4，左传动轴16的另一端固定连接着减速器1的输入端，减速器1固定安装于左侧板2；右传动轴19的另一端固定安装于右侧板6外侧面的轴承座7上。传动轴13为回转体结构，为保证良好的导磁性，采用1060合金材料的套筒18连接两段25号钢材料的左传动轴16和右传动轴19，使得左电磁线圈23和右电磁线圈26的磁场不会相互影响。

参见图3和图4，一对大锥齿轮为左锥齿轮12和右锥齿轮14。参见图7和图8，左锥齿轮12通过一对左轴承固定安装于左传动轴16上，左轴承通过安装在左传动轴16的卡槽27上的卡簧24定位，左锥齿轮12通过左挡片20和右挡片21定位在左轴承上，左电磁线圈23套装在一对左轴承之间左传动轴16上的线圈垫22上，线圈垫22用于左电磁线圈23的定位，磁流变液25通过注入的方式分别密封在一对左轴承内。

右锥齿轮14的安装同左锥齿轮12，右锥齿轮14通过一对右轴承固定安装于右传动轴19上，右轴承和右传动轴19的空隙之间通过注入的方式密封注入磁流变液，一对右轴承之间的右传动轴19上套装有右电磁线圈26。

一对左轴承和一对右轴承均为深沟球轴承。

参见图5和图6，左传动轴16和右传动轴19上分别预留径向出线孔28和轴向出线孔29，参见图7和图8，左电磁线圈23的线端通过线圈垫径向出线孔30和径向出线孔28引出电线，右电磁线圈26的线端的引出电线结构相同。

磁流变液25是一种流动性可控的新型流体，由羟基铁粉与聚烯烃合成油混合均匀制成，羟基铁粉的质量含量占磁流变液总质量的85.5％左右，铁粉粒径2微米。在无外磁场的作用下呈低粘度的牛顿流体特性，在外磁场的作用下呈高粘度、低流动性的宾汉流体。

参见图11，使用时，所述可控关节驱动器通过减速器1固定安装在下肢外骨骼机器人31的膝关节上。

本发明的工作原理详细说明如下：

参见图9，当左电磁线圈23通电产生的磁场时，使一对左轴承内部磁流变液25呈半固态状，阻碍了一对左轴承的内圈和外圈之间的相对运动，达到左锥齿轮12和左传动轴16接合的效果；当左电磁线圈23断电后，磁流变液25快速恢复液态使得左锥齿轮12和左传动轴16运动分离；左电磁线圈23通电时形成的电磁闭合回路如图9中箭头所示，经过左传动轴16、一对左轴承、磁流变液25、左锥齿轮12，此时电机9的传动路线如图9和图12所示：由小锥齿轮11通过左锥齿轮12、左传动轴16、减速器1实现对外骨骼机器人的动力输出。实现电机9方向不变的情况下，对驱动器方向进行控制，减小电机9换向的不稳定，保证关节驱动器高速运行时的稳定性。

参见图10，右电磁线圈26的工作情况与左电磁线圈23的工作情况相同，此时右电磁线圈26通电形成的电磁闭合回路如图10中箭头所示，此时电机9的传动路线如图10和图13所示：由小锥齿轮11通过右锥齿轮14、右传动轴19、减速器1实现输出对外骨骼机器人的动力输出。通过控制T型齿轮传动机构一对大锥齿轮与传动轴13的离合状态，以此达到机器人换向和承载的需求。具体实现如下：当机器人高速奔跑时，由于T型齿轮传动机构的一对大锥齿轮运动方向不同的特点，通过给左电磁线圈23和右电磁线圈26轮流通断电，达到关节驱动器换向的效果。

当机器人承载重物时，左电磁线圈23和右电磁线圈26同时通电，由于T型齿轮传动机构的一对大锥齿轮运动方向不同的特点，T型齿轮传动机构呈“锁死”状态，使得关节驱动器能够承载的扭矩不再取决于电机9输出扭矩，而取决于磁流变液25本身保持一对大锥齿轮和传动轴13接合的最大扭矩和传动轴抗弯扭矩，此时电机9几乎不做功，使得关节驱动器在承载重物时只消耗了线圈功率的能量大小，满足了机器人低能耗承载重物的要求。

本领域的技术人员容易理解，以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于磁流变的可控关节驱动器，其特征在于：包括电机（9）、T型齿轮传动机构、减速器（1）和机壳；

所述电机（9）的机体固定设于机壳内底板（5）上；

所述T型齿轮传动机构包括小锥齿轮（11）、一对大锥齿轮和传动轴（13）；

所述小锥齿轮（11）固定设于电机（9）的输出轴上；

所述传动轴（13）包括左传动轴（16）、右传动轴（19）和套筒（18），左传动轴（16）的一端通过销钉（17）固定连接着套筒（18）的一端、右传动轴（19）的一端通过销钉固定连接着套筒（18）的另一端，形成一个整体；

所述一对大锥齿轮为左锥齿轮（12）和右锥齿轮（14）；所述左锥齿轮（12）通过一对左轴承固定设于左传动轴（16）上，一对左轴承和左传动轴（16）的空隙之间设有磁流变液（25），一对左轴承之间的左传动轴（16）上套设有左电磁线圈（23）；所述右锥齿轮（14）通过一对右轴承固定设于右传动轴（19）上，一对右轴承和右传动轴（19）的空隙之间设有磁流变液（25），一对右轴承之间的右传动轴（19）上套设有右电磁线圈（26）；所述一对大锥齿轮分别与小锥齿轮（11）啮合传动；

所述左传动轴（16）的另一端固定连接着减速器（1）的输入端，所述右传动轴（19）的另一端固定设于右侧板（6）外侧面的轴承座（7）上；

当左电磁线圈（23）通电时，经过左传动轴（16）、左轴承、磁流变液（25）、左锥齿轮（12）成一个电磁闭合回路，磁场沿左传动轴（16）的径向穿过磁流变液（25）；使左轴承的内外圈不发生相对转动，使得在左锥齿轮（12）和左传动轴（16）接合；此时的传动路线：由小锥齿轮（11）通过左锥齿轮（12）、传动轴（13）、减速器（1）实现输出；

当左电磁线圈（23）断电时，磁场消失，左轴承恢复正常转动，使得左锥齿轮（12）和左传动轴（16）分离；

所述右电磁线圈（26）的工作情况与左电磁线圈（23）的工作情况相同，此时的传动路线：由小锥齿轮（11）通过右锥齿轮（14）、传动轴（13）、减速器（1）实现输出；

当一对大锥齿轮同时与传动轴接合时，实现“锁死”状态，可控关节驱动器能够以极小的功率承受极大的负载；

使用时，所述可控关节驱动器通过减速器（1）固定安装在下肢外骨骼机器人（31）的膝关节上。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变的可控关节驱动器，其特征在于：所述电机（9）为无刷直流盘式电机。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变的可控关节驱动器，其特征在于：所述减速器（1）为谐波减速器，减速比30：1。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变的可控关节驱动器，其特征在于：所述磁流变液（25）由羟基铁粉与聚烯烃合成油混合均匀制成，羟基铁粉的质量含量占磁流变液总质量的85.5％左右，铁粉粒径2微米。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变的可控关节驱动器，其特征在于：所述左轴承和右轴承均为深沟球轴承。

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