CN115949696A - 用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，所述用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器应用于机器人关节，包括缸筒、转动轴、转子、和磁流变液体，所述缸筒为筒状且设有励磁线圈；所述转动轴位于所述缸筒内且可绕其轴线转动，所述转子的外周与所述缸筒内壁间隔设置且形成封闭的填充通道，且包括转子本体和多对凸环，所述转子本体为与所述转动轴同轴的环状且套设于所述转动轴外周；多对所述凸环中的两个所述凸环分别连接至所述转子本体沿轴向的前侧和后侧，每个所述凸环均沿所述转子本体的周向延伸，沿径向相邻的两个所述凸环间隔设置；所述磁流变弹性体位于所述转子与所述缸筒内壁之间，所述磁流变液体可感应所述励磁线圈的磁场并发生形体变化。

Description

用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及阻尼器技术领域，特别涉及一种用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器。

背景技术

在关节机器人领域，如臂式机器手、腿式机器人、外骨骼机器人、医疗机器人、家庭服务机器人等智能装备中，随着对机器人使用的要求的升级，在一些场合需要机器人在动作及力度输出上具有一定的柔性，或者具有缓冲减震的功能。

传统的弹簧阻尼被动式减震器由于体积大、减震性能主要依赖自身结构来实现，不适宜于机器人的关节减震。其次，液压缓冲作动器虽然能够实现机器人关节的智能缓冲与减震，但由于需要一个液压泵站、且存在液压油泄露等问题，并不能满足以上应用场合的需要。

因此，在机器人传动关节领域，亟需一种能够结构紧凑、功率密度大、控制简单、响应灵敏的具有柔性传动功能的缓冲阻尼器，能够和伺服电机、减速器配合工作，起到对机器人关节进行智能缓冲和减震作用的阻尼器装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，该机器人智能传动关节的磁流变阻尼器结构紧凑、功率密度大。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，包括：

缸筒；所述缸筒为筒状且设有励磁线圈；

转动轴，所述转动轴位于所述缸筒内且可绕其轴线转动；

转子，所述转子的外周与所述缸筒内壁间隔设置且形成封闭的填充通道，所述转子包括：

转子本体，所述转子本体为与所述转动轴同轴的环状且套设于所述转动轴外周；以及

多对凸环，多对所述凸环中的两个所述凸环分别连接至所述转子本体沿轴向的前侧和后侧，每个所述凸环均沿所述转子本体的周向延伸，沿径向相邻的两个所述凸环间隔设置；以及

磁流变液体，所述磁流变弹性体位于所述转子与所述缸筒内壁之间，所述磁流变液体可感应所述励磁线圈的磁场并发生形体变化。

在一个实施例中，两对所述凸环连接至所述转子本体。

在一个实施例中，所述转子与所述转动轴通过键连接。

在一个实施例中，缸筒包括：

侧壁，所述侧壁为绕所述转动轴的轴线延伸形成的筒状，所述侧壁具有前端开口和后端开口，所述侧壁与所述转子本体的径向外侧间隔设置；

前端盖，所述前端盖覆盖所述前端开口并连接至所述侧壁的前端，所述前端盖的内端形状与所述转子的前侧互补且间隔设置；

后端盖，所述后端盖覆盖所述后端开口并连接至所述侧壁的后端；所述后端盖的内端形状与所述转子的后侧形状互补且间隔设置；

所述磁流变液体分别位于所述侧壁与所述转子本体的径向外侧之间、所述前端盖与所述转子的前侧之间以及所述后端盖与所述转子的后侧之间。

在一个实施例中，所述前端盖和所述后端盖分别设有绕所述转动轴的轴线延伸的环形凹槽，两个所述励磁线圈分别安装于两个所述环形凹槽内。

在一个实施例中，所述转子本体环套于所述转动轴的中间部位；

所述用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器还包括应变片，所述应变片贴合所述转动轴外表面且位于所述转动轴沿轴向的中间部位，用于感应所述转动轴的扭矩。

在一个实施例中，所述转动轴的外表面设有安装槽，所述安装槽位于所述转动轴沿轴向的中间部位，所述安装槽的深度与所述应变片的厚度相同；所述应变片位于所述安装槽内。

在一个实施例中，所述转动轴设有线槽，所述线槽包括相互连通的第一段和第二段，所述第一段沿轴向延伸，所述第二段的一端与所述安装槽连通，另一端与所述第一段连通，所述线槽用于安装应变片的连接线。

在一个实施例中，还包括：

信号采集装置，所述信号采集装置与所述应变片电连接；

控制器，所述控制器与所述信号采集装置以及所述励磁线圈电连接，用于接收所述信号采集装置的信号以及控制所述所述励磁线圈的电流。

在一个实施例中，所述填充通道的的宽度范围为0.5mm-1mm。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明的一个实施例的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器的爆炸图。

图2和图3是图1所示实施例中用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器的组装图。

图4是图1所示实施例中前端盖的立体图。

图5是图4所示实施例中前端盖的剖视图。

图6是图1所示实施例中后端盖的立体图。

图7是图6所示实施例中后端盖的剖视图。

图8是图1所示实施例中转动轴的剖视图。

图9是图1所示实施例中转子的剖视图。

图10是图1所示实施例中侧壁的剖视图。

附图标记：100、用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器；1、缸筒；11、侧壁；111、前端开口；112、后端开口；113、凹槽；114、注液孔；12、前端盖；121、前盖体；122、第一连接环；123、第一凸出部；124、套环；13、后端盖；131、后盖体；132、第二连接环；133、第二凸出部；14、环形凹槽；2、转动轴；21、安装槽；22、线槽；21、第一段；22、第二段；3、转子；31、转子本体；32、凸环。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了便于更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

本发明涉及一种用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器100，该用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器100能够产生大粘滞力、力矩可实时调控、可以应用到航天机器人或手术用机器人的关节处，对机器人关节进行柔性缓冲和减震，便于机器人处理轻拿轻放的作业，下面结合附图和具体实施例对本发明的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器100进行详细描述。

如图1所示，该用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器100包括缸筒1、转动轴2、转子3和磁流变液体。

缸筒1整体为圆柱体的筒状，且包括侧壁11、前端盖12和后端盖13。侧壁11为圆柱体筒状，且具有沿其轴向延伸的内部空间，该内部空间沿轴向具有前端开口111和后端开口112。前端盖12覆盖前端开口111并与侧壁11的前端连接。后端盖13覆盖后端开口112并与侧壁11的后端连接，后端盖13、前端盖12和侧壁11配合形成圆柱形的缸筒1。此外，侧壁11的前端和后端分别设有螺纹孔，便于通过螺栓与前端盖12和后端盖13连接。应理解，在其他实施例中，侧壁11也可以通过其他方式与前端盖12或后端盖13连接，不限制侧壁11与前端盖12或后端盖13连接的具体方式。

前端盖12沿轴向包括前盖体121、连接至前盖体121内壁的第一连接环122和第一凸出部123，其中，前盖体121为圆环状且覆盖侧壁11的前端开口111，前盖体121的内环用于连接转动轴2的输入端，方便转动轴2与外部的输入轴连通，该输入轴可带动转动轴2转动。第一连接环122为与前盖体121同轴的环状且连接至前盖体121的内壁，第一连接环122位于侧壁11的容纳空间内，且其内环用于为转动轴2提供通道，外周用于缠绕第一组励磁线圈。

第一凸出部123连接至第一连接环122的内侧且与第一连接环122和前盖体121同轴，且第一凸出部123和前盖体121的外径均大于第一连接环122的外径，因此第一凸出部123和前盖体121和第一连接环122配合形成环形凹槽14113，第一组励磁线圈缠绕至第一连接环122且位于该环形凹槽14113内，第一凸出部123和前盖体121可以防止线圈脱离第一连接环122，结构紧凑。此外，该第一凸出部123还可以用于配合转子3形成填充通道的一部分通道，下文会详述。

后端盖13和形状基本与前端盖12相似或相同，具体来说，后端盖13沿轴向包括后盖体131、连接至后盖体131内壁的第二连接环132和第二凸出部133。其中，后盖体131为与前端盖12同轴的环状且覆盖至侧壁11的后端开口112，并与侧壁11的后端连接。后盖体131的内环用于连接转动轴2的输出端，便于转动轴2与外部的关节输出端连接。第二连接环132为与后盖体131同轴的环状，第二连接环132的内环用于为转动轴2通过通道，外环用于缠绕第二组励磁线圈。

第二凸出部133连接至第二连接环132的内侧，且第二凸出部133和后盖体131的外径均大于第二连接环132的外径，第二凸出部133和后盖体131与第二连接环132配合形成另一个环形凹槽14113，第二组励磁线圈缠绕与第二连接环132并位于该环形凹槽14113内，第二组励磁线圈与第一组励磁线圈相对于侧壁11的中心对称设置。此外，第二凸出部133还用于配合转子3形成填充通道的另一部分通道，下文会详述。

转动轴2与前端盖12、侧壁11以及后端盖13同轴设置，且可绕其轴线转动。如图所示，传动轴沿轴向具有输入端和输出端，转动轴2的输入端与前端盖12通过轴承可转动连接，输入端用于与外部的电机的输出轴连接。转动轴2的输出端通过轴承与后端盖13可转动连接，输入端用于与外部的关节输出端连接。

转动轴2的外表面为阶梯轴结构，即转动轴2的外径从输入端至中间部位以及从输出端至中间部件逐渐增大。转动轴2的内部设有轴孔，该轴孔沿轴向延伸且沿轴向方向贯穿转动轴2，轴孔的轴线与转动轴2的轴线重叠。转动轴2的内部还设有键槽，该键槽位于输入端，方便于电机的输出轴键连接。

此外，转动轴2的外表面还设有安装槽21，安装槽21位于转动轴2的沿轴向的中间部分，方便安装应变片。应变片可用于感应转动轴2的扭矩，并通过连接线将该感应的扭矩信息传递至外部的信号采集装置。信号采集装置与控制器连接，并可将接收到的信号反馈至控制器。控制器与电流源、第一组励磁线圈、第二组励磁线圈连接，控制器可根据该应变片的信号判断第一组励磁线圈或第二组励磁线圈所需的电流大小，进而利用控制电流源调节第一组励磁线圈和第二组励磁线圈的电流大小，以提供足够阻尼力制动的效果。

转子3套设于转动轴2的中间部件，所以转动轴2在转动过程中，其沿轴向的中间部位应力变化最为明显，应变片贴合于转动轴2的中间部位可有效感应转动轴2的微小的扭矩变化，进而判断需要输出的转速。对于航天机器人或医用机器人来说，某些场合需要非常灵活且平稳，例如手术用机器人对病人进行处理时，不仅需要快速灵活，而且更需要平缓温度。而机器人的关节部分是机器人的最重要的传动部位，所以需要更加的灵活和平稳。本发明的应变片可以有效感应转动轴2的扭矩，进而通过控制器快速调整转动轴2的灵活平稳运动，以方便关节处智能缓冲减震、柔性制动。

作为优选方案，安装槽21的深度与应变片的厚度相同，即应变片的外表面与转动轴2的外表面平齐，应变片位于安装槽21内，可以避免应变片凸出于转动轴2的外表面，间隙应变片占用外部的空间，又能有效感应转动轴2的扭矩。

转动轴2还设有线槽22，该线槽22用于为应变片的连接线提供通道，便于连接线与外部的信号采集装置连接。具体来说，该线槽22包括相互连通的第一段21和第二段22。其中，第一段21沿轴向延伸至输入端。第二段22的一端与安装槽21连通，另一端与第一段21连通，连接线的一端与应变片电连接，另一端从线槽22内穿过并延伸至转动轴2的输入端，并与信号采集装置电连接。

转子3环套于转动轴2的中间部位且与转动轴2键连接。转子3的外表面与前端盖12的第一凸出部123、后端盖13的第二凸出部133以及侧壁11间隔设置，并形成封闭的填充通道，该填充通道用于填充磁流变液体。磁流变液体填充至转子3的外表面和缸筒1内壁之间，磁流变液体具有磁流变效应，即磁流变液体的流变学特性根据第一组励磁线圈和第二组励磁线圈的磁场强度而产生变化，进而可以控制第一组励磁线圈和第二组励磁线圈控制磁流变液体产生形变，使其从液体变成固体，增加转子3外表面与磁流变液体之间的摩擦力，进而起到阻尼制动的效果。

经过实验发现，填充通道的宽度优选范围为0.5mm-1mm，在该范围内，有效工作区产生的总磁通量较大。例如，填充通道的宽度为0.5mm时，有效工作区的总磁通量1.12T；填充通道的宽度为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm和1mm时，有效工作区的总磁通量1.0T；填充通道的宽度为1.1mm，有效工作区的总磁通量0.98T；填充通道的宽度为1.2mm时，有效工作区的总磁通量0.97T。

转子3包括转子3本体和多对凸环32，转子3本体为与转动轴2同轴的环状且环套于转动轴2的中间部位。转子3本体的径向外侧与侧壁11间隔设置，并形成填充通道的第一部分。

多对凸环32分别连接至转子3本体沿轴向的前侧和后侧，每对凸环32分别包括沿轴向对称设置的两个凸环32，每个凸环32沿转子3本体的周向延伸并形成与转子3本体同轴的环状。沿径向相邻的两个凸环32间隔设置。在图所示的实施例中，两对凸环32沿径向间隔设置，应理解，凸环32的数量可以根据需要设置，本发明的并不限制凸环32的具体数量。

转子3沿轴向的前侧与第一凸出部123的形状互补且间隔设置，并形成填充通道的第二部分。具体来说，第一凸出部123包括多个套环124，多个套环124与转子3同轴。套环124分别位于相邻两个凸环32之间，并与凸环32间隔设置，从而形成弯折的第二部分，从而增大了填充通道的内部空间以及转子3与磁流变液体的接触面积，通过调整第一组励磁线圈和第二励磁线圈，可以使得磁流变液体产生产生大粘滞力，方便转子3稳定降速，使得机器人进行柔性缓冲和减震。此外，配合应变片的信号，可以使得机器人快速调整第一组励磁线圈和第二励磁线圈的电流大小，增加机器人关节的灵活性。

同第一凸出部123和转子3的前侧配合基本相同，第二凸出部133同样包括多个套环124，多个套环134与转子3同轴设置，且和凸环32间隔设置。即第二凸出部123和转子3沿轴向的后侧形状互补且间隔设置，并形成填充通道的第三部分，第三部分、第二部分均与第一部分同样连通并形成连通填充通道。

多对凸环32和第一凸出部123和第二凸出部133配合形成弯折的填充通道，和产生大粘滞力、力矩可实时调控、对机器人关节进行柔性缓冲和减震的阻尼器。

第一凸出部123的径向外侧和侧壁11之间以及第一凸出部123的径向内侧与转动轴2之间均设有多个密封元件，第二凸出部133的径向外侧和侧壁11之间以及第二凸出部133的径向内侧与转动轴2之间也设有多个密封元件，防止磁流变液体泄露。具体来说，侧壁11的内表面设有多个第一凹槽113，该第一凹槽113沿周向延伸形成环形，第一凸出部123的径向内侧和第二凸出部133的径向内侧分别设有多个第二凹槽113，第二凹槽113沿第一凸出部123或第二凸出部133的周向延伸形成环形，多个密封元件分别设置于多个凹槽113内。

密封元件可选但不限于O型密封圈、旋转格莱封、密封螺钉和橡胶螺塞等，不限制密封元件的类型。

此外，侧壁11的顶壁还设有两个注液孔114，两个注液孔114沿轴线相对设置并分别与填充通道的第一部分连通，两个注液孔114用于将磁流变液体注入填充通道内。

本发明的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器100结构紧凑、功率密度大、控制简单、响应灵敏，能够和伺服电机、减速器配合工作，起到对机器人关节智能缓冲和减震作用。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，包括：

缸筒；所述缸筒为筒状且设有励磁线圈；

转动轴，所述转动轴位于所述缸筒内且可绕其轴线转动；

转子，所述转子的外周与所述缸筒内壁间隔设置且形成封闭的填充通道，所述转子包括：

转子本体，所述转子本体为与所述转动轴同轴的环状且套设于所述转动轴外周；以及

多对凸环，多对所述凸环中的两个所述凸环分别连接至所述转子本体沿轴向的前侧和后侧，每个所述凸环均沿所述转子本体的周向延伸，沿径向相邻的两个所述凸环间隔设置；以及

磁流变液体，所述磁流变弹性体位于所述转子与所述缸筒内壁之间，所述磁流变液体可感应所述励磁线圈的磁场并发生形体变化。

2.根据权利要求1所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，两对所述凸环连接至所述转子本体。

3.根据权利要求1所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，所述转子与所述转动轴通过键连接。

4.根据权利要求1所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，缸筒包括：

侧壁，所述侧壁为绕所述转动轴的轴线延伸形成的筒状，所述侧壁具有前端开口和后端开口，所述侧壁与所述转子本体的径向外侧间隔设置；

前端盖，所述前端盖覆盖所述前端开口并连接至所述侧壁的前端，所述前端盖的内端形状与所述转子的前侧互补且间隔设置；

后端盖，所述后端盖覆盖所述后端开口并连接至所述侧壁的后端；所述后端盖的内端形状与所述转子的后侧形状互补且间隔设置；

所述磁流变液体分别位于所述侧壁与所述转子本体的径向外侧之间、所述前端盖与所述转子的前侧之间以及所述后端盖与所述转子的后侧之间。

5.根据权利要求4所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，所述前端盖和所述后端盖分别设有绕所述转动轴的轴线延伸的环形凹槽，两个所述励磁线圈分别安装于两个所述环形凹槽内。

6.根据权利要求1所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，所述转子本体环套于所述转动轴的中间部位；

所述用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器还包括应变片，所述应变片贴合所述转动轴外表面且位于所述转动轴沿轴向的中间部位，用于感应所述转动轴的扭矩。

7.根据权利要求6所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，所述转动轴的外表面设有安装槽，所述安装槽位于所述转动轴沿轴向的中间部位，所述安装槽的深度与所述应变片的厚度相同；所述应变片位于所述安装槽内。

8.根据权利要求7所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，所述转动轴设有线槽，所述线槽包括相互连通的第一段和第二段，所述第一段沿轴向延伸，所述第二段的一端与所述安装槽连通，另一端与所述第一段连通，所述线槽用于安装应变片的连接线。

9.根据权利要求6所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，还包括：

信号采集装置，所述信号采集装置与所述应变片电连接；

控制器，所述控制器与所述信号采集装置以及所述励磁线圈电连接，用于接收所述信号采集装置的信号以及控制所述所述励磁线圈的电流。

10.根据权利要求1所述的用于机器人智能传动关节的磁流变阻尼器，其特征在于，所述填充通道的的宽度范围为0.5mm-1mm。

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