CN215596276U - 基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，所设计的传动装置利用永磁铁在非均匀磁场上受力不同的特点和磁流变液在变化磁场中剪切应力不同的特点实现机构的可变刚度和阻尼。所设计的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置由外壁、直线大轴承、内壁、端盖、第一线圈、轴、磁流变液、第一弹簧、内部端盖、永磁铁PM、第二线圈、第二弹簧、永磁铁PM固定件、底盖和直线轴承组成；能独立控制刚度和阻尼，可运用于许多不同的以人为中心的场合，如康复机器人、智能假肢和仿人机器人等，能模仿人肌肉的变阻尼和变刚度功能，并且提高这些应用场合的机构柔顺性和环境的自适应性。

Description

基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置

技术领域

本实用新型涉及机械设计和机械传动技术领域，特别是涉及一种基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置。

背景技术

患者穿戴传统的刚性可穿戴踝关节康复机器人在复杂环境运动时，由于机器人的柔性不足，极有可能产生机构位姿误差，导致人机之间出现运动干涉，不仅无法实现康复效果，而且很大程度上还会对患者造成二次伤害。肌肉作为人体运动系统的动力源，能够根据环境因素及交互任务对象的改变，主动地改变运动速度、肌肉的刚度阻尼，从而适应外环境的变化。因此，面对传统康复机器人柔顺性不足的挑战，国内外学者致力于通过模仿人体肌肉，将变刚度或变阻尼机构等柔性机构应用于康复机器人中，实现机器人机构的柔顺性以达到人体-机器人的自然交互。

目前变刚度柔顺机构主要有如柔性材料、弹簧与电机或凸轮等组成的变刚度结构、人工肌肉等。而这些结构更多是运用于助力外骨骼机器人、动力矫形器等，在康复机器人上应用有限。现有的变刚度的结构形式多样，性能特点各异，但相对复杂、体积较大、重量大，不利于应用于可穿戴康复机器人中。目前，康复机器人的变阻尼机构主要由电流变液(Electrorheological fluid，ERF)和磁流变液两种典型的可变阻尼特性的智能材料实现。两者原理相似，由于磁流变液比电流变液的屈服应力大、稳定性好和工作电压低等优点，在近年来被更多应用于康复机器人中。磁流变液在外加磁场的作用下磁流变液会在毫秒级的时间内发生液-固两种状态相互转换的磁流变效应，且通过改变外加磁场的强度还可以改变磁流变液的剪切应力。

公开号为CN109822615A的中国发明专利申请公开了一种可控阻尼和刚度的磁流变减震关节装置，该方案便是通过改变外加磁场的强度来可以改变磁流变液的剪切应力，从而具有刚度和阻尼可变的特性，并且能够单独控制刚度或单独控制阻尼，主要运用于旋转的应用场景，达到减震的效果。但其通过磁流变液变刚度，刚度变化是非线性的，难以达到精确的控制效果，且主要应用于矫形器和假肢，鲜少运用于下肢康复机器人。

变刚度或变阻尼机构在一定程度上提升了康复中的人机交互的自然适应性，但人类的踝关节神经肌肉系统会根据步态周期的不同阶段调整不同水平的关节阻抗(即刚度和阻尼)，因此康复机器人中仅变刚度或者仅变阻尼，并不能完全符合要求。虽然也有一些学者开始研究变刚度阻尼关节，但更多的运用于仿人机器人而非康复机器人中。由于康复机器人面临的人机交互情况更复杂，所以更需要变刚度阻尼机构来实现柔顺性。设计何种符合康复机器人需求的变刚度阻尼结构，是实现康复机器人结构柔顺性亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有的变刚度或变阻尼结构存在不符合康复机器人需求的技术缺陷，提供一种基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下

基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，包括外壁、直线大轴承、内壁、端盖、第一线圈、轴、磁流变液、第一弹簧、内部端盖、永磁铁PM、第二线圈、第二弹簧、永磁铁固定件、底盖和直线轴承；其中：

所述外壁由两个结构大小一致的部件组成，中间嵌入所述直线大轴承和第二线圈；

所述内壁装在所述直线大轴承上，一端由所述端盖覆盖，另一端与所述内部端盖一端连接；所述内部端盖中间套入所述永磁铁PM，另一端与所述永磁铁固定件固定连接；

所述内壁腔体内充满所述磁流变液；

所述第一弹簧一端与所述直线大轴承接触，另一端与所述永磁铁PM接触，套在所述内部端盖上；

所述第二弹簧套在所述永磁铁固定件上，一端与所述永磁铁PM接触，另一端与所述底盖接触；

所述轴上缠有所述第一线圈，装在所述内壁的腔体内，中间装有所述直线轴承与所述内部端盖配合；轴的另一端固定安装在所述底盖上。

上述方案中，利用永磁铁在非均匀磁场上受力不同的特点，通过永磁铁、线圈和弹簧实现变刚度，再利用磁流变液在磁场中的剪切力变化的特性，通过磁流变液和线圈实现变阻尼，并且将其结合设计起来，实现可变刚度和阻尼传动；通过这种方式，将其应用与康复机器人或者智能假肢中，能独立控制刚度和阻尼，可运用于许多不同的以人为中心的场合，能模仿人肌肉的变阻尼和变刚度功能，并且提高这些应用场合的机构柔顺性和环境的自适应性。

上述方案中，本方案设计的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置能很好地应用于直线移动的应用场景，其通过永磁体实现了刚度的线性变化，简化了装置内部运算处理过程，可以使控制效果更加精确，提升传动装置的柔顺型和实用性。

其中，所述传动装置还包括线圈支架；所述第二线圈安装在所述线圈支架上，通过线圈支架嵌入所述外壁的半圆柱体结构中。

其中，所述传动装置还包括密封圈；所述密封圈设置在所述内壁与所述内部端盖的连接面上。

上述方案中，在内壁与内部端盖的连接面上通过密封圈进行密封，提高了装置的密封性，防止装在内壁腔体内的磁流变液漏出装置外，影响装置的性能的调整的精度。

其中，所述轴的一端截面为工字型，所述第一线圈设置在所述工字型部位。

其中，所述内壁与所述内部端盖的连接方式为螺纹连接；所述内部端盖通过螺纹与所述永磁铁固定件连接；所述轴通过螺钉安装在所述底盖上。

上述方案中，螺纹连接的设置方式，便捷了整个装置组装方式，当装置需要清理或者某些部件需要更换时，螺纹的连接方案便于操作人员对装置进行拆解和安装。

其中，所述外壁由两半圆柱体结构组成。

其中，所述永磁铁PM、第二线圈、第一弹簧和第二弹簧共同组成可变刚度和阻尼传动装置的变刚度部分。

上述方案中，利用永磁体在非均匀磁场上受力不同的特点，通过第二线圈中的电流大小以改变通电线圈形成的磁场大小来改变永磁铁受力，来实现刚度值的变化；其中，装置中刚度的计算公式为：

其中，B_r为永磁铁PM的残余磁感应，S为永磁铁的端面面积，N为线圈匝数，l为线圈长度，R₁为线圈的内径，R₂为线圈的外径，I₁为线圈电流，C₁为对应参数，与永磁铁PM在线圈中所在的位置有关。

其中，所述轴、磁流变液、第一线圈和内壁共同组成可变刚度和阻尼传动装置的变阻尼部分。

上述方案中，利用磁流变液在磁场中的剪切力变化的特性，通过改变内壁上的第一线圈的电流大小，来改变磁流变液的剪切应力，从而实现变阻尼；其中，装置中变阻尼的计算公式为：

其中，η为磁流变液的零磁场粘度系数；L为阻尼通道的有效长度；D_m为磁流变液缸体内径；h为活塞与缸体间的间隙；τ_z磁流变液的剪切屈服强度，随着电流的改变而改变；A_p的磁流变液活塞的有效面积。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型提出一种基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，利用永磁铁在非均匀磁场上受力不同的特点，通过永磁铁、线圈和弹簧实现变刚度，再利用磁流变液在磁场中的剪切力变化的特性，通过磁流变液和线圈实现变阻尼，并且将其结合设计起来，实现可变刚度和阻尼传动；通过这种方式，将其应用与康复机器人或者智能假肢中，以实现更好的人机交互。

附图说明

图1为本实用新型所述装置过中心线的纵向截面示意图；

其中：1、外壁；2、直线大轴承；3、内壁；4、端盖；5、第一线圈；6、轴；7、磁流变液；8、密封圈；9、第一弹簧；10、内部端盖；11、永磁铁PM；12、第二线圈；13、线圈支架；14、第二弹簧；15、永磁铁固定件；16、底盖；17、直线轴承。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，包括外壁1、直线大轴承2、内壁3、端盖4、第一线圈5、轴6、磁流变液7、第一弹簧9、内部端盖10、永磁铁PM11、第二线圈12、第二弹簧14、永磁铁固定件15、底盖16和直线轴承17；其中：所述外壁1由两个结构大小一致的部件组成，中间嵌入所述直线大轴承2和第二线圈12；

所述内壁3装在所述直线大轴承2上，一端由所述端盖4覆盖，另一端与所述内部端盖10一端连接；所述内部端盖10中间套入所述永磁铁PM11，另一端与所述永磁铁固定件15固定连接；

所述内壁3腔体内充满所述磁流变液7；

所述第一弹簧9一端与所述直线大轴承2接触，另一端与所述永磁铁PM11接触，套在所述内部端盖10上；

所述第二弹簧14套在所述永磁铁固定件15上，一端与所述永磁铁PM11接触，另一端与所述底盖16接触；

所述轴6上缠有所述第一线圈5，装在所述内壁3的腔体内，中间装有所述直线轴承17与所述内部端盖10配合；轴6的另一端固定安装在所述底盖16上。

在具体实施过程中，轴6上缠绕这第一线圈5，第一线圈5缠绕的圈数由所需要的变阻尼大小决定，并塞入装有磁流变液7的内壁3里，内壁的一端有端盖4封闭，轴6可在内壁3内移动，从而形成活塞式变阻尼部分。随着第一线圈5电流的变化，所形成的磁场大小也有所变化，从而导致沉浸在磁场里的磁流变液7的剪切应力增加，轴6在内壁3上的移动需要的力也相应增加，从而实现变阻尼。

在具体实施过程中，整个活塞式变阻尼装进直线大轴承2中，内壁3与直线大轴承2接触，紧挨着依次装入第一弹簧1、永磁铁PM11、永磁铁PM固定件15、第二弹簧14。第一弹簧9一端与直线大轴承2端面接触。永磁体PM固定件15通过内螺纹与内部端盖10外螺纹配合将永磁铁PM11固定在内部端盖10上，第二弹簧14套在永磁铁PM固定件15上，一端与永磁铁PM11接触，另一端与底盖16接触。线圈支架13上装有第二线圈12套入活塞式变阻尼部分中，使得永磁铁位于圆柱线圈的中间位置。整个活塞式变阻尼中的轴6另一端通过螺钉与底盖16固定。外壁1由两个半圆柱组成，直线大轴承2和带线圈支架13的第二线圈12安装于外壁1上固定位置上，外壁1的两半通过螺栓闭合。

在具体实施过程中，利用永磁铁在非均匀磁场上受力不同的特点，通过永磁铁PM11、线圈和弹簧实现变刚度，再利用磁流变液7在磁场中的剪切力变化的特性，通过磁流变液7和线圈实现变阻尼，并且将其结合设计起来，实现可变刚度和阻尼传动；通过这种方式，将其应用与康复机器人或者智能假肢中，能独立控制刚度和阻尼，可运用于许多不同的以人为中心的场合，能模仿人肌肉的变阻尼和变刚度功能，并且提高这些应用场合的机构柔顺性和环境的自适应性。

在具体实施过程中，本方案设计的基于磁流变液7的可变刚度和阻尼传动装置能很好地应用于直线移动的应用场景，其通过永磁体实现了刚度的线性变化，简化了装置内部运算处理过程，可以使控制效果更加精确，提升传动装置的柔顺型和实用性。

更具体的，所述传动装置还包括线圈支架13；所述第二线圈12安装在所述线圈支架13上，通过线圈支架13嵌入所述外壁1的半圆柱体结构中。

更具体的，所述传动装置还包括密封圈8；所述密封圈8设置在所述内壁3与所述内部端盖10的连接面上。

在具体实施过程中，在内壁3与内部端盖10的连接面上通过密封圈8进行密封，提高了装置的密封性，防止装在内壁3腔体内的磁流变液7漏出装置外，影响装置的性能的调整的精度。

更具体的，所述轴6的一端截面为工字型，所述第一线圈5设置在所述工字型部位。

更具体的，所述内壁3与所述内部端盖10的连接方式为螺纹连接。

更具体的，所述内部端盖10通过螺纹与所述永磁铁固定件15连接。

更具体的，所述轴6通过螺钉安装在所述底盖16上。

在具体实施过程中，螺纹连接的设置方式，便捷了整个装置组装方式，当装置需要清理或者某些部件需要更换时，螺纹的连接方案便于操作人员对装置进行拆解和安装。

更具体的，所述外壁1由两半圆柱体结构组成。

更具体的，所述永磁铁PM11、第二线圈12、第一弹簧9和第二弹簧14共同组成可变刚度和阻尼传动装置的变刚度部分。

在具体实施过程中，利用永磁体在非均匀磁场上受力不同的特点，通过第二线圈12中的电流大小以改变通电线圈形成的磁场大小来改变永磁铁PM11受力，来实现刚度值的变化；其中，装置中刚度的计算公式为：

其中，B_r为永磁铁PM的残余磁感应，S为永磁铁的端面面积，N为线圈匝数，l为线圈长度，R₁为线圈的内径，R₂为线圈的外径，I₁为线圈电流，C₁为对应参数，与永磁铁PM在线圈中所在的位置有关。

更具体的，所述轴6、磁流变液7、第一线圈5和内壁3共同组成可变刚度和阻尼传动装置的变阻尼部分。

在具体实施过程中，利用磁流变液7在磁场中的剪切力变化的特性，通过改变内壁3上的第一线圈5的电流大小，来改变磁流变液7的剪切应力，从而实现变阻尼；其中，装置中变阻尼的计算公式为：

其中，η为磁流变液的零磁场粘度系数；L为阻尼通道的有效长度；D_m为磁流变液缸体内径；h为活塞与缸体间的间隙；τ_z磁流变液的剪切屈服强度，随着电流的改变而改变；A_p的磁流变液活塞的有效面积。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，包括外壁(1)、直线大轴承(2)、内壁(3)、端盖(4)、第一线圈(5)、轴(6)、磁流变液(7)、第一弹簧(9)、内部端盖(10)、永磁铁PM(11)、第二线圈(12)、第二弹簧(14)、永磁铁固定件(15)、底盖(16)和直线轴承(17)；其中：

所述外壁(1)由两个结构大小一致的部件组成，中间嵌入所述直线大轴承(2)和第二线圈(12)；

所述内壁(3)装在所述直线大轴承(2)上，一端由所述端盖(4)覆盖，另一端与所述内部端盖(10)一端连接；所述内部端盖(10)中间套入所述永磁铁PM(11)，另一端与所述永磁铁固定件(15)固定连接；

所述内壁(3)腔体内充满所述磁流变液(7)；

所述第一弹簧(9)一端与所述直线大轴承(2)接触，另一端与所述永磁铁PM(11)接触，套在所述内部端盖(10)上；

所述第二弹簧(14)套在所述永磁铁固定件(15)上，一端与所述永磁铁PM(11)接触，另一端与所述底盖(16)接触；

所述轴(6)上缠有所述第一线圈(5)，装在所述内壁(3)的腔体内，中间装有所述直线轴承(17)与所述内部端盖(10)配合；轴(6)的另一端固定安装在所述底盖(16)上。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，还包括线圈支架(13)；所述第二线圈(12)安装在所述线圈支架(13)上，通过线圈支架(13)嵌入所述外壁(1)的半圆柱体结构中。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，还包括密封圈(8)；所述密封圈(8)设置在所述内壁(3)与所述内部端盖(10)的连接面上。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，所述轴(6)的一端截面为工字型，所述第一线圈(5)设置在所述工字型部位。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，所述内壁(3)与所述内部端盖(10)的连接方式为螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，所述内部端盖(10)通过螺纹与所述永磁铁固定件(15)连接。

7.根据权利要求1所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，所述轴(6)通过螺钉安装在所述底盖(16)上。

8.根据权利要求1所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，所述外壁(1)由两半圆柱体和半圆台结构组成。

9.根据权利要求1～8任一项所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，所述永磁铁PM(11)、第二线圈(12)、第一弹簧(9)和第二弹簧(14)共同组成可变刚度和阻尼传动装置的变刚度部分。

10.根据权利要求1～8任一项所述的基于磁流变液的可变刚度和阻尼传动装置，其特征在于，所述轴(6)、磁流变液(7)、第一线圈(5)和内壁(3)共同组成可变刚度和阻尼传动装置的变阻尼部分。

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