一种变刚度驱动装置

1.本发明涉及机器人关节驱动领域，具体涉及一种变刚度驱动装置。


背景技术：

2.关节驱动装置是机器人的动力来源，是实现机器人运动的关键部件，高转矩密度驱动是实现一体化关节的关键，能够帮助足式机器人实现更高的负载能力，使其具有更实用的价值，此外，在机器人的人机交互应用领域，变刚度关节可以减小触地冲击和缓解外部碰撞冲击，也是提高机器人安全性的重要途径。磁流变液是一种典型的智能材料，主要由微米级软磁颗粒、基载液和表面添加剂组成，通过施加不同强度磁场，可以改变磁流变液物理状态，实现转矩和刚度的柔性变化。
3.传统关节驱动装置主要有两种结构形式，一是将电机与减速器紧凑设计，并封装在同一个壳体内，目前机器人关节多采用此结构，已公开中国专利cn202211267067.2就采用此种结构，但存在结构复杂、转矩密度不足(与人体肌肉差距较大)、刚度调节困难(多采用串联弹性元件，刚度不可控且易震荡)等问题；另一种是采用永磁直驱技术，这种形式结构简单，但存在转矩密度不足，且刚度变化困难的问题。
4.因此研发一种响应迅速、刚度可调、转矩密度高、能源消耗低、可控性好的变刚度驱动装置，在机器人驱动领域具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种变刚度驱动装置，解决了传统机器人关节驱动装置结构复杂、转矩密度不足、刚度调节困难等问题；此外，还具有响应迅速、能源消耗低、可控性好等优点。
6.本发明采用如下技术方案：一种变刚度驱动装置，包括静止部件、旋转部件和磁流变液；所述静止部件包括固定圆筒和驱动线圈；所述驱动线圈设有多组并固定于所述固定圆筒的凹槽内；所述旋转部件包括旋转圆筒、永磁磁极和刚度调节线圈；所述永磁磁极与所述旋转圆筒固定于一体；所述刚度调节线圈固定于所述永磁磁极之间；所述磁流变液密封在所述静止部件和所述旋转部件之间的工作间隙；
7.进一步的，所述所述静止部件和所述旋转部件之间的工作间隙充满所述磁流变液，增强了工作间隙磁密，从而提高装置的转矩密度；
8.进一步的，所述驱动线圈在所述固定圆筒上布置多组且独立控制；
9.进一步的，所述永磁磁极和所述刚度调节线圈布置多组且独立控制；
10.进一步的，所述永磁磁极提供的磁场强度由所述刚度调节线圈控制调节；
11.进一步的，所述驱动线圈、所述刚度调节线圈和所述永磁磁极共同组成转速和刚度柔性控制部分，产生连续变化磁场改变磁流变液状态，从而实现转速和刚度的柔性变化。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
13.(1)一种变刚度驱动装置，将磁流变液引入磁场工作间隙，增加了磁密，提升了装
置的转矩密度；
14.(2)一种变刚度驱动装置，通过驱动线圈、刚度调节线圈及永磁磁极的协同作用，实现了装置转速和刚度的快速柔性调节；
15.(3)一种变刚度驱动装置，转速和刚度的调节均通过调节驱动线圈、刚度调节线圈的电流大小来实现，其能源消耗低、可控性好、无噪声污染。
附图说明
16.图1是本发明一种变刚度驱动装置的结构示意图；
17.图中：
18.1固定圆筒、2驱动线圈、3旋转圆筒、4永磁磁极、5刚度调节线圈、6磁流变液。
具体实施方式
19.以下结合附图对本发明的特征和原理进行详细说明，所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。
20.如图1所示，一种变刚度驱动装置，包括静止部件、旋转部件和磁流变液6；所述静止部件包括固定圆筒1和驱动线圈2；所述驱动线圈2设有多组并固定于所述固定圆筒1的凹槽内；所述旋转部件包括旋转圆筒3、永磁磁极4和刚度调节线圈5；所述永磁磁极4与所述旋转圆筒3固定于一体；所述刚度调节线圈5固定于所述永磁磁极4之间；所述磁流变液6密封在所述静止部件和所述旋转部件之间的工作间隙。
21.一种变刚度驱动装置，其基本工作原理为：驱动线圈2通入电流产生驱动磁场，永磁磁极4自身产生永磁磁场，磁场方向相反并相互作用，驱动线圈2处于静止部件，保持静止，在磁力作用下由旋转圆筒3、永磁磁极4和刚度调节线圈5组成的旋转部件转动，引入工作间隙的磁流变液6在磁场作用下固化，进一步增大了驱动转矩同时可实现装置刚度的柔性变化；刚度调节线圈5通入不同电流可以调节永磁磁极4产生的磁场强度大小，刚度调节线圈5自身也会产生一定强度磁场，驱动线圈2产生的磁场驱动旋转部件旋转的同时也会作用于磁流变液6，从而改变工作间隙磁流变液6的固化程度，进而改变驱动转速、转矩和刚度；刚度驱动线圈5和驱动线圈2均设置多组且独立控制，因此，可以根据实际工作需要，改变线圈组数和通入线圈电流大小，改变磁流变液6固化程度，调节旋转磁场和刚度，实现驱动装置转速、转矩和刚度高效柔顺控制，以满足机器人应用领域的高转矩密度和变刚度驱动需求。
22.上述实施例仅仅是对发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩入本发明权利要求书所确定的保护范围内。


技术特征：
1.一种变刚度驱动装置，包括静止部件、旋转部件和磁流变液（6），其特征在于：所述静止部件包括固定圆筒（1）和驱动线圈（2）；所述驱动线圈（2）设有多组并固定于所述固定圆筒（1）的凹槽内；所述旋转部件包括旋转圆筒（3）、永磁磁极（4）和刚度调节线圈（5）；所述永磁磁极（4）与所述旋转圆筒（3）固定于一体；所述刚度调节线圈（5）固定于所述永磁磁极（4）之间；所述磁流变液（6）密封在所述静止部件和所述旋转部件之间的工作间隙。2.根据权利要求1所述的一种变刚度驱动装置，其特征在于：所述静止部件和所述旋转部件之间的工作间隙充满所述磁流变液（6），增强了工作间隙磁密，从而提高装置的转矩密度。3.根据权利要求1所述的一种变刚度驱动装置，其特征在于：所述驱动线圈（2）在所述固定圆筒（1）上布置多组且独立控制。4.根据权利要求1所述的一种变刚度驱动装置，其特征在于：所述永磁磁极（4）和所述刚度调节线圈（5）布置多组且独立控制。5.根据权利要求1所述的一种变刚度驱动装置，其特征在于：所述永磁磁极（4）提供的磁场强度由所述刚度调节线圈（5）控制调节。6.根据权利要求1所述的一种变刚度驱动装置，其特征在于：所述驱动线圈（2）、所述刚度调节线圈（5）和所述永磁磁极（4）共同组成转速和刚度柔性控制部分，产生连续变化磁场改变磁流变液（6）状态，从而实现转速和刚度的柔性变化。

技术总结
本发明公开了一种变刚度驱动装置，包括静止部件、旋转部件和磁流变液；所述静止部件包括固定圆筒和驱动线圈；所述驱动线圈设有多组并固定于所述固定圆筒的凹槽内；所述旋转部件包括旋转圆筒、永磁磁极和刚度调节线圈；所述永磁磁极与所述旋转圆筒固定于一体；所述刚度调节线圈固定于所述永磁磁极之间；所述磁流变液密封在所述静止部件和所述旋转部件之间的工作间隙。本发明结合永磁驱动技术和磁流变液传动技术，在工作间隙引入磁流变液增加磁密，通过驱动线圈、刚度调节线圈和永磁磁极协同作用实现机器人关节驱动装置转速和刚度的快速柔性变化，解决了传统关节驱动装置结构复杂、转矩密度不足和刚度调节困难等问题，具有响应迅速、刚度柔性可调、转矩密度高、可靠性强等特点。点。点。


技术研发人员：田祖织 郭阳阳 谢方伟 季锦杰 黄咸康 徐纯洁
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/21