CN109441978A - 一种基于流体粘性的变阻尼驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于流体粘性的变阻尼驱动器，包括外壳，其内设有液压缸，液压缸上端设有固定支架，固定支架一端固定于外壳内侧；液压缸内设有液压腔，液压腔内设有转动活塞，转动活塞中间连接有输入轴，输入轴端部安装有驱动电机；液压腔内连接有液压腔固定隔板，转动活塞和液压腔固定隔板之间连接有拉压弹簧；转动活塞上开设有活塞小孔，活塞小孔上设置有阻尼孔档块，阻尼孔档块连接有阻尼调节装置；液压腔内设置有流体，液压缸底部连接有输出轴。本发明提供的基于流体粘性的变阻尼驱动器，通过阻尼调节电机改变阻尼小孔的大小实现了真正的变粘性阻尼直接控制，并且达到了柔顺驱动和刚性驱动之间的任意转化。

Description

一种基于流体粘性的变阻尼驱动器

技术领域

本发明涉及变阻尼驱动器技术领域，特别是涉及一种基于流体粘性的变阻尼驱动器。

背景技术

随着机器人产业和应用领域的发展，对其各方面性能提出了新的要求，人机交互在生活中越来越频繁。人机交互的安全性问题越来越受到人们的重视，在机器人中引入柔顺，但柔顺的引入又带来***的振荡使其控制更加困难，因此阻抗可调节的柔顺驱动至关重要。

变粘性阻尼驱动器本质上属于是一种新型的机械阻抗可调的柔顺驱动器。为了实现柔顺驱动，通常的方案是在刚性驱动器的电机输出端和负载之间加上弹性元件，构成柔顺驱动器。进一步地，为了实现机械阻抗可调，以往方案大多是在柔顺驱动器基础上增加变刚度机构。变刚度柔顺驱动器的研究已成为国内外研究热点领域(比如，公开号为CN105345839A的中国发明专利)。总体来说，变刚度是基于杠杆原理通过改变弹性元件的支点来实现变刚度。另有少部分学者，曾提出了变物理阻尼的思路，但是通过改变电机输出端和负载之间库伦摩擦力的方式去模拟驱动器的粘性阻尼，并非真正改变了物理阻尼。

现有的变刚度关节驱动器是是通过杠杆原理改变弹性元件的支点位置从而改变转动不同角度所需力的大小从而实现变刚度，不能抑制***振荡，不能实现柔顺驱动和刚性驱动之间的转化，存在弹性单元能量的浪费，变刚度范围小，耗能等缺点。

现有的基于库仑摩擦力的变阻尼方案，并没有真正改变***的粘性阻尼。而是通过测量和控制的方法，使***的库伦摩擦力与运动速度成比例关系，从而模拟出粘性阻尼的效果。这种间接控制上存在极大的不确定性。在大阻尼工况下，摩擦损耗极大，能耗高，并且无法彻底锁死驱动器。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于流体粘性的变阻尼驱动器，以解决上述现有技术存在的问题，通过阻尼调节电机改变阻尼小孔的大小实现了真正的变粘性阻尼直接控制，并且达到了柔顺驱动和刚性驱动之间的任意转化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于流体粘性的变阻尼驱动器，包括外壳，所述外壳内设置有液压缸，所述液压缸上端设置有固定支架，所述固定支架一端固定于所述外壳内侧；所述液压缸内设置有液压腔，所述液压腔内活动设置有转动活塞，所述转动活塞中间固定连接有输入轴，所述输入轴端部安装有驱动电机；所述液压腔内固定连接有液压腔固定隔板，所述转动活塞和所述液压腔固定隔板之间连接有拉压弹簧；所述转动活塞和所述液压腔隔板将所述液压腔分为四部分；所述转动活塞上开设有活塞小孔，所述活塞小孔上活动设置有阻尼孔档块，所述阻尼孔档块连接有阻尼调节装置；所述液压腔内设置有流体，所述液压缸底部连接有输出轴。

可选的，所述阻尼调节装置包括滑块，所述滑块外滑动套设有滑环，所述阻尼孔档块与所述滑环底部连接；所述固定支架包括固定平台和导轨，所述滑块内侧滑动设置于所述导轨上，所述滑块上端通过第一曲柄连杆和第二曲柄连杆连接有阻尼调节电机，所述阻尼调节电机固定设置于机架上，所述机架设置于所述固定平台上。

可选的，所述滑块包括滑块上端连接孔和滑块内侧凹槽；所述阻尼调节电机的输出轴和所述曲柄第一连杆上端固定连接，所述曲柄第一连杆下端和曲柄第二连杆上端转动连接，所述曲柄第二连杆下端通过所述滑块上端连接孔连接在所述滑块上。

可选的，所述滑环包括第一轴承、第一轴承上端盖和第一轴承下端盖；所述第一轴承的内圈与滑块下端固定配合，所述第一轴承的外圈和第一轴承下端盖固定配合，第一轴承下端盖设有阻尼孔档块安装孔，阻尼孔档块安装孔与所述阻尼孔档块连接；所述第一轴承上端盖和第一轴承下端盖固定在第一轴承两侧。

可选的，所述液压缸包括液压腔、液压缸缸盖、液压缸端盖、第二轴承和第二轴承端盖；所述液压缸缸盖设置在液压缸上方，第二轴承的内圈与液压缸缸盖固定配合，第二轴承的外圈和液压缸端盖配合，第二轴承端盖设置在第二轴承上；所述阻尼孔档块上端穿过液压缸缸盖后与所述阻尼调节装置连接。

可选的，所述液压缸和液压缸端盖之间、液压缸端盖和液压缸缸盖之间、孔档块和液压缸缸盖之间以及输入轴和液压缸缸盖之间分别设置有O型橡胶圈。

可选的，所述固定支架上安装有编码器，所述编码器下端连接有一对啮合齿，所述啮合齿安装在所述第二轴承端盖上。

可选的，所述液压缸和所述外壳之间设置有第三轴承，所述第三轴承通过第三轴承上端盖与所述液压缸连接，所述第三轴承通过第三轴承下端盖与所述外壳连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明实现了柔顺驱动器改变柔顺性原理的创新。是通过改变活塞小孔的大小，实现驱动器变阻尼。在输入轴和输出轴之间，孔档块上下移动能够改变流体通过活塞小孔的大小，进而实现输入轴作用于输出轴上的扭矩大小的改变。该扭矩与输入轴和输出轴的相对转动角速度的比值即为驱动器相对于外部的输出阻尼，扭矩的改变实现了输出阻尼的变化。改变遮挡活塞小孔的大小可以可实现驱动器动态特性在线调节，具有很好的动态性能。这是真正的直接变粘性阻尼驱动器。

本发明创新性的实现了变阻尼驱动器装置柔顺驱动与刚性驱动的相互转换。当活塞小孔没有被遮挡时驱动器为柔顺驱动具有两个自由度，当活塞小孔完全被遮挡时驱动器为刚性驱动具有一个自由度。阻尼调节范围大，且锁定后变阻尼机构没有任何能量损耗。

本发明创新性的使用了曲柄连杆和滑块滑环，阻尼孔挡块和旋转活塞机构。孔挡板底部面积较小，液压腔对于孔挡板作用力较小。阻尼调节电机驱动曲柄连杆机构使阻尼孔档块遮挡旋转活塞上的活塞小孔，阻尼孔档块移动方向和最终输出扭矩方向垂直，具有调节阻尼耗能低的特点。

本发明创新性的摆脱了绝大部分可调阻抗柔顺驱动器局限于变刚度驱动的调节机理。采用了改变流体粘性阻尼调节输出扭矩和阻尼系数，原理简单容易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明传动结构示意图；

图2是本发明输入结构示意图；

图3是本发明曲柄连杆滑块机构安装示意图；

图4本发明液压缸安装结构示意图；

图5本发明滑块滑环安装机构示意图；

图6是本发明拉压弹簧安装示意图；

图7是本发明整体结构示意图；

图8是本发明旋转活塞的几何原理图；

图9是本发明活塞小孔的工作状态变化示意图；

其中，1为输入轴、2为阻尼孔档块、3为转动活塞、4为活塞小孔、5为输出轴、5-1为液压缸、5-2为注油孔、6为液压腔固定隔板、7为拉压弹簧、7-1为弹簧固定架、8为液压腔、9为驱动电机、10为阻尼调节装置、10-1为阻尼调节电机、10-2为固定杆、10-3为曲柄第二连杆、10-4为曲柄第一连杆、10-5为机架、11为固定平台、12为导轨、13为滑环、13-1为孔档块安装孔、13-2为第一轴承上端盖、13-3为第一轴承、13-4为第一轴承下端盖、14为滑块、14-1为滑块上端连接孔、14-2为滑块内侧凹槽、15为液压缸缸盖、16为第二轴承端盖、17为液压缸端盖、18为O型橡胶圈、19为第二轴承、20为外壳、21为编码器、22为啮合齿、23为第三轴承、24为第三轴承下端盖、25为第三轴承上端盖、26为弹性联轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于流体粘性的变阻尼驱动器，以解决上述现有技术存在的问题，通过阻尼调节电机改变阻尼小孔的大小实现了真正的变粘性阻尼直接控制，并且达到了柔顺驱动和刚性驱动之间的任意转化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种基于流体粘性的变阻尼驱动器，具体的，如图1-图9所示，主要包括输入结构和传动结构，具体包括驱动电机9和阻尼调节装置10，阻尼调节装置10包括阻尼调节电机10-1、机架10-5、曲柄第一连杆10-4、曲柄第二连杆10-3、滑块14。本发明提供的基于流体粘性的变阻尼驱动器还包括固定支架，固定支架包括固定平台11和导轨12。本发明还包括滑环13、两个阻尼孔档块2、输入轴1、液压缸5-1、转动活塞3、两个活塞小孔4、液压腔固定隔板6、两个注油孔5-2、液压腔8、输出轴5、两个拉压弹簧7、编码器21、一对啮合齿22、四个弹簧固定架7-1、液压缸端盖17、液压缸缸盖15、两个弹性联轴26、外壳20；其中液压腔8包括被分成四部分的C1、C2、C3和C4液压腔。

阻尼调节电机10-1输出轴和曲柄第一连杆10-4上端固定连接、曲柄第一连杆10-4下端和曲柄第二连杆10-3上端转动连接、曲柄第二连杆10-3下端连接在滑块14上端；输入轴1带动转动活塞3旋转，一对拉压弹簧7分别安装在C2、C4液压腔，拉压弹簧7一端固定在转动活塞3上，另一端固定在液压腔固定隔板6上，阻尼孔档块2上端和轴承下端盖13-4固定连接、阻尼孔档块2下端设置在活塞小孔4的两端。编码器21安装在固定平台11上，下端连接有啮合齿22，啮合齿22安装在第二轴承端盖16上。第三轴承23通过第三轴承上端盖25和第三轴承下端盖24安装在外壳20和液压缸5之间。

优选的，如图1和图6所示，一对拉压弹簧7的结构相同，一对拉压弹簧分别轴对称的设置在转动活塞3的两侧，且分别在C2液压腔和C4液压腔内，一对拉压弹簧7的固定架轴对称安装在转动活塞3和液压腔固定挡板6两端，初始位置时两拉压弹簧7均不受力。

如图3所示，曲柄第一连杆10-4上端两侧加工有连接孔，下端加工有固定杆10-2和连接孔，曲柄第二连杆10-3上端加工有连接曲柄第一连杆10-4的凸起圆柱，曲柄第二连杆10-3下端设置有连接滑块13-1的凸起圆柱，滑块13上端加工有连接曲柄第一连杆10-4的安装接口。

如图2、图3、图5，滑块14包括滑块上端连接孔14-1和滑块内侧凹槽14-2，滑环13包括第一轴承13-3，第一轴承上端盖13-2，第一轴承下端盖13-4，孔档块安装孔13-1，固定支架包括固定平台11和导轨12，滑块内侧凹槽14-2设置在固定平台11上的导轨12上，第一轴承13-3内圈与滑块14下端固定配合，第一轴承13-3外圈和第一轴承下端盖13-4固定配合，第一轴承下端盖13-4设有阻尼孔档块安装孔13-1，用于连接阻尼孔档块2，第一轴承上端盖13-2和第一轴承下端盖13-4固定在第一轴承13-3两侧，第一轴承上下端盖可随第一轴承13-3外圈转动。

如图1和图4所示，液压缸包括液压腔8，液压腔8被液压腔固定隔板6和转动活塞3分为四个液压腔C1、C2、C3、C4；液压缸还包括液压缸缸盖15，液压缸端盖17，第二轴承19，第二轴承端盖16；阻尼孔档块2穿过液压缸缸盖15，液压缸缸盖15设置在液压缸上方，第二轴承19内圈与液压缸缸盖15固定配合，第二轴承19外圈和液压缸端盖17配合，第二轴承端盖16设置在第二轴承19上，液压缸密封采用O型橡胶圈18，分别在液压缸和液压缸端盖、液压缸端盖和液压缸缸盖、孔档块和液压缸缸盖、输入轴和液压缸缸盖之间设置O型橡胶圈18密封。

如图8和图9所示，本发明使用时，变阻尼原理是通过改变阻尼孔大小改变旋转活塞两侧压强差,表示如下：

阻尼孔流量公式：q＝kAp^m；

通过旋转活塞阻尼孔的流量：

旋转活塞两侧压强差：

液压腔阻尼矩：阻尼系数：

其中，为有关阻尼孔形状、尺寸和液体性质的系数，为阻尼孔的开口面积，为旋转活塞两侧压强差，由阻尼孔的形状大小决定，为旋转活塞高度，分别为旋转活塞的外径和内径，为液压腔阻尼矩，为阻尼系数，为***结构参数，为液压油的粘度系数，为流量系数，为阻尼孔的高，为滑块向下移动的距离。

具体的，本发明具体实施过程可分为两部分，一个是驱动器驱动，另一个是阻尼调节。其中驱动器驱动，即驱动电机9带动输入轴1和转动活塞3转动，转动活塞3通过连接的拉压弹簧7对液压缸内的液压腔固定隔板6作用力，使液压缸5-1转动即输出轴5转动；同时转动活塞3对液压腔内的流体施加力，由流体传递给液压缸5-1作用力，使液压缸5-1转动也就是输出轴5转动。

阻尼调节，阻尼调节电机10-1带动曲柄连杆机构使滑块14、滑环13向下移动，同时连接在滑环13上的阻尼孔档块2向下移动，改变流体通过转动活塞3上的活塞小孔4的大小，从而改变传动中流体阻尼提供的力矩，又由于输出阻尼表现为输出扭矩与输入轴1和输出轴5相对转速大小的比值，因此在相对转速一定的情况下，输出扭矩的变化即为关节输出阻尼发生了变化，达到调节阻尼的目的。值得注意的是本发明可以实现柔顺驱动和刚性驱动的相互转换，在活塞小孔4没有完全遮挡时为柔顺驱动，当活塞小孔4完全被遮挡时由于流体的不可压缩性驱动器变为刚性驱动。

变阻尼范围为从接近于0到无穷大，最终为锁死转化为刚性驱动，即可以实现从串联弹性驱动转化为刚性驱动。

由于具有锁死功能(活塞小孔完全被遮挡)，适当的控制可以实现储存弹性元件的弹性势能，实现爆发式运动例如跳跃、投掷等运动。

直接利用电流变液(电流变液，电磁变液)，改变液体的流动粘性系数可以实现变阻尼。

电流变液在通常条件下是一种悬浮液，它在电场的作用下可发生液体-固体的转变.当外加电场强度大大低于某个临界值时，电流变液呈液态；当电场强度大大高于这个临界值时，它就变成固态。

电流变液需要外加电场，结构复杂，并且有可能会对某些电子元件产生干扰。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：包括外壳，所述外壳内设置有液压缸，所述液压缸上端设置有固定支架，所述固定支架一端固定于所述外壳内侧；所述液压缸内设置有液压腔，所述液压腔内活动设置有转动活塞，所述转动活塞中间固定连接有输入轴，所述输入轴端部安装有驱动电机；所述液压腔内固定连接有液压腔固定隔板，所述转动活塞和所述液压腔固定隔板之间连接有拉压弹簧；所述转动活塞和所述液压腔隔板将所述液压腔分为四部分；所述转动活塞上开设有活塞小孔，所述活塞小孔上活动设置有阻尼孔档块，所述阻尼孔档块连接有阻尼调节装置；所述液压腔内设置有流体，所述液压缸底部连接有输出轴。

2.根据权利要求1所述的基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：所述阻尼调节装置包括滑块，所述滑块外滑动套设有滑环，所述阻尼孔档块与所述滑环底部连接；所述固定支架包括固定平台和导轨，所述滑块内侧滑动设置于所述导轨上，所述滑块上端通过第一曲柄连杆和第二曲柄连杆连接有阻尼调节电机，所述阻尼调节电机固定设置于机架上，所述机架设置于所述固定平台上。

3.根据权利要求2所述的基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：所述滑块包括滑块上端连接孔和滑块内侧凹槽；所述阻尼调节电机的输出轴和所述曲柄第一连杆上端固定连接，所述曲柄第一连杆下端和曲柄第二连杆上端转动连接，所述曲柄第二连杆下端通过所述滑块上端连接孔连接在所述滑块上。

4.根据权利要求2所述的基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：所述滑环包括第一轴承、第一轴承上端盖和第一轴承下端盖；所述第一轴承的内圈与滑块下端固定配合，所述第一轴承的外圈和第一轴承下端盖固定配合，第一轴承下端盖设有阻尼孔档块安装孔，阻尼孔档块安装孔与所述阻尼孔档块连接；所述第一轴承上端盖和第一轴承下端盖固定在第一轴承两侧。

5.根据权利要求1所述的基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：所述液压缸包括液压腔、液压缸缸盖、液压缸端盖、第二轴承和第二轴承端盖；所述液压缸缸盖设置在液压缸上方，第二轴承的内圈与液压缸缸盖固定配合，第二轴承的外圈和液压缸端盖配合，第二轴承端盖设置在第二轴承上；所述阻尼孔档块上端穿过液压缸缸盖后与所述阻尼调节装置连接。

6.根据权利要求5所述的基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：所述液压缸和液压缸端盖之间、液压缸端盖和液压缸缸盖之间、孔档块和液压缸缸盖之间以及输入轴和液压缸缸盖之间分别设置有O型橡胶圈。

7.根据权利要求5所述的基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：所述固定支架上安装有编码器，所述编码器下端连接有一对啮合齿，所述啮合齿安装在所述第二轴承端盖上。

8.根据权利要求1所述的基于流体粘性的变阻尼驱动器，其特征在于：所述液压缸和所述外壳之间设置有第三轴承，所述第三轴承通过第三轴承上端盖与所述液压缸连接，所述第三轴承通过第三轴承下端盖与所述外壳连接。