一种磁流变机器人关节制动装置的制作方法

1.本实用新型属于汽车制动领域，具体涉及一种磁流变机器人关节制动装置。


背景技术：

2.工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。通常，工业机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器,当机器人急停时，制动器需要及时响应输出较大的制动力矩，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。为了使关节定位准确，目前的制动器大部分与系统的驱动输入端连接，这样利用传动链速比，能够减小制动器的轻微滑动所引起的系统振动，保证在承载条件下仍具有较高的定位精度。
3.磁流变液以其反应快(毫秒级)，能耗低，易于控制，耐用性好，工作温度范围宽和使用寿命长等优势被广泛应用于航空航天/机械加工/建筑/医疗等领。利用磁流变液的这种特性可以方便的制造制动装置，如专利号201710242884.5公开的磁流变串联弹性驱动器，其采用磁流变液直接包裹转轴，利用磁流变液的瞬时变化对转轴产生制动力矩，但是此种方式产生的制动力矩较小，只适用于康复机器人，不适用于大型工业机器人的急停。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种制动力矩大，适用于急停的双重增压式磁流变机器人关节制动装置。
5.为实现上述的目的，本实用新型的技术方案为：
6.一种磁流变机器人关节制动装置，包括转轴，所述转轴与第一驱动装置连接，还包括壳体，所述壳体是由前后底板以及上下左右四块侧板围成的长方体工作腔，所述转轴穿过前后底板设置在长方体工作腔内，转轴通过轴承分别与前后底板连接；所述长方体工作腔内设有一个盛装磁流变液的密封腔，所述密封腔由上下左右四块密封板和前后底板围成；所述密封腔内设有一个制动盘和两组导磁模块，所述导磁模块分别嵌在前后底板上并与轴承连接，与转轴同轴转动；所述制动盘设在转轴上且位于两组导磁模块之间，与转轴同轴转动；所述制动盘包括多块齿轮盘，所述齿轮盘紧密排列固定在转轴上。
7.作为进一步的技术方案，以上所述长方体工作腔内还设有联动式加压组件，所述联动式加压组件包括外加压框组件、内加压件以及给外加压框提供压力的动力组件，所述动力组件和外加压框组件设在壳体侧板和密封板之间的腔室内，所述外加压框组件呈矩形框结构，所述动力组件设在外加压框组件的顶部，所述内加压件设在外加压框组件内，外加压框组件与密封板之间设有复位弹簧，内加压件可移动的穿过密封板设置，内加压件的外端与外加压框组件连接，内端设为与齿轮盘相啮合的齿状结构。
8.作为进一步的技术方案，以上所述外加压框组件是由第一加压模块、第二加压模块、第三加压模块和第四加压模块组成的矩形框结构，所述第一加压模块是由上加压板和左右加压板连接组成的ㄇ形加压模块，上加压板设在上腔室内，所述左右加压板位于左右
腔室内并抵接在左右侧板上，所述左右加压板的内侧面设为上大下小的斜面结构；所述第二加压模块和第三加压模块呈对称的倒“7”字结构，其竖边加压板分别设在左右腔室内，竖边加压板外侧面设为同角度的斜面结构紧密搭接在第一加压模块的左右加压板内侧面上，第二加压模块和第三加压模块的横边加压板设在下腔室内并抵接在下侧板上，所述横边加压板的内侧面设为外大内小的斜面结构；所述第四加压模块设在下腔室内并位于两个横边加压板之间，第四加压模块呈倒梯形结构，其左右两个斜面紧密搭接在第二加压模块和第三加压模块的横边加压板内侧面上，当未受到压力时，第四加压模块的下底面抵接在下侧板上；所述复位弹簧分别设于上加压板与上密封板之间、第四加压模块与下密封板之间。
9.作为进一步的技术方案，以上所述内加压件包括上下左右四个工形加压块，所述工形加压块可移动的穿过对应方位的密封板设置，上工形加压块的外端通过连接杆与上加压板连接，左右工形加压块的外端与对应方位的竖边加压板固定连接，下工形模块与第四加压模块的上底面固定连接；所述四个工形加压块的内端均设为与齿轮盘相啮合的齿状结构。
10.作为进一步的技术方案，以上所述动力组件包括安装板、推进块、楔形下压块、下限位块、上限位块和可水平推进的第二驱动装置，所述楔形下压块固定连接在上加压板上，其斜面从后往前逐步增大；推进块水平压接在楔形下压块的较矮斜面上，推进块的后端与下限位块呈直角连接，所述第二驱动装置设在下限位块的后方并与下限位块连接，推动下限位块和推进块前后移动；所述第二驱动装置与安装板固定连接，所述安装板与壳体固定连接；所述上限位块设在下限位块的前进方向上，并与安装板固定连接；当推进块前进到达楔形下压块的边缘时，下限位块与上限位块相抵接。
11.作为进一步的技术方案，以上所述导磁模块包括导磁腔体、隔磁环和线圈，所述导磁腔体是由第一导磁环、第二导磁环、第三导磁环和第四导磁环围成的柱形腔体，所述第一导磁环为柱形腔体的内环，第二导磁环设于第一导磁环的外侧面，第三导磁环和第四导磁环为柱形腔体的左右两个底面；第一导磁环和第三导磁环安装在转轴上，第四导磁环与第一导磁环之间卡接隔磁环。
12.作为进一步的技术方案，以上所述第二驱动装置为音圈电机。
13.作为进一步的技术方案，以上所述装置还包括线圈电流控制模块，所述线圈电流控制模块包括外部控制器、控制电路和包含线圈的输出电路，所述外部控制器与控制电路的输入端电性连接，所述控制电路的输出端与输出电路电性连接；所述外部控制器采用plc或微控制器。
14.作为进一步的技术方案，以上所述控制电路包括电源vcc、三端稳压器、电容c1、电容c2、芯片、以及电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9和电阻r10，所述三端稳压器采用ams1117
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5v，所述芯片采用l9349lf，所述三端稳压器的3脚(即vin引脚)连接于电源vcc，三端稳压器的2脚(即vout(tab) 引脚)与芯片的vs引脚连接，电容c1和电容c2跨接在三端稳压器的2脚(即vout(tab) 引脚)和1脚(即adj(gnd)引脚)之间；芯片的4路输出out1、out2、out3、out4 分别对应着pin2、pin9、pin12、pin19，与输出通道直接串联电阻r1、电阻r2、电阻r5、电阻r6为输出电流采样，其两端引出的通道电流正反馈与通道电流负反馈与外部控制器的 adc相连接对输出电流数据进行采样；与4路输出所对应的控制信号输入分别是in1、in2、 in3、in4，对应的引脚是pin17、pin14、pin7、pin4；
外部控制器通过与输入引脚连接输入pwm控制信号；电阻r3、电阻r4、电阻r7、电阻r8为信号输入端的下拉电阻，下拉电阻一端连接在控制信号输入端另一端接地；en端，即pin16，是芯片的使能端，即高电平有效，当外部控制器输出高电平时芯片功能激活，r9是en端的下拉电阻，跨接en和gnd 之间，阻值与电阻r3、电阻r4、电阻r7、电阻r8四个下拉电阻相同；pin1、pin10、pin11、 pin15、pin20、pin21为电路接地。
15.作为进一步的技术方案，以上所述输出电路包括电容c3、电容c4、电容c5、续流二极管d1以及线圈，所述线圈首端与电源vcc相连接，尾端与控制电路的输出通道相连，电容 c3、电容c4和电容c5组成的旁路电容组并联在电源的两端；续流二极管d1反向并联在线圈两端。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
17.1、本实用新型产品响应快。
18.本实用新型首个将磁流变液用于工业机器人上，利用磁流变液毫秒级的反应速度，使得产品制动响应快，制动迅速。
19.2、本实用新型的制动力矩大。
20.本实用新型在转轴上增加了由多层齿轮盘组成的制动盘，增大了磁流变液的制动面，当磁流变液通磁固化后，转轴以及制动盘同时受到制动，进而有效增大了制动力矩。因此本实用新型适用于工业机器人以及急停操作。
21.再者，本实用新型增加了联动式加压组件的设计，通过动力组件给予外加压框组件向下的压力，外加压框通过第一加压模块、第二加压模块、第三加压模块和第四加压模块的联动设计，从上下左右四个方向产生了朝向制动盘的内压力，此内压力通过四个工形加压块加压到制动盘上，同时四个工形加压块的内端均设为与齿轮盘相啮合的齿状结构，可增加内加压件与齿轮盘的咬合，进而实现了有效的增压，更进一步增大制动力矩，因而本实用新型更适用于工业机器人以及急停操作。
22.3、本实用新型可对机器人的制动程度进行调节。
23.本实用新型通过外部控制器和控制电路，实现对线圈电流大小的调节，进而对磁流变液的固化程度进行调节，实现了制动力大小的调节。
24.4、本实用新型磁流变液固化稳定。
25.普遍传统磁流变液制动器仅设一个电磁线圈，在导磁时磁力强度逐渐减弱，导致磁流变液固化不稳定。本实用新型在磁流变液左右端各设一个电磁线圈，能起到加强磁场，稳定磁流变液的固化程度的作用。
附图说明
26.图1为本实用新型一种磁流变机器人关节制动装置的外观结构示意图；
27.图2为本实用新型一种磁流变机器人关节制动装置的第一内部结构示意图；
28.图3为本实用新型一种磁流变机器人关节制动装置的第二内部结构示意图；
29.图4为本实用新型联动式加压组件的结构示意图；
30.图5为本实用新型的导磁模块结构示意图；
31.图6为图5导磁模块的分解图；
32.图7为本实用新型线圈电流控制模块的控制原理图；
33.图8为本实用新型的输出电路图；
34.图9为本实用新型的控制电路图。
35.附图标记：1
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转轴，2
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壳体，201
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底板，202
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侧板，3
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轴承，4
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密封板，5
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制动盘，6
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外加压框组件，601
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第一加压模块，602
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第二加压模块，603
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第三加压模块，604
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第四加压模块， 7
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内加压件，701
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工形加压块，8
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动力组件，801
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安装板，802
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推进块，803
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楔形下压块，804
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下限位块，805
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上限位块，806
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第二驱动装置，9
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导磁模块，901
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第一导磁环，902
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第二导磁环，903
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第三导磁环，904
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第四导磁环，905
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隔磁环，906
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线圈，10
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复位弹簧，11
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外部控制器，12
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控制电路，13
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连接杆；a
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后方，b
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前方，c
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左侧，d
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右侧，e
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上侧，f
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下侧。
具体实施方式
36.下面结合实施例对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式并不局限于实施例表示的范围。
37.实施例1：
38.如图1
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4所示，一种磁流变机器人关节制动装置，包括转轴1，转轴1与第一驱动装置连接，还包括壳体2，壳体2是由前后底板201以及上下左右四块侧板202围成的长方体工作腔，转轴1穿过前后底板201设置在长方体工作腔内，转轴1通过轴承3分别与前后底板201 连接；长方体工作腔内设有一个盛装磁流变液的密封腔，密封腔由上下左右四块密封板4和前后底板201围成；密封腔内设有一个制动盘5和两组导磁模块9，导磁模块9分别嵌在前后底板201上并与轴承3连接，与转轴1同轴转动；制动盘5设在转轴1上且位于两组导磁模块9之间，与转轴1同轴转动；制动盘5包括多块齿轮盘，齿轮盘紧密排列固定在转轴1 上，通过多个齿轮盘增加了磁流变液的制动面，进而增大了制动力矩。
39.长方体工作腔内还设有联动式加压组件，联动式加压组件包括外加压框组件6、内加压件7以及给外加压框提供压力的动力组件8，动力组件8和外加压框组件6设在壳体2侧板 202和密封板4之间的腔室内，外加压框组件6呈矩形框结构，动力组件8设在外加压框组件6的顶部，内加压件7设在外加压框组件6内，外加压框组件6与密封板4之间设有复位弹簧10，内加压件7可移动的穿过密封板4设置，内加压件7的外端与外加压框组件6连接，内端设为与齿轮盘相啮合的齿状结构。
40.外加压框组件6是由第一加压模块601、第二加压模块602、第三加压模块603和第四加压模块604组成的矩形框结构，第一加压模块601是由上加压板和左右加压板连接组成的ㄇ形加压模块，上加压板设在上腔室内，左右加压板位于左右腔室内并抵接在左右侧板202上，左右加压板的内侧面设为上大下小的斜面结构；第二加压模块602和第三加压模块603呈对称的倒“7”字结构，其竖边加压板分别设在左右腔室内，竖边加压板外侧面设为同角度的斜面结构紧密搭接在第一加压模块601的左右加压板内侧面上，第二加压模块602和第三加压模块603的横边加压板设在下腔室内并抵接在下侧板202上，横边加压板的内侧面设为外大内小的斜面结构；第四加压模块604设在下腔室内并位于两个横边加压板之间，第四加压模块604呈倒梯形结构，其左右两个斜面紧密搭接在第二加压模块602和第三加压模块603的横边加压板内侧面上，当未受到压力时，第四加压模块604的下底面抵接在下侧板202上；复位弹簧10分别设于上加压板与上密封板4之间、第四加压模块604与下密封板4之间，当外加压框组件6向内压缩时，复位弹簧10处于压缩状态。
pin2、pin9、pin12、pin19，与输出通道直接串联电阻r1、电阻r2、电阻r5、电阻r6为输出电流采样电阻阻值为0.1欧姆，其两端引出的通道(通道号)电流正反馈与通道(通道号)电流负反馈与外部控制器11的adc相连接对输出电流数据进行采样，对应量程 100mv/1a。与4路输出所对应的控制信号输入分别是in1、in2、in3、in4，对应的引脚是 pin17、pin14、pin7、pin4。外部控制器11通过与输入引脚连接输入pwm控制信号，通过控制改变pwm信号的占空比从而控制输出通道的电流大小，信号占空比越大输出电流越大。电阻r3、电阻r4、电阻r7、电阻r8为信号输入端的下拉电阻，阻值为10千欧，下拉电阻一端连接在控制信号输入端另一端接地，作用是防止l9349lf芯片在无信号输入遇到干扰时错误开启。en端(pin16)是l9349lf芯片的使能端(高电平有效)，它是决定着芯片是否激活使用，当外部控制器11输出高电平时芯片功能激活，电阻r9是en端的下拉电阻与，跨接en和gnd之间，阻值与其它四个下拉电阻相同，用于保证无信号输入时不会错误开启芯片。pin1、pin10、pin11、pin15、pin20、pin21为电路接地。
50.表1为芯片和三端稳压器的引脚功能表
51.[0052][0053]
如图8所示，线圈906首端与电源vcc相连接，尾端与电路输出通道相连，图中3个 10uf电容c3、电容c4和电容c5组成的旁路电容组并联在电源的两端，用于提高制动器的瞬态响应能力。续流二极管d1反向并联在磁流变制动器线圈906两端，防止快速从制动状态切换到非制动状态时的感应电动势击穿电路造成电路损坏提高安全性和稳定性。通过控制外部控制器11实现对线圈906电流大小的调节。
[0054]
当机器人正常工作时，线圈906和音圈电机不通电，磁流变液为液态状态，整个制动装置在第一驱动装置(减速电机)的驱动下跟随转轴1转动；当机器人需要急停时，线圈906 通电使得磁流变液瞬间变为固体状态，固化后磁流变液产生了阻止制动盘5和转轴1转动的制动力，进而阻止转轴1的转动，实现了制动。
[0055]
还可启动音圈电机，音圈电机控制推进块802向楔形下压块803水平推进，楔形下压块 803受力向第一加压模块601挤压，第一加压模块601下压后，在其左右加压板与第二加压模块602和第三加压模块603的竖边加压板斜面配合下，第一加压模块601联动第二加压模块602和第三加压模块603向制动盘5挤压，此时，在第二加压模块602和第三加压模块603 的横边加压板的挤压下，第二加压模块602和第三加压模块603联动第四加压模块604向上挤压，内加压件7受到上下左右四块加压板的向内压力后，其齿状结构内压嵌合到制动盘5 上，阻止制动盘5的转动同时增加固态磁流变液压力，进而增大了制动力矩，实现紧急制动，此时复位弹簧10处于压缩状态。
[0056]
因密封板4是固定不变的，当制动结束后，磁流变液恢复液态，复位弹簧10复位，第一加压模块601和第四加压模块604通过复位弹簧10被推回原位推回原位，第二加压模块602 和第三加压模块603通过第四加压模块604的联动作用回到原位。
[0057]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“首”、“尾”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限
定，“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接；可以是拆卸连接；也可以是点连接；可以是直接连接；可以是通过中间媒介间接连接，可以使两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本实用新型中未详尽说明的设备连接方式，均按本领域的常规连接方式理解。
[0058]
上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。