電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種電磁式可變剛度的平移關(guān) -K- To
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技水平的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用已越來(lái)越 廣泛。為保證機(jī)器人設(shè)備的精確運(yùn)動(dòng)定位和軌跡跟蹤，傳統(tǒng)機(jī)器人通常設(shè)計(jì)為剛性機(jī)器人。 然而，隨著機(jī)器人與人之間的交互作用越來(lái)越普遍，為緩沖機(jī)器人與人或障礙物發(fā)生碰撞 時(shí)產(chǎn)生的沖擊，保護(hù)人與設(shè)備的安全，機(jī)器人技術(shù)正逐步向柔性方面發(fā)展。在此背景下，設(shè) 計(jì)出具有較強(qiáng)適應(yīng)性，能根據(jù)工況條件隨時(shí)改變輸出剛度的機(jī)器人關(guān)節(jié)，已成為近年來(lái)機(jī) 器人設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。
[0003] 總體來(lái)說(shuō)，目前的變剛度關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)主要是純機(jī)械式的，在進(jìn)行變剛度時(shí)，通常需要 額外的調(diào)節(jié)電機(jī)來(lái)改變關(guān)節(jié)的部分機(jī)械結(jié)構(gòu);一般是通過(guò)改變關(guān)節(jié)內(nèi)置彈簧(彈簧片）的預(yù) 載、有效長(zhǎng)度或其他結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)輸出剛度的調(diào)節(jié)。因此，在這些關(guān)節(jié)的內(nèi)部往往 需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加了關(guān)節(jié)的體積和質(zhì)量，同時(shí)也提高了關(guān)節(jié)的 實(shí)施成本;此外，復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)還可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)在進(jìn)行剛度調(diào)節(jié)時(shí)存在較嚴(yán)重的遲滯效 應(yīng)，不利于變剛度關(guān)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有純機(jī)械式變剛度關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中存在的一些不足，提出一種電磁式可 變剛度的平移關(guān)節(jié)，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便、尺寸緊湊、遲滯效應(yīng)小、剛度變化靈敏等 特點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明包括:線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)、位于線(xiàn)圈內(nèi)部的永磁體以及分置于永磁體兩側(cè)的帶有復(fù) 位機(jī)構(gòu)的兩根輸出軸。
[0007] 所述的線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)包括:線(xiàn)圈骨架以及固定于線(xiàn)圈骨架上的環(huán)形線(xiàn)圈。
[0008] 所述的線(xiàn)圈骨架優(yōu)選由阻燃尼龍塑料制成。
[0009] 所述的永磁體為環(huán)形結(jié)構(gòu)，且其外圈半徑略小于線(xiàn)圈骨架的內(nèi)圈半徑，從而可以 與線(xiàn)圈共軸并安置于線(xiàn)圈內(nèi)環(huán)內(nèi)，并能沿軸向發(fā)生雙向偏移。
[0010] 所述的平移關(guān)節(jié)外部套有兩個(gè)互為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的半殼，該半殼通過(guò)螺栓連接，形成 完整的關(guān)節(jié)外殼。
[0011]所述的外殼前、后端優(yōu)選設(shè)有直線(xiàn)軸承，所述的輸出軸分別穿過(guò)直線(xiàn)軸承，并與環(huán) 形永磁鐵相連。
[0012] 所述的復(fù)位機(jī)構(gòu)優(yōu)選但不限于通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)，該彈簧一端與輸出軸固定連接，另 一端與半殼內(nèi)壁固定連接。
[0013] 所述的輸出軸、半殼以及直線(xiàn)軸承優(yōu)選均為鋁合金制成。 技術(shù)效果
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不需要附加調(diào)節(jié)電機(jī);而是通過(guò)電磁效應(yīng)，控制關(guān)節(jié)的輸 入電流進(jìn)行關(guān)節(jié)剛度的改變，從而較好的保證了剛度調(diào)節(jié)的靈敏性。
[0015] 本發(fā)明技術(shù)效果進(jìn)一步包括：
[0016] 1)不同于通常的變剛度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，本發(fā)明為平移關(guān)節(jié)，并具有兩個(gè)輸出端，每端均 可沿關(guān)節(jié)軸向產(chǎn)生拉、壓運(yùn)動(dòng)；
[0017] 2)本發(fā)明在進(jìn)行變剛度時(shí)，不需要額外的調(diào)節(jié)電機(jī)來(lái)改變關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而是 通過(guò)改變關(guān)節(jié)的輸入電流，調(diào)節(jié)通電線(xiàn)圈與永磁鐵間的相互作用力，實(shí)現(xiàn)輸出剛度的改變。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明去半殼后內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明沿外殼分界面的剖視圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明立體外觀(guān)示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖；
[0022] 圖5為環(huán)形線(xiàn)圈內(nèi)部軸線(xiàn)上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖；
[0023]圖6為永磁鐵軸向偏移與外作用力間的關(guān)系圖。
[0024] 圖中：1_前輸出軸、2-平衡彈簧、3-環(huán)形永磁鐵、4-半殼、5-后輸出軸、6-直線(xiàn)軸承、 7_線(xiàn)圈骨架、8-環(huán)形線(xiàn)圈。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 如圖1和2所示，本實(shí)施例包括:前輸出軸1、平衡彈簧2、半殼4、后輸出軸5、直線(xiàn)軸 承6、環(huán)形永磁鐵3、線(xiàn)圈骨架7和環(huán)形線(xiàn)圈8,其中：環(huán)形永磁鐵與環(huán)形線(xiàn)圈共軸，安裝于線(xiàn)圈 內(nèi)環(huán)內(nèi)，并能沿軸向發(fā)生雙向滑移。
[0026] 所述的兩瓣半殼4通過(guò)螺栓連接，形成完整的關(guān)節(jié)外殼，從而將整個(gè)電磁變剛度部 分包裹于其中：外殼兩端分別安裝有直線(xiàn)軸承6。
[0027] 所述的前輸出軸1與后輸出軸5通過(guò)末端的螺紋連接于一體，形成完整的輸出軸。 環(huán)形永磁鐵3兩端面分別與兩根輸出軸的軸肩對(duì)齊，從而固定于輸出軸正中間。輸出軸通過(guò) 直線(xiàn)軸承6與關(guān)節(jié)外殼安裝在一起，并可沿軸向產(chǎn)生雙側(cè)偏移。
[0028] 所述的平衡彈簧2分別套于前、后輸出軸上，且彈簧一端固連于對(duì)應(yīng)輸出軸的末 端，另一端固連于半殼內(nèi)壁;其作用是避免關(guān)節(jié)斷電后，永磁鐵在重力或外力作用下偏離其 平衡位置，處于完全自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài);同時(shí)在一定程度上增加該關(guān)節(jié)的輸出剛度。
[0029] 當(dāng)線(xiàn)圈通入電流，在其內(nèi)環(huán)內(nèi)會(huì)形成電磁場(chǎng)。通電線(xiàn)圈在其內(nèi)部形成的磁場(chǎng)的磁 感應(yīng)線(xiàn)方向應(yīng)當(dāng)與永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向一致。此時(shí)，永磁鐵兩個(gè)極面會(huì)分別受到Fn和Fs兩 個(gè)磁場(chǎng)力的作用，且Fn和Fs的方向相反，如圖4所示。
[0030] 結(jié)合電磁學(xué)的相關(guān)理論，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，可以得到通電線(xiàn)圈內(nèi)部軸線(xiàn)上各點(diǎn)磁感 應(yīng)強(qiáng)度分布的理論公式為：
[0031]
其中：B (X)表示線(xiàn)圈軸線(xiàn)上偏離中心X處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值;N為線(xiàn)圈的匝數(shù);心和1?2分別表示環(huán)形線(xiàn) 圈的內(nèi)半徑和外半徑值；1為線(xiàn)圈總長(zhǎng)的一半;為真空磁導(dǎo)率，μ〇=4π X nr7; I為通入線(xiàn)圈 中的電流值。顯然，隨著電流增大，線(xiàn)圈內(nèi)環(huán)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之增大。
[0032] 根據(jù)所述的通電線(xiàn)圈軸線(xiàn)上各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度理論分布公式，可畫(huà)出線(xiàn)圈軸線(xiàn)上各 點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線(xiàn)，如圖5所示。可以看出，通電線(xiàn)圈內(nèi)部沿軸線(xiàn)方向上的磁場(chǎng)，在線(xiàn) 圈正中央部位強(qiáng)度最強(qiáng)，并逐步向兩側(cè)遞減。因此，在無(wú)外力作用下，當(dāng)環(huán)形線(xiàn)圈通電后，永 磁鐵將靜止于線(xiàn)圈的正中間位置，此時(shí)Fn與Fs大小相等，方向相反。當(dāng)永磁鐵受外力作用沿 軸向產(chǎn)生偏移，其所承受的Fn與Fs所形成的磁場(chǎng)力合力始終指向線(xiàn)圈正中的方向。因此，當(dāng) 外力釋放，永磁鐵會(huì)磁場(chǎng)力的合力作用下自動(dòng)回復(fù)到線(xiàn)圈正中間的部位，即平衡位置。 [0033] 假設(shè)線(xiàn)圈垂直于軸線(xiàn)的截面上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與軸線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的磁感 應(yīng)強(qiáng)度分布一致。根據(jù)磁荷的觀(guān)點(diǎn)，視永磁鐵兩個(gè)極面分布有等量異號(hào)磁荷?？梢杂?jì)算出永 磁鐵每個(gè)極面理論上所承受的磁場(chǎng)力大小為:F(X) = JsH(X) · dq，其中：Η~Β，Η(χ)表示偏 離線(xiàn)圈中間X處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，dq表示元磁荷，S為永磁鐵極面的面積。
[0034]根據(jù)所述的永磁鐵極面于線(xiàn)圈磁場(chǎng)下所承受的磁場(chǎng)力理論計(jì)算公式，可以畫(huà)出環(huán) 形永磁鐵在線(xiàn)圈內(nèi)部所受的磁場(chǎng)力合力與其軸向偏移之間的理論關(guān)系示意圖，如圖6所示。 可以看到，隨著永磁鐵在線(xiàn)圈內(nèi)部相對(duì)于平衡位置的偏移越大，其所承受的磁場(chǎng)力合力也 就越大。進(jìn)一步，改變線(xiàn)圈的通電電流，可以改變線(xiàn)圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)永磁鐵 發(fā)生偏移時(shí)所承受的磁場(chǎng)力合力，從而改變?cè)撈揭脐P(guān)節(jié)的輸出剛度。
[0035]上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同 的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所 限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，其特征在于，包括：線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)、位于其內(nèi)部的永磁 體以及分置于永磁體兩側(cè)的帶有復(fù)位機(jī)構(gòu)的輸出軸； 所述的線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)包括:線(xiàn)圈骨架以及固定于線(xiàn)圈骨架上的環(huán)形線(xiàn)圈； 所述的永磁體為環(huán)形結(jié)構(gòu)，該環(huán)形永磁鐵外圈半徑略小于環(huán)形線(xiàn)圈的內(nèi)圈半徑，并與 線(xiàn)圈共軸安置于線(xiàn)圈內(nèi)環(huán)內(nèi)，從而可以沿軸向發(fā)生雙向偏移。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，其特征是，所述的線(xiàn)圈骨架由阻 燃尼龍塑料制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，其特征是，所述的平移關(guān)節(jié)外部 設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的半殼，該半殼通過(guò)螺栓連接，形成完整的關(guān)節(jié)外殼。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，其特征是，所述的外殼前、后端 設(shè)有直線(xiàn)軸承，所述的輸出軸穿過(guò)直線(xiàn)軸承，并與環(huán)形永磁鐵相連并可沿軸向產(chǎn)生雙側(cè)偏 移。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，其特征是，所述的復(fù)位機(jī)構(gòu)通過(guò) 平衡彈簧實(shí)現(xiàn)，該彈簧一端與輸出軸固定連接，另一端與半殼內(nèi)壁固定連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，其特征是，分置于永磁體兩側(cè)的 帶有復(fù)位機(jī)構(gòu)的輸出軸通過(guò)各自末端的螺紋連接于一體，環(huán)形永磁鐵兩端面分別與兩根輸 出軸的軸肩對(duì)齊，從而固定于輸出軸正中間。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，其特征是，所述的平衡彈簧分別 套于前、后輸出軸上，且彈簧一端固連于對(duì)應(yīng)輸出軸的末端，另一端固連于半殼內(nèi)壁，當(dāng)關(guān) 節(jié)斷電時(shí)使得永磁鐵在重力或外力作用下不偏離其平衡位置并增加該關(guān)節(jié)的輸出剛度。
【專(zhuān)利摘要】一種機(jī)器人領(lǐng)域的電磁式可變剛度的平移關(guān)節(jié)，包括：線(xiàn)圈機(jī)構(gòu)、設(shè)置于其內(nèi)的永磁體以及分置于永磁體兩側(cè)的帶有復(fù)位機(jī)構(gòu)的輸出軸；該永磁體為環(huán)形結(jié)構(gòu)，其外圈半徑略小于環(huán)形線(xiàn)圈的內(nèi)圈半徑，并與線(xiàn)圈共軸安置于線(xiàn)圈內(nèi)環(huán)內(nèi)，從而能沿軸向發(fā)生雙向偏移。關(guān)節(jié)在進(jìn)行變剛度時(shí)，只需控制線(xiàn)圈的通電電流，進(jìn)而改變線(xiàn)圈與環(huán)形永磁體之間的相互作用力，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)輸出剛度的改變。本發(fā)明具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便、尺寸緊湊、實(shí)施成本低、剛度調(diào)節(jié)靈敏、遲滯效應(yīng)小等特點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】B25J17/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105666522
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610236379
【發(fā)明人】趙勇, 余覺(jué), 王皓, 余海東, 陳根良, 來(lái)新民
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日