CN105666522A - 电磁式可变刚度的平移关节 - Google Patents

Abstract

一种机器人领域的电磁式可变刚度的平移关节，包括：线圈机构、设置于其内的永磁体以及分置于永磁体两侧的带有复位机构的输出轴；该永磁体为环形结构，其外圈半径略小于环形线圈的内圈半径，并与线圈共轴安置于线圈内环内，从而能沿轴向发生双向偏移。关节在进行变刚度时，只需控制线圈的通电电流，进而改变线圈与环形永磁体之间的相互作用力，实现关节输出刚度的改变。本发明具有机械结构简单、质量轻便、尺寸紧凑、实施成本低、刚度调节灵敏、迟滞效应小等特点。

Description

电磁式可变刚度的平移关节

技术领域

本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种电磁式可变刚度的平移关节。

背景技术

随着科技水平的不断发展，机器人技术在日常生活和工业生产中的应用已越来越广泛。为保证机器人设备的精确运动定位和轨迹跟踪，传统机器人通常设计为刚性机器人。然而，随着机器人与人之间的交互作用越来越普遍，为缓冲机器人与人或障碍物发生碰撞时产生的冲击，保护人与设备的安全，机器人技术正逐步向柔性方面发展。在此背景下，设计出具有较强适应性，能根据工况条件随时改变输出刚度的机器人关节，已成为近年来机器人设计技术领域的一项研究热点。

总体来说，目前的变刚度关节设计主要是纯机械式的，在进行变刚度时，通常需要额外的调节电机来改变关节的部分机械结构；一般是通过改变关节内置弹簧(弹簧片)的预载、有效长度或其他结构参数来实现对关节输出刚度的调节。因此，在这些关节的内部往往需要设计较为复杂精密的传动机构，从而增加了关节的体积和质量，同时也提高了关节的实施成本；此外，复杂的机械结构还可能导致关节在进行刚度调节时存在较严重的迟滞效应，不利于变刚度关节的实际应用。

发明内容

本发明针对现有纯机械式变刚度关节设计中存在的一些不足，提出一种电磁式可变刚度的平移关节，具有机械结构简单、质量轻便、尺寸紧凑、迟滞效应小、刚度变化灵敏等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：线圈机构、位于线圈内部的永磁体以及分置于永磁体两侧的带有复位机构的两根输出轴。

所述的线圈机构包括：线圈骨架以及固定于线圈骨架上的环形线圈。

所述的线圈骨架优选由阻燃尼龙塑料制成。

所述的永磁体为环形结构，且其外圈半径略小于线圈骨架的内圈半径，从而可以与线圈共轴并安置于线圈内环内，并能沿轴向发生双向偏移。

所述的平移关节外部套有两个互为对称结构的半壳，该半壳通过螺栓连接，形成完整的关节外壳。

所述的外壳前、后端优选设有直线轴承，所述的输出轴分别穿过直线轴承，并与环形永磁铁相连。

所述的复位机构优选但不限于通过弹簧实现，该弹簧一端与输出轴固定连接，另一端与半壳内壁固定连接。

所述的输出轴、半壳以及直线轴承优选均为铝合金制成。

技术效果

与现有技术相比，本发明不需要附加调节电机；而是通过电磁效应，控制关节的输入电流进行关节刚度的改变，从而较好的保证了刚度调节的灵敏性。

本发明技术效果进一步包括：

1)不同于通常的变刚度转动关节，本发明为平移关节，并具有两个输出端，每端均可沿关节轴向产生拉、压运动；

2)本发明在进行变刚度时，不需要额外的调节电机来改变关节的机械结构，而是通过改变关节的输入电流，调节通电线圈与永磁铁间的相互作用力，实现输出刚度的改变。

附图说明

图1为本发明去半壳后内部立体结构示意图；

图2为本发明沿外壳分界面的剖视图；

图3为本发明立体外观示意图；

图4为本发明结构原理图；

图5为环形线圈内部轴线上各点的磁感应强度分布图；

图6为永磁铁轴向偏移与外作用力间的关系图。

图中：1-前输出轴、2-平衡弹簧、3-环形永磁铁、4-半壳、5-后输出轴、6-直线轴承、7-线圈骨架、8-环形线圈。

具体实施方式

如图1和2所示，本实施例包括：前输出轴1、平衡弹簧2、半壳4、后输出轴5、直线轴承6、环形永磁铁3、线圈骨架7和环形线圈8，其中：环形永磁铁与环形线圈共轴，安装于线圈内环内，并能沿轴向发生双向滑移。

所述的两瓣半壳4通过螺栓连接，形成完整的关节外壳，从而将整个电磁变刚度部分包裹于其中：外壳两端分别安装有直线轴承6。

所述的前输出轴1与后输出轴5通过末端的螺纹连接于一体，形成完整的输出轴。环形永磁铁3两端面分别与两根输出轴的轴肩对齐，从而固定于输出轴正中间。输出轴通过直线轴承6与关节外壳安装在一起，并可沿轴向产生双侧偏移。

所述的平衡弹簧2分别套于前、后输出轴上，且弹簧一端固连于对应输出轴的末端，另一端固连于半壳内壁；其作用是避免关节断电后，永磁铁在重力或外力作用下偏离其平衡位置，处于完全自由运动状态；同时在一定程度上增加该关节的输出刚度。

当线圈通入电流，在其内环内会形成电磁场。通电线圈在其内部形成的磁场的磁感应线方向应当与永磁铁产生的磁场方向一致。此时，永磁铁两个极面会分别受到F_N和F_S两个磁场力的作用，且F_N和F_S的方向相反，如图4所示。

结合电磁学的相关理论，经过理论推导，可以得到通电线圈内部轴线上各点磁感应强度分布的理论公式为：

其中：B(x)表示线圈轴线上偏离中心x处的磁感应强度值；N为线圈的匝数；R₁和R₂分别表示环形线圈的内半径和外半径值；l为线圈总长的一半；μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7；I为通入线圈中的电流值。显然，随着电流增大，线圈内环中的磁场强度随之增大。

根据所述的通电线圈轴线上各点磁感应强度理论分布公式，可画出线圈轴线上各点的磁感应强度分布曲线，如图5所示。可以看出，通电线圈内部沿轴线方向上的磁场，在线圈正中央部位强度最强，并逐步向两侧递减。因此，在无外力作用下，当环形线圈通电后，永磁铁将静止于线圈的正中间位置，此时F_N与F_S大小相等，方向相反。当永磁铁受外力作用沿轴向产生偏移，其所承受的F_N与F_S所形成的磁场力合力始终指向线圈正中的方向。因此，当外力释放，永磁铁会磁场力的合力作用下自动回复到线圈正中间的部位，即平衡位置。

假设线圈垂直于轴线的截面上各点的磁感应强度分布与轴线上对应的点的磁感应强度分布一致。根据磁荷的观点，视永磁铁两个极面分布有等量异号磁荷。可以计算出永磁铁每个极面理论上所承受的磁场力大小为：F(x)＝∫_SH(x)·dq，其中：H∝B，H(x)表示偏离线圈中间x处的磁场强度，dq表示元磁荷，S为永磁铁极面的面积。

根据所述的永磁铁极面于线圈磁场下所承受的磁场力理论计算公式，可以画出环形永磁铁在线圈内部所受的磁场力合力与其轴向偏移之间的理论关系示意图，如图6所示。可以看到，随着永磁铁在线圈内部相对于平衡位置的偏移越大，其所承受的磁场力合力也就越大。进一步，改变线圈的通电电流，可以改变线圈内部的磁感应强度，进而调节永磁铁发生偏移时所承受的磁场力合力，从而改变该平移关节的输出刚度。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种电磁式可变刚度的平移关节，其特征在于，包括：线圈机构、位于其内部的永磁体以及分置于永磁体两侧的带有复位机构的输出轴；

所述的线圈机构包括：线圈骨架以及固定于线圈骨架上的环形线圈；

所述的永磁体为环形结构，该环形永磁铁外圈半径略小于环形线圈的内圈半径，并与线圈共轴安置于线圈内环内，从而可以沿轴向发生双向偏移。

2.根据权利要求1所述的电磁式可变刚度的平移关节，其特征是，所述的线圈骨架由阻燃尼龙塑料制成。

3.根据权利要求1所述的电磁式可变刚度的平移关节，其特征是，所述的平移关节外部设有两个对称结构的半壳，该半壳通过螺栓连接，形成完整的关节外壳。

4.根据权利要求1所述的电磁式可变刚度的平移关节，其特征是，所述的外壳前、后端设有直线轴承，所述的输出轴穿过直线轴承，并与环形永磁铁相连并可沿轴向产生双侧偏移。

5.根据权利要求1所述的电磁式可变刚度的平移关节，其特征是，所述的复位机构通过平衡弹簧实现，该弹簧一端与输出轴固定连接，另一端与半壳内壁固定连接。

6.根据权利要求1所述的电磁式可变刚度的平移关节，其特征是，分置于永磁体两侧的带有复位机构的输出轴通过各自末端的螺纹连接于一体，环形永磁铁两端面分别与两根输出轴的轴肩对齐，从而固定于输出轴正中间。

7.根据权利要求5所述的电磁式可变刚度的平移关节，其特征是，所述的平衡弹簧分别套于前、后输出轴上，且弹簧一端固连于对应输出轴的末端，另一端固连于半壳内壁，当关节断电时使得永磁铁在重力或外力作用下不偏离其平衡位置并增加该关节的输出刚度。