CN103465271B - 一种磁保持并行步进旋转摆动关节的设计方法 - Google Patents

Abstract

磁保持并行步进旋转摆动关节的技术领域，是属于机械制造.智能控制.机器人技术.自动化控制.电磁技术领域，技术的主要内容是把摆动面和旋转盘结合在一起，构成一个能摆动旋转的机械关节，摆动面和旋转盘的驱动单元都是有单元磁保持驱动器构成，所以能并行执行，只需一个脉冲的时间就可以旋转到要到达的角度，同时摆动面摆动到需要的方向和角度。

Description

一种磁保持并行步进旋转摆动关节的设计方法

技术领域

磁保持并行步进旋转摆动关节的技术领域，是属于机械制造.智能控制.机器人技术.自动化控制.电磁技术领域，技术的主要内容是把摆动面和旋转盘结合在一起，构成一个能摆动旋转的机械关节，摆动面和旋转盘的驱动单元都是有单元磁保持驱动器构成，所以能并行执行，只需一个脉冲的时间就可以旋转到要到达的角度，同时摆动面摆动到需要的方向和角度。

背景技术

随着机器人的空前发展，机器人在人类的各行各业多渐渐的出现，机器人对人类的影响越来越重要，随着机器人成本不断的降低，机器人会很快普及到各行各业，其实机器人已经发展到国和国之间的生死存亡的激烈竞争，随着机器人的发展一般的劳力劳动多会被机器人代替，如果发生战争，上战场的多是机器人，机器人比人有很多的优越性，由于关系到国家的生死存亡，机器人会得到快速的发展，当然机械关节是机器人制造的关键部件，关节的驱动极为重要，现在机器人关节的驱动方式有液压式、气动式和电动式。1、液压驱动机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：（1）液压容易达到较高的压力，可以获得较大的推力或转矩；（2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；（3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；（4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。缺点是：（1）油液的黏度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；（2）液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；（3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。液压驱动方式的输出力和功率大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。2、气压驱动与液压驱动相比，气压驱动的特点是：（1）压缩空气黏度小，容易达到高速；（2）利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；（3）空气介质对环境无污染，使用安全，可应用于高温作业；（4）气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低。缺点是：（1）压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；（2）空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；（3）压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。气动式驱动多用于开头控制和顺序控制的机器人。3、电动机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。但上面3种驱动都存在共同的不足，1.反应速度慢，2.耗电大或耗油多，3.体积大，4.重量太重，5灵活性差，6.结构复杂，7.精度一般，8.控制难度大，并且现在的机器人的关节比较单一，有的只能转动，有的只能推动，有的只能摆动，不像人的关节那样灵活。根本无法满足高端技术的要求，更不要说满足智能机器人的设计要求，所以我们必须发明新的技术来满足高端智能机器人的关节要求。

发明内容

由于现在的机械关节存在很多的弊端，还没有制造出像人手一样的机器手，其中一个重要原因是关节问题，我们发明的磁保持并行步进旋转摆动关节，在这个关节上它不但会旋转，并且可以任何角度的摆动，也就是说这个关节可以转动到某个角度，同时可以任何角度的摆动，并且这个关节的驱动是通过磁保持技术驱动，它是并行驱动的，它的驱动是离散的，也就是说由一步一步组成的驱动系统，所以只有花费一个电脉冲的时间，就把转动的角度和摆动的角度和方向同时完成，世界上现在还没有发明出比这样更快的机械速度，并且它耗电小，因为只要给它一个脉冲电流，不要持续供电，所以大大的增加了机器人的电池的使用时间，并且它体积小，重量轻，灵活性好，结构比较简单，精度高，控制简单灵活。其特征是，磁保持并行步进旋转摆动关节的推动单元是单元磁保持驱动器，单元磁保持驱动器具有给它一个正向脉冲电流，它就会向外推进，给它一个反向脉冲电流，它就会缩进，把它们按需求的个数首尾连接起来，排成直线，装上外壳和其他的构件就构成磁保持并行步进驱动器，这样就可以按照需求的长度，推进或收缩多少个单元磁保持驱动器，就能达到所需长度，磁保持并行步进摆动面的固定面分成3份，也就是每隔120度安装一个磁保持并行步进驱动器，当然也可以分成4份或更多份，把磁保持并行步进驱动器固定在磁保持并行步进摆动面的固定面的平分角上，安装在固定面的下面，在平分角距离圆心一定距离上面，都有一个圆孔，磁保持并行步进驱动器的驱动轴穿过固定面上的圆孔和摆动面连接，各个驱动轴和摆动面之间的连接是活动的，这样根据摆动面要倾侧的方向和角度，只要调节各个磁保持并行步进驱动器的长度，也就是调节每一个磁保持并行步进驱动器里面的单元磁保持驱动器推出状态多少个或收缩状态多少个，就可以把摆动面调到要求的方向和角度，旋转盘的设计方法是第一条的横杆和中心轴是固定死的，其他的横杆都是和中心轴是活动的，最后的横杆和转盘是固定死的，单元磁保持驱动器是安装在两根横杆中间，每两根相隔的横杆中间都安上一个单元磁保持驱动器，根据设备的需求安多少个，这样给其中任何一个单元磁保持驱动器一个正向脉冲电流，单元磁保持驱动器的驱动轴就会向前推进，驱动轴就会推动前面的横杆，横杆就会旋转一个角度，如果同时给每一个单元铁芯磁保持驱动器正向脉冲电流，那么磁保持并行步进旋转盘就给出最大的旋转角，如果同时给每一个单元磁保持驱动器一个反向脉冲电流，那么磁保持并行步进旋转盘给出最小的角度，当你需要多大的旋转角，就启动多少个单元磁保持驱动器，每一个单元磁保持驱动器的行程定义为一步，也就是旋转的最小单元角，把上面的磁保持并行步进摆动面固定在磁保持并行步进旋转盘的旋转盘上，并且是固定死的，这样就可以构成一个磁保持并行步进旋转摆动关节，它可以在旋转的同时，可以在一定的角度上摆动，完成这样复杂的任务，总共只需一个脉冲的时间。

附图说明

图1是磁保持并行步进旋转摆动关节的组合结构图，图1是代表磁保持并行步进旋转盘和磁保持并行步进摆动面的结合结构，a代表磁保持并行步进摆动面，b代表磁保持并行步进旋转盘，a是固定在b的旋盘上的，是固定死的。图2是磁保持并行步进旋转盘的结构图，1.代表旋转盘，2.代表第1条横杆它是和中心轴连接死的，也可以当做外部连接的固定杆，3和4代表活动的横杆，它们可以绕中心轴旋动，5是代表最后一条横着，它也可以绕中心轴旋动，并且它是和旋转盘固定在一起的，6是代表活动杆上面的轴承，他是套在中心轴上，一天横杆连接一个轴承，如果有n条横杆，就有n-1个轴承，7是代表中心轴，8.9.10.代表单元铁芯磁保持驱动器，11代表最后的横杆和旋转盘的固定点。图3是磁保持并行步进摆动面的结构图，1代表摆动面，2代表固定面，3.4.5代表磁保持并行步进驱动器，但不一定就是3个，可以更多个，6.7.8代表驱动轴，9.10.11.12.13.14代表固定点，把磁保持并行步进驱动器固定在固定面上，15.16.17代表固定面上的圆孔，是让驱动轴通过的，18.19.20代表驱动轴和摆动面连接是活动的，比如通过机械关节连接。图4是磁保持并行步进驱动器，1代表外壳，2代表后一个单元磁保持驱动器的驱动轴连接到前一个单元磁保持驱动器的后面，并且是连接死的，3代表最前面的单元磁保持驱动器的驱动轴，是穿过外壳对外做功的，4代表线圈，是绕在单元磁保持驱动器的里面的壳和单元磁保持驱动器的外壳之间，5代表最后一个单元磁保持驱动器和外壳是连接的，并且是连死的，6.7.8.9.10是代表单元磁保持驱动器，这里是按设计需求安多少个单元磁保持驱动器，不一定是五个，11.12.13.14.15.16.17.18.19.20是代表线圈的引线。图5是代表单元磁芯磁保持驱动器的结构图，1是代表单元磁芯磁保持驱动器的外壳，2是代表单元磁芯磁保持驱动器的内壳，3.4代表铁片，5是代表磁芯，6是代表线圈，7是代表驱动轴，8.9是线圈的引线，S.N代表磁铁的极性。图6是单元铁芯磁保持驱动器的结构图，1是代表单元铁芯磁保持驱动器的外壳，2是代表单元铁芯磁保持驱动器的内壳，3.4代表磁铁，5是代表铁芯，6是代表线圈，7是代表驱动轴，8.9是线圈的引线，S.N代表磁铁的极性。图5和图6是2种单元驱动器的不同设计方法，都可以作为单元驱动器使用。

具体实施方式

磁保持并行步进旋转摆动关节是要在处理器和编码器的作用下工作的，当处理器给磁保持并行步进驱动器里面的某一个单元磁保持驱动器一个正向脉冲电压，或给磁保持并行步进旋转盘上的单元磁保持驱动器一个正向脉冲电压，通过外围的电路，就会给这个单元磁保持驱动器一个正向脉冲电流，这个单元磁保持驱动器就会向前推进，编码器就会记录这个单元磁保持驱动器的状态，当处理器给磁保持并行步进驱动器里面的某一个单元磁保持驱动器一个反向脉冲电压，或磁保持并行步进旋转盘上的单元磁保持驱动器一个反向脉冲电压，通过外围的电路，就会给这个单元磁保持驱动器一个反向脉冲电流，这个单元磁保持驱动器就会向后缩进，编码器就会记录这个单元磁保持驱动器的状态，，并且每个单元磁保持驱动器的前端或后端安上传感器，传感器的作用是感知到单元磁保持驱动器的状态是推进状态还是收缩状态，这样处理器读取编码器的数据或根据传感器的信息都可以知道当前磁保持并行步进驱动器里面的每一个单元磁保持驱动器的状态和磁保持并行步进旋转盘上每个单元磁保持驱动器的驱动器状态，当按照运动需要旋转的角度和摆动的方向和角度时，处理器就会根据目前编码器或传感器的状态，就会马上作出决定，推进或收缩每一个磁保持并行步进驱动器里面的单元磁保持驱动器推出状态多少个或收缩状态多少个，同时推出或收缩磁保持并行步进旋转盘上的单元磁保持驱动器推出状态多少个或收缩状态多少个，这样安装在磁保持并行步进摆动面上的每一个磁保持并行步进驱动器就会达到需要的长度，这样就可以使磁保持并行步进摆动面处于需要的方向和角度，同时使磁保持并行步进旋转盘旋转到特定的角度，把上面的磁保持并行步进摆动面固定在磁保持并行步进旋转盘的旋转盘上，并且是固定死的，这样就可以构成一个磁保持并行步进旋转摆动关节，它可以在旋转的同时，可以任何角度上摆动，完成这样复杂的任务，总共只需一个脉冲的时间。

Claims (1)

1.一种磁保持并行步进旋转摆动关节的设计方法，其特征是，磁保持并行步进旋转摆动关节的推动单元是单元磁保持驱动器，单元磁保持驱动器有2种结构，一种是单元磁芯磁保持驱动器，其结构如下，外面是一个外壳，在外壳的里面有一个内壳，内壳的两头各放上一个铁片，在前面的铁片上有一个孔，在内壳中放上磁芯，磁芯的前面固定驱动轴，驱动轴穿过前面铁片上的孔，在外壳和内壳之间缠上线圈，另一种是单元铁芯磁保持驱动器，其结构如下，外面是一个外壳，在外壳的里面有一个内壳，内壳的两头各放上一个磁铁，磁铁要同性相对，S极对着S极，在前面的磁铁上有一个孔，在内壳中放上铁芯，铁芯的前面固定驱动轴，驱动轴穿过前面磁铁上的孔，在外壳和内壳之间缠上线圈，根据这2种结构，单元磁保持驱动器具有给它一个正向脉冲电流，它就会向外推进，给它一个反向脉冲电流，它就会缩进的功能，把它们按需求的个数首尾连接起来，排成直线，装上外壳和其他的构件就构成磁保持并行步进驱动器，这样就可以按照需求的长度，推进或收缩多少个单元磁保持驱动器，就能达到所需长度，磁保持并行步进摆动面的固定面分成3份，也就是每隔120度安装一个磁保持并行步进驱动器，当然也可以分成4份或更多份，把磁保持并行步进驱动器固定在磁保持并行步进摆动面的固定面的平分角上，安装在固定面的下面，在平分角距离圆心一定距离上面，都有一个圆孔，磁保持并行步进驱动器的驱动轴穿过固定面上的圆孔和摆动面连接，各个驱动轴和摆动面之间的连接是活动的，这样根据摆动面要倾侧的方向和角度，只要调节各个磁保持并行步进驱动器的长度，也就是调节每一个磁保持并行步进驱动器里面的单元磁保持驱动器推出状态多少个或收缩状态多少个，就把摆动面调到要求的方向和角度，旋转盘的设计方法是第一条的横杆和中心轴是固定死的，其他的横杆都是和中心轴是活动的，最后的横杆和转盘是固定死的，单元磁保持驱动器是安装在两根横杆中间，每两根相隔的横杆中间都安上一个单元磁保持驱动器，根据设备的需求安多少个，这样给其中任何一个单元磁保持驱动器一个正向脉冲电流，单元磁保持驱动器的驱动轴就会向前推进，驱动轴就会推动前面的横杆，横杆就会旋转一个角度，如果同时给每一个单元磁保持驱动器正向脉冲电流，那么磁保持并行步进旋转盘就给出最大的旋转角，如果同时给每一个单元磁保持驱动器一个反向脉冲电流，那么磁保持并行步进旋转盘给出最小的角度，当你需要多大的旋转角，就启动多少个单元磁保持驱动器，每一个单元磁保持驱动器的行程定义为一步，也就是旋转的最小单元角，把上面的磁保持并行步进摆动面固定在磁保持并行步进旋转盘的旋转盘上，并且是固定死的，这样就可以构成一个磁保持并行步进旋转摆动关节，它可以在旋转的同时，可以在一定角度上摆动，完成这样复杂的任务，总共只需一个脉冲的时间。