CN105108772A - 全角度转动机械关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全角度转动机械关节，它包括球体、半球形凹槽、电源以及能够调节多个支路电流方向的控制器，球体内部中空且外表面光滑，与半球形凹槽转动连接，球体内部安装有多个柱状永磁磁铁，相邻三个柱状永磁磁铁之间形成等边三角形，每四个相邻柱状永磁磁铁形成一个磁极方向相同的磁铁组，相邻磁铁组靠近球体内表面一端的磁极极性相反；半球形凹槽的内部设有分别与控制器电连接的多个柱状电磁铁，球体与半球形凹槽接触面两侧的柱状永磁磁铁与柱状电磁铁相互对应；与现有技术相比，本发明产品控制柱状电磁铁中的电流方向，改变其磁极方向，使产能品全角度转动和定位，提高控制精度，降低关节复杂性及生产成本，方便使用和维护。

Description

全角度转动机械关节

技术领域

本发明涉及机械关节领域，尤其涉及一种全角度转动机械关节。

背景技术

在现代机械结构中经常会遇到需要采用调节转动角度并且定位的部件，即机械关节，例如对定位要求不高的躺椅，对定位精度要求较高的活动监控摄像头，对定位精度要求非常高的机械臂；而传统的机械关节一般都是电动机或液压装置带动轴的转动，通过电路板控制角度和力量来达到工作的目的，虽然结构简单，成本低，维护方便，但是它一般只能在二维平面内的运动，不能全角度转动；虽然也有利用关节两侧面摩擦实现全角度转动的机械关节，例如万向节结构，但是这样的结构不仅比较复杂，必须安装两套电动机或液压装置来驱动才能使万向节能够分别在水平面和竖直面内运动，而且关节两侧能承受的扭矩小，当承受较大的扭矩时，还需要另外添加制动器对关节进行锁定，使结构更加复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、生产成本低、使用和维护方便、控制精度高的全角度转动机械关节。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种全角度转动机械关节，它包括球体、与所述球体相匹配的半球形凹槽、电源以及能够调节多个支路电流方向的控制器，所述球体内部中空且外表面光滑，所述半球形凹槽设有光滑的凹槽弧面，所述球体位于所述半球形凹槽内，且与所述半球形凹槽转动连接，所述球体与所述半球形凹槽的球心位置重合，所述球体的外表面上和所述半球形凹槽远离所述球体的一侧中部均径向设置有向外延伸的连接杆；

所述球体内部固定安装有多个柱状永磁磁铁，全部所述柱状永磁磁铁均匀布满所述球体的内表面，相邻三个所述柱状永磁磁铁之间形成的三角形均为等边三角形，每四个相邻所述柱状永磁磁铁形成一个磁铁组，每个所述磁铁组中的四个柱状永磁磁铁靠近所述球体内表面一端的磁极极性均相同，相邻所述磁铁组靠近所述球体内表面一端的磁极极性均相反；

所述半球形凹槽的内部还设有与所述凹槽弧面相匹配的半球形空腔，所述半球形空腔内设有多个柱状电磁铁，全部所述柱状电磁铁均匀布满所述半球形空腔靠近所述凹槽弧面的侧壁，相邻三个所述柱状电磁铁之间形成的三角形均为等边三角形，相邻所述柱状电磁铁的间距与相邻所述柱状永磁磁铁的间距相等，每个所述柱状电磁铁均包括导磁体和缠绕在所述导磁体外的通电线圈，每个所述通电线圈分别与所述控制器电连接，所述控制器与所述电源电连接，所述球体与所述半球形凹槽接触面两侧的所述柱状永磁磁铁与所述柱状电磁铁的位置相互对应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明产品利用磁铁同性相斥、异性相吸的原理，通过控制器分别控制各个通电线圈中的电流方向进而控制每个柱状电磁铁的磁极，使得半球形凹槽内的柱状电磁铁的磁极与球体内柱状永磁磁铁的磁极相互匹配，就能达到控制关节转动和定位的效果，就能够克服传统机械关节只能在二维平面(左右双通道)内运动的缺点，从而在三维空间(前后左右四通道)内全角度运动，这样不仅极大的降低了机械关节的复杂性，简化工艺水平，使得机械关节的结构更加简单，生产成本更低，使用和维护更加方便，而且大大提高了机械关节的控制精度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

作为本发明的一种优选实施方式，所述控制器为单片机或可编程逻辑控制器。

采用上述优选方案的有益效果是：单片机或可编程逻辑控制器均能很好的分别控制各个通电线圈中的电流方向，各有优缺点，使用者可以根据实际情况灵活选择。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述柱状永磁磁铁为钕铁硼磁铁。

采用上述优选方案的有益效果是：钕铁硼磁铁作为永磁磁铁不仅磁性好，而且成本低。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述导磁体由软铁或硅钢材料制成。

采用上述优选方案的有益效果是：电磁铁采用软铁或硅钢材料制成的导磁体，消磁较快，这样电磁铁在通电时有磁性，断电后磁性就随之消失，改变通电线圈中的电流方向以后，磁极方向能够迅速发生变化，能够更好的实现本申请中技术方案的效果。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述球体固定，所述半球形凹槽可转动。

采用上述优选方案的有益效果是：将球体通过连接杆固定，半球形凹槽就可以绕着球体转动，这样在半球形凹槽上的连接杆上固定需要转动的部件就能实现转动操作，使用安全方便。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述半球形凹槽固定，所述球体可转动。

采用上述优选方案的有益效果是：将半球形凹槽通过连接杆固定，球体就可以绕着半球形凹槽转动，这样在球体上的连接杆上固定需要转动的部件就能实现转动操作，使用安全方便。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述控制器设置在所述半球形空腔内。

采用上述优选方案的有益效果是：将控制器设置在半球形空腔内能够最大限度的节省空间，简化产品结构，使产品携带、使用更加方便。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述电源为蓄电池或者外接电源。

采用上述优选方案的有益效果是：可以根据实际情况灵活选择采用内置电源或者外接电源。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述蓄电池设置在所述半球形空腔内。

采用上述优选方案的有益效果是：将蓄电池设置在半球形空腔内能够最大限度的节省空间，简化产品结构，使产品携带、使用更加方便。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述凹槽弧面上涂有一层润滑油。

采用上述优选方案的有益效果是：能够最大限度的减小关节转动接触面的摩擦力，使关节转动操作的实现更加方便、快捷。

附图说明

图1为本发明产品的结构示意图；

图2为本发明产品中柱状电磁铁的分布结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、球体，2、半球形凹槽，3、凹槽弧面，4、连接杆，5、柱状永磁磁铁，6、半球形空腔，7、柱状电磁铁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1、图2所示，一种全角度转动机械关节，它包括球体1、与所述球体1相匹配的半球形凹槽2、电源以及能够调节多个支路电流方向的控制器，所述球体1内部中空且外表面光滑，所述半球形凹槽2设有光滑的凹槽弧面3，所述凹槽弧面3上涂有一层润滑油，所述球体1位于所述半球形凹槽2内，且与所述半球形凹槽2转动连接，所述球体1与所述半球形凹槽2的球心位置重合，所述球体1的外表面上和所述半球形凹槽2远离所述球体1的一侧中部均径向设置有向外延伸的连接杆4，既可以将所述球体1固定，使得所述半球形凹槽2绕着所述球体1转动，也可以将所述半球形凹槽2固定，使得所述球体1绕着所述半球形凹槽2转动；

所述球体1内部固定安装有多个柱状永磁磁铁5，所述柱状永磁磁铁5优选为钕铁硼磁铁，全部所述柱状永磁磁铁5均匀布满所述球体1的内表面，相邻三个所述柱状永磁磁铁5之间形成的三角形均为等边三角形，每四个相邻所述柱状永磁磁铁5形成一个磁铁组，每个所述磁铁组中的四个柱状永磁磁铁5靠近所述球体1内表面一端的磁极极性均相同，相邻所述磁铁组靠近所述球体1内表面一端的磁极极性均相反；

所述半球形凹槽2的内部还设有与所述凹槽弧面3相匹配的半球形空腔6，所述半球形空腔6内设有多个柱状电磁铁7，全部所述柱状电磁铁7均匀布满所述半球形空腔6靠近所述凹槽弧面3的侧壁，相邻三个所述柱状电磁铁7之间形成的三角形均为等边三角形，相邻所述柱状电磁铁7的间距与相邻所述柱状永磁磁铁5的间距相等，每个所述柱状电磁铁7均包括导磁体和缠绕在所述导磁体外的通电线圈，所述导磁体由软铁或硅钢材料制成，每个所述通电线圈分别与所述控制器电连接，所述控制器与所述电源电连接，所述控制器可以为单片机或可编程逻辑控制器，控制器最好设置在所述半球形空腔6内，所述电源可以为蓄电池或者外接电源，若为蓄电池，最好设置在在所述半球形空腔6内，所述球体1与所述半球形凹槽2接触面两侧的所述柱状永磁磁铁5与所述柱状电磁铁7的位置相互对应。

本发明产品利用磁铁同性相斥、异性相吸的原理，通过控制器分别控制各个通电线圈中的电流方向进而控制每个柱状电磁铁7的磁极方向，使球体1与半球形凹槽2接触面两侧相互对应的柱状永磁磁铁5与柱状电磁铁7的磁极相互匹配，达到控制关节转动和定位的效果。

为说明本发明产品的工作原理，下面以简化的4*4磁极阵列模拟弧面磁场的走动：

球体1与半球形凹槽2接触面内侧的柱状永磁磁铁5的磁极分布排列方式如下，

SSNN

SSNN

NNSS

NNSS

且球体1内部其他柱状永磁磁铁5的磁极分布规律与上述排列方式相同，

若半球形凹槽2内柱状电磁铁7的磁极分布排列方式如下，

NNSS

NNSS

SSNN

SSNN

则球体1与半球形凹槽2接触面两侧的相互对应的每对柱状永磁磁铁5与柱状电磁铁7的磁极极性刚好一一相反，异性相吸，球体1与半球形凹槽2通过相吸磁力固定连接在一起，机械关节处于锁定状态；

若通过控制器分别改变每个通电线圈内的电流方向，使半球形凹槽2内柱状电磁铁7的磁极分布排列方式如下，

NSSN

NSSN

SNNS

SNNS

则球体1与半球形凹槽2接触面两侧的相互对应的每对柱状永磁磁铁5与柱状电磁铁7的磁极极性部分相同、部分相反，同性相斥、异性相吸，这样球体1与半球形凹槽2在相斥磁力和相吸磁力的双重作用下就会产生错位移动，从而使移动后球体1与半球形凹槽2接触面两侧新的相互对应的每对柱状永磁磁铁5与柱状电磁铁7的磁极极性重新恢复至刚好一一相反的状态，使机械关节继续处于锁定状态，而按照上述磁极分布排列方式进行错位移动，球体1就相对于半球形凹槽2往左移动一个单位，若再次按照上述磁极分布排列方式改变半球形凹槽2内柱状电磁铁7的磁极分布，则球体1就相对于半球形凹槽2继续往左移动一个单位，从而实现球体1相对于半球形凹槽2往左转动的操作；

同理，通过改变通过控制器分别改变每个通电线圈内的电流方向，使半球形凹槽2内柱状电磁铁7的磁极分布排列方式发生改变，可以使得球体1相对于半球形凹槽2往右转动、往前转动或者往后转动，从而实现机械关节在三维空间(前后左右四通道)内全角度运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全角度转动机械关节，其特征在于，它包括球体(1)、与所述球体(1)相匹配的半球形凹槽(2)、电源以及能够调节多个支路电流方向的控制器，所述球体(1)内部中空且外表面光滑，所述半球形凹槽(2)设有光滑的凹槽弧面(3)，所述球体(1)位于所述半球形凹槽(2)内，且与所述半球形凹槽(2)转动连接，所述球体(1)与所述半球形凹槽(2)的球心位置重合，所述球体(1)的外表面上和所述半球形凹槽(2)远离所述球体(1)的一侧中部均径向设置有向外延伸的连接杆(4)；

所述球体(1)内部固定安装有多个柱状永磁磁铁(5)，全部所述柱状永磁磁铁(5)均匀布满所述球体(1)的内表面，相邻三个所述柱状永磁磁铁(5)之间形成的三角形均为等边三角形，每四个相邻所述柱状永磁磁铁(5)形成一个磁铁组，每个所述磁铁组中的四个柱状永磁磁铁(5)靠近所述球体(1)内表面一端的磁极极性均相同，相邻所述磁铁组靠近所述球体(1)内表面一端的磁极极性均相反；

所述半球形凹槽(2)的内部还设有与所述凹槽弧面(3)相匹配的半球形空腔(6)，所述半球形空腔(6)内设有多个柱状电磁铁(7)，全部所述柱状电磁铁(7)均匀布满所述半球形空腔(6)靠近所述凹槽弧面(3)的侧壁，相邻三个所述柱状电磁铁(7)之间形成的三角形均为等边三角形，相邻所述柱状电磁铁(7)的间距与相邻所述柱状永磁磁铁(5)的间距相等，每个所述柱状电磁铁(7)均包括导磁体和缠绕在所述导磁体外的通电线圈，每个所述通电线圈分别与所述控制器电连接，所述控制器与所述电源电连接，所述球体(1)与所述半球形凹槽(2)接触面两侧的所述柱状永磁磁铁(5)与所述柱状电磁铁(7)的位置相互对应。

2.根据权利要求1所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述控制器为单片机或可编程逻辑控制器。

3.根据权利要求1所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述柱状永磁磁铁(5)为钕铁硼磁铁。

4.根据权利要求1所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述导磁体由软铁或硅钢材料制成。

5.根据权利要求1所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述球体(1)固定，所述半球形凹槽(2)可转动。

6.根据权利要求1所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述半球形凹槽(2)固定，所述球体(1)可转动。

7.根据权利要求1所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述控制器设置在所述半球形空腔(6)内。

8.根据权利要求1所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述电源为蓄电池或者外接电源。

9.根据权利要求8所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述蓄电池设置在所述半球形空腔(6)内。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的全角度转动机械关节，其特征在于，所述凹槽弧面(3)上涂有一层润滑油。