CN105522588A

CN105522588A - 一种磁性球铰机器人

Info

Publication number: CN105522588A
Application number: CN201610119639.0A
Authority: CN
Inventors: 郭嘉辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2016-04-27

Abstract

本发明提供了一种磁性球铰机器人，固定关节和活动关节；固定关节包括固定壳体、中央控制器、磁性绕组、以及用于球铰连接的球碗；固定壳体的底部设有安装法兰，球碗固定设于固定壳体的顶部；中央控制器设于固定壳体的内部；球碗的外表面排列设有磁性绕组，且磁性绕组与中央控制器连接；活动关节包括活动壳体、永磁体、以及用于球铰连接的球销；球销固定设于活动壳体的底部，活动壳体通过球销及球碗与固定壳体球铰连接；球销的表面设有磁体安装孔，永磁体嵌设于磁体安装孔之内。本发明采用特殊的磁性球铰结构，通过单关节实现三轴自由度运动。

Description

一种磁性球铰机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种磁性球铰机器人。

背景技术

机器人的活动自由度是衡量机器人性能的一个重要指标，自由度代表的是机器人的活动灵活性，自由度越高活动性能就越高。工业机器人能够运用在多个领域，例如生产、运输、甚至抢险救灾等。

现有技术中的机器人，具有多个活动关节，每个关节所具有的是单个自由度，只能进行独立的旋转或伸缩动作，这种机器人的自由度一般是较低的。如果需要实现高自由度动作，则需要多个关节相互配合动作，显然大大增加了构造的复杂程度，不仅提高了成本，而且提高了占用的体积。

不难看出，现有技术还存在一定的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磁性球铰机器人，采用特殊的磁性球铰结构，通过单关节实现三轴自由度运动。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁性球铰机器人，固定关节和活动关节；

固定关节包括固定壳体、中央控制器、磁性绕组、以及用于球铰连接的球碗；固定壳体的底部设有安装法兰，球碗固定设于固定壳体的顶部；中央控制器设于固定壳体的内部；球碗的外表面排列设有磁性绕组，且磁性绕组与中央控制器连接；

活动关节包括活动壳体、永磁体、以及用于球铰连接的球销；球销固定设于活动壳体的底部，活动壳体通过球销及球碗与固定壳体球铰连接；球销的表面设有磁体安装孔，永磁体嵌设于磁体安装孔之内。

进一步的，所述磁性绕组均布排列于球碗的外表面，且任意相互相邻的三个磁性绕组均能组成一组等边三角形。

进一步的，所述磁性绕组之外盖设有防护罩。

进一步的，所述永磁体设有一个，位于球销的轴心顶点上。

进一步的，所述永磁体设有至少三个，围绕球销的轴心均布设置。

进一步的，上述磁性球铰机器人还包括电容检测装置；电容检测装置包括导体环和点导体；点导体至少设有三个，在球碗的边缘均布设置；导体环固定设于球销的根部；导体环与点导体分别与中央控制器连接。

进一步的，上述磁性球铰机器人还包括功能模组；功能模组安装于活动关节上，且与中央控制器连接。

本发明所提供的一种磁性球铰机器人，具有以下优点：

单关节高自由度活动，能够实现万向球铰的旋转驱动；

最高能实现三轴自由度驱动，自由度高，灵活性强；

结构简单，体积较小，易于控制，可搭载功能模组，扩展性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明磁性球铰机器人的整体结构示意图。

图2为固定关节的结构示意图。

图3为单永磁体的活动关节的结构示意图。

图4为多永磁体的活动关节的结构示意图。

图5为球销的局部结构示意图。

附图标记说明：

1、固定关节2、活动关节

3、球碗4、球销

5、固定壳体6、磁性绕组

7、点导体8、活动壳体

9、永磁体10、导体环

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1至图4，本发明公开了一种磁性球铰机器人，固定关节1和活动关节2；

固定关节1包括固定壳体5、中央控制器、磁性绕组6、以及用于球铰连接的球碗3；固定壳体5的底部设有安装法兰，球碗3固定设于固定壳体5的顶部；中央控制器设于固定壳体5的内部；球碗3的外表面排列设有磁性绕组6，且磁性绕组6与中央控制器连接；

活动关节2包括活动壳体8、永磁体9、以及用于球铰连接的球销4；球销4固定设于活动壳体8的底部，活动壳体8通过球销4及球碗3与固定壳体5球铰连接；球销4的表面设有磁体安装孔，永磁体9嵌设于磁体安装孔之内。

一般的工业机器人大量采用了诸如电机、气缸、丝杆等部件实现多关节多个自由度的活动。但每个关节只能够实现一个自由度的活动，为了满足多自由度的活动则需要多个关节的配合联动，这显然导致了设备的整体结构变得非常繁琐。而万向球铰结构能够实现单关节的多自由度活动，然而目前缺乏万向球铰结构的多轴驱动技术。

本发明则利用了磁力来实现了万向球铰的多轴驱动。其原理类似于电机的电枢绕组与永磁体9之间的相互作用，而且更进一步将电枢绕组二维的结构改变为本发明磁性绕组6的三维结构，相当于一个三维的电机。通过中央控制器规律性地控制各个磁性绕组6的通断，即可产生交变的磁场，在与永磁体9的作用下驱动活动关节2运动。

请参阅图2，作为优选，所述磁性绕组6均布排列于球碗3的外表面，且任意相互相邻的三个磁性绕组6均能组成一组等边三角形。

由于本发明是通过磁性绕组6产生规律性变化的磁场来进行驱动的，磁性绕组6的排列对驱动控制的可行性和精度有着重要影响。如果只是杂乱无章地进行排列是没有实际意义的。根据几何学三个点确定一平面的原理，上述磁性绕组6的排列方式能够准确控制永磁体9的运动轨迹和悬停点，从而控制活动关节2的运动。三个相互相邻的磁性绕组6位于一个等边三角形的三个顶点上，相互产生的磁场能够相互平衡。而为了保护各个磁性绕组6，作为进一步的优选，所述磁性绕组6之外盖设有防护罩。

请参阅图3，作为优选，所述永磁体9设有一个，位于球销4的轴心顶点上。单个永磁体9是最简单的方案，而且占用空间小，能够应用在小型的磁性球铰机器人上。但仅具有一个永磁体9的活动关节2是无法进行绕轴线旋转的驱动动作的，因而这种磁性球铰机器人缺少一个自由度。

请参阅图4，作为另一种优选方案，所述永磁体9设有至少三个，围绕球销4的轴心均布设置。根据几何三点确定一平面的特性，三个永磁体9即可在某个点进行悬停动作，具有一定的稳定性。同时，三个永磁体9的相互作用足以产生绕活动关节2轴线的旋转动作，相对于单一永磁体9的技术方案多出一个驱动自由度，具有三轴自由度。

请参阅图2和图5，作为优选，上述磁性球铰机器人还包括电容检测装置；电容检测装置包括导体环10和点导体7；点导体7至少设有三个，在球碗3的边缘均布设置；导体环10固定设于球销4的根部；导体环10与点导体7分别与中央控制器连接。

如果单纯地通过磁性绕组6对活动关节2进行驱动，显然缺乏良好的定位精度，是典型的不具备反馈检测的开环系统。电容检测装置则很好地解决了这一问题，对活动关节2的活动状况进行实时的定位检测。其工作原理是：导体环10与点导体7之间实际构成了电容，三个均布设置的点导体7则代表三个均布设置的电容，每个电容均与中央控制器连接进行实时测定。当活动关节2活动时，各个电容的极板间距是会实时不断变化的，从而影响实际的电容值，只要检测计算各个电容值的变化，即可计算出活动关节2的运动情况。具体的计算符合数学关系：

C = \frac{Q}{U}

C = \frac{ϵ S}{4 π k d}

式中，C为电容的数值，Q为电荷量，U为电容两端的电压，ε为电容中介质的介电常数，S为极板的正对面积，k为静电力常量，d为电容极板的间距。

电压U、介电常数ε、正对面积S、静电力常量k均为确定的值，中央控制器只要测定放电量Q，即可测定电容C的实际数值，然后就可以计算出极板间距d。

作为优选，上述磁性球铰机器人还包括功能模组；功能模组安装于活动关节2上，且与中央控制器连接。功能模组可以是工业上使用的一些机械爪、加工刀具、焊接头等等，配备不同的功能模组就能使触手机器人具备不同的能力，在不同的领域上应用。

本发明所提供的一种磁性球铰机器人，以单关节实现高自由度活动，能够通过磁力实现万向球铰的旋转驱动，具有最高三轴自由度。自由度高，灵活性强，有效应用于工业机器人领域。而且结构简单，体积较小，易于控制，可搭载功能模组，扩展性强。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种磁性球铰机器人，其特征在于：固定关节和活动关节；

2.根据权利要求1所述的磁性球铰机器人，其特征在于：所述磁性绕组均布排列于球碗的外表面，且任意相互相邻的三个磁性绕组均能组成一组等边三角形。

3.根据权利要求2所述的磁性球铰机器人，其特征在于：所述磁性绕组之外盖设有防护罩。

4.根据权利要求1所述的磁性球铰机器人，其特征在于：所述永磁体设有一个，位于球销的轴心顶点上。

5.根据权利要求1所述的磁性球铰机器人，其特征在于：所述永磁体设有至少三个，围绕球销的轴心均布设置。

6.根据权利要求1所述的磁性球铰机器人，其特征在于：还包括电容检测装置；电容检测装置包括导体环和点导体；点导体至少设有三个，在球碗的边缘均布设置；导体环固定设于球销的根部；导体环与点导体分别与中央控制器连接。

7.根据权利要求1所述的磁性球铰机器人，其特征在于：还包括功能模组；功能模组安装于活动关节上，且与中央控制器连接。