CN107379001A - 一种智能机械臂的关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能机械臂的关节，上驱动盘、下驱动盘分别通过花键安装于关节轴承的上下两端，上驱动盘和下驱动盘之间设有两组驱动单元，两组驱动单元分别设置在定子上端，且关于关节轴承呈反对称分布，驱动单元的输出力矩通过驱动盘传递到关节轴承上，每两个锁紧单元构成一组，两组分别位于驱动单元的外环，并与驱动单元相连，每个锁紧单元包含上下两个阀门，上下两个阀门在关闭时分别与上驱动盘、下驱动盘锁紧，驱动单元包括若干超磁致伸缩驱动器。本发明利用超磁致伸缩驱动单元进行驱动可以产生大扭矩，基于尺蠖效应设计的步进式驱动方案可以产生持续的微小角度转动以达到良好转动效果。

Description

一种智能机械臂的关节
技术领域
本发明涉及机械结构领域，具体涉及一种智能机械臂的关节。
背景技术
机械臂的性能受到关节驱动电机的限制，现有机械臂关节大多采用电动机制动，由于电机仅有有限的转矩密度，必须通过高速产生能量，这就意味着必须通过齿轮减速系统获得大扭矩和力，但是通过使用大量齿轮传送装置其转矩补偿很差。因此电机驱动系统只能增大，而系统的效率和可靠性降低。同时，由于大多数高性能的电磁驱动电机是伺服式而非步进式电机，连接处需要安全阀门，这些阀门必须位于电机上或在紧挨传送装置的驱动轴上以提供足够的杠杆力，增加阀门会增大尺寸、导致系统的复杂性、低可靠性和控制问题，减小占空度，降低系统效率并增加热。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了种智能机械臂的关节，利用超磁致伸缩驱动单元进行驱动可以产生大扭矩，基于尺蠖效应设计的步进式驱动方案可以产生持续的微小角度转动以达到良好转动效果。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种智能机械臂的关节包括上驱动盘、下驱动盘、关节轴承、四个锁紧单元和定子，所述上驱动盘、下驱动盘分别通过花键安装于关节轴承的上下两端，所述上驱动盘和下驱动盘之间设有两组驱动单元，两组驱动单元分别设置在定子上端，且关于关节轴承呈反对称分布，驱动单元的输出力矩通过驱动盘传递到关节轴承上，每两个锁紧单元构成一组，两组分别位于驱动单元的外环，并与驱动单元相连，每个锁紧单元包含上下两个阀门，上下两个阀门在关闭时分别与上驱动盘、下驱动盘锁紧，所述驱动单元包括若干超磁致伸缩驱动器。
优选地，所述阀门包括两个超磁致伸缩驱动器6、C型的悬臂梁和锁扣，C型的悬臂梁与阀门底座相连构成一空腔，两个超磁致伸缩驱动器安装在空腔内。
优选地，所述阀门使用的超磁致伸缩驱动器包括一磁致伸缩棒、线圈和若干永磁体，所述磁致伸缩棒外套接有一线圈筒对线圈通电提供交变磁场，且磁致伸缩棒位于若干永磁体构成的磁场中心处，若干永磁体在线圈筒外部呈方位角环置，通过永磁体提供偏磁场。
优选的，所述驱动单元使用的超磁致伸缩驱动器所需偏磁场和交变磁场均通过线圈的通电施加，偏磁场采用在激励电流上叠加直流分量的方法得到。
优选地，所述锁扣为凸齿状，且上驱动盘、下驱动盘上设有与锁扣相配合的凹齿状环形卡槽。
本发明具有以下有益效果：
1利用超磁致伸缩驱动单元进行驱动不需要齿轮传送系统即可产生大扭矩，且控制精度在微米量级，基于尺蠖效应设计的步进式驱动方案可以产生持续的微小角度转动以达到良好转动效果。
2利用超磁致伸缩驱动元的内禀自锁功能，可以在断电的情况下自动锁紧关节，使其不会反方向转动，这样就不需要再额外增加安全阀门，降低了系统的复杂性和质量。
附图说明
图1为本发明实施例一种智能机械臂的关节的剖面图。
图2为本发明实施例一种智能机械臂的关节中阀门的结构示意图。
图3为本发明实施例一种智能机械臂的关节中超磁致伸缩驱动器的结构示意图。
图4为本发明实施例一种智能机械臂的关节中锁扣和凹齿状环形卡槽的结构示意图。
图5为本发明实施例中关节微位移步进式电机的工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种智能机械臂的关节包括上驱动盘1、下驱动盘2、关节轴承4、四个锁紧单元和定子9，所述上驱动盘1、下驱动盘2分别通过花键安装于关节轴承4的上下两端，所述上驱动盘1和下驱动盘2之间设有两组驱动单元3，两组驱动单元3分别设置在定子9上端，且关于关节轴承4呈反对称分布，驱动单元的输出力矩通过驱动盘传递到关节轴承上，每两个锁紧单元构成一组，两组分别位于驱动单元3的外环，并与驱动单元3相连，每个锁紧单元包含上下两个阀门5，上下两个阀门5在关闭时分别与上驱动盘1、下驱动盘2锁紧，所述驱动单元3包括若干超磁致伸缩驱动器，所述驱动单元使用的超磁致伸缩驱动器所需偏磁场和交变磁场均通过线圈的通电施加，偏磁场采用在激励电流上叠加直流分量的方法得到。
如图2-3所示，所述阀门5包括超磁致伸缩驱动器6、C型的悬臂梁7和锁扣8，C型的悬臂梁7一端与阀门底座相连构成一空腔，所述超磁致伸缩驱动器6安装在空腔内。所述超磁致伸缩驱动器6包括一磁致伸缩棒61和若干永磁体62，所述磁致伸缩棒61外套接有一线圈筒63，且磁致伸缩棒61位于若干永磁体62构成的磁场中心处，若干永磁体62在线圈筒外部呈方位角环置；采用永磁体提供偏场有一个最大的优点，是利用超磁致伸缩驱动元的内禀自锁功能，即可以在断电的情况下自动锁紧关节，使其不会反方向转动，这样就不需要再额外增加安全阀门，降低了系统的复杂性和质量。其原理是，当超磁致伸缩驱动元在永磁铁提供的偏置磁场下长度伸长，使悬臂梁产生挠动，进而使锁扣嵌入驱动盘的凹槽中，即阀门关闭，当通以反方向的电流时，超磁致伸缩驱动元长度缩短，阀门打开。
此外在锁紧的锁扣处还有一个细节设计，见图4，为了使上下驱动盘能产生近似光滑的转动，所述锁扣8为凸齿状，且上驱动盘1、下驱动盘2上设有与锁扣8相配合的凹齿状环形卡槽10。
如图5所示，本具体实施采用仿生学中的尺蠖效应，设计原理见图3。在加载电流的一个周期中，整个转动过程分为以下五步。
a锁紧单元A上阀门开启(UPPER UNLOCKED)，下阀门关闭(LOWER LOCKED)，与下驱动盘锁紧；锁紧单元B上阀门关闭(UPPER LOCKED)，下阀门开启(LOWER UNLOCKED)，与上驱动盘锁紧；未通交流电，驱动单元(DRIVE RODS)未工作。
b通正向交流电，驱动单元伸长(DRIVE RODS EXPANDED)输出微位移和力，由于两组驱动单元关于关节轴承呈反对称分布，因此产生力偶，推动上驱动盘相对下驱动盘转动，图中以u代表相对转动弧度；
c交流电达到正向幅值时，将锁紧单元B下阀门关闭(LOWER LOCKED)，锁紧下驱动盘；锁紧单元A下阀门开启(LOWER UNLOCKED)，此时A处于可自由滑动状态；
d交流电减小至反向幅值，驱动单元缩短(DRIVE RODS SHRINKED)；
e锁紧单元A下阀门关闭(LOWER LOCKED)。
图e与a相比，阀门单元与驱动单元所处状态相同，但是上下驱动盘发生了相对转动。随着正弦交流电的施加，驱动单元的伸长和缩短交替发生，可推动上下驱动盘步进式转动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种智能机械臂的关节，其特征在于，包括上驱动盘(1)、下驱动盘(2)、关节轴承(4)、四个锁紧单元和定子(9)，所述上驱动盘(1)、下驱动盘(2)分别通过花键安装于关节轴承(4)的上下两端，所述上驱动盘(1)和下驱动盘(2)之间设有两组驱动单元(3)，两组驱动单元(3)分别设置在定子(9)上端，且关于关节轴承(4)呈反对称分布，驱动单元的输出力矩通过驱动盘传递到关节轴承上，每两个锁紧单元构成一组，两组分别位于驱动单元(3)的外环，并与驱动单元(3)相连，每个锁紧单元包含上下两个阀门(5)，上下两个阀门(5)在关闭时分别与上驱动盘(1)、下驱动盘(2)锁紧，所述驱动单元(3)包括若干超磁致伸缩驱动器。
2.如权利要求1所述的一种智能机械臂的关节，其特征在于，所述阀门(5)包括两个超磁致伸缩驱动器(6)、C型的悬臂梁(7)和锁扣(8)，C型的悬臂梁(7)与阀门底座相连构成一空腔，两个超磁致伸缩驱动器(6)安装在空腔内。
3.如权利要求2所述的一种智能机械臂的关节，其特征在于，所述超磁致伸缩驱动器(6)包括一磁致伸缩棒(61)和若干永磁体(62)，所述磁致伸缩棒(61)外套接有一线圈筒(63)，且磁致伸缩棒(61)位于若干永磁体(62)构成的磁场中心处，若干永磁体(62)在线圈筒外部呈方位角环置。
4.如权利要求1所述的一种智能机械臂的关节，其特征在于，所述锁扣(8)为凸齿状，且上驱动盘(1)、下驱动盘(2)上设有与锁扣(8)相配合的凹齿状环形卡槽(10)。
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