CN107733204A - 一种用于机器人拼接的直线电机模块 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于机器人拼接的直线电机模块，包括动子组件、定子组件、连接在动子组件上的制动器以及控制器，所述动子组件套接在所述定子组件上；在所述动子组件和所述定子组件上均开设有连接孔；所述动子组件包括外壳、线圈、接头、光栅读数头、第一极限开关和第二极限开关；所述定子组件包括定子本体、永磁体以及光栅；所述制动器包括楔形块、制动弹簧、活塞、制动块以及挤压弹簧；所述光栅读数头、第一极限开关、第二极限开关、活塞均电连接所述控制器。

Description

一种用于机器人拼接的直线电机模块

技术领域

本发明涉及自动控制机器人，具体涉及机器人组合拼接模块。

背景技术

现有的机器人按照连接方式分类包括并联机器人、串联机器人以及混联机器人，串联机器人也叫多关节机器人，通过多个关节和多个驱动轴逐一串联而成；而并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构；混联机器人兼具串联和并联两种方式，其自由度多，兼具串联和并联的特点。目前的机器人多采用杆或板作为机器人的连接件，并搭配驱动轴或驱动电机使用，这样的组合方式使得每种机器人的设计和连接相对确定，没有实现机器人的连接件的模块化设计，因此，其布线和连接方式确定。而直线电机具有结构紧凑、功率损耗小、快移速度高、加速度高、运动噪声低等优点，作为机器人的驱动或传动结构对机器人的设计有较大的提升，机动更灵活，也更精确，更快速。但是，直线电机的设计制造难度高，其本身制造工艺复杂，不容易掌控，因而，将直线电机作为机器人的零部件就不容易实现，因而需要一种易于实现机器人拼接的直线电机，这个直线电机作为机器人的部件的同时，兼具模块的属性。另外，现有的机器人普遍采用伺服电机、减速器、丝杆等传动结构，结构传动件多，此方式存在装配繁琐，精密装配难度大，反向间隙、惯性、摩擦力大和刚性不足等缺点。且关键部件高精度减速器、丝杆依赖于进口；机器人运动速度由于结构的限制，运动速度和荷载强度受限，机器人运转过程中噪音大，能耗高等问题也困扰着机器人的发展。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种用于机器人拼接的直线电机模块，该用于机器人拼接的直线电机模块能够简化机器人结构，提高机器人性能，降低机器人成本，减少机器人能耗。拼接机器人方便快捷，实现了机器人的模块化组合。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种用于机器人拼接的直线电机模块，包括动子组件、定子组件、连接在动子组件上的制动器以及控制器，所述动子组件套接在所述定子组件上；在所述动子组件和所述定子组件上均开设有连接孔；

所述动子组件包括外壳、线圈、接头、光栅读数头、第一极限开关和第二极限开关，所述外壳套接在所述定子组件上，所述线圈套接在所述定子组件内，所述外壳和所述线圈固定连接，所述光栅读数头设置在所述外壳的内壁的中部，所述第一极限开关和所述第二极限开关分别设置在所述外壳的两端，所述接头固定在所述外壳上，所述接头电连接所述线圈或所述光栅读数头；

所述定子组件包括定子本体、永磁体以及光栅，所述定子组件为U型定子，所述永磁体固定在所述定子本体上，所述光栅固定在所述定子本体的侧面；

所述制动器包括楔形块、制动弹簧、活塞、制动块以及挤压弹簧，所述制动弹簧套接在所述楔形块的横向延伸柱上并可相对所述楔形块移动，所述楔形块抵接在所述活塞上，所述制动块活动连接在所述楔形块的斜面上，所述挤压弹簧一端固定在所述动子组件上，另一端抵接在所述制动块上；

所述光栅读数头、第一极限开关、第二极限开关、活塞均电连接所述控制器。

所述定子组件还包括设置在定子本体上的护板。

在所述定子本体的端部设置有防撞器。

在所述定子本体的两端均设置有所述防撞器。

所述制动块为中部开设有锥形孔的圆柱体，该圆柱体为橡胶柱体。

所述制动块包括第一制动斜块和第二制动斜块，第一制动斜块和第二制动斜块分别布置在所述楔形块的两侧。

所述连接孔为销孔或螺孔，在所述定子组件的左端开设有多个销孔和多个螺孔，在所述定子组件的右端开设有多个销孔和多个螺孔。

所述连接孔为销孔或螺孔，在所述动子组件的外壳上开设有多个销孔和多个螺孔。

所述外壳与线圈通过树脂浇筑一体成型。

在所述外壳和所述制动块的连接处开设有上槽孔，该上槽孔内横向放置有上挤压弹簧，该上挤压弹簧的一端抵接在所述外壳上，另一端抵接在所述制动块上；

在所述制动块和所述线圈的连接处开设有下槽孔，该下槽孔内横向放置有下挤压弹簧，该下挤压弹簧的一端抵接在所述制动块上，另一端抵接在所述线圈上。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明将直线位移机构的传动元件和执行元件相结合。直线电机结构紧凑、功率损耗小、快移速度高、加速度高、运动噪声低等优点，直线电机驱动方式与旋转电机驱动方式的最大区别是，取消了从电动机到执行元件之间的一切机械中间传动环节，实现了“零传动”，避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点，由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷(高速响应)。利用直线电机的优势，特别是利用本发明的U型定子结构的直线电机，并结合模块化的设计，使得本发明能实现一种机器人拼接的模块化的效果，使得机器人的拼接更灵活，更方便，也更安全。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为图2的A-A面剖视图；

图4为本发明的左视图；

图5为图3的B-B面剖视图；

图6为本发明拼接成并联机器人的示意图；

图7为本发明拼接成直角坐标机器人的示意图；

图8为本发明拼接成混联机器人的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例：

如图1，一种用于机器人拼接的直线电机模块，包括动子组件1、定子组件2、连接在动子组件1上的制动器3以及控制器，所述动子组件1套接在所述定子组件2上；在所述动子组件1和所述定子组件2上均开设有连接孔4；

如图3，所述动子组件1包括外壳16、线圈11、接头12、光栅读数头15、第一极限开关13和第二极限开关14，所述外壳16套接在所述定子组件2上，所述线圈11套接在所述定子组件2内，所述外壳16和所述线圈11固定连接，所述光栅读数头15设置在所述外壳16的内壁的中部，所述第一极限开关13和所述第二极限开关14分别设置在所述外壳16的两端，所述接头12固定在所述外壳16上，所述接头12电连接所述线圈11或所述光栅读数头15；

如图3，所述定子组件2包括定子本体21、永磁体22以及光栅25，所述定子组件2为U型定子，所述永磁体22固定在所述定子本体21上，所述光栅25固定在所述定子本体21的侧面；

如图2，所述制动器3包括楔形块31、制动弹簧32、活塞33、制动块34以及挤压弹簧35，所述制动弹簧32套接在所述楔形块31的横向延伸柱上并可相对所述楔形块31移动，所述楔形块31抵接在所述活塞33上，所述制动块34活动连接在所述楔形块31的斜面上，所述挤压弹簧35一端固定在所述动子组件1上，另一端抵接在所述制动块34上；

所述光栅读数头15、第一极限开关13、第二极限开关14、活塞33均电连接所述控制器，控制器通过控制系统的程序自动控制各部件的动作。

所述定子组件2还包括设置在定子本体21上的护板23。

在所述定子本体21的端部设置有防撞器24。

优选地，在所述定子本体21的两端均设置有所述防撞器24。

其中一种方案，所述制动块34为中部开设有锥形孔的圆柱体，该圆柱体为橡胶柱体，这种圆柱形的结构需要易形变的软材料制成，这样，楔形块在移动的过程中，才能给制动块一个力，并且制动块在这个力的作用下发生形变，从而起到制动的作用。

另一方案，如图2，所述制动块34包括第一制动斜块和第二制动斜块，第一制动斜块和第二制动斜块分别布置在所述楔形块31的两侧。本方案的制动块为梯形体，该梯形体为复合耐磨材料，具有较大摩擦系数和良好的散热性。

如图1，所述连接孔4为销孔41或螺孔42，在所述定子组件2的左端开设有多个销孔41和多个螺孔42，在所述定子组件2的右端开设有多个销孔41和多个螺孔42。

如图1，所述连接孔4为销孔41或螺孔42，在所述动子组件1的外壳16上开设有多个销孔41和多个螺孔42。

线圈绕制成型后，再将外壳和线圈一体浇筑，所述外壳16与线圈11通过树脂浇筑一体成型，所述外壳为树脂铸造成型，参照图4或图5，外壳和线圈固定成一体，且能在U形的定子组件的U型槽内运动。

如图4和图5，在所述外壳16和所述制动块34的连接处开设有上槽孔，该上槽孔内横向放置有上挤压弹簧351，该上挤压弹簧351的一端抵接在所述外壳16上，另一端抵接在所述制动块34上；在所述制动块34和所述外壳16位于制动器安装处开设有下槽孔，该下槽孔内横向放置有下挤压弹簧352，该下挤压弹簧352的一端抵接在所述制动块34上，另一端抵接在所述外壳16上。挤压弹簧分为上挤压弹簧和下挤压弹簧，上挤压弹簧一端抵接在(位于U型槽上部上方的)外壳上，通过外壳提供给制动块一个横向的推力；下挤压弹簧一端抵接(位于U型槽上部下方的)外壳，通过外壳提供给制动块一个横向的推力。

所述接头12为复合接头，包括电源接头和位置回馈系统接头。

本发明的三个特有的技术特征：

1、制动器3。要实现机器人模块化必须带有这个装置，没有这个装置的话，异常情况突然断电，机械惯性冲击会造成人身伤亡事，在应用中是不允许的。

2、U型定子。本发明的U型槽式直线电机模块有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨，线圈由导轨系统支撑在两磁轨中间。无铁心的动子组件惯量小、加速度高。这种设计可以实现更安定的运动、精度更高、无齿槽效应，体积小重量轻，易实现高加速度运行。而现有技术中的常见形式，定子磁轨仅在动子的一侧安放，这种结构的特点是在定子与动子铁心之间存在着很大的法向吸力，大多数场合这种吸力是不希望存在的，这种结构外形大，不合适做成轻量化的机器人模块。

3、轻量化结构。简洁化安装，定子组件和动子组件均设有螺孔或销孔，无论固定“定子”安装，“动子”运动；还是固定“动子”安装，“定子”运动都可行；而现有技术如果固定“动子”安装，“定子”运动则不可行。

本发明动子线圈置于定子组件内，在动子组件的顶部安装接头，包括电源接头及位置回馈系统接头，第一极限开关和第二极限开关安装在动子组件的底部，光栅读数头也安装在动子组件的底部；永磁体嵌在U型的定子组件的U型槽内部，护板连接在定子本体和动子组件上，光栅25安装在定子本体底部。

工作原理：

在电机的线圈三相绕组中通入三相对称正弦电流后，在动子组件1和定子组件2间产生气隙磁场，当三相电流随时间变化时，使气隙磁场按定向相序沿直线移动，动子组件1的感应电流和气隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果定子组件2是固定不动的，动子组件就能沿着行波磁场运动的方向做直线运动。

动子组件外部四周设有方便与其它部件连接的螺孔，在其顶部安装有电源接头及位置回馈系统接头，这些接头用于与控制部分连接，光栅读数头安装在动子组件底部的中部，用于位置反馈的读取。动子组件的两内侧面安装有循环滚珠，与定子本体两侧的滑轨沟槽配合，以支撑动子组件与定子组件间保持适当的间隙。动子组件底部两侧安装的第一极限开关、第二极限开关，以防止动子组件1运行超程。

在定子本体两端面设有方便与其它部件连接的螺孔及用以定位的销孔，在定子组件的U型槽内部两侧嵌有永磁体，防撞器安装在U型槽的两端，以防止动子组件1超程冲击造成破坏。护板一端连接在定子本体，另一端连接动子组件1，护板可随动子组件1的运动伸缩。光栅安装在定子本体底部，用于位置反馈。

制动器3安装在动子组件1顶部的腔内，用于意外断电时制动作用，防止在意外断电时动子组件1或定子组件2失控造成事故。其动作原理是：如图2和图3，活塞为圆柱形，安装在动子组件1顶部的圆柱形腔内，圆柱形腔与外部气路相连，外部气路连接有常闭电磁阀(图中未画出)，当本发明通电运行时，常闭电磁阀打开，圆柱形腔与外部气路压缩空气连通，压缩空气推动活塞连同楔形块压缩制动弹簧，制动块在挤压弹簧的作用下与楔形块紧贴，不与定子本体导轨内侧摩擦。当直线电机模块断电停止运行时，常闭电磁阀关闭，圆柱形腔与外部气路压缩空气断开，与大气连通排气，楔形块在制动弹簧的作用力下促使制动块克服挤压弹簧的推力与定子本体导轨内侧摩擦，产生制动力。简单地说，如图2，通电状态下，活塞推动楔形块向右运动，制动块紧贴在楔形块上，因此，制动块与定子本体之间形成一个间隙。当断电状态下，活塞没有了压缩空气的推动而向左运动，此时楔形块在制动弹簧的推力下向左运动，楔形块挤压制动块，制动块抵接在定子本体的表面，此时制动块与定子本体间产生一个摩擦力，防止动子组件活动。其中，常闭电磁阀电连接控制柜。

本发明的优点：将直线位移机构的传动元件和执行元件相结合。直线电机结构紧凑、功率损耗小、快移速度高、加速度高、运动噪声低等优点，直线电机驱动方式与旋转电机驱动方式的最大区别是，取消了从电动机到执行元件之间的一切机械中间传动环节，实现了“零传动”，避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚性不足等缺点，由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷(高速响应)。线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构引起的传动误差减少了插补时因传动系统滞后带来跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机器人的定位精度(位精度高)，消除了传动环节传动丝杠等部件的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，提高了其传动刚度，速度快、加减速过程短。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨(无机械接触)，其运动时噪音将大大降低，运动安静、噪音低。由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，效率高。使机器人的性能大大提高。

本发明的几种拼接实施方式，如下：

如图6，连接成并联机器人的实施方式。将定子组件固定在支架上，并将机器人的手臂连接在动子组件上。图中所示为三轴并联机器人，除了图中所示的实施方式，还可以是多轴并联，采用多个本发明的直线电机模块作为驱动结构，每个直线电机模块均电连接控制器，由控制器单独控制每一个直线电机模块的运动。

如图7，连接成直角坐标式机器人的实施方式。参照图7所示的结构，其支撑杆可以采用常规的柱体，也可以用本发明的直线电机模块作为支撑杆，每一个直线电机模块均电连接控制器，由控制器控制每一个直线电机模块的运动；图7所示的实施例实现直角坐标式的运动，包括水平的两个垂直方向以及纵向的运动。这种连接方式不限于附图中所示的状态，还可以是三个直线电机模块拼接而成的直角坐标式，即两个垂直的水平方向和一个纵向，构成一个直角坐标，实现立体的运动。这种连接方式结构简单，拼接方便，可替代性强。

如图8，兼具并联和串联的混联机器人。这种实施方式既有串联的直线电机模块，也有并联的直线电机模块，其拼接组合方便，接线简单，只需要将本发明的直线电机模块通过螺钉和销钉连接即可，不需要再单独接线，使得拼装机器人变得容易。

如图6-图8，本发明的实施方式不限于图中所示的几种，参照图中的结构的结合和直接依据本发明的结构的搭配也是本发明的实施方式。本发明的直线电机模块在拼接时方便，普通操作人员就可以拼装，不需要设置过多的接线和检测元件等结构，实现一种机器人拼接的模块化的功能。而且本发明安全性高，安全措施完善，能保证拼接成的机器人的安全性。

直线电机模块拼接的机器人的优势：

一、结构简单，无滚珠丝杆、齿轮箱、齿条与齿轮、传动带。紧凑的机械装配，减少机器人中的部件数量，免维护。由于直线电机模块不需要把旋转运作变成直线运作的附加装置，因而使得机器人系统的结构大为简化，重量和体积大大地下降。

二、定位准确度高，高刚度。直线电机便于直接传动，可消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位准确度高，如采用微机控制，则还可大大地提高整个机器人系统的定位准确度。

三、反应速度快、灵敏度高，零回程间隙和柔度，随动性好。直线电机模块容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了机器人系统的灵敏度、快速性和随动性。

四、工作安全可靠、寿命长。直线电机模块便于无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。

五、高速度。直线电机模块通过直接驱动负载的方式，便于从高速到低速等不同范围的高准确度位置定位控制。直线电机模块的动子(初级)和定子(次级)之间无直接接触，定子及动子均为刚性部件，从而保证直线电机模块运作的静音性以及整体机构核心运作部件的高刚性。直线电机模块的行程可通过拼接定子来以便于行程的无限制，同时也可通过在同一个定子上配置多个动子来以便于同一个轴向的多个独立运作控制。直线电机驱动的机构可通过增强机构以及反馈元件的刚性以及准确度，辅之以恒温控制等措施来以便于机器人超精密运作控制。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：包括动子组件(1)、定子组件(2)、连接在动子组件(1)上的制动器(3)以及控制器，所述动子组件(1)套接在所述定子组件(2)上；在所述动子组件(1)和所述定子组件(2)上均开设有连接孔(4)；

所述动子组件(1)包括外壳(16)、线圈(11)、接头(12)、光栅读数头(15)、第一极限开关(13)和第二极限开关(14)，所述外壳(16)套接在所述定子组件(2)上，所述线圈(11)套接在所述定子组件(2)内，所述外壳(16)和所述线圈(11)固定连接，所述光栅读数头(15)设置在所述外壳(16)的内壁的中部，所述第一极限开关(13)和所述第二极限开关(14)分别设置在所述外壳(16)的两端，所述接头(12)固定在所述外壳(16)上，所述接头(12)电连接所述线圈(11)或所述光栅读数头(15)；

所述定子组件(2)包括定子本体(21)、永磁体(22)以及光栅(25)，所述定子组件(2)为U型定子，所述永磁体(22)固定在所述定子本体(21)上，所述光栅(25)固定在所述定子本体(21)的侧面；

所述制动器(3)包括楔形块(31)、制动弹簧(32)、活塞(33)、制动块(34)以及挤压弹簧(35)，所述制动弹簧(32)套接在所述楔形块(31)的横向延伸柱上并可相对所述楔形块(31)移动，所述楔形块(31)抵接在所述活塞(33)上，所述制动块(34)活动连接在所述楔形块(31)的斜面上，所述挤压弹簧(35)一端固定在所述动子组件(1)上，另一端抵接在所述制动块(34)上；

所述光栅读数头(15)、第一极限开关(13)、第二极限开关(14)、活塞(33)均电连接所述控制器。

2.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：所述定子组件(2)还包括设置在定子本体(21)上的护板(23)。

3.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：在所述定子本体(21)的端部设置有防撞器(24)。

4.根据权利要求3所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：在所述定子本体(21)的两端均设置有所述防撞器(24)。

5.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：所述制动块(34)为中部开设有锥形孔的圆柱体，该圆柱体为橡胶柱体。

6.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：所述制动块(34)包括第一制动斜块和第二制动斜块，第一制动斜块和第二制动斜块分别布置在所述楔形块(31)的两侧。

7.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：所述连接孔(4)为销孔(41)或螺孔(42)，在所述定子组件(2)的左端开设有多个销孔(41)和多个螺孔(42)，在所述定子组件(2)的右端开设有多个销孔(41)和多个螺孔(42)。

8.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：所述连接孔(4)为销孔(41)或螺孔(42)，在所述动子组件(1)的外壳(16)上开设有多个销孔(41)和多个螺孔(42)。

9.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：所述外壳(16)与线圈(11)通过树脂浇筑一体成型。

10.根据权利要求1所述的一种用于机器人拼接的直线电机模块，其特征在于：在所述外壳(16)和所述制动块(34)的连接处开设有上槽孔，该上槽孔内横向放置有上挤压弹簧(351)，该上挤压弹簧(351)的一端抵接在所述外壳(16)上，另一端抵接在所述制动块(34)上；

在所述制动块(34)和所述线圈(11)的连接处开设有下槽孔，该下槽孔内横向放置有下挤压弹簧(352)，该下挤压弹簧(352)的一端抵接在所述制动块(34)上，另一端抵接在所述线圈(11)上。