CN108258843A - 一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,驱动器包括外壳、前端盖、后端盖、驱动电机、电磁斥力装置和输出端,本驱动器由于利用了磁场力平衡方法调节刚度,做到了位移、刚度彼此独立的控制。能在人机交互领域、仿生机器人领域、软材料抛光领域、骨骼康复领域等应用场合与软性介质更好的互动,实现刚度固定驱动器所无法满足的调节接触力等需要。

Description

一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器
技术领域
本发明属于驱动器装置领域,具体涉及一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器。
背景技术
传统的直线型驱动器多采用刚度近似无穷大的结构,在用于人机交互、仿生机器人等场合时,往往需要刚度可变的弹性驱动效果,这是刚性驱动器无法满足的。现有的一种解决方式是在传统刚性驱动器末端加装有效圈数可调的弹簧,进而改变弹簧的有效弹性系数实现变刚度效果,但弹簧圈数调节的机构如需实现足够宽的可调刚度范围,需要占用很大的空间。另一种解决方式是控制弹簧和驱动器轴线的角度,以实现弹簧在驱动器轴线投影方向上的刚度可调,然而受到其三角函数关系的影响,变刚度范围和精度要求无法同时满足。因此,变刚度驱动器领域需要一种刚度调节范围大、精度高的直线型驱动器。
发明内容
本发明的目的在于利用电磁场力的平衡作用使直线型变刚度驱动器的输出实现精准定位和大范围刚度可调效果。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,包括外壳、前端盖、后端盖、驱动电机、电磁斥力装置和输出端,前端盖、后端盖固定安装于外壳内,驱动电机设置于后端盖一侧,并与设置于前端盖、后端盖之间的滚珠丝杠相连接,滚珠丝杠与设置于电磁斥力装置上的丝杠螺母组成丝杠-螺母副,使设置于前端盖、后端盖之间的电磁斥力装置可沿滚珠丝杠及两端与前端盖、后端盖固定连接的固定导轨滑动,输出端设置于前端盖一侧;
所述电磁斥力装置包括2个永磁铁安装座、2块永磁铁、永磁铁安装座连接柱、电磁铁安装座、线圈和电源,2块永磁铁安装座可滑动的安装于滚珠丝杠及固定导轨上且分别与2个丝杠螺母固定连接,在2个永磁铁安装座之间设置永磁铁安装座连接柱以使受到滚珠丝杠的驱动力时2个永磁铁安装座及永磁铁安装座连接柱整体发生位移,电磁铁安装座设置于2个永磁铁安装座之间的滚珠丝杠上,电磁铁安装座内设置有与电源连通的线圈,电磁铁安装座与滑动导轨固定连接,滑动导轨与输出端固定连接。
在上述技术方案中,所述电源座设置于外壳的底部,在电源座内设置电源。
在上述技术方案中,所述电源为双输出可调电压电源,包括第一电源及第二电源。
在上述技术方案中,所述第一电源输出线使用柔性电线连接并驱动电机,电源输入端连接外界控制端口。
在上述技术方案中,所述第二电源输出线使用柔性电线连接电磁铁线圈两端,并通过手动操作电源的调压旋钮实现输出电压的变化,线圈中的电流随其电压变化,电磁铁磁力随之改变。
在上述技术方案中,所述第二电源输出线依次穿过外壳电缆孔、外壳后端盖电缆孔、永磁铁安装座电缆孔后与电磁铁安装座内的线圈相连通。
在上述技术方案中,所述外壳的截面呈八边形,由两部分相互对称的半八棱柱结构对接并通过设置于其两侧法兰上的外壳连接螺栓固定组成。
在上述技术方案中,所述后端盖、前端盖和外壳的截面具有相同的形状,前端盖通过前端盖固定螺栓与外壳连接固定,后端盖通过后端盖固定螺栓与与外壳连接固定。
在上述技术方案中,所述电磁铁安装座通过设置于其两端的销与滑动导轨固定连接。
在上述技术方案中,所述丝杠螺母通过螺栓分别与两个永磁铁安装座同轴安装。
本发明的优点和有益效果为:
本驱动器由于利用了磁场力平衡方法调节刚度,做到了位移、刚度彼此独立的控制。能在人机交互领域、仿生机器人领域、软材料抛光领域、骨骼康复领域等应用场合与软性介质更好的互动,实现刚度固定驱动器所无法满足的调节接触力等需要。
附图说明
图1为驱动器外部结构示意图。
图2为驱动器内部结构示意图。
图3为电磁斥力装置局部结构示意图。
图4为线圈及电缆孔位置示意图。
其中:1-1为输出端,1-2为外壳,1-3为后端盖固定螺栓,1-4为外壳连接螺栓,1-5为前端盖固定螺栓,1-6为电源座,1-7为电源座固定螺栓,1-8为电源;2-1为驱动电机,2-2为后端盖,2-3为永磁铁安装座,2-4为电磁铁安装座,2-5为永磁铁安装座连接柱,2-6为前端盖,2-7为支座法兰;3-1为键,3-2为滚珠丝杠,3-3为滑块,3-4为永磁铁,3-5为线圈,3-6为永磁铁安装盒,3-7为固定丝杠螺母用螺栓,3-8为丝杠螺母,3-9为固定导轨,3-10为轴承,3-11为固定支座法兰用螺栓;4-1为销,4-2为滑动导轨;5-1为线圈接头,5-2为永磁铁安装座电缆孔,5-3为后端盖电缆孔,5-4为外壳电缆孔。
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,可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,包括外壳1-2、前端盖2-6、后端盖2-2、驱动电机2-1、电磁斥力装置和输出端1-1,前端盖、后端盖固定安装于外壳内,驱动电机设置于后端盖一侧,并与设置于前端盖、后端盖之间的滚珠丝杠3-2相连接,滚珠丝杠与设置于电磁斥力装置上的丝杠螺母3-8组成丝杠-螺母副,使设置于前端盖、后端盖之间的电磁斥力装置可沿滚珠丝杠及两端与前端盖、后端盖固定连接的固定导轨3-9滑动,输出端设置于前端盖一侧;
所述电磁斥力装置包括2个永磁铁安装座2-3、2块永磁铁3-4、永磁铁安装座连接柱2-5、电磁铁安装座2-4、线圈3-5和电源1-8,2块永磁铁安装座可滑动的安装于滚珠丝杠及固定导轨上且分别与2个丝杠螺母固定连接,在2个永磁铁安装座之间设置永磁铁安装座连接柱以使受到滚珠丝杠的驱动力时2个永磁铁安装座及永磁铁安装座连接柱整体发生位移,电磁铁安装座设置于2个永磁铁安装座之间的滚珠丝杠上,电磁铁安装座内设置有与电源连通的线圈,电磁铁安装座与滑动导轨固定连接,滑动导轨与输出端固定连接。
所述电源座设置于外壳的底部,在电源座内设置电源。
所述电源为双输出可调电压电源,包括第一电源及第二电源。
所述第一电源输出线使用柔性电线连接并驱动电机,电源输入端连接外界控制端口。
所述第二电源输出线使用柔性电线连接电磁铁线圈两端,并通过手动操作电源的调压旋钮实现输出电压的变化,线圈中的电流随其电压变化,电磁铁磁力随之改变。
所述第二电源输出线依次穿过外壳电缆孔5-4、外壳后端盖电缆孔5-3、永磁铁安装座电缆孔5-2后与电磁铁安装座内的线圈相连通。
所述外壳的截面呈八边形,由两部分相互对称的半八棱柱结构对接并通过设置于其两侧法兰上的外壳连接螺栓1-4固定组成。
所述后端盖、前端盖和外壳的截面具有相同的形状,前端盖通过前端盖固定螺栓1-5与外壳连接固定,后端盖通过后端盖固定螺栓1-3与与外壳连接固定。
所述电磁铁安装座通过设置于其两端的销4-1与滑动导轨固定连接。
所述丝杠螺母通过螺栓分别与两个永磁铁安装座同轴安装。
实施例2
本驱动器主要由滚珠丝杠、丝杠螺母、永磁铁安装座、环形磁铁、永磁铁安装座端盖、永磁铁安装座连接柱、线圈、直线轴承、滑块等和一些辅助部件构成。
滚珠丝杠和两个相对布置的丝杠螺母组成丝杠-螺母副,用于控制驱动器的位移。滚珠丝杠前端与轴承内圈配合,实现轴向以及周向定位。后端通过键连接联轴器以传递动力。
两个丝杠螺母通过螺栓分别与两个永磁铁安装座同轴安装。
两个永磁铁安装座端盖为底部开孔的带法兰圆桶,它们分别将数块环形磁铁固定在上述两个永磁铁安装座的另一侧上,其中永磁铁安装座端盖、环形磁铁和永磁铁安装座保持同轴关系。
在各个永磁铁安装座的四周,用螺栓固定了四个圆周上均布的滑块。
两永磁铁安装座通过四根永磁铁安装座连接柱相对安装为一体,
永磁铁安装座连接柱两端有两轴肩与永磁铁安装座的端面配合,并在连接柱两侧用螺丝加垫片完成紧固。
永磁铁安装座外侧有一电缆孔用于电线排布。
两根直线轴承导轨呈圆柱状,从前后两端分别穿过上述永磁铁安装座上的四个滑块,最终固定在外壳的两端盖上,以实现永磁铁安装座整体轴向平动效果。
另外两根直线轴承导轨则从上下两端穿过上述永磁铁安装座上的剩余四个滑块,最终通过支座法兰定位,用螺栓固定在输出端上。同时两导轨开有销孔,用于与电磁铁安装座配合。
电磁铁安装座两端开有销孔,与上下两端的直线轴承导轨分别通过两销连接。电磁铁安装座正面用螺栓固定有线圈,线圈轴线与电磁铁安装座轴线重合。
线圈上缠有用于产生磁场的导线,共同构成一个电磁铁,并通过调节电流实现调节磁性,电磁铁与其两端的永磁铁通过磁力相互作用达到平衡位置。电磁铁在轴线上发生位移时,将改变其两侧受到的电磁力,并产生恢复平衡位置的力。
支座法兰与输出端由定位柱定位并用螺栓连接二者。输出端上有法兰孔用于与输出时连接外部。
联轴器输出通过键与滚珠丝杠连接,输入通过键与驱动电机连接。
外壳前端盖中轴线有阶梯孔,完成轴承外圈的定位。上下两端有定位台用于定位直线轴承导轨。前后端有开口供连接输出端的直线轴承导轨探出。四周有带螺纹孔的凸台用于固定外壳。
外壳后端盖中轴线处有圆孔用于丝杠通过。上下两端有定位台用于定位直线轴承导轨。前后端有两圆形电缆孔用于电线走线。四周有带螺纹孔的凸台用于固定外壳。凸台同侧有外方内圆的筒状结构保护联轴器。筒状结构末端有螺栓孔用于连接电机法兰。
外壳为两片半八棱柱结构,两侧伸出法兰彼此连接。靠近两端的侧面另有数个开孔用于与外壳前端盖、外壳后端盖螺栓连接。外壳后端封闭,并有四个法兰孔用于连接电源座。两半外壳后端中间有电缆孔用于电源线接入。
电源座主体结构为与外壳同样大的棱柱状,其上均布有八个螺栓孔,通过螺栓与外壳后端固连。电源座两侧有法兰用于与驱动器的安装对象的螺栓连接。电源座中央有方形开口用于安装电源。
所述电源为双输出可调电压电源。其中第一电源输出线使用柔性电线连接并驱动电机,电源输入端连接外界控制端口。第二电源输出线使用柔性电线连接电磁铁线圈两端,并通过手动操作电源的调压旋钮实现输出电压的变化,线圈中的电流随其电压变化,电磁铁磁力随之改变。
实施例3
本驱动器实施时,通过由电机-联轴器-键-滚珠丝杠的输入路径传入扭矩。滚珠丝杠和两个相对布置的丝杠螺母组成丝杠-螺母副,用于控制驱动器的位移。
两螺母各自连接的两永磁铁安装座上,相对的固定了两组永磁铁,永磁铁与电磁铁通过电磁力发生相互作用,电磁铁通过调节输入电流控制其磁性强弱,进而调节电磁铁安装座受到的永磁铁磁力大小。由于电磁斥力表现为随距离非线性变化,在驱动器受到外部载荷的时候,电磁铁偏离平衡位置,载荷与两个电磁力达到新的平衡。在此过程中,若驱动器需要更强的刚度,只需增强电磁铁磁力,载荷引起的位移即随之减小,根据刚度等于力除以位移的关系,所对应的输出刚度随之减小。最后由电磁铁通过直线轴承连接的输出端传出所需的刚度。
驱动器通过直线轴承和滑块结构,加上磁力平衡关系,整合上述位移控制部分和刚度控制部分,实现通过丝杠独立控制位移,且在平衡位置不变的前提下独立调节刚度的需求。
实施例4
本专利具体可实施的形式包括但不限于:(1)驱动器可安装在并联机器人的驱动端上,当机器人需要执行抛光等任务时,因为被抛光件几何形状、材料密度、加工角度变化等因素,抛光接触面会需要不同的接触力,可以通过调节驱动器的刚度控制抛光头与工件之间的接触力,获得更高的抛光质量。(2)驱动器可安装在医疗骨骼复健机器人上,在骨骼刚开始生长时,输出较大刚度以保证骨骼复位精确,避免患者走动造成再次错位的问题,骨骼长大后,输出较小刚度以满足患者可以运动但是不能大幅运动的需要。
以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:包括外壳、前端盖、后端盖、驱动电机、电磁斥力装置和输出端,前端盖、后端盖固定安装于外壳内,驱动电机设置于后端盖一侧,并与设置于前端盖、后端盖之间的滚珠丝杠相连接,滚珠丝杠与设置于电磁斥力装置上的丝杠螺母组成丝杠-螺母副,使设置于前端盖、后端盖之间的电磁斥力装置可沿滚珠丝杠及两端与前端盖、后端盖固定连接的固定导轨滑动,输出端设置于前端盖一侧;
所述电磁斥力装置包括2个永磁铁安装座、2块永磁铁、永磁铁安装座连接柱、电磁铁安装座、线圈和电源,2块永磁铁安装座可滑动的安装于滚珠丝杠及固定导轨上且分别与2个丝杠螺母固定连接,在2个永磁铁安装座之间设置永磁铁安装座连接柱以使受到滚珠丝杠的驱动力时2个永磁铁安装座及永磁铁安装座连接柱整体发生位移,电磁铁安装座设置于2个永磁铁安装座之间的滚珠丝杠上,电磁铁安装座内设置有与电源连通的线圈,电磁铁安装座与滑动导轨固定连接,滑动导轨与输出端固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述电源座设置于外壳的底部,在电源座内设置电源。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述电源为双输出可调电压电源,包括第一电源及第二电源。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述第一电源输出线使用柔性电线连接并驱动电机,电源输入端连接外界控制端口。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述第二电源输出线使用柔性电线连接电磁铁线圈两端,并通过手动操作电源的调压旋钮实现输出电压的变化,线圈中的电流随其电压变化,电磁铁磁力随之改变。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述第二电源输出线依次穿过外壳电缆孔、外壳后端盖电缆孔、永磁铁安装座电缆孔后与电磁铁安装座内的线圈相连通。
7.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述外壳的截面呈八边形,由两部分相互对称的半八棱柱结构对接并通过设置于其两侧法兰上的外壳连接螺栓固定组成。
8.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述后端盖、前端盖和外壳的截面具有相同的形状,前端盖通过前端盖固定螺栓与外壳连接固定,后端盖通过后端盖固定螺栓与与外壳连接固定。
9.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述电磁铁安装座通过设置于其两端的销与滑动导轨固定连接。
10.根据权利要求1所述的一种基于电磁斥力平衡的变刚度直线型驱动器,其特征在于:所述丝杠螺母通过螺栓分别与两个永磁铁安装座同轴安装。
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