CN108638038A - 一种能够回收能量的坐标式机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种能够回收能量的坐标式机械手臂。该机械手臂采用升降气缸、仰俯气缸和伸缩气缸的结构，使得机械手臂能够实现上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回6个动作，且每个气缸均装有压电和摩擦电混合纳米发电机，根据压电效应、静电摩擦生电和静电感应的复合原理，有效地将气缸伸缩运动所产生的机械能转换为电能，通过电压转换电路与其他供电系统或外部负载相连接，实现能量的收集，从而降低能耗。

Description

一种能够回收能量的坐标式机械手臂

技术领域

本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种能够回收能量的坐标式机械手臂。

背景技术

随着工业化的发展，机械手臂在平时的工业生产中应用地越来越广泛，然而机械手臂在实际应用中的能耗却十分巨大，能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；本发明所涉及的一种能够回收能量的坐标式机械手臂正好承接了以上理念；基于摩擦电效应以及静电感应原理的静电摩擦发电机在王中林团队等众多科学团队不断努力下取得了大量的研究成果，通过周期性垂直接触-分离、面内滑动、转动或者压电效应的静电摩擦发电机已经成功地用于收集机械能；申请号为201510606288.1的中国专利申请公开了一种基于PLC控制的混合型气动机械手，通过PLC控制能够实现俯下、仰起、伸出、缩回4个动作，但该机械手臂不能实现上下的自动伸降，且对能耗需求很大；本发明提出一种能够回收能量的坐标式机械手机，能够实现6个动作且能够将运动中的机械能转换为电能，节约电能，故其应用范围十分广泛。

发明内容

本发明采用了升降气缸、仰俯气缸和伸缩气缸的结构，使得机械手臂能够实现上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回6个动作，且每个气缸均装有波纹管式混合纳米发电机，收集气缸反复伸出，缩回运动的机械能，用于其他供电系统或外部负载的供电。本发明解决的技术问题是：提供一种能够回收能量的坐标式机械手臂；该机械手臂采用升降气缸、仰俯气缸和伸缩气缸的结构，使得机械手臂能够实现上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回6个动作，且每个气缸均装有压电和摩擦电混合纳米发电机，根据压电效应、静电摩擦生电和静电感应的复合原理，有效地将气缸伸缩运动所产生的机械能转换为电能，通过电压转换电路与其他供电系统或外部负载相连接，实现能量的收集，从而降低能耗。

本发明提供的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征包括底座、回转液压缸、回转台、升降气缸、仰俯气缸、伸缩气缸、电压转化电路、位于三个气缸中的混合纳米发电机以及机械手爪。升降气缸、俯仰气缸以及电压转换装置安装在回转台上，伸缩气缸通过两个铰链与升降气缸及俯仰气缸相连接，形成四连杆机构，机械手爪安装在伸缩气缸的气缸杆上，回转台与底座中的回转液压缸相连接。

所述的坐标式机械手臂是一种具有4个自由度的极坐标型机械手，机械手的运动由两个直线运动(垂直方向的升降以及水平方向的伸缩)和两个转动(绕回转台的转动和绕水平轴的仰俯运动)组成，该机械手臂可以完成上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回六个动作。

所述机械手臂的运动均由气动的方式进行驱动，且每个气缸均装有混合纳米发电机，该混合纳米发电机包括波纹管弹性基底和固定在弹性基底上的若干个并联的混合发电单元。每个混合发电单元包括一个摩擦发电单元和一个压电发电单元。所述的摩擦发电单元与压电发电单元相连。其中：所述摩擦发电单元进一步包括：第一电极层和位于第一电极上方的第一摩擦层；位于第一摩擦层上方并与其面对面设置第二摩擦层和位于第二摩擦层上方的第二电极层，所述压电发电单元进一步包括：垂直生长在所述第二电极层上方的压电纳米线阵列；位于压电纳米线阵列上方的第一高分子聚合物绝缘层和位于所述第一高分子聚合物绝缘层上方的第三电极层，其中，所述第一电极层和所述第二电极层是所述摩擦发电单元的输出电极，所述第二电极层和第三电极层是所述压电发电单元的输出电极。

优选的，其中第一电极层，第二电极层和第三电极层为束缚电子能力弱的金属导电层；第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层。

优选的，第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金的薄膜，厚度均为50μm-lmm；第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层的厚度为50μm-lmm。

优选的，每个摩擦发电单元和相对应的压电发电单元通过波纹管式结构面对面设置，且接触面积相等，并且第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦电极序存在差异，且差异越大效果越好。

本发明中的混合纳米发电机在气缸往复运动作用下使压电纳米线阵列不断弯曲恢复、第一摩擦单元和第二摩擦单元不断接触分离，使摩擦特性相差较大的第一摩擦层与第二摩擦层产生正负静电荷，实现了将机械振动转换为电能的循环。最后，将混合纳米发电机产生的电信号导出，并与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于对混合纳米发电机所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，与移动负载或其他供电系统相连接，对移动负载和其他供电系统进行充电。

本发明提出的一种能够回收能量的坐标式机械手臂结构原理简单，能够实现上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回6个动作且每个气缸均装有波纹管式压电和摩擦电混合纳米发电机能有效地将气缸反复伸缩运动所产生的机械能转换为电能，有效地降低能耗，节约成本。

附图说明

通过附图所示本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的能够回收能量的坐标式机械手臂的结构示意

图2为本发明的混合纳米发电机的局部放大图，即A、B、C处的放大图

图3为本发明的混合纳米发电机一个发电单元的结构示意图

图4为本发明的混合纳米发电机波纹管基底的三维示意图

图5为本发明的电压转换电路的示意图。

图中：1、底座 2、回转台 3、升降气缸 4、升降气缸纳米发电机5、回转液压缸 6、仰俯气缸 7、仰俯气缸纳米发电机 8、伸缩气缸 9、伸缩气缸纳米发电机 10、机械手爪 11、波纹管弹性基底 12、第一电极层 13、第一摩擦层 14、第二摩擦层 15、第二电极层 16、压电纳米线阵列 17、第一高分子聚合物绝缘层 18、第三电极层

具体实施方式

为了便于理解本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方法。

参见图1，本发明提供的一种能够回收能量的坐标式机械手臂包括底座1、回转台2、升降气缸3、升降气缸纳米发电机4、回转液压缸5、仰俯气缸6、仰俯气缸纳米发电机7、伸缩气缸8、伸缩气缸纳米发电机9以及机械手爪10。

当机械手臂需要转动时，可以控制回转台2进行一定角度的旋转；当机械手臂需要上升或下降时，可以控制升降气缸3和仰俯气缸6同时上升或下降；当机械手臂需要仰起或俯下时，可以控制升降气缸3和仰俯气缸6上升不同高度以实现仰起或俯下的动作；当机械手臂需要伸缩时，可以控制伸缩气缸8，以实现机械手臂的伸缩动作。

当伸缩气缸8、升降气缸3和仰俯气缸6反复做伸缩运动时，混合纳米发电机4、7、9中的摩擦纳米发电单元根据静电摩擦生电和静电感应的复合原理，在气缸反复伸缩运动的作用下，每个混合发电单元的第一摩擦层13和第二摩擦层14不断接触分离，使摩擦特性相差较大的第一摩擦层13与第二摩擦层14产生正负静电荷，静电经诱导使所述摩擦层对应的第一电极层12和第二电极层15间形成电势差；同时混合纳米发电机中的压电发电单元根据压电效应，在气缸反复伸缩运动的作用下，压电纳米线阵列不断弯曲与恢复，在第二电极层15与第三电极层18之间形成电势差；将所有混合发电单元通过导线进行并联连接，并与电压转换电路相连接，实现对其供电系统或其他负载的供电。

如图5所示电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。图5所示电信号输出端与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于混合纳米发电机所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，与其他供电系统或其他负载相连接，对移动负载和供电系统的充电。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (7)

1.一种能够回收能量的坐标式机械手臂，所述机械手臂是一种具有4个自由度的极坐标型机械手，机械手的运动由两个直线运动和两个转动组成，两个直线运动指垂直方向的升降以及水平方向的伸缩，两个转动指绕回转台的转动和绕水平轴的仰俯运动，该机械手臂可以完成上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回六个动作，其特征在于：所述机械手臂包括底座、回转液压缸、回转台、升降气缸、仰俯气缸、伸缩气缸、电压转化电路、位于三个气缸中的混合纳米发电机以及机械手爪；升降气缸、俯仰气缸以及电压转化电路安装在回转台上，伸缩气缸通过两个铰链与升降气缸及俯仰气缸相连接，形成四连杆机构，机械手爪安装在伸缩气缸的气缸杆上，回转台与底座中的回转液压缸相连接；混合纳米发电机，收集气缸反复伸出，缩回运动的机械能，用于其他供电系统或外部负载的供电。

2.如权利要求1所述的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征在于：所述机械手臂的运动均由气动的方式进行驱动，且每个气缸均装有混合纳米发电机，该混合纳米发电机包括波纹管弹性基底和固定在弹性基底上的若干个并联的混合发电单元；每个混合发电单元包括一个摩擦发电单元和一个压电发电单元；所述的摩擦发电单元与压电发电单元相连；其中：所述摩擦发电单元进一步包括：第一电极层和位于第一电极上方的第一摩擦层；位于第一摩擦层上方并与其面对面设置第二摩擦层和位于第二摩擦层上方的第二电极层，所述压电发电单元进一步包括：垂直生长在所述第二电极层上方的压电纳米线阵列；位于压电纳米线阵列上方的第一高分子聚合物绝缘层和位于所述第一高分子聚合物绝缘层上方的第三电极层，其中，所述第一电极层和所述第二电极层是所述摩擦发电单元的输出电极，所述第二电极层和第三电极层是所述压电发电单元的输出电极。

3.如权利要求2所述的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征在于：第一电极层，第二电极层和第三电极层为束缚电子能力弱的金属导电层；第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层。

4.如权利要求2所述的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征在于：第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金的薄膜，厚度均为50μm-lmm；第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层的厚度为50μm-lmm。

5.如权利要求2所述的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征在于：每个摩擦发电单元和相对应的压电发电单元通过波纹管式结构面对面设置，且接触面积相等，并且第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦电极序存在差异，且差异越大效果越好。

6.如权利要求1所述的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征在于：当伸缩气缸、升降气缸和仰俯气缸反复做伸缩运动时，混合纳米发电机中的摩擦纳米发电单元根据静电摩擦生电和静电感应的复合原理，在气缸反复伸缩运动的作用下，每个混合发电单元的第一摩擦层和第二摩擦层不断接触分离，使摩擦特性相差较大的第一摩擦层与第二摩擦层产生正负静电荷，静电经诱导使所述摩擦层对应的第一电极层和第二电极层间形成电势差；同时混合纳米发电机中的压电发电单元根据压电效应，在气缸反复伸缩运动的作用下，压电纳米线阵列不断弯曲与恢复，在第二电极层与第三电极层之间形成电势差；将所有混合发电单元通过导线进行并联连接，并与电压转换电路相连接，实现对其供电系统或其他负载的供电。

7.如权利要求1所述的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征在于：所示电压转换电路包括降压变压器和交直流转换器两部分，其中交直流转换器包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路；电信号输出端与电压转换电路的降压变压器的输入端相连接，用于混合纳米发电机所产生的交流电信号进行降压处理，再将降压变压器的输出端与交直流转换器相连，将降压后的交流电信号转换为直流电，与其他供电系统或其他负载相连接，对移动负载和供电系统的充电。