CN110247534B - 电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置，该装置包括直线方向上位移可控的电磁永磁混合驱动推拉单元，该单元由若干多级伸缩件和延伸杆连接后内嵌于电磁线圈组内构成，在总控单元的电流控制下可产生可控的特定位移。多个电磁永磁混合驱动推拉单元，按照某种方式捆绑集成在一起，构成多点推拉驱动阵列。将多点推拉驱动阵列放置在一个硬质管内，构成推拉驱动阵列组件。多个推拉驱动阵列组件级联在一起，形成多向可控运动装置。通过控制特定推拉驱动阵列组件的小角度摆动，可以实现多向可控运动装置任意角度的多向运动。本发明不需要中间传动装置，能效高，可广泛用于机器人、机器狗等的运动控制系统。

Description

电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置

技术领域

本发明涉及电磁驱动技术领域，具体涉及一种电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置。

背景技术

随着科技的发展，在许多应用中，机器已能够代替人或动物完成某些特定的动作。比如说工业机器人，一种面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，已逐渐成为工厂自动化生产线的主要发展形式。工业机器人能自动执行工作，靠自身动力和控制能力来实现各种功能。目前，工业机器人的运动控制主要采用电机驱动和机械传动的方式。

机械传动系统通常由原动机、传动机构、执行机构三部分组成。传动机构可以将动力所提供的运动的方式、方向或速度加以改变，从而获得所期望的运动模式。目前常用的机械传动机构有齿轮传动、链条传动、蜗轮蜗杆传动等接触式传动方式。受机械的制作精密度和安装精准度影响，传动过程中会产生摩擦和振动，需要消耗较多功率克服接触面间的摩擦阻力，造成动力的浪费。而要实现复杂的运动，如转角度摆动，需要多级传动，每级传动都要耗费相当多的动力。

因此，现有机器人或机器动物的多自由度运动系统能效不高，存在较大的能量浪费。

发明内容

本发明的目的在于提高多自由度运动系统的能效，提出一种电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置。

电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置，装置包含多个推拉驱动阵列组件，其中推拉驱动阵列组件内含若干条电磁永磁混合驱动推拉单元，电磁永磁混合驱动推拉单元在电磁线圈总控单元的电流控制下产生可控的特定位移，从而使相邻推拉驱动阵列组件产生多自由度小角度摆动；多个推拉驱动阵列组件按照一定的方式组装在一起，集成为多向可控运动装置，实现任意角度的多向运动。

电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置，当多个上述推拉驱动阵列组件级联在一起，可以通过控制特定推拉驱动阵列组件的小角度摆动，来实现多向可控运动装置任意角度的多向运动。

电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置，所述推拉驱动阵列组件包含一个硬质管、若干个电磁永磁混合驱动推拉单元和支撑体，其中电磁永磁混合驱动推拉单元依靠支撑体固定于硬质管中，若干电磁永磁混合驱动推拉单元按照某种方式捆绑集成在一起，构成多点推拉驱动阵列；推拉驱动阵列组件中的电磁永磁混合驱动推拉单元产生拉力或推力，牵引或推动相邻推拉驱动阵列组件实现小角度的摆动；在总控单元的电流控制下，多个推拉驱动阵列组件中的电磁永磁混合驱动推拉单元产生不同方向的组合拉力和/或组合推力，实现相邻推拉驱动阵列组件的多自由度、小角度摆动。

相邻推拉驱动阵列组件之间依靠中间弹性件连接在一起，中间弹性件为非刚性件，平衡推拉驱动阵列组件的静力，起支撑作用。

电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置，所述电磁永磁混合驱动推拉单元由中空的电磁线圈组、延伸杆和多个多级伸缩件组成，多个多级伸缩件级联放置于电磁线圈组内；所述电磁线圈组包括中空管及缠绕中空管外的若干组线圈，或者电磁线圈组直接由若干组线圈组成；每个线圈的电流独立控制，线圈的长度不等，可长可短；多级伸缩件在电磁线圈组的电磁力作用下，产生游程可控的多级位移；延伸杆与末尾的多级伸缩件连接，负责将多级伸缩件产生的推力或拉力传递到相邻推拉驱动阵列组件。

上述多级伸缩件由永磁铁、电磁铁和伸缩杆依次连接组成，或者由永磁铁、垫片和伸缩杆依次连接组成；永磁铁的N极都指向同一方向；伸缩杆以滚珠连接方式实现伸缩：在推力作用下压缩，在拉力作用下拉伸，类似拉杆箱的拉杆；电磁铁用通电线圈实现，其主要功能是阻隔相邻的永磁铁吸在一起，由于永磁铁的N极都指向同一方向，则两个永磁体一定是异性级相连的，若没有阻隔，必定吸在一起，而间隔一定的距离其吸力减少，便于快速移动；另外电磁铁除了起到间隔作用，还可以通电产生作用力，让其相邻的电磁铁不紧挨和快速位移，若只需要起间隔作用它也可以用普通的垫片来代替。

上述多级伸缩件实现游程可控的多级位移的方式是：永磁铁和电磁铁在磁力作用下产生推力或者拉力使得与其连接的伸缩杆拉伸或者压缩一个固定长度的位移，这个固定长度是伸缩杆以滚珠方式卡住、精确控制的；多个不同固定长度的组合就能实现多级不同长度的位移；每个多级伸缩件的位移可以设置为相同或者不同，由此可通过控制一个或多个多级伸缩件的位移运动来精确控制实现电磁永磁混合驱动推拉单元不同距离的位移。

上述多级伸缩件实现多级位移时所需的磁力来自于两部分一部分是电磁铁，一部分来自电磁线圈组；通电的电磁体与相邻的永磁体产生斥力或者引力，拉伸或者压缩相邻的伸缩杆，此磁力较小；电磁线圈组相应位置处的线圈通电，在电磁线圈组的相应位置内部产生较强的磁力，推动永磁铁的运动；通电电流的方向决定其磁力作用到伸缩杆上的效果是拉伸或者压缩伸缩杆长度，产生位移。

电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置，所述多向可控运动装置的总控单元采用程控的方式对各线圈进行电流的选择性组合控制；线圈包括每个推拉驱动阵列组件里面每个电磁线圈组，以及多级伸缩件中的用来实现电磁铁的每个线圈；

控制电磁永磁混合驱动推拉单元中电磁线圈组的每个线圈，即可以在电磁永磁混合驱动推拉单元中控制产生分段磁力，控制里面相应位置处的永磁铁的状态；

控制多级伸缩件中的用来实现电磁铁的每个线圈，即是产生作用力让相邻的永磁铁保持三种状态；所述三种状态包括正向运动、反向运动和静止状态，这三种状态都需要电流；根据实际的应用，正向运动可以定义为拉伸方向的正向力引起的运动，反向运动为收缩反向的反向力引起的运动，静止状态则为不动的状态，即是正向力和反向力相等；

总控单元组合选择部分线圈通电，控制通电的大小和方向，则能控制相应的线圈的状态，使得对应的电磁铁运动，产生推力或者拉力作用于伸缩杆上，从而实现任意推拉驱动阵列组件的多向摆动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本装置充分利用永磁铁和电磁铁自身在磁场中的运动特性，激发整个运动装置实现电磁能向动能的转化，其间没有传动的损耗，故整个装置能效高；

(2)本装置的电磁永磁混合驱动推拉单元通过外磁力和内磁力的共同作用产生可控的精确的多级位移。外磁力由电磁线圈组的线圈产生，内磁力由多级伸缩件的电磁铁产生；

(3)利用多个电磁永磁混合驱动推拉单元的直线推拉运动的集成，来实现小角度的多向摆动，有利于实现非周期性的小角度的随机驱动或者直线方向特定长度的伸缩；

(4)本装置通过将多个推拉驱动阵列组件级联在一起，可以通过控制每个推拉驱动阵列组件的小角度摆动，来实现多向可控运动装置任意角度的多向运动，完成复杂的动作。该装置可广泛用于机器人、机器狗等的运动控制系统。

附图说明

图1(a)是本实施例推拉驱动阵列组件的截面图。

图1(b)是本实施例相邻推拉驱动阵列组件的连接示意图。

图2是本实施例中多级伸缩件的局部示意图。

图3是本实施例中电磁永磁混合驱动推拉单元的电磁线圈组示意图。

图4(a)是本实施例中多向可控运动装置初始状态示意图。

图4(b)是本实施例中多向可控运动装置摆动角度α的示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例

如图1(a)展示了本实施例推拉驱动阵列组件的截面图，图1(b)是本实施例相邻推拉驱动阵列组件的连接示意图。电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置的推拉驱动阵列组件由硬质管1、沿管壁均匀分布的多条电磁永磁混合驱动推拉单元2、支撑体3、硬质管之间的中间弹性件4构成。

如图2所示，电磁永磁混合驱动推拉单元2由电磁线圈组9和多级伸缩件组成。这里主要展示电磁永磁混合驱动推拉单元里面的多级伸缩件，故电磁线圈组缠绕的线圈没有在此展示，而在图3中展示。图2中的多级伸缩件由2个永磁铁5、电磁线圈组6和伸缩杆7依次连接组成，这里还示意了和多级伸缩件一端相连的延伸杆8，该延伸杆8另一端和相邻的推拉驱动阵列组件连接，使得产生的推力或拉力可以传递到相邻连接的推拉驱动阵列组件。

图2中永磁铁5的N极都指向同一方向；伸缩杆7以滚珠连接方式实现伸缩：在推力作用下压缩，在拉力作用下拉伸，类似拉杆箱的拉杆；电磁线圈组6用通电线圈实现，其主要功能是阻隔相邻的永磁铁吸在一起，由于永磁铁的N极都指向同一方向，则两个永磁体一定是异性级相连的，若没有阻隔，则必定是吸在一起的，而间隔一定的距离其吸力减少，便于快速移动；另外电磁铁除了起到间隔作用，还可以通电产生磁力，让其相邻的电磁铁不紧挨和快速位移，若只需要起间隔作用它也可以用普通的垫片来代替。

永磁铁5和电磁线圈组6在磁力作用下产生的拉力或推力使得与其连接的伸缩杆7缩进或拉伸一个固定长度的位移，这个固定长度是伸缩杆以滚珠的方式卡住，可精确控制；多个不同固定长度的组合就能实现多级不同长度的位移；每个多级伸缩件的位移可以设置为相同或者不同，由此可通过控制一个或多个多级伸缩件的位移运动来精确控制实现电磁永磁混合驱动推拉单元不同距离的位移。

如图3所示，是本实施例中每个电磁永磁混合驱动推拉单元电磁线圈组的示意图。电磁线圈组9包括中空管及缠绕中空管外的若干组线圈10，每个线圈的电流独立控制，线圈的长度不等；多级伸缩件在电磁线圈组的电磁力作用下，产生游程可控的多级位移。

多向可控运动装置的多级伸缩件实现多级位移时所需的的磁力来自于两部分一部分是电磁铁，一部分来自电磁线圈组；通电的电磁体与相邻的永磁体产生斥力或者引力，拉伸或者压缩相邻的伸缩杆，此磁力较小；电磁线圈组相应位置处的线圈通电，在电磁线圈组的相应位置内部产生较强的磁力，推动永磁铁的运动；通电电流的方向决定其磁力作用到伸缩杆上的效果是拉伸或者压缩伸缩杆长度，产生位移。

如图4(a)和图4(b)所示，以2个推拉驱动阵列组件级联组成的多向可控运动装置为例来说明其运动，具体为1个推拉驱动阵列组件的推动使相邻推拉驱动阵列组件向右摆动角度α的工作流程。

下面的推拉驱动阵列组件的硬质管内分布两根电磁永磁混合驱动推拉单元。

步骤1：将多向驱动装置中所有电磁永磁混合驱动推拉单元的电磁线圈的总控电流和各电磁铁的电源都置于初始状态，如图4(a)所示，2个推拉驱动阵列组件里面所有的电磁永磁混合驱动推拉单元在平衡位置，使其为一整体稳固站立。下面的推拉驱动阵列组件的延伸杆与相邻的(上面的)推拉驱动阵列组件相接触，使得产生的推力可以传递到相邻连接的推拉驱动阵列组件。

步骤2：向图4(a)下面的推拉驱动阵列组件的左侧电磁永磁混合驱动推拉单元中的特定电磁铁通产生斥力的电流，使其磁性与平衡位置时相反，电磁铁与相邻永磁铁产生作用力，推动伸缩杆。

步骤3：同时，向图4(a)左侧电磁永磁混合驱动推拉单元中的电磁线圈组某特定线圈通电，产生较强的磁力，推动特定的永磁铁和电磁铁磁力运动，伸缩杆被拉伸一个固定长度的位移，与伸缩杆相连的延伸杆，推动相邻的推拉驱动阵列组件的左侧上升，使该推拉驱动阵列组件向右摆动角度α角度，图4(b)所示。

由此可见，当多个上述推拉驱动阵列组件级联在一起可以通过控制每个推拉驱动阵列组件的小角度摆动，来实现多向可控运动装置任意角度的多向运动。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.电磁永磁混合驱动推拉单元集成的多向可控运动装置，其特征在于，由多个推拉驱动阵列组件组装而成；其中，推拉驱动阵列组件包括若干条电磁永磁混合驱动推拉单元，电磁永磁混合驱动推拉单元在电磁线圈总控单元的电流控制下产生可控的特定位移，使相邻推拉驱动阵列组件产生多自由度、小角度摆动，从而实现多向可控运动装置任意角度的多向运动；

所述推拉驱动阵列组件包含一个硬质管、若干个电磁永磁混合驱动推拉单元和支撑体，其中电磁永磁混合驱动推拉单元依靠支撑体固定于硬质管中，若干个电磁永磁混合驱动推拉单元捆绑集成在一起，构成多点推拉驱动阵列；推拉驱动阵列组件中的电磁永磁混合驱动推拉单元产生拉力或推力，牵引或推动相邻推拉驱动阵列组件实现小角度的摆动；在总控单元的电流控制下，多个推拉驱动阵列组件中的电磁永磁混合驱动推拉单元产生不同方向的组合拉力和/或组合推力，实现相邻推拉驱动阵列组件的多自由度、小角度摆动；

所述电磁永磁混合驱动推拉单元由中空的电磁线圈组、延伸杆和多个多级伸缩件组成，多个多级伸缩件级联放置于电磁线圈组内；所述电磁线圈组包括中空管及缠绕中空管外的若干组线圈，或者电磁线圈组直接由若干组线圈组成；每个线圈的电流独立控制，线圈的长度不等；多级伸缩件在电磁线圈组的电磁力作用下，产生游程可控的多级位移；延伸杆与末尾的多级伸缩件连接，负责将多级伸缩件产生的推力或拉力传递到相邻推拉驱动阵列组件；

所述多级伸缩件由永磁铁、电磁铁和伸缩杆依次连接组成，或者由永磁铁、垫片和伸缩杆依次连接组成；永磁铁的N极都指向同一方向；伸缩杆以滚珠连接方式实现伸缩：在推力作用下压缩，在拉力作用下拉伸；电磁铁通电产生作用力，让其相邻的电磁铁不紧挨和快速位移；垫片起间隔永磁铁和缩杆的作用；

所述多级伸缩件实现游程可控的多级位移的方式是：永磁铁和电磁铁在磁力作用下产生推力或者拉力使得与其连接的伸缩杆拉伸或者压缩一个固定长度的位移，这个固定长度是伸缩杆以滚珠方式卡住、精确控制的；多个不同固定长度的组合就能实现多级不同长度的位移；每个多级伸缩件的位移能够设置为相同或者不同，由此可通过控制一个或多个多级伸缩件的位移运动来精确控制实现电磁永磁混合驱动推拉单元不同距离的位移。

2.根据权利要求1所述的多向可控运动装置，其特征在于，当多个推拉驱动阵列组件级联在一起，能够通过控制其中一个推拉驱动阵列组件的小角度摆动，来实现多向可控运动装置任意角度的多向运动。

3.根据权利要求1所述的多向可控运动装置，其特征在于，推拉驱动阵列组件之间的连接依靠中间弹性件连接在一起，中间弹性件为非刚性件，平衡推拉驱动阵列组件的静力，起支撑作用。

4.根据权利要求1所述的多向可控运动装置，其特征在于，多级伸缩件实现位移时所需的磁力来自于两部分，一部分是电磁铁，一部分来自电磁线圈组；通电的电磁体与相邻的永磁体产生斥力或者引力，拉伸或者压缩相邻的伸缩杆，此磁力较小；电磁线圈组相应位置处的线圈通电，在电磁线圈组的相应位置内部产生较强的磁力，推动永磁铁的运动；通电电流的方向决定其磁力作用到伸缩杆上的效果是拉伸或者压缩伸缩杆长度，产生位移。

5.根据权利要求1所述的多向可控运动装置，其特征在于，总控单元采用程控的方式对各线圈进行电流的选择性组合控制；线圈包括每个推拉驱动阵列组件里面每个电磁永磁混合驱动推拉单元中每个电磁线圈组，以及多级伸缩件中的用来实现电磁铁的每个线圈；

控制电磁永磁混合驱动推拉单元中每个电磁线圈组，即能够在电磁永磁混合驱动推拉单元中控制产生分段磁力，控制里面相应位置处的永磁铁的状态；

控制多级伸缩件中的用来实现电磁铁的每个线圈，即是产生作用力让相邻的永磁铁保持三种状态，所述三种状态包括正向运动、反向运动和静止状态，这三种状态都需要电流；根据实际的应用，正向运动能够定义为拉伸方向的正向力引起的运动，反向运动为压缩方向的反向力引起的运动，静止状态则为不动的状态，即是正向力和反向力相等；

总控单元组合选择部分线圈通电，控制通电的大小和方向，则能控制相应的线圈的状态，使得对应的电磁铁运动，产生推力或者拉力作用于伸缩杆上，从而实现任意推拉驱动阵列组件的多向摆动。

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