CN111687828A - 一种气电集成驱动装置、末端执行器及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气电集成驱动装置、末端执行器及机器人。所述驱动装置包括基座及安装于基座上的电机和气体弹簧，气体弹簧集成于电机内，电机包括动子组件和定子组件，动子组件包括内永磁体组件和外永磁体组件，定子组件包括线圈组件，气体弹簧、内永磁体组件、线圈组件和外永磁体组件均为同心圆结构，且四者由内向外依次设置，线圈组件与基座固定连接，动子组件相对定子组件上下滑动，气体弹簧的一端固定于基座上，另一端与动子组件相连。本发明具有集成度高，推力密度高、减振动冲击、高动态响应等优点。

Description

一种气电集成驱动装置、末端执行器及机器人

技术领域

本发明属于自动化设备及机器人技术领域，具体涉及一种气电集成驱动装置、末端执行器及机器人。

背景技术

打磨抛光加工是零件的重要后处理加工过程，广泛用于汽车船舶、航空航天、精密模具等行业，对于具有复杂表面几何性形状的零件，其自动化加工难以实现，现阶段采用工业机器人结合末端执行器的方案，实现复杂曲面精密光整加工，末端执行器上搭载打磨工具，实现小范围多自由度的打磨加工，工业机器人带动末端执行器实现大范围的工作空间。为实现高质量的打磨加工，末端执行器的力控性能与减振能力亟待提高。

末端执行器的驱动方式直接影响其力控性能与减振能力，现有的驱动方式有：机械式、气动式、电驱式和气电混合式。其中，机械式使用弹簧实现被动柔顺，结构简单但是无法实现力控功能。气动式是现阶段最常见的驱动方式，通过调节气体压力来实现末端执行器的输出力，优点是具有较好的柔顺性、力重比大、控制简单，但存在响应慢、精度低、迟滞等缺点。电驱式是通过电机来控制末端执行器的力输出，优点是力控精度高和响应速度快，但存在质量大、抗冲击振动能力差等缺点。采用气电混合驱动方案能够兼顾气体驱动与电力驱动的优点，通过串联电机与气体弹簧，使得输出力为电机与气体弹簧的输出力总和，通过调控电机电流实现精确的力控制，通过空气弹簧的阻尼特性达到减振目的。但是现存的气电混合驱动方式存在装置集成度低，电机推力密度低，气体弹簧与电机推力匹配度低等问题。

因此，如何提供一种具有集成度高、电机推力密度高、抗振动冲击、高动态响应等优点的末端执行器的驱动装置，是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种气电集成驱动装置，从而克服现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供一种末端执行器及机器人。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种气电集成驱动装置，包括基座及安装于基座上的电机和气体弹簧，所述气体弹簧集成于所述电机内，所述电机包括动子组件和定子组件，所述动子组件包括内永磁体组件和外永磁体组件，所述定子组件包括线圈组件，所述气体弹簧、内永磁体组件、线圈组件和外永磁体组件均为同心圆结构，且四者由内向外依次设置，所述线圈组件与所述基座固定连接，所述动子组件相对所述定子组件上下滑动，所述气体弹簧的一端固定于所述基座上，另一端与所述动子组件相连。

在一优选实施例中，所述内永磁体组件包括内框架和安装于内框架上的内永磁体，所述外永磁体组件包括外框架和安装于外框架上的外永磁体，所述内框架位于气体弹簧外，所述外框架位于内框架外，所述线圈组件位于内永磁体和外永磁体之间。

在一优选实施例中，所述内永磁体和外永磁体均为单块永磁体或者由多块永磁体形成的永磁体阵列。

在一优选实施例中，所述永磁体阵列采用哈尔巴赫阵列，且沿着电机轴向方向，内永磁体阵列和外永磁体阵列形成一对哈尔巴赫阵列。

在一优选实施例中，所述内永磁体阵列的永磁体的充磁方向依次按照逆时针旋转90°或其它能整除360°的因子，所述外永磁体阵列的永磁体充磁方向依次按照顺时针旋转90°或其它能整除360°的因子。

在一优选实施例中，所述气体弹簧的高度与电机轴向长度相同。

本发明所采用的技术方案包括：一种末端执行器，包括末端动平台和至少一组末端执行装置，每组所述末端执行装置包括所述的气电集成驱动装置和传动结构，所述传动结构包括至少一个滑动机构和至少一根运动链，所述滑动机构与电机的动子组件相连，所述运动链一端与所述滑动机构相连，另一端与所述末端动平台相连。

在一优选实施例中，所述末端执行器包括三组末端执行装置，所述三组末端执行装置共用一基座，且在所述基座上周向分布。

在一优选实施例中，所述传动结构包括两个滑动机构和两根运动链，两个滑动机构分别设置于电机侧两侧，每根运动链的一端与一个滑动机构相连，另一端与末端动平台相连，所述末端动平台的底面、两根运动链和电机的顶面构成平行四边形。

在一优选实施例中，所述滑动机构包括滑块和导轨，所述导轨与基座固定连接，所述滑块与导轨滑动连接，且所述滑块与电机的动子组件和运动链均相连接。

本发明所采用的技术方案包括：一种机器人，包括上述的末端执行器。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

1、本发明结合气体驱动与电气驱动的优点，将气电集成驱动装置集成设计音圈电机及其内的气囊式空气弹簧，形成内气体弹簧外电机的紧凑结构，并且气体弹簧的推力与电机推力匹配，使得驱动装置的整体具有集成度高，推力密度高、减振动冲击、高动态响应等优点。另外采用哈尔巴赫永磁阵列，减少永磁体及其框架的总质量以及线圈质量。

2、本发明采用包括滑动机构和平行四边形运动链的传动结构，在提高传动结构刚度的同时也能起到误差均化的作用，有利于保证末端执行器力控操作的精度。

3、线圈与基座相连有利于散热，减少电机热量对气体弹簧的影响，提高系统稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施方式中气电集成末端执行器总体结构示意图；

图2是本发明一实施方式中气电集成驱动装置的剖视结构示意图；

图3是本发明一实施方式中哈尔巴赫阵列的磁力线分布示意图；

图4是本发明一实施方式中气电集成驱动装置的驱动方向示意图。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明所揭示的一种气电集成驱动装置、末端执行器及机器人，通过将气体弹簧集成于电机内，形成内气体弹簧外电机的紧凑结构，并且气体弹簧的推力与电机推力匹配，使得驱动装置的整体具有集成度高，推力密度高、减振动冲击、高动态响应等优点。

如图1所示，本发明所揭示的一种末端执行器，包括基座5、末端动平台4和位于基座5和末端动平台4之间的三组末端执行装置，基座5和末端动平台4相平行，且两者均呈圆盘状，基座5的外径大于末端动平台4的外径。

三组末端执行装置在基座5上周向均匀分布，即呈120°圆周对称分布。每组末端执行装置包括气电集成驱动装置1和传动结构，气电集成驱动装置1设置于基座5上，传动结构连接气电集成驱动装置1和末端动平台4。

如图2所示，每个气电集成驱动装置1包括电机和集成于电机内的气体弹簧11，其中，电机采用中空圆筒型音圈电机，具体包括动子组件和定子组件，动子组件可相对定子组件上下运动，其具体包括内永磁体组件和与内永磁体组件连接的外永磁体组件，定子组件包括线圈组件，其中，气体弹簧11、内永磁体组件、线圈组件和外永磁体组件均为同心圆结构，且四者由内向外依次设置。内永磁体组件具体包括内框架12a和安装于内框架12a上的内永磁体12b，内框架12a位于气体弹簧11外，且与气体弹簧11同心设置，内永磁体12b安装于远离气体弹簧11的外侧面上。外永磁体组件具体包括外框架14a和安装于外框架14a上的外永磁体14b，外框架14a位于内框架12a外，且与内框架12a同心设置，外永磁体14b安装于外框架14a靠近内框架12a的那一内侧面上。实施时，内永磁体12b和外永磁体14b可以均为单块永磁体，或者也可以由多块永磁体形成的永磁体阵列。如为多块永磁体形成的永磁体阵列时，永磁体阵列可以采用哈尔巴赫阵列，且沿着电机轴向方向，内永磁体阵列和外永磁体阵列形成一对哈尔巴赫阵列。如，内永磁体阵列的永磁体的充磁方向依次按照逆时针旋转90°或其它能整除360°的因子，外永磁体阵列的永磁体充磁方向依次按照顺时针旋转90°或其它能整除360°的因子，本实施例中，内永磁体阵列的永磁体的充磁方向依次按照逆时针旋转90°，外永磁体阵列的永磁体充磁方向依次按照顺时针旋转90°，在其他实施例中，内永磁体阵列和外永磁体阵列的永磁体充磁方向可以分别依次按照逆时针旋转45°和顺时针旋转45°。如图3所示，为本实施例的哈尔巴赫阵列的磁力线分布示意图，由于哈尔巴赫阵列对空间磁场的调制作用，由内框架上的内永磁体12b与外框架上的外永磁体14b激励的磁力线形成回路，并且经过线圈13。当线圈13中通入电流时，根据洛伦兹原理，线圈13与内永磁体12b和外永磁体14b之间将产生电磁相互作用力，其大小与电流成正比。

且实施时，永磁体可以采用磁环整体充磁，也可以采用磁瓦拼接成为环形永磁体。

线圈组件设置于内永磁体组件和外永磁体组件之间，具体嵌套入内永磁体组件的内永磁体12b和外永磁体组件的外永磁体14b之间，且线圈组件与内永磁体组件和外永磁体组件之间均形成有均匀的气隙，且线圈组件与基座4固定连接，其与内永磁体组件、外永磁体组件和气体弹簧11均同心设置。线圈组件具体包括线圈骨架和绕于线圈骨架上的线圈13。实施时，电机的内框架12a和外框架14a和线圈组件的线圈骨架可以采用碳纤维等高强度材料。且线圈13内部可以增加用于降温的水冷结构(图未示)。

气体弹簧11采用气囊式空气弹簧，其外径略小于电机内径，且其一端与基座5固定连接，另一端与动子组件相连，因此动子组件上的受力为电机的线圈组件与动子组件之间的电磁力和气体弹簧11回复力的总和。且气体弹簧11的高度与电机轴向长度相同。另外，气体弹簧11可以与附加的气室(图未示)相连通，气室用于给气体弹簧11内的腔室提供气体。在其他实施例中，气体弹簧11也替换为气缸或者气动肌肉。

本发明的气电集成驱动装置1集成设计音圈电机及其内的气囊式空气弹簧，形成内气体弹簧外电机的紧凑结构，并且气体弹簧11的推力与电机推力匹配，使得驱动装置的整体集成度高，推力密度高。

传动结构具体包括至少一个滑动机构和至少一根运动链，本实施例中，传动结构包括第一滑动机构21、第二滑动机构22、第一运动链31和第二运动链32，其中，第一滑动机构21、第二滑动机构22分别设置于气电集成驱动装置1两侧，每个滑动机构包括滑块和导轨，其中，导轨与基座5固定连接，滑块与导轨滑动连接，且滑块与电机的动子组件和运动链均相连接，滑块在动子组件的驱动下沿着导轨进行上下滑动。每根运动链对应与一个滑动机构相连，具体地，第一运动链31的一端与第一滑动机构21的滑块相连，另一端与末端动平台4相连，第二运动链32的一端与第一滑动机构22的滑块相连，另一端与末端动平台4相连，且本实施例中，末端动平台4的底面、第一运动链31、第二运动链32和电机的顶面之间构成或近似构成平行四边形。运动链采用的是虎克铰连杆，虎克铰连杆具体包括连杆本体和位于连杆本体两端的两个虎克铰，其中一个虎克铰与电机的顶面相连，另一个虎克铰与末端动平台4相连。本发明的传动结构(包括滑动机构和平行四边形运动链)，在提高传动结构刚度的同时也能起到误差均化的作用，有利于保证末端执行器力控操作的精度。

本发明的气电集成驱动装置1作为主动P关节提供驱动力，驱动方向如图4所示的箭头方向，在气电集成驱动装置1的驱动下，通过运动链的传递，末端动平台能够在空间X、Y、Z三个平移方向运动。

本发明所揭示的一种机器人，包括上述末端执行器。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种气电集成驱动装置，其特征在于，所述装置包括基座及安装于基座上的电机和气体弹簧，所述气体弹簧集成于所述电机内，所述电机包括动子组件和定子组件，所述动子组件包括内永磁体组件和外永磁体组件，所述定子组件包括线圈组件，所述气体弹簧、内永磁体组件、线圈组件和外永磁体组件均为同心圆结构，且四者由内向外依次设置，所述线圈组件与所述基座固定连接，所述动子组件相对所述定子组件上下滑动，所述气体弹簧的一端固定于所述基座上，另一端与所述动子组件相连。

2.根据权利要求1所述的气电集成驱动装置，其特征在于，所述内永磁体组件包括内框架和安装于内框架上的内永磁体，所述外永磁体组件包括外框架和安装于外框架上的外永磁体，所述内框架位于气体弹簧外，所述外框架位于内框架外，所述线圈组件位于内永磁体和外永磁体之间。

3.根据权利要求2所述的气电集成驱动装置，其特征在于，所述内永磁体和外永磁体均为单块永磁体或者由多块永磁体形成的永磁体阵列。

4.根据权利要求3所述的气电集成驱动装置，其特征在于，所述永磁体阵列采用哈尔巴赫阵列，且沿着电机轴向方向，内永磁体阵列和外永磁体阵列形成一对哈尔巴赫阵列。

5.根据权利要求4所述的气电集成驱动装置，其特征在于，所述内永磁体阵列的永磁体的充磁方向依次按照逆时针旋转90°或其它能整除360°的因子，所述外永磁体阵列的永磁体充磁方向依次按照顺时针旋转90°或其它能整除360°的因子。

6.根据权利要求1所述的气电集成驱动装置，其特征在于，所述气体弹簧的高度与电机轴向长度相同。

7.一种末端执行器，其特征在于，包括末端动平台和至少一组末端执行装置，每组所述末端执行装置包括上述权利要求1～6任意一项所述的气电集成驱动装置和传动结构，所述传动结构包括至少一个滑动机构和至少一根运动链，所述滑动机构与电机的动子组件相连，所述运动链一端与所述滑动机构相连，另一端与所述末端动平台相连。

8.根据权利要求7所述的末端执行器，其特征在于，所述末端执行器包括三组末端执行装置，所述三组末端执行装置共用一基座，且在所述基座上周向分布。

9.根据权利要求7所述的末端执行器，其特征在于，所述传动结构包括两个滑动机构和两根运动链，两个滑动机构分别设置于电机侧两侧，每根运动链的一端与一个滑动机构相连，另一端与末端动平台相连，所述末端动平台的底面、两根运动链和电机的顶面构成平行四边形。

10.一种机器人，其特征在于包括权利要求7～9中任意一项所述的末端执行器。

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