CN112025760A - 一种电磁驱动机械关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械关节领域，具体涉及一种电磁驱动机械关节，包括：旋转内体、固定外体和轴，旋转内体的外表面为球面；固定外体的内部设置有球形面内腔，固定外体的球形面内腔大小与旋转内体的外表面相适应，以保证旋转内体正好放置于固定外体的球形面内腔内；旋转内体的球心与固定外体的球心重合于一点；所述旋转内体与所述固定外体之间为活动连接，具体地，旋转内体与固定外体之间采用固体润滑方式摩擦接触，当旋转内体在固定外体内部活动时，旋转内体与固定外体存在相对运动，但旋转内体不会脱离固定外体；所述轴刚性连接或焊接于旋转内体上，由旋转内体运动带动轴运动。本发明的电磁驱动机械关节具有绕X、Y、Z三个方向的旋转自由度。

Description

一种电磁驱动机械关节

技术领域

本发明涉及机械关节领域，具体涉及一种电磁驱动机械关节。

背景技术

各种机器人、智能装备在迅猛发展的同时，也对执行器提出了各种的要求，一般执行器性能由驱动电机决定，一个电机可以带来一个方向上的自由度，这意味着想要获得多个自由度往往需要多个电机同时驱动，如现有的工业机械臂，其每个自由度都需要一个单独的驱动电机，这导致其成本高，体积大，同时也增加了控制复杂度。因此，开发具有多自由度的驱动关节替代传统电机，将成为未来的一大研究方向。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种电磁驱动机械关节。

一种电磁驱动机械关节，包括：旋转内体1、固定外体2和轴3，旋转内体1的外表面为球面；固定外体2的内部设置有球形面内腔，固定外体2的球形面内腔大小与旋转内体1的外表面相适应，以保证旋转内体1正好放置于固定外体2的球形面内腔内；旋转内体1的球心与固定外体2的球心重合于一点；所述旋转内体1与所述固定外体2之间为活动连接，具体地，旋转内体1与固定外体2之间采用固体润滑方式摩擦接触，当旋转内体1在固定外体2内部活动时，旋转内体1与固定外体2存在相对运动，但旋转内体1不会脱离固定外体2；所述轴3刚性连接或焊接于旋转内体1上，由旋转内体1运动带动轴3运动。

进一步的，所述旋转内体1包括内体球1-1、第一球缺壳体1-2以及若干内体圆柱形电磁铁1-3；所述内体球1-1为球体形状，内体球1-1正上方设置有一个第一圆孔，所述第一圆孔用于固定轴3；内体球1-1周围设置有若干第二圆孔，第二圆孔的孔半径小于第一圆孔的孔半径，第二圆孔的数量与内体圆柱形电磁铁1-3的数量相对应，所述第二圆孔用于固定内体圆柱形电磁铁1-3，一个第二圆孔固定一个内体圆柱形电磁铁1-3；第一球缺壳体1-2的内半径等于内体球1-1的半径加上内体圆柱形电磁铁1-3的长度减去第三圆孔深度再减去第二圆孔深度；第一球缺壳体1-2的内腔表面均匀设置有若干个用于固定内体圆柱形电磁铁1-3的第三圆孔，第三圆孔的轴线均过内体球1-1球心，第三圆孔与第二圆孔的数量、大小相同，且第三圆孔与对应位置的第二圆孔同轴线，第二圆孔和第三圆孔均为盲孔；内体圆柱形电磁铁1-3的数量与第三圆孔的数量相同，内体圆柱形电磁铁1-3的圆柱半径与第三圆孔的圆孔半径相同；将内体圆柱形电磁铁1-3的两端分别插入内体球1-1的第二圆孔和第一球缺壳体1-2的内腔表面的第三圆孔，以实现内体球1-1、球缺壳体1-2和内体圆柱形电磁铁1-3的固定。

进一步的，第一圆孔的轴线过内体球1-1球心，第二圆孔的轴线均过内体球1-1球心，且满足：第二圆孔成圈状有序排列在内体球1-1周围，将与第一圆孔同轴线的一个第二圆孔视为第0圈，将靠近第0圈的第二圆孔由近到远依次视为第1圈、第2圈、……第N圈，N表示第二圆孔的圈数；第n圈上每一个第二圆孔轴线与第0圈第二圆孔轴线夹角大小均为n*β，1≤n≤N，β表示任意相邻两圈第二圆孔轴线之间的夹角，且β满足90/β＝x，x表示第x圈第二圆孔，且x为正整数，第x圈第二圆孔的轴线均与第0圈第二圆孔的轴线垂直；第二圆孔的圈数N最小为2圈，最大为2x-1圈，同一圈上所有相邻第二圆孔之间的轴线夹角均相等；从第0圈至第x圈，每一圈上的第二圆孔数量依次递增，第x+m圈上的第二圆孔数量等于x-m圈上的第二圆孔数量，m为正整数，且m＜x。

进一步的，所述第一球缺壳体1-2包括第一内体外壳1-2-1和第二内体外壳1-2-2，所述第一内体外壳1-2-1为一球缺壳体1-2的一半，第二内体外壳1-2-2为该第一球缺壳体1-2另一半，第一内体外壳1-2-1和第二内体外壳1-2-2无缝拼接组成完整的第一球缺壳体1-2。

进一步的，所述固定外体2包括第二球缺壳体2-1、第三球缺壳体2-2以及若干外体圆柱形电磁铁2-3，第二球缺壳体2-1的外表面设置有若干用于固定外体圆柱形电磁铁2-3的第四圆孔；第三球缺壳体2-2的内腔表面设置有若干个第五圆孔；第五圆孔的数量、大小与第四圆孔的数量、大小均相同，且第五圆孔与对应位置的第四圆孔同轴线，第四圆孔和第五圆孔均为盲孔；外体圆柱形电磁铁2-3的数量与第五圆孔的数量相同，外体圆柱形电磁铁2-3的圆柱体半径与第四圆孔和第五圆孔的圆孔半径均相同；第三球缺壳体2-2的内腔表面半径等于第二球缺壳体2-1外表面半径加上外体圆柱形电磁铁2-3长度之和减去第四圆孔深度再减去第五圆孔深度，将外体圆柱形电磁铁2-3的两端分别插入第二球缺壳体2-1的第四圆孔和第三球缺壳体2-2的第五圆孔，以实现第二球缺壳体2-1、第三球缺壳体2-2以及若干外体圆柱形电磁铁2-3的固定。

进一步的，第四圆孔的轴线均过内体球1-1球心，第五圆孔的轴线均过内体球1-1球心，且满足：第四圆孔成圈状有序排列在第二球缺壳体2-1外表面，将与第一圆孔同轴线的一个第四圆孔视为第0圈，将靠近第0圈的第四圆孔由近到远依次视为第1圈、第2圈、……第N圈，N表示第四圆孔的圈数；第n圈上每一个第四圆孔轴线与第0圈第四圆孔轴线夹角大小均为n*β，1≤n≤N，β表示任意相邻两圈第四圆孔轴线之间的夹角，且β满足90/β＝x，x表示第x圈第四圆孔，且x为正整数，第x圈第四圆孔的轴线均与第0圈第四圆孔的轴线垂直；第四圆孔的圈数N最小为2圈，最大为2x-1圈，同一圈上所有相邻第四圆孔之间的轴线夹角均相等；从第0圈至第x圈，每一圈上的第四圆孔数量依次递增，第x+m圈上的第四圆孔数量等于x-m圈上的第四圆孔数量，且m为正整数，且m＜x。

进一步的，所述第二球缺壳体2-1包括第一外体内壳2-1-1和第二外体内壳2-1-2，所述第一外体内壳体2-1-1为第二球缺壳体的一半，第二外体内壳2-1-2为该第二球缺壳体的另一半，第一外体内壳2-1-1和第二外体内壳2-1-2无缝拼接组成完整的第二球缺壳体2-1；第三球缺壳体2-2包括第一外体外壳2-2-1和第二外体外壳2-2-2，所述第一外体外壳2-2-1为第三球缺壳体2-2的一半，第二外体外壳2-2-2为该第三球缺壳体另一半，第一外体外壳2-2-1和第二外体外壳2-2-2无缝拼接组成成一个完整的第三球缺壳体2-2。

进一步的，电磁驱动机械关节具有绕X、Y、Z三个方向的旋转自由度，通过分别给部分或全部内体圆柱形电磁铁1-3和外体圆柱形电磁铁2-3通电，以获得想要的电磁力和电磁转矩，控制和驱动旋转内体1绕X、Y、Z三个方向的转动，若内体球1-1上的第二圆孔有N圈，则轴3绕X、Y方向旋转角度可达360-(2*N+1)*β度，绕Z方向旋转角度可达360度。

本发明的有益效果：本发明的电磁驱动机械关节具有绕X、Y、Z三个方向的旋转自由度，使用该电磁驱动机械关节替代机械臂上的电机，可以在不改变机械臂自由度的前提下减少机械臂上的电机使用数量，如传统的六自由度机械臂需要六个电机驱动，而使用本发明的电磁驱动机械关节最少只需要两个就能达到一样的功能；同时该电磁驱动机械关节还可以应用于仿生机器人上，尽管在X、Y方向上的旋转范围有限，但在一定情况下仍能达到和某些生物关节一样的效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的一种电磁驱动关节结构示意图；

图2为本发明实施例的一种旋转内体结构示意图；

图3为本发明实施例的一种固定外体结构示意图；

图4为本发明实施例的一种内体球上初始平面圆孔分布示意图；

图5为本发明实施例的一种电磁驱动机械关节以驱动方式1绕X、Y方向旋转的示意图；

图6为本发明实施例的一种电磁驱动机械关节以驱动方式2绕X、Y方向旋转的示意图；

图7为本发明实施例的一种电磁驱动机械关节以驱动方式3绕X、Y方向旋转的示意图；

图8为本发明实施例的一种电磁驱动机械关节绕Z方向旋转的示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：

1、旋转内体，2、固定外体，3、轴；

1-1、内体球，1-2、第一球缺壳体，1-2-1、第一内体外壳，1-2-2、第二内体外壳，1-3、内体圆柱形电磁铁；

2-1、第二球缺壳体，2-1-1、第一外体内壳，2-1-2、第二外体内壳，2-2、第三球缺壳体，2-2-1、第一外体外壳，2-2-2、第二外体外壳，2-3、外体圆柱形电磁铁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种电磁驱动机械关节，包括：旋转内体1、固定外体2和轴3，旋转内体1的外表面为球面；固定外体2的内部设置有球形面内腔，固定外体2的球形面内腔大小与旋转内体1的外表面相适应，以保证旋转内体1正好放置于固定外体2的球形面内腔内；旋转内体1的球心与固定外体2的球心重合于一点；所述旋转内体1与所述固定外体2之间为活动连接，具体地，旋转内体1与固定外体2之间采用固体润滑方式摩擦接触，当旋转内体1在固定外体2内部活动时，旋转内体1与固定外体2存在相对运动，但旋转内体1不会脱离固定外体2；所述轴3刚性连接或焊接于旋转内体1上，由旋转内体1运动带动轴3运动。

如图2所示，所述旋转内体1包括内体球1-1、第一球缺壳体1-2以及若干内体圆柱形电磁铁1-3，第一球缺壳体1-2的内半径等于内体球1-1的外半径加上内体圆柱形电磁铁1-3的长度之和。所述内体球1-1为球体形状，内体球1-1正上方设置有一个第一圆孔，所述第一圆孔为盲孔，所述第一圆孔用于固定轴3。

内体球1-1周围设置有若干第二圆孔，所有第二圆孔的圆孔半径均保持一致，第二圆孔的数量与内体圆柱形电磁铁1-3的数量相同，所述第二圆孔用于固定内体圆柱形电磁铁1-3，一个第二圆孔内固定一个内体圆柱形电磁铁1-3的一端。

在一个优选实施例中，如图4所示，第一圆孔的轴线过内体球1-1球心，第二圆孔的轴线均过内体球1-1球心，且满足：第二圆孔成圈状有序排列在内体球1-1周围，过内体球1-1球心的横截面上的第二圆孔轴线位于同一平面，称为初始平面，将与第一圆孔同轴线的一个第二圆孔视为第0圈，将靠近第0圈的第二圆孔由近到远依次视为第1圈、第2圈、……第N圈，N表示第二圆孔的圈数；第n圈上每一个第二圆孔轴线与第0圈第二圆孔轴线夹角大小均为n*β，1≤n≤N，β表示任意相邻两圈第二圆孔轴线之间的夹角，且β满足90/β＝x，x表示第x圈第二圆孔，且x为正整数，第x圈第二圆孔的轴线均与第0圈第二圆孔的轴线垂直。第二圆孔的圈数N最小为2圈，最大为2x-1圈，同一圈上所有相邻第二圆孔之间的轴线夹角均相等。从第0圈至第x圈，每一圈上的第二圆孔数量依次递增，第x+m圈上的第二圆孔数量等于x-m圈上的第二圆孔数量，且m为正整数，且m＜x。

在一个优选实施例中，第二圆孔的孔半径小于第一圆孔的孔半径。

第一球缺壳体1-2的内腔表面设置有若干个用于固定内体圆柱形电磁铁1-3的第三圆孔，第三圆孔的轴线均过内体球1-1球心，第三圆孔与第二圆孔的数量、大小均相同，且第三圆孔与内体球1-1上对应位置的第二圆孔同轴线设置。

在一个优选实施例中，第二圆孔和第三圆孔均为盲孔。

所述第一球缺壳体1-2包括第一内体外壳1-2-1和第二内体外壳1-2-2，所述第一内体外壳1-2-1为一球缺壳体1-2的一半，第二内体外壳1-2-2为该第一球缺壳体1-2另一半，第一内体外壳1-2-1和第二内体外壳1-2-2无缝拼接组成完整的第一球缺壳体1-2。

所述球缺壳体1-2包括第一内体外壳1-2-1和第二内体外壳1-2-2，在使用时，先设计好球缺壳体1-2内部的结构构造，并将内部的结构准确连接好后，再将球缺壳体1-2的第一内体外壳1-2-1和第二内体外壳1-2-2进行组合，将球缺壳体1-2内部的结构包裹起来，这样的设计更便于器件的组装，使装配过程更加快捷，此外，使得器件内部的结构装配效果更加精确。

内体圆柱形电磁铁1-3的数量与第三圆孔的数量相同，内体圆柱形电磁铁1-3的圆柱底面半径与第三圆孔的圆孔半径相同；将一个内体圆柱形电磁铁1-3的一端插入内体球1-1的一个第二圆孔中，将该内体圆柱形电磁铁1-3的另一端插入第一球缺壳体1-2内腔表面上与该第二圆孔同轴设置的第三圆孔中，按此方式将所有内体圆柱形电磁铁1-3的两端分别插入内体球1-1的第二圆孔和第一球缺壳体1-2内腔表面上与第二圆孔对应设置的第三圆孔中，以实现内体球1-1、球缺壳体1-2和内体圆柱形电磁铁1-3的固定。

如图3所示，所述固定外体2包括第二球缺壳体2-1、第三球缺壳体2-2以及若干外体圆柱形电磁铁2-3，第三球缺壳体2-2的内腔表面半径等于第二球缺壳体2-1外表面半径与外体圆柱形电磁铁2-3的长度之和减去第四圆孔深度再减去第五圆孔深度。第二球缺壳体2-1的外表面设置有若干用于固定外体圆柱形电磁铁2-3的第四圆孔；第三球缺壳体2-2的内腔表面设置有若干个第五圆孔；第五圆孔的数量、大小与第四圆孔的数量、大小均相同，所有第四圆孔和第五圆孔均为盲孔。

在一个优选实施例中，第四圆孔的轴线均过内体球1-1球心，第五圆孔的轴线均过内体球1-1球心，且第五圆孔与对应位置的第四圆孔同轴线设置，且满足：第四圆孔成圈状有序排列在第二球缺壳体2-1外表面，将与第一圆孔同轴线的一个第四圆孔视为第0圈，将靠近第0圈的第四圆孔由近到远依次视为第1圈、第2圈、……第N圈，N表示第四圆孔的圈数；第n圈上每一个第四圆孔轴线与第0圈第四圆孔轴线夹角大小均为n*β，1≤n≤M，β表示任意相邻两圈第四圆孔轴线之间的夹角，且β满足90/β＝x，x表示第x圈第四圆孔，且x为正整数，第x圈第四圆孔的轴线均与第0圈第四圆孔的轴线垂直；第四圆孔的圈数n最小为2圈，最大为2x-1圈，同一圈上所有相邻第四圆孔之间的轴线夹角均相等；从第0圈至第x圈，每一圈上的第四圆孔数量依次递增，第x+m圈上的第四圆孔数量等于x-m圈上的第四圆孔数量，且m为正整数，且m＜x。

在一个可选实施方式中，第四圆孔的数量、大小与第二圆孔的数量、大小均相同，且第四圆孔与对应位置的第二圆孔同轴线设置。

在一个可选的实施方式中，第四圆孔的数量与第二圆孔的数量相同，第四圆孔的的大小大于第二圆孔的大小，且第四圆孔与对应位置的第二圆孔同轴线设置。

在一个优选实施例中，上述所有圆孔互不重叠，圆孔相互之间留有明显间隙。

外体圆柱形电磁铁2-3的数量与第五圆孔的数量相同，且外体圆柱形电磁铁2-3的圆柱体底面半径与第四圆孔的圆孔半径、第五圆孔的圆孔半径均相同；将一个外体圆柱形电磁铁2-3的一端插入第二球缺壳体2-1的一个第四圆孔中，将该外体圆柱形电磁铁2-3的另一端插入第三球缺壳体2-2内腔表面上与该第四圆孔同轴设置的第五圆孔中，按照此种方式将所有外体圆柱形电磁铁2-3的两端分别插入第二球缺壳体2-1的第四圆孔和第三球缺壳体2-2的第五圆孔，以实现第二球缺壳体2-1、第三球缺壳体2-2以及若干外体圆柱形电磁铁2-3的固定。

在一个实施例中，所述第二球缺壳体2-1包括第一外体内壳2-1-1和第二外体内壳2-1-2，所述第一外体内壳体2-1-1为第二球缺壳体的一半，第二外体内壳2-1-2为该第二球缺壳体的另一半，第一外体内壳2-1-1和第二外体内壳2-1-2无缝拼接组成完整的第二球缺壳体2-1。

第三球缺壳体2-2包括第一外体外壳2-2-1和第二外体外壳2-2-2，所述第一外体外壳2-2-1为第三球缺壳体2-2的一半，第二外体外壳2-2-2为该第三球缺壳体另一半，第一外体外壳2-2-1和第二外体外壳2-2-2无缝拼接组成成一个完整的第三球缺壳体2-2。

第二球缺壳体2-1和第三球缺壳体2-2类似于第一球缺壳体1-1的结构，均采用分半组合的方式，更便于电磁驱动机械关节的组装，使装配过程更加快捷，此外，使得器件内部的结构装配效果更加精确。

在一个优选实施例中，第一球缺壳体1-2、第二球缺壳体2-1、第三球缺壳体2-2的球心与内体球1-1的球心重合于一点。

在一个优选实施例中，第二球缺壳体2-1的内腔表面半径等于第一球缺壳体1-2的外表面半径，以保证旋转内体1正好放置于固定外体2的球形面内腔内。

电磁驱动机械关节具有绕X、Y、Z三个方向的旋转自由度，通过分别给部分或全部内体圆柱形电磁铁1-3和外体圆柱形电磁铁2-3通电，以获得想要的电磁力和电磁转矩，控制和驱动旋转内体1绕X、Y、Z三个方向的转动，若内体球1-1上的第二圆孔有N圈，则轴3绕X、Y两个方向旋转的旋转角度均可达360-(2*N+1)*β度，轴3绕Z方向旋转的旋转角度可达360度。

本发明的电磁驱动机械关节在通电时的工作原理包括：

1)本发明的电磁驱动机械关节绕X、Y方向旋转驱动方式1：如图5所示，分别给第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3通电，使第n圈上连续一半的内体圆柱形电磁铁1-3外端为N极，另一半体圆柱形电磁铁1-3的外端为S极；同时，分别给第n-1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性(或者，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性)；同时，分别给第n+1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电；使靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性(或者，靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性)。通电时，第n圈内体圆柱形电磁铁1-3外端和第n-1圈、第n+1圈的外体圆柱形电磁铁2-3内端的磁极相异，异极相吸，因此内体圆柱形电磁铁1-3外端和外体圆柱形电磁铁2-3内端之间存在相吸磁力。由于外体圆柱形电磁铁2-3在固定外体2内固定不动，内体圆柱形电磁铁1-3受磁力吸引向外体圆柱形电磁铁2-3转动，同时带动旋转内体1转动。若要继续转动，则使原n-1圈和n+1圈上的所有外体圆柱形电磁铁2-3断电，同时分别给第n-2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的第n-2圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的第n-2圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性(或者，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的第n-2圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的第n-2圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性)；分别分别给第n+2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的第n+2圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性(或者，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极的第n+2圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极，靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极的外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性)，受磁力吸引第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3带动旋转内体1继续转动。以此类推，通过连续给不同区域电磁铁通电和断电，由于内体圆柱形电磁铁1-3与外体圆柱形电磁铁2-3之间的相吸磁力可带动旋转内体1持续转动。当通电的第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3的一边超出最大圈数的外体圆柱形电磁铁2-3时，若要继续转动，则最大圈数上对应超出的内体圆柱形电磁铁1-3的外体圆柱形电磁铁2-3通电反向，使其磁极反向，磁力排斥内体圆柱形电磁铁1-3使其移动，而未超出部分仍按原规律通电断电。

2)绕X、Y方向旋转驱动方式2：如图6所示，分别给第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3通电，使第n圈上连续一半的内体圆柱形电磁铁1-3外端为N极朝外，另一半内体圆柱形电磁铁1-3外端为S极朝外，同时分别给第n+1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使得靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极外端的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极朝内(或者，使得靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极外端的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极朝内)，靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极外端的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性(或者，靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极外端的第n+1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性)；同时给第n-1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使得靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极外端的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极朝内(或者，使得靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极外端的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极朝内)，靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极外端的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性(或者，靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极外端的第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端无磁性)，通电时，内体圆柱形电磁铁1-3外端和外体圆柱形电磁铁2-3内端磁极相同，同极相斥，因此内体圆柱形电磁铁1-3外端和外体圆柱形电磁铁2-3内端存在相斥磁力。由于外体圆柱形电磁铁2-3固定在固定外体2内不可移动，内体圆柱形电磁铁1-3受磁力排斥向远离通电的外体圆柱形电磁铁2-3方向移动，从而带动旋转内体1转动。若要继续转动，则使原n+1圈和n-1圈上外体圆柱形电磁铁2-3断电，同时分别给第n圈外体圆柱形电磁铁2-3通电，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极外端的第n圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极朝内(或者，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极外端的第n圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极朝内N极同时，分别给第n圈外体圆柱形电磁铁2-3通电，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3S极外端的第n圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极朝内(或者，使靠近内体圆柱形电磁铁1-3N极外端的第n圈外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极朝内)，由于第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3外端和第n圈外体圆柱形电磁铁2-3内端的相斥磁力作用，第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3带动旋转内体1继续转动，以此类推，通过连续给不同区域电磁铁通电和断电，可带动旋转内体持续转动。当通电的第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3的一边超出最大圈数的外体圆柱形电磁铁2-3时，若要继续转动，则最大圈数上对应超出的内体圆柱形电磁铁1-3的外体圆柱形电磁铁2-3不断电，磁力排斥内体圆柱形电磁铁1-3使其移动，而未超出部分仍按原规律通电断电。

3)绕X、Y方向旋转驱动方式3：如图7所示，分别给第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3通电，使第n圈上连续一半的内体圆柱形电磁铁1-3外端为N极朝外，另一半内体圆柱形电磁铁1-3外端为S极朝外。同时，分别给第n-1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使第n-1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极朝内；给第n+1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使第n+1圈上的外体圆柱形电磁铁2-3内端为N极朝内。通电时，内体圆柱形电磁铁1-3外端受到第n-1圈外体圆柱形电磁铁2-3内端的磁极吸力和第n+1圈上外体圆柱形电磁铁2-3内端的磁极斥力的相互作用，由于外体圆柱形电磁铁2-3在固定外体2内固定不动，内体圆柱形电磁铁1-3受磁极吸力和磁极斥力的相互作用发生转动，从而带动旋转内体转动。若要继续转动，则使原n-1圈和n+1圈上外体圆柱形电磁铁2-3断电，给第n-2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使第n-2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3内端为S极朝内，同时给第n+2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3通电，使第n+2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3内端N极朝内，第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3由于受到第n-2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3内端的磁极吸力和第n+2圈上的外体圆柱形电磁铁2-3内端的磁极斥力，从而带动旋转内体继续转动。以此类推，通过连续给不同区域电磁铁通电和断电，可带动旋转内体持续转动。当通电的第n圈上的内体圆柱形电磁铁1-3的一边超出最大圈数的外体圆柱形电磁铁2-3时，若要继续转动，则最大圈数上对应超出的内体圆柱形电磁铁1-3的外体圆柱形电磁铁2-3通电反向，使其磁极反向，磁力排斥内体圆柱形电磁铁1-3使其移动，而未超出部分仍按原规律通电断电。

4)绕Z方向旋转驱动方式：如图8所示，给第x圈外体圆柱形电磁铁2-3通电，使得连续一半第x圈外体圆柱形电磁铁2-3的内端为N极朝内，另一半第x圈外体圆柱形电磁铁2-3的内端为S极朝内，第x圈外体圆柱形电磁铁2-3的两端对称位置为磁极交接处，且磁极交接处的相邻两个外体圆柱形电磁铁2-3的极性均是N-S；同时分别给第x圈内体圆柱形电磁铁1-3通电，使靠近第x圈外体圆柱形电磁铁2-3N极的内体圆柱形电磁铁1-3外端为S极，靠近第x圈外体圆柱形电磁铁2-3S极的内体圆柱形电磁铁1-3外端为N极，第x圈内体圆柱形电磁铁1-3的两端对称位置为磁极交接处，且磁极交接处的相邻两个内体圆柱形电磁铁1-3的极性均是S-N。控制电磁驱动关节转动时，改变第x圈外体圆柱形电磁铁2-3的其中一端磁极交界处的磁极，使该端磁极交界处的相邻两个外体圆柱形电磁铁2-3极性为N-N，改变另一端磁极交界处的相邻两个外体圆柱形电磁铁2-3极性为S-S，第x圈外体圆柱形电磁铁2-3所产生的磁场发生旋转，从而吸引带动第x圈内体圆柱形电磁铁1-3转动。若要继续旋转，则继续改变交界处的四个外体圆柱形电磁铁2-3极性为N-N和S-S。

5)上述第n圈都为第x圈或靠近第x圈且小于x的圈数。上述实施例描述的驱动方式仅为本发明的一种电磁驱动机械关节的部分简单驱动方式，而非全部的驱动方式，除了上述描述的简单驱动方式外，还可以通过分别给部分或全部内体圆柱形电磁铁1-3和外体圆柱形电磁铁2-3通电改变电磁铁所产生的磁场，获得想要的电磁力和电磁转矩，控制和驱动旋转内体1绕X、Y、Z三个方向的转动。

本发明的附图中仅示出了基于本发明思路的一种方案，但并不表示图中的所有部件数量和相对尺寸均与图中一致，比如：内体圆柱形电磁铁1-3和外体圆柱形电磁铁2-3的数量和规格并不固定，且内体圆柱形电磁铁1-3和外体圆柱形电磁铁2-3可以为不同规格的圆柱形电磁铁，内体球1-1的直径和第一内体外壳1-2-1、第二内体外壳1-2-2、第一外体内壳2-1-1、第二外体内壳2-1-2、第一外体外壳2-2-1、第二外体外壳2-2-2的壳厚也并不固定，本领域技术人员可以根据实际需求合理选择电磁铁数量与规格、内体球直径和各壳厚度。

上述技术方案仅体现了本申请技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本申请的原理，属于本申请的保护范围之内。

当介绍本申请的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“一端”、“内部”、“内”、“外”、“另一端”、“上方”、“一侧”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种电磁驱动机械关节，包括：旋转内体(1)、固定外体(2)和轴(3)，其特征在于，旋转内体(1)的外表面为球面；固定外体(2)的内部设置有球形面内腔，固定外体(2)的球形面内腔大小与旋转内体(1)的外表面相适应，以保证旋转内体(1)正好放置于固定外体(2)的球形面内腔内；旋转内体(1)的球心与固定外体(2)的球心重合于一点；所述旋转内体(1)与所述固定外体(2)之间为活动连接，具体地，旋转内体(1)与固定外体(2)之间采用固体润滑方式摩擦接触，当旋转内体(1)在固定外体(2)内部活动时，旋转内体(1)与固定外体(2)存在相对运动，但旋转内体(1)不会脱离固定外体(2)；所述轴(3)刚性连接或焊接于旋转内体(1)上，由旋转内体(1)运动带动轴(3)运动。

2.根据权利要求1所述的一种电磁驱动机械关节，其特征在于，所述旋转内体(1)包括内体球(1-1)、第一球缺壳体(1-2)以及若干内体圆柱形电磁铁(1-3)；所述内体球(1-1)为球体形状，内体球(1-1)正上方设置有一个第一圆孔，所述第一圆孔用于固定轴(3)；内体球(1-1)周围设置有若干第二圆孔，第二圆孔的孔半径小于第一圆孔的孔半径，第二圆孔的数量与内体圆柱形电磁铁(1-3)的数量相对应，所述第二圆孔用于固定内体圆柱形电磁铁(1-3)，一个第二圆孔固定一个内体圆柱形电磁铁(1-3)；

第一球缺壳体(1-2)的内半径等于内体球(1-1)的半径加上内体圆柱形电磁铁(1-3)的长度减去第三圆孔深度再减去第二圆孔深度；第一球缺壳体(1-2)的内腔表面均匀设置有若干个用于固定内体圆柱形电磁铁(1-3)的第三圆孔，第三圆孔的轴线均过内体球(1-1)球心，第三圆孔与第二圆孔的数量、大小相同，且第三圆孔与对应位置的第二圆孔同轴线，第二圆孔和第三圆孔均为盲孔；

内体圆柱形电磁铁(1-3)的数量与第三圆孔的数量相同，内体圆柱形电磁铁(1-3)的圆柱半径与第三圆孔的圆孔半径相同；将内体圆柱形电磁铁(1-3)的两端分别插入内体球(1-1)的第二圆孔和第一球缺壳体(1-2)的内腔表面的第三圆孔，以实现内体球(1-1)、球缺壳体(1-2)和内体圆柱形电磁铁(1-3)的固定。

3.根据权利要求2所述的一种电磁驱动机械关节，其特征在于，第一圆孔的轴线过内体球(1-1)球心，第二圆孔的轴线均过内体球(1-1)球心，且满足：第二圆孔成圈状有序排列在内体球(1-1)周围，将与第一圆孔同轴线的一个第二圆孔视为第0圈，将靠近第0圈的第二圆孔由近到远依次视为第1圈、第2圈、……第N圈，N表示第二圆孔的圈数；第n圈上每一个第二圆孔轴线与第0圈第二圆孔轴线夹角大小均为n*β，1≤n≤N，β表示任意相邻两圈第二圆孔轴线之间的夹角，且β满足90/β＝x，x表示第x圈第二圆孔，且x为正整数，第x圈第二圆孔的轴线均与第0圈第二圆孔的轴线垂直；第二圆孔的圈数N最小为2圈，最大为2x-1圈，同一圈上所有相邻第二圆孔之间的轴线夹角均相等；从第0圈至第x圈，每一圈上的第二圆孔数量依次递增，第x+m圈上的第二圆孔数量等于x-m圈上的第二圆孔数量，m为正整数，且m＜x。

4.根据权利要求2所述的一种电磁驱动机械关节，其特征在于，所述第一球缺壳体(1-2)包括第一内体外壳(1-2-1)和第二内体外壳(1-2-2)，所述第一内体外壳(1-2-1)为一球缺壳体(1-2)的一半，第二内体外壳(1-2-2)为该第一球缺壳体(1-2)另一半，第一内体外壳(1-2-1)和第二内体外壳(1-2-2)无缝拼接组成完整的第一球缺壳体(1-2)。

5.根据权利要求1所述的一种电磁驱动机械关节，其特征在于，所述固定外体(2)包括第二球缺壳体(2-1)、第三球缺壳体(2-2)以及若干外体圆柱形电磁铁(2-3)，第二球缺壳体(2-1)的外表面设置有若干用于固定外体圆柱形电磁铁(2-3)的第四圆孔；第三球缺壳体(2-2)的内腔表面设置有若干个第五圆孔；第五圆孔的数量、大小与第四圆孔的数量、大小均相同，且第五圆孔与对应位置的第四圆孔同轴线，第四圆孔和第五圆孔均为盲孔；外体圆柱形电磁铁(2-3)的数量与第五圆孔的数量相同，外体圆柱形电磁铁(2-3)的圆柱体半径与第四圆孔和第五圆孔的圆孔半径均相同；第三球缺壳体(2-2)的内腔表面半径等于第二球缺壳体(2-1)外表面半径加上外体圆柱形电磁铁(2-3)长度之和减去第四圆孔深度再减去第五圆孔深度，将外体圆柱形电磁铁(2-3)的两端分别插入第二球缺壳体(2-1)的第四圆孔和第三球缺壳体(2-2)的第五圆孔，以实现第二球缺壳体(2-1)、第三球缺壳体(2-2)以及若干外体圆柱形电磁铁(2-3)的固定。

6.根据权利要求5所述的一种电磁驱动机械关节，其特征在于，第四圆孔的轴线均过内体球(1-1)球心，第五圆孔的轴线均过内体球(1-1)球心，且满足：第四圆孔成圈状有序排列在第二球缺壳体(2-1)外表面，将与第一圆孔同轴线的一个第四圆孔视为第0圈，将靠近第0圈的第四圆孔由近到远依次视为第1圈、第2圈、……第N圈，N表示第四圆孔的圈数；第n圈上每一个第四圆孔轴线与第0圈第四圆孔轴线夹角大小均为n*β，1≤n≤N，β表示任意相邻两圈第四圆孔轴线之间的夹角，且β满足90/β＝x，x表示第x圈第四圆孔，且x为正整数，第x圈第四圆孔的轴线均与第0圈第四圆孔的轴线垂直；第四圆孔的圈数N最小为2圈，最大为2x-1圈，同一圈上所有相邻第四圆孔之间的轴线夹角均相等；从第0圈至第x圈，每一圈上的第四圆孔数量依次递增，第x+m圈上的第四圆孔数量等于x-m圈上的第四圆孔数量，且m为正整数，且m＜x。

7.根据权利要求5所述的一种电磁驱动机械关节，其特征在于，所述第二球缺壳体(2-1)包括第一外体内壳(2-1-1)和第二外体内壳(2-1-2)，所述第一外体内壳体(2-1-1)为第二球缺壳体的一半，第二外体内壳(2-1-2)为该第二球缺壳体的另一半，第一外体内壳(2-1-1)和第二外体内壳(2-1-2)无缝拼接组成完整的第二球缺壳体(2-1)；

第三球缺壳体(2-2)包括第一外体外壳(2-2-1)和第二外体外壳(2-2-2)，所述第一外体外壳(2-2-1)为第三球缺壳体(2-2)的一半，第二外体外壳(2-2-2)为该第三球缺壳体另一半，第一外体外壳(2-2-1)和第二外体外壳(2-2-2)无缝拼接组成成一个完整的第三球缺壳体(2-2)。

8.根据权利要求1-6任一所述的一种电磁驱动机械关节，其特征在于，电磁驱动机械关节具有绕X、Y、Z三个方向的旋转自由度，通过分别给部分或全部内体圆柱形电磁铁(1-3)和外体圆柱形电磁铁(2-3)通电，以获得想要的电磁力和电磁转矩，控制和驱动旋转内体(1)绕X、Y、Z三个方向的转动，若内体球(1-1)上的第二圆孔有N圈，则轴(3)绕X、Y方向旋转角度可达360-(2*N+1)*β度，绕Z方向旋转角度可达360度。

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