CN113927588A - 一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，包括多根曲杆以及拉索，其中一根曲杆上铰接多根拉索，且多个曲杆之间通过拉索连接形成曲杆张拉整体形式的中空的外框架，该外框架内固设有一绝缘球壳且其内置铁球，沿所述曲杆的内表面走向设有电磁组件，曲杆内设有控制电源，进而给予相应曲杆位置的电磁组件通电，以产生磁场吸引铁球，使整个结构的重心向铁球运动方向偏移实现运动。本发明基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人相较于传统直杆张拉整体可动结构在形状更接近球体，无需通过改变索长或杆长，仅需控制相应位置的电磁通电与否即可改变结构重心实现运动/移动目的，呈现出腿式和轮式机器人所没有的特性。

Description

一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人

技术领域

本发明涉及预应力索杆结构技术领域，具体为一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人。

背景技术

张拉整体结构是一种离散的压杆与连续的拉索组成的新型空间结构体系，其因具有轻质高强、结构简单、环境鲁棒性高且可变形的特点被广泛应用到多个学科领域。

因此，如专利号为CN107953326A，公开了名为“一种基于绳索驱动的球形机器人弹性展开结构”，包括固定装置、驱动装置、传动装置以及展开装置，使用绳索驱动和弹性结构可以极大的减轻展开结构的体积和重量，从而进一步增加展开结构的承载能力，有利于实现展开结构的高速运动和快速响应；同时，降低了对零件精度和装配的要求，便于拆卸、维护和组装。但是该机器人在行过程中，属于腿式的机器人，其转动点位于整体中间，其重心位置单一始终保持不变，对于特殊地势而言运动缓慢且不稳定、运动有死角。

为了解决上述问题，本案由此而生。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，包括多根曲杆，其中一根曲杆上铰接多根拉索，且多个曲杆之间通过拉索连接形成曲杆张拉整体形式的中空的外框架，该外框架内固设有一绝缘球壳且其内置铁球，沿所述曲杆的内表面走向设有电磁组件，曲杆内设有控制电源，进而给予相应曲杆位置的电磁组件通电，以产生磁场吸引铁球，使整个结构的重心向铁球运动方向偏移实现运动。

优选的，形成的所述外框架由6根曲杆、24根拉索和12个铰接节点组成，每个节点都连接有4根拉索和1根曲杆，每根曲杆向外弯曲突出，弧度选为120°，进而内部形成一个球形空间，外部形成类球体形状的外框架。静置时，根据不同地形具有多根(如平地时为一根即可，坑洼地势可为3根支撑)曲杆上的适配点位进行支撑形成整体平衡态。

优选的，所述绝缘球壳的外部开设有多个插槽，其中每个曲杆内缘的两侧均设有插扣，插槽开设的位置与插扣一一对应，以将绝缘球固定于外框架内。

优选的，所述曲杆采用刚性材质，且形成的整体结构内部中空。

优选的，所述曲杆为绝缘保护外壳，绝缘保护外壳的两端各有一个控制盒，内置驱动所需的电源和控制器，电磁组件置于绝缘保护外壳上，所述绝缘保护外壳内置磁芯，磁芯上缠绕线圈形成电磁铁。

优选的，每根所述曲杆分为两边和中间三个部分，其中设于曲杆两端的电源盒控制器相互独立，左侧和右侧曲杆部分在磁芯上分别缠绕有线圈，中间独立缠绕两股线圈，且每股线圈分别接通一端电源和控制器，左端可单独控制左侧或中部，也可同时控制两部分，右端可单独控制左侧或中部，也可同时控制两部分，便于灵活控制结构运动。

优选的，所述磁芯高于两边的线圈，其截面为类T形，磁芯的磁芯翼缘大于两边磁芯，并向两边延伸，磁芯磁芯腹板为圆柱形，用于缠绕环形线圈。

优选的，所述磁芯采用软铁、硅钢片材料中的其中一种，磁芯翼缘外表面为内凹的长条弧形。

(三)有益效果

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具备以下优点：本发明一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人相较于传统直杆张拉整体可动结构，在形状上更接近球体但又具有纯球体不具备的运动特性，且使用时无需通过改变索长或杆长，仅需控制相应位置的电磁通电与否即可改变结构重心实现运动/移动目的，呈现出腿式和轮式机器人所没有的运动灵活、运动稳定无死角的特性。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明曲杆结构示意图；

图3为本发明曲杆拆解示意图；

图4为本发明曲杆左右部分示意图；

图5为本发明曲杆结构剖面中部截取示意图；

图6为本发明绝缘球壳结构示意图；

图7为本发明绝缘球壳结构剖切示意图；

图8为本发明初始平衡态示意图；

图9为本发明控制整体向一侧运动过程示意图；

图10为本发明控制整体向另一侧运动后示意图；

图11为本发明控制整体向另一侧运动过程示意图；

图12为本发明控制整体向另一侧运动后示意图。

图中：1、曲杆；2、拉索；3、绝缘球壳；4、铁球；5、插扣；6、磁芯；7、线圈；8、磁芯翼缘；9、磁芯腹板；10、控制盒；11、插槽。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。

如图1-7所示：一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，主体结构是曲杆张拉整体形式的外框架，由主体结构部分的6根呈弧形的曲杆1、24根拉索2和12个铰接节点组成，每根弧杆向外突出，内部形成一个球形空间。本发明整个运动结构包括6曲杆1张拉整体机器人由6根弧形电磁铁、1个轻质高强的绝缘球壳3、一个实心铁球4、24根根刚性拉索2和用于固定绝缘球壳3的拉索2组成，通过曲杆1两端的控制电源给对应电磁铁位置的线圈7通电，产生磁场，形成电磁铁，吸引铁球4，使整个结构的重心向铁球4运动方向偏移，实现运动。

形成的六杆曲杆张拉整体可动结构具有一定的抗压、抗冲击性，可为机器人自身及携带载荷提高保护，具有较高的结构稳定性和运动稳定性。

曲杆1通过耳板与拉索2相连，整个运动结构的构件为刚性。

目前已见的张拉整体可动结构多是通过改变索长或杆长来使结构重心偏移实现运动，内部空间时常发生变化，不稳定，本发明的结构无需改变杆长或索长便可实现结构运动，保证结构稳定性和运动稳定性。

该结构制作简单，可快速拆卸和安装，运输十分方便。当要使用时，可运输构件到现场就地现场安装，当结构使用完成时可以将整个结构拆成弧形电磁铁、薄壳、铁球4、拉索2四个部分方便储存和运输。

具体描述如下：

如图1所示，本发明6杆曲杆张拉整体结构由6根曲杆1、24根拉索2，杆端每个节点都连接有4根拉索2，通过传统6杆直杆张拉整体结构确定结构构型。

如图2所示，本发明所述的6杆曲杆张拉整体机器人，整个结构由6根弧形电磁铁(由曲杆1改制而成)、1个改变重心球，24根拉索2和用于固定绝缘球壳3的拉索2组成，通过曲杆1两端的控制电源给对应弧杆位置的线圈7通电，产生磁场，形成电磁铁，吸引铁球4，使整个结构的重心向铁球4运动方向偏移，实现运动。

如图3所示，电磁组件，其主体由控制盒10、绝缘保护外壳、磁芯6组成，内部磁芯6还缠绕着线圈7，整个电磁铁曲杆1可分为两端和中间三个部分，两端各有一个控制盒10，内部用来放置驱动所需的电源和控制器，两端电源相互不接通，左端电源与左边弧杆和中部接通，右端电源与右边弧杆和中部接通，在中部两端电源不接通。电源可以分别给每个部分供电也可以同时给两个部分供电。

在控制盒10与电磁铁弧杆之间设有端部封盖。

磁芯6为软铁或硅钢等材质，使电磁铁在断电后可以快速消磁，减少涡流生热。

进一步地，为了更好地吸引铁球4，外表面设计成凹形，中部电磁铁部分单独设置，磁芯6高于两边的线圈7，保证中部有足够的磁性。

如图4所示，两边的弧形电磁铁的磁芯6为截面是类T形的长条弧形磁芯6，线圈7缠绕在磁芯6上，组成电磁铁主体，外部的绝缘保护外壳为槽型，用于保护外壳，同时防止内部铁芯线圈7通电形成磁场时吸引外部环境中的导磁体，影响结构的运动。

在绝缘保护外壳底部还设置有线孔，用于控制盒10中的控制器和电源控制中部电磁铁。

如图3-4所示(曲杆1中部截取图)，中部电磁铁由绝缘保护外壳、磁芯6、线圈7组成，外部的绝缘保护外壳(与两边的绝缘保护外壳是一个整体，为了便于观察，截取了中间部分)外方内圆的中空绝缘壳体，起着绝缘和保护的作用，内部磁芯6为软铁材料，整体为类T形，为了更好的吸引铁球4，磁芯翼缘8外表面为凹形，且磁芯翼缘8大于两边磁芯6，并向两边延伸一段距离。磁芯腹板9为圆柱形，用于缠绕环形线圈7，中部电磁铁的线圈7分为两股，环形缠绕，两端电源通过线孔控制一股线圈7保证中部电磁铁通电时的产生的磁性强与两边，使整个结构可以更好的运动。

如图6-7所示，改变重心球外部为一个带插槽的球体，其由轻质高强绝缘薄球壳和内置的实心铁球4组成，绝缘薄球壳通过表面插槽与曲杆1相应侧内设的插扣5连接，进而固定在整个结构内部。实心铁球4位于球壳内部，当电磁铁给电源通电时，电磁铁产生磁性，吸引铁球4在薄壳中往磁性方向运动，整个结构重心发生偏移，实现机器人运动。

具体讲述张拉整体机器人控制运动过程机器工作原理如下：

如附图5所示，每根所述曲杆分为两边和中间三个部分，其中设于曲杆两端的电源盒控制器相互独立，左侧和右侧曲杆部分在磁芯上分别缠绕有线圈，中间独立缠绕两股线圈，且每股线圈分别接通一端电源和控制器，左端可单独控制左侧或中部，也可同时控制两部分，右端可单独控制左侧或中部，也可同时控制两部分，便于灵活控制结构运动。

当向前运动时，接通正前方曲杆1中部电源，吸引铁球4滚向前进方向，结构每翻滚90°，进行通电变换控制，使铁球4始终保持在前进方向，向前方滚动(理想状态)。参见如下附图7-11所示，为了便于理解，以标号11、12、13分别代表1号弧杆的三个部分，21、22、23分别代表1号弧杆的三个部分，31、32、33分别代表1号弧杆的三个部分，并依次类推。

参见图8，球由于自重位于底部作为初始状态。

参见图9-10，1号曲杆1的下端电源同时给1号杆12和13部分通电，上端电源也给13部分通电，铁球4被吸引向前滚动，整个结构由于重心偏移向前运动。

参见图11，当铁球4经过13部分时，断开之前的连接，11部分端的电源接通11部分线圈7，同时3号杆两端电源接通33部分线圈7，使得铁球4运动前进。

参见图12，当铁球4经过33部分时，2号曲杆1的下端电源同时给21部分和23部分通电，上端电源也给23部分通电，保证小球前滚状态。

其中每半圈为一循环，通过通、断各部分电源，保持铁球4静止或者在不同的方向运动。

当结构要向左前方或右前方运动时，可同时给5号曲杆1或6号曲杆1部分通电，控制运动方向。

以上所述依据实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项使用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：包括多根曲杆，其中一根曲杆上铰接多根拉索，且多个曲杆之间通过拉索连接形成曲杆张拉整体形式的中空的外框架，该外框架内固设有一绝缘球壳且其内置铁球，沿所述曲杆的内表面走向设有电磁组件，曲杆内设有控制电源，进而给予相应曲杆位置的电磁组件通电，以产生磁场吸引铁球，使整个结构的重心向铁球运动方向偏移实现运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：形成的所述外框架由6根曲杆、24根拉索和12个铰接节点组成，每个节点都连接有4根拉索和1根曲杆，每根曲杆向外弯曲突出，弧度选为120°，进而内部形成一个球形空间，外部形成类球体形状的外框架。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：所述绝缘球壳的外部开设有多个插槽，其中每个曲杆内缘的两侧均设有插扣，插槽开设的位置与插扣一一对应，以将绝缘球固定于外框架内。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：所述曲杆采用刚性材质，且形成的整体内部中空。

5.根据权利要求4所述的一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：所述绝缘保护外壳的两端各有一个控制盒，内置驱动所需的电源和控制器，所述电磁组件置于曲杆内，其包括内置的磁芯，磁芯上缠绕线圈形成电磁铁。

6.根据权利要求5所述的一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：每根所述曲杆分为两边和中间三个部分，其中设于曲杆两端的电源盒控制器相互独立，左侧和右侧曲杆部分在磁芯上分别缠绕有线圈，中间独立缠绕两股线圈，且每股线圈分别接通一端电源和控制器，左端可单独控制左侧或中部，也可同时控制两部分，右端可单独控制左侧或中部，也可同时控制两部分，便于灵活控制结构运动。

7.根据权利要求5所述的一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：所述磁芯高于两边的线圈，其截面为类T形，磁芯的磁芯翼缘大于两边磁芯，并向两边延伸，磁芯腹板为圆柱形，用于缠绕环形线圈。

8.根据权利要求7所述的一种基于电磁组件滚球驱动的曲杆张拉整体机器人，其特征在于：所述磁芯采用软铁、硅钢片材料中的其中一种，磁芯翼缘外表面为内凹的长条弧形。

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