CN116742917A - 电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，包括：定子、动子和连接机构；动子可转动地设置于连接机构内，动子沿第一方向在第一预设转动幅度内相对于连接机构转动；定子置于连接机构外，连接机构与定子可转动地连接，定子保持不动，连接机构沿第二方向在第二预设转动幅度内相对于定子转动；动子产生磁场，该磁场与定子通电后产生的磁场相互作用驱动动子沿第一方向和第二方向转动。本发明利用安培力原理产生驱动力矩驱动动子两轴偏摆转动，实现了末端执行器沿被加工件表面几何特性的径向浮动，提高了力控精度和响应速度，并可应用于打磨机器人，能对不同表面形状的工件进行两自由度高精度打磨，提高抛磨质量、精度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人与智能制造技术领域，具体而言，涉及一种电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器。
背景技术
目前，在工业制造过程中，工件的打磨是加工零件的必备步骤之一，尤其是对于复杂表面的工件，对于打磨精度和打磨力控制要求较高。现有的打磨操作通常采用机器人来打磨，在打磨时，机器人使用旋转刚性磨头对复杂表面的工件进行打磨，但是旋转刚性磨头难以自适应于复杂曲面和局部特殊形状的工件表面，因此操作精度和效率不高。并且，虽然，机器人手臂能够实现多轴精确定位，但是机器人没有浮动功能，面对复杂的加工表面时，仅依靠机械臂运动进行加工，容易产生振动和误差，无法保证打磨精度。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种响应速度快、力控精度高、推力密度大、出力线性度好并且具有浮动功能的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，旨在解决现有技术中打磨机器人在面对复杂的加工表面时打磨精度低的问题。
本发明提出了一种电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，包括：定子、动子和呈环形的连接机构；其中，动子可转动地设置于连接机构的内部，并且，动子沿第一方向在第一预设转动幅度内相对于连接机构转动；定子置于连接机构的外部，连接机构与定子可转动地连接，定子保持不动，并且，连接机构沿第二方向在第二预设转动幅度内相对于定子转动；动子用于产生磁场，磁场与定子通电后产生的磁场相互作用以驱动动子沿第一方向和第二方向转动。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，动子包括：呈环形的内轭和多个永磁体；其中，各永磁体间隔地设置于内轭的外壁，每个永磁体远离内轭的一侧设置为球面。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，连接机构包括：呈环形的第一连接体、两个第二连接体和至少一个第一限位机构；其中，两个第二连接体分别置于第一连接体内相对的两个位置处，并且，每个第二连接体均与第一连接体可转动地连接；动子设置于两个第二连接体之间且与两个第二连接体相连接；各第一限位机构分别设置于各第二连接体，均用于对动子的转动幅度进行限制。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，每个第二连接体均包括：支架、两个支撑体和两个连接板；其中，支架与第一连接体可转动地连接；两个支撑体的第一端与支架的两个端部一一对应地连接，两个支撑体的第二端与两个连接板一一对应地连接，并且，两个支撑体向第一连接体的中心处延伸；每个连接板均置于相邻两个永磁体之间的间隙内，并且，每个连接板均与内轭可拆卸地连接；和/或，每个第一限位机构均包括：两个呈L型的第一限位板；其中，两个第一限位板的第一端分别设置于支架相对的两侧，两个第一限位板的第二端向远离第一连接体的中心处延伸且分别置于第一连接体的两侧，两个第一限位板的第二端之间的间隙大于第一连接体的宽度。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，定子包括：两个端盖、两个第一导磁结构、至少两个第二导磁结构和至少一个第二限位机构；其中，两个第一导磁结构分别置于第一连接体外相对的两个位置处，并且，两个第一导磁结构所处的位置与两个第二连接体所处的位置为相错设置，每个第一导磁结构均与第一连接体相垂直且可转动地连接，每个第一导磁结构的两个端部分别与两个端盖一一对应地可拆卸连接；各第二导磁结构与各第一导磁结构为并列设置，各第二导磁结构间隔地且可拆卸地设置于两个端盖之间；并且，两个第一导磁结构和各第二导磁结构分别与各永磁体一一对应且具有预设距离；各第二限位机构分别设置于各第二导磁结构，用于对连接机构的转动幅度进行限制。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，每个第一导磁结构均包括：第一外轭、呈球形的第一铜片和两组第一线圈；其中，第一外轭包括：第一安装板、两个第一安装柱和两个第一底板；第一安装板与第一连接体相垂直且可转动地连接，第一安装板的两个端部分别通过两个第一安装柱与两个第一底板相连接，两个第一安装柱均向动子处延伸且分别置于第一连接体的两侧；两组第一线圈一一对应地绕设于两个第一安装柱；每个第一底板远离第一安装柱一面呈球形，第一铜片设置于两个第一底板，并且，第一铜片与对应的永磁体之间具有预设间隙；第一安装板的两个端部与两个端盖一一对应地可拆卸连接。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第一安装板的两个端部分别向外延设有第一插块，每个端盖对应于第一安装板处均开设有第一插接槽，每个第一插块均与对应的第一插接槽相插接并通过螺栓连接；和/或，第一连接体的外壁对应于每个第一安装板处均设置有连接轴，每个连接轴与对应的第一安装板之间通过轴承连接。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，每个第二导磁结构包括：第二外轭、呈球形的第二铜片和两组第二线圈；其中，第二外轭包括：第二安装板、两个第二安装柱和两个第二底板；第二安装板与第一连接体相垂直且具有预设距离，第二安装板的两个端部分别通过两个第二安装柱与两个第二底板相连接，两个第二安装柱向动子处延伸且分别置于第一连接体的两侧；两组第二线圈一一对应地绕设于两个第二安装柱；每个第二底板远离第二安装柱一面呈球形，第二铜片设置于两个第二底板，并且，第二铜片与对应的永磁体之间具有预设间隙；第二安装板的两个端部与两个端盖一一对应地可拆卸连接。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第二安装板的两个端部分别向外延设有第二插块，每个端盖对应于第二安装板处均开设有第二插接槽，每个第二插块均与对应的第二插接槽相插接并通过螺栓连接；和/或，每个第二限位机构均包括：两个第二限位板；其中，两个第二限位板分别设置于第二安装板朝向动子的一面，并且，两个第二限位板之间具有预设距离，以使第一连接体在两个第二限位板之间转动。
进一步地，上述电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，永磁体用于沿内轭的径向充磁，以产生磁场，磁场的磁力线走磁阻最小路径，磁力线从永磁体的外侧达到定子的球形齿面，再穿过气隙后就近回到永磁体。
本发明中，动子沿第一方向在连接机构的内部转动，定子置于连接机构的外部，定子保持不动，连接机构沿第二方向相对于定子转动，动子和定子利用安培力原理产生驱动力矩，直接驱动动子两轴偏摆转动，即实现了动子的两自由度的偏摆运动，进而实现了末端执行器沿着表面几何特性在一定范围内进行径向浮动，提高了力控精度和响应速度，能减少转动过程中各部件之间的摩擦造成的机械误差，提高了工作的可靠性，当末端执行器应用于打磨机器人时，能够在一定范围内进行偏摆运动，进而对工件进行浮动打磨，补偿打磨机器人与工件之间的偏差，精准控制打磨力，提高了打磨精度和打磨效率，并能够对各种不同表面形状的工件进行两自由度高精度打磨，即使是自由曲面等复杂的工件也能够实现自动化抛光打磨，提高了工件表面抛磨质量、精度和效率，缩短了工件抛磨加工时间，降低了企业生产成本，解决了现有技术中打磨机器人在面对复杂的加工表面时打磨精度低的问题。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，动子的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第一连接体的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第二连接体的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，连接结构与动子连接后的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第一外轭的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第一外轭的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第一外轭和端盖安装后的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第一外轭的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器中，第二外轭的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器使用时的结构示意图；
图13为本发明实施例提供的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器的电磁拓扑示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参见图1至图13，图中示出了本实施例中该电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器的优选结构。如图所示，电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器包括：定子、动子1和呈环形的连接机构2。其中，动子1可转动地设置于连接机构2的内部。具体地，动子1置于连接机构2的内部，并且，动子1在连接机构2内可转动，动子是沿第一方向在第一预设转动幅度内相对于连接机构2转动。
具体地，第一方向为与连接机构2所在平面相垂直的方向，即X轴正方向(图12中由左至右的方向)，则动子1在预设转动范围内沿X轴正方向(图12中由左至右的方向)转动。更为具体地，动子1的转动范围并不是绕连接机构2进行360°转动，而是只是在一定范围内进行转动，其转动方向为：与连接机构2所在平面相垂直的方向，即为图6所示的由上至下的方向，则动子1沿图6所示的由上至下的方向上下转动。
定子设置于连接机构2的外部，并且，连接机构2与定子可转动地连接。定子保持不动，则连接机构2沿第二方向在第二预设转动幅度内相对于定子转动。
具体地，第二方向为与定子所在平面相垂直的方向，即Y轴正方向(图12中垂直于纸面向外的方向)，连接机构2在预设转动范围内沿Y轴正方向(图12中垂直于纸面向外的方向)转动。由于连接机构2与动子1相连接，所以连接机构2沿Y轴正方向转动，也即动子1沿Y轴正方向转动，则动子1既可以沿Y轴正方向转动，也可以沿X轴正方向转动，实现了动子1的两轴偏摆转动。更为具体地，连接机构2的转动范围并不是绕定子进行360°转动，而是只是在一定范围内进行转动，其转动方向为：与定子所在平面相垂直的方向转动，即为图9所示的由上至下的方向，即连接机构2沿图9所示的由上至下的方向内上下转动。
定子用于在通电时产生磁场，动子1用于产生磁场，该磁场与定子通电后产生的磁场受到安培力作用，以驱动动子1沿第一方向相对于连接机构2转动，并驱动连接机构2沿第二方向相对于定子转动，由于定子是保持不动的，所以是驱动动子1沿第一方向和第二方向相对于定子转动。
可以看出，本实施例中，动子1沿第一方向在连接机构2的内部转动，定子置于连接机构2的外部，定子保持不动，连接机构2沿第二方向相对于定子转动，动子和定子利用安培力原理产生驱动力矩，直接驱动动子1两轴偏摆转动，即实现了动子1的两自由度的偏摆运动，进而实现了末端执行器沿着表面几何特性在一定范围内进行径向浮动，提高了力控精度和响应速度，能减少转动过程中各部件之间的摩擦造成的机械误差，提高了工作的可靠性，当末端执行器应用于打磨机器人时，能够在一定范围内进行偏摆运动，进而对工件进行浮动打磨，补偿打磨机器人与工件之间的偏差，精准控制打磨力，提高了打磨精度和打磨效率，并能够对各种不同表面形状的工件进行两自由度高精度打磨，即使是自由曲面等复杂的工件也能够实现自动化抛光打磨，提高了工件表面抛磨质量、精度和效率，缩短了工件抛磨加工时间，降低了企业生产成本，解决了现有技术中打磨机器人在面对复杂的加工表面时打磨精度低的问题。
参见图2和图3，上述实施例中，动子1包括：内轭11和多个永磁体12。其中，内轭11呈环形，具体地，内轭11的中心开设有通孔。永磁体12为偶数个，则各永磁体12为成对设置，各永磁体12间隔地设置于内轭11的外壁，并且，相邻两个永磁体12之间具有预设间隙。该预设间隙可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。每个永磁体12远离内轭11的一侧设置为球面，即每个永磁体12的第一侧与内轭11的外壁相连接，每个永磁体12的第二侧为球面。
具体实施时，永磁体12为四个，内轭11的外壁对应于四个永磁体12处设置为平面，内轭11对应于相邻两个永磁体12之间的部位也为平面。
优选的，每个永磁体12均与内轭11的外壁相粘接。
可以看出，本实施例中，动子1的结构简单，便于实施。
参见图4至图6，上述实施例中，连接机构2包括：第一连接体21、两个第二连接体22和至少一个第一限位机构3。其中，第一连接体21呈环形，两个第二连接体22分别置于第一连接体21内相对的两个位置处，并且，每个第二连接体22均与第一连接体21可转动地连接。具体地，两个第二连接体22均置于第一连接体21的内部，两个第二连接体22位于同一直线上，并且，该直线穿过第一连接体21的中心。每个第二连接体22与第一连接体21之间可以通过转轴13和轴承15连接以实现转动。
动子1设置于两个第二连接体22之间，并且，动子1与两个第二连接体22相连接，优选为可拆卸连接。
各第一限位机构3分别设置于各第二连接体22，每个第一限位机构3均用于对动子1的转动幅度进行限制，以使动子1在预设转动范围内自由转动。该预设转动范围可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
每个第二连接体22均可以包括：支架221、两个支撑体222和两个连接板223。其中，支架221与第一连接体21可转动地连接，具体地，支架221上设置有转轴13，第一连接体21对应于每个第二连接体22处开设有通孔211，该通孔211内设置有轴承15，转轴13插设于轴承15内，并且，转轴13与轴承15相连接，以使转轴13与第一连接体21转动连接，即使得支架221可相对于第一连接体21转动。具体实施时，在轴承15的外部安装有轴承端盖14。
具体实施时，轴承15可以为角接触球轴承，轴承端盖14可以为不导磁的铝合金材质。
两个支撑体222的第一端与支架221的两个端部一一对应，每个支撑体222的第一端均与支架221的对应端部相连接。两个支撑体222的第二端与两个连接板223一一对应，每个支撑体222的第二端均与对应的连接板223相连接。具体地，第一连接体21在安装支架221的位置处的形状与支架221的形状相匹配。例如：第一连接体21可以大致呈圆环形，则支架221大致呈弧形。两个支撑体222向第一连接体21的中心处延伸，并且，两个支撑体222相对向内倾斜。
每个连接板223均置于相邻两个永磁体12之间的间隙内，并且，每个连接板223均与内轭11可拆卸地连接。具体地，每个连接板223均夹设于相邻两个永磁体12之间，并且，每个连接板223均与内轭11通过螺栓连接。
具体实施时，永磁体12为四个，四个永磁体12之间形成四个间隙。两个第二连接体22一共具有四个连接板223，四个连接板223一一对应地夹设于四个间隙内。
各第一限位机构3用于对两个第二连接体22的转动幅度进行限位，以使两个第二连接体22在预设转动范围内沿X轴正方向转动。
优选的，参见图5和图6，各第一限位机构3分别设置于两个第二连接体22中的支架221上。具体地，每个支架221上均设置有第一限位机构3。具体实施时，第一限位机构3为四个，每个支架221上均设置有两个第一限位机构3，并且，每个支架221上的两个第一限位机构3分别置于该支架221的两个端部。
每个第一限位机构3均包括：两个第一限位板31。其中，每个第一限位板31均呈L型。两个第一限位板31的第一端分别设置于支架221相对的两侧，两个第一限位板31的第二端相平行，并且，两个第一限位板31的第二端均向远离第一连接体21的中心处延伸，两个第一限位板31的第二端分别置于第一连接体21的两侧，具体地，两个第一限位板31的第二端分别置于第一连接体21宽度方向(图4所示的由上至下的方向)的两侧。两个第一限位板31的第二端之间具有一定的间隙，该间隙大于第一连接体21的宽度(图4所示的宽度D)，以使动子1在两个第一限位板31的第二端之间转动。
具体地，由于两个第一限位板31的第二端之间的间隙大于第一连接体21的宽度，所以支架221转动时带动了第一限位板31的转动，任意一个第一限位板31在碰触到第一连接体21时，即起到了对支架221转动幅度进行限制的作用，则两个第一限位板31的第二端限制了支架221的转动幅度。由于支架221通过两个支撑体222和两个连接板223与内轭11相连接，所以支架221的转动带动了动子1转动，使得动子1可在一定的转动范围内转动。
可以看出，本实施例中，连接机构2和限位机构的结构简单，便于实施。
优选的，每个第二连接体22均包括：支架221、两个支撑体222和两个连接板223；其中，支架221与第一连接体21可转动地连接；两个支撑体2222的第一端与支架221的两个端部一一对应地连接，两个支撑体222的第二端与两个连接板223一一对应地连接，并且，两个支撑体222向第一连接体21的中心处延伸；每个连接板223均置于相邻两个永磁体12之间的间隙内，并且，每个连接板223均与内轭11可拆卸地连接；和/或，每个第一限位机构3均包括：两个呈L型的第一限位板31；其中，两个第一限位板31的第一端分别设置于支架221相对的两侧，两个第一限位板31的第二端向远离第一连接体21的中心处延伸且分别置于第一连接体21的两侧，两个第一限位板31的第二端之间的间隙大于第一连接体21的宽度。
参见图7至图11，上述各实施例中，定子包括：两个端盖5、两个第一导磁结构6、至少两个第二导磁结构7和至少一个第二限位机构4。其中，两个第一导磁结构6分别置于第一连接体21外相对的两个位置处，并且，两个第一导磁结构6所处的位置与两个第二连接体22所处的位置为相错设置。具体地，两个第一导磁结构6均置于第一连接体21的外部，两个第一导磁结构6位于同一直线上，并且，该直线穿过第一连接体21的中心。具体实施时，两个第一导磁结构6所处位置的连线与两个第二连接体22所处位置的连线相垂直。
每个第一导磁结构6均与第一连接体21相垂直，并且，每个第一导磁结构6均与第一连接体21可转动地连接，每个第一导磁结构6的两个端部分别与两个端盖5一一对应，并且，每个第一导磁结构6的每个端部均与对应的端盖5可拆卸地连接。具体地，在第一连接体21未转动时，两个端盖5与第一连接体21相平行，并且，第一连接体21置于两个端盖5之间，两个第一导磁结构6垂直地设置于两个端盖5之间。第一连接体21与第一导磁结构6之间为可转动地连接。
各第二导磁结构7与各第一导磁结构6为并列设置，各第二导磁结构7间隔地设置于两个端盖5之间，并且，每个第二导磁结构7均与两个端盖5可拆卸地连接。具体地，每个第二导磁结构7均垂直地设置于两个端盖5之间，并且，每个第二导磁结构7的两个端部均与两个端盖5一一对应，每个第二导磁结构7的每个端部均与对应的端盖5可拆卸地连接。
两个第一导磁结构6和各第二导磁结构7分别与各永磁体12一一对应且具有预设距离，具体地，第一导磁结构6的数量和第二导磁结构7的数量之和与永磁体12的数量相等，一个第一导磁结构6对应一个永磁体12，一个第二导磁结构7也对应一个永磁体12。每个第一导磁结构6与对应的永磁体12之间均具有一定的距离，每个第二导磁结构7与对应的永磁体12之间也均具有一定的距离，该距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
具体实施时，永磁体12为四个，第一导磁结构6为两个，第二导磁结构7也为两个，两个第一导磁结构6为相对设置，两个第二导磁结构7也为相对设置。
各第二限位机构4分别设置于各第二导磁结构7，各第二限位机构4均用于对连接机构2的转动幅度进行限制，以使连接机构2在预设转动范围内自由转动。该预设转动范围可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。具体地，各第二限位机构4用于对第一连接体21的转动幅度进行限位，以使第一连接体21在预设范围内沿Y轴正方向进行转动。
可以看出，本实施例中，定子的结构简单，便于实施。
参见图7至图9，上述各实施例中，每个第一导磁结构6均包括：第一外轭61、第一铜片62和两组第一线圈63。
第一外轭61包括：第一安装板611、两个第一安装柱612和两个第一底板613。其中，第一安装板611与第一连接体21相垂直，并且，第一安装板611与第一连接体21可转动地连接。具体地，第一连接体21的外壁对应于第一安装板611处设置有连接轴9，连接轴9与第一安装板611之间通过轴承连接。
第一安装板611的两个端部分别通过两个第一安装柱612与两个第一底板613相连接，具体地，第一安装板611的两个端部与两个第一安装柱612的第一端一一对应，第一安装板611的每个端部均与对应的第一安装柱612的第一端相连接。两个第一安装柱612的第二端与两个第一底板613一一对应，每个第一安装柱612的第二端均与对应的第一底板613相连接。两个第一底板613远离第一安装柱612一面呈球形，具体地，每个第一底板613的第一面与第一安装柱612的第二端相连接，每个第一底板613的第二面呈球形。
两个第一安装柱612均向动子1处延伸，并且，两个第一安装柱612相对向内倾斜。两个第一安装柱612分别置于第一连接体21的两侧，并且，两个第一安装柱612之间的间隙大于第一连接体21的宽度。
两组第一线圈63与两个第一安装柱612一一对应，每组第一线圈63均绕设于对应的第一安装柱612。
第一铜片62呈球形，第一铜片62设置于两个第一底板613，并且，第一铜片62与对应的永磁体12之间具有预设间隙，该间隙即为气隙。该预设间隙可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。具体实施时，磁力线切割铜片，产生涡流阻尼力，利用此涡流阻尼能够调控系统阻尼比，提升可控性和稳定性。
具体实施时，两个第一底板613之间具有一定的距离，第一铜片62与两个第一底板613均连接。第一铜片62的球形与永磁体12的球形相匹配。
第一安装板611的两个端部与两个端盖5一一对应，并且，第一安装板611的每个端部均与对应的端盖5可拆卸地连接。
优选的，第一安装板611的两个端部分别向外延设有第一插块8，每个端盖5对应于第一安装板611处均开设有第一插接槽，每个第一插块8均与对应的第一插接槽相插接，并且，第一插块8与对应的端盖5通过螺栓连接。
优选的，第一连接体21的外壁对应于每个第一安装板611处均设置有连接轴9，每个连接轴9与对应的第一安装板611之间通过轴承15连接。具体地，第一连接体21的外壁设置有两个连接轴9，两个连接轴9与两个第一安装板611一一对应。每个第一安装板611均开设有开孔614，该开孔614内设置有轴承15，连接轴9插设于轴承15内且与轴承15相连接，该连接轴9可在轴承15内转动，使得第一连接体21可相对于两个第一安装板611转动。具体实施时，在轴承15的外部安装有轴承端盖14。
具体实施时，轴承15可以为角接触球轴承，轴承端盖14可以为不导磁的铝合金材质。轴承15的使用使得该末端执行器运动时的阻力较小，并且第一限位机构3和第二限位机构4均具有限位功能，防止动子1偏摆角度过大而发生碰撞。
更为优选的，第一安装板611的两个端部分别向外延设有第一插块8，每个端盖5对应于第一安装板611处均开设有第一插接槽，每个第一插块8均与对应的第一插接槽相插接并通过螺栓连接；和/或，第一连接体21的外壁对应于每个第一安装板611处均设置有连接轴9，每个连接轴9与对应的第一安装板611之间通过轴承15连接。
参见图10至图11，上述各实施例中，每个第二导磁结构7包括：第二外轭71、第二铜片72和两组第二线圈73。
第二外轭71包括：第二安装板711、两个第二安装柱712和两个第二底板713。其中，第二安装板711与第一连接体21相垂直，并且，第二安装板711与第一连接体21之间具有预设距离，该预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
第二安装板711的两个端部分别通过两个第二安装柱712与两个第二底板713相连接，具体地，第二安装板711的两个端部与两个第二安装柱712的第一端一一对应，第二安装板711的每个端部均与对应的第二安装柱712的第一端相连接。两个第二安装柱712的第二端与两个第二底板713一一对应，每个第二安装柱712的第二端均与对应的第二底板713相连接。两个第二底板713远离第二安装柱712一面呈球形，具体地，每个第二底板713的第一面与第二安装柱712的第二端相连接，每个第二底板713的第二面呈球形。
两个第二安装柱712均向动子1处延伸，并且，两个第二安装柱712相对向内倾斜。两个第二安装柱712分别置于第一连接体21的两侧，并且，两个第二安装柱712之间的间隙大于第一连接体21的宽度。
两组第二线圈73与两个第二安装柱712一一对应，每组第二线圈73均绕设于对应的第二安装柱712。
第二铜片72呈球形，第二铜片72设置于两个第二底板713，并且，第二铜片72与对应的永磁体12之间具有预设间隙，该间隙即为气隙。该预设间隙可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
具体实施时，两个第二底板713之间具有一定的距离，第二铜片72与两个第二底板713均连接。第二铜片72的球形与永磁体12的球形相匹配。
第二安装板711的两个端部与两个端盖5一一对应，并且，第二安装板711的每个端部均与对应的端盖5可拆卸地连接。
优选的，第二安装板711的两个端部分别向外延设有第二插块10，每个端盖5对应于第二安装板711处均开设有第二插接槽，每个第二插块10均与对应的第二插接槽相插接，并且，第二插块10与对应的端盖5通过螺栓连接。
更为优选的，第二安装板711与两个第二插块10为一体成型。
参见图10至图12，上述各实施例中，各第二限位机构4分别设置于各第二导磁结构7。具体实施时，第二限位机构4的数量与第二导磁结构7的数量相同，并且，各第二限位机构4与各第二导磁结构7一一对应。
每个第二限位机构4均包括：两个第二限位板41。其中，两个第二限位板41分别设置于第二安装板711朝向动子1的一面，并且，两个第二限位板41之间具有预设距离，以使第一连接体21在两个第二限位板41之间转动。具体地，第一连接体21可相对于两个第一外轭61转动，转动过程中，两个第二限位板41之间的间隙限定了第一连接体21的转动范围。
具体实施时，两个第二限位板41之间的预设距离可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
优选的，第二安装板711的两个端部分别向外延设有第二插块10，每个端盖5对应于第二安装板处均开设有第二插接槽，每个第二插块10均与对应的第二插接槽相插接并通过螺栓连接；和/或，每个第二限位机构4均包括：两个第二限位板41；其中，两个第二限位板41分别设置于第二安装板711朝向动子1的一面，并且，两个第二限位板41之间具有预设距离，以使第一连接体21在两个第二限位板41之间转动。
具体实施时，永磁体12可以为钕铁硼材料，第一外轭61和第二外轭71均可以为Q235碳钢。第一线圈63和第二线圈73均可以采用漆包铜线绕制。
具体实施时，永磁体12产生磁场，在线圈通电情况下所形成的磁场内受安培力作用，直接驱动动子1完成两轴偏摆运动，动子1与定子之间靠连接机构2上的轴承15连接，以满足其偏摆运动要求。
将永磁体12视为理想通电螺线管，所处的外部磁场由定子激励，从而产生安培力，永磁动子运动时将带动自身产生的磁力线切割第一铜片和第二铜片，产生涡流阻尼力，利用此涡流阻尼能够调控系统阻尼比，提升可控性和稳定性。
永磁体12沿内轭11的径向充磁，以产生磁场，磁场的磁力线走磁阻最小路径，磁力线从永磁体12的外侧达到定子的球形齿面，再穿过气隙后就近回到永磁体12。其中，定子的球形齿面为定子的第一铜片62所在平面和第二铜片72所在的平面。
具体地，电磁拓扑结构如图13所示，永磁体12可等效为理想螺线管，其充磁方向沿Y轴正方向，根据磁力线走磁阻最小路径的原理，其产生的磁力线应该从永磁体12先到达最近的齿面，后穿过气隙到达对面齿部后，就近回到永磁体12，如图13中黑色箭头线所示。缠绕在外轭上的线圈所提供的与磁场垂直的电流提供了外部磁场，从而产生安培力，通过控制电流大小改变气隙磁场，间接控制电机出力，以达到更好的控制效果。
具体实施时，通过改变内轭11、永磁体12和第二外轭71的尺寸能够有效调制气隙磁密和动子等效电流，形成期望的磁力线环路，提高了永磁体12的利用率。并且，调节第一铜片62的厚度和第二铜片72的厚度可改变系统阻尼系数，从而提供足够的阻尼力。
综上，本实施例中，动子1沿第一方向在连接机构2的内部转动，定子置于连接机构2的外部，定子保持不动，连接机构2沿第二方向相对于定子转动，动子和定子利用安培力原理产生驱动力矩，直接驱动动子1两轴偏摆转动，即实现了动子1的两自由度的偏摆运动，进而实现了末端执行器沿着表面几何特性进行径向浮动，提高了力控精度和响应速度，能减少转动过程中各部件之间的摩擦造成的机械误差，提高了工作的可靠性，当末端执行器应用于打磨机器人时，能够在一定范围内进行偏摆运动，进而对工件进行浮动打磨，补偿打磨机器人与工件之间的偏差，精准控制打磨力，提高了打磨精度和打磨效率，并能够对各种不同表面形状的工件进行两自由度高精度打磨，即使是自由曲面等复杂的工件也能够实现自动化抛光打磨，提高了工件表面抛磨质量、精度和效率，缩短了工件抛磨加工时间，降低了企业生产成本。该末端执行器具有结构简单、动态响应速度快、高线性度等优点，可以保证末端执行器具有高控制精度，并提高了永磁体12利用率，让末端执行器具有高推力密度、高紧凑型的特点，还能提高末端执行器的运行效率。同时，永磁体12的扇形外轭以及圆球型状表面的永磁体12结构，保证了动子1在运动过程中气隙的宽度恒定，使得推力波动稳定。
该电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器的控制方法包括如下步骤：
产生步骤S1，对定子通电，产生磁场。
激励步骤S2，动子中的永磁体产生磁场，磁场在磁场中受到安培力作用，激励动子在连接机构内沿第一方向转动和连接机构沿第二方向相对于定子转动。
具体地，动子中的永磁体产生磁场，在通电的情况下，定子中的第一线圈和第二线圈激励成磁场，永磁体在该磁场内受到安培力作用，直接驱动动子在连接机构内沿第一方向转动和连接机构沿第二方向相对于定子转动，即驱动动子完成两轴偏摆运动。
调控步骤S3，动子在转动过程中带动自身产生的磁力线切割定子，产生涡流阻尼力，以调控阻尼比。
具体地，永磁动子运动时将带动自身产生的磁力线切割第一铜片和第二铜片，产生涡流阻尼力，利用此涡流阻尼能够调控系统阻尼比，提升可控性和稳定性。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示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发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，包括：定子、动子(1)和呈环形的连接机构(2)；其中，
所述动子(1)可转动地设置于所述连接机构(2)的内部，并且，所述动子(1)沿第一方向在第一预设转动幅度内相对于所述连接机构(2)转动；
所述定子置于所述连接机构(2)的外部，所述连接机构(2)与所述定子可转动地连接，所述定子保持不动，并且，所述连接机构(2)沿第二方向在第二预设转动幅度内相对于所述定子转动；
所述动子用于产生磁场，所述磁场与所述定子通电后产生的磁场相互作用以驱动所述动子(1)沿第一方向和第二方向转动。
2.根据权利要求1所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，所述动子(1)包括：呈环形的内轭(11)和多个永磁体(12)；其中，
各所述永磁体(12)间隔地设置于所述内轭(11)的外壁，每个所述永磁体(12)远离所述内轭(11)的一侧设置为球面。
3.根据权利要求2所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，所述连接机构(2)包括：呈环形的第一连接体(21)、两个第二连接体(22)和至少一个第一限位机构(3)；其中，
两个所述第二连接体(22)分别置于所述第一连接体(21)内相对的两个位置处，并且，每个所述第二连接体(22)均与所述第一连接体(21)可转动地连接；
所述动子(1)设置于两个所述第二连接体(22)之间且与两个所述第二连接体(22)相连接；
各所述第一限位机构(3)分别设置于各所述第二连接体(22)，均用于对所述动子(1)的转动幅度进行限制。
4.根据权利要求3所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，
每个所述第二连接体(22)均包括：支架(221)、两个支撑体(222)和两个连接板(223)；其中，所述支架(221)与所述第一连接体(21)可转动地连接；两个所述支撑体(222)的第一端与所述支架(221)的两个端部一一对应地连接，两个所述支撑体(222)的第二端与两个所述连接板(223)一一对应地连接，并且，两个所述支撑体(222)向所述第一连接体(21)的中心处延伸；每个所述连接板(223)均置于相邻两个所述永磁体(12)之间的间隙内，并且，每个所述连接板(223)均与所述内轭(11)可拆卸地连接；和/或，
每个所述第一限位机构(3)均包括：两个呈L型的第一限位板(31)；其中，两个所述第一限位板(31)的第一端分别设置于所述支架(221)相对的两侧，两个所述第一限位板(31)的第二端向远离所述第一连接体(21)的中心处延伸且分别置于所述第一连接体(21)的两侧，两个所述第一限位板(31)的第二端之间的间隙大于所述第一连接体(21)的宽度。
5.根据权利要求3所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，所述定子包括：两个端盖(5)、两个第一导磁结构(6)、至少两个第二导磁结构(7)和至少一个第二限位机构(4)；其中，
两个所述第一导磁结构(6)分别置于所述第一连接体(21)外相对的两个位置处，并且，两个所述第一导磁结构(6)所处的位置与两个所述第二连接体(22)所处的位置为相错设置，每个所述第一导磁结构(6)均与所述第一连接体(21)相垂直且可转动地连接，每个所述第一导磁结构(6)的两个端部分别与两个所述端盖(5)一一对应地可拆卸连接；
各所述第二导磁结构(7)与各所述第一导磁结构(6)为并列设置，各所述第二导磁结构(7)间隔地且可拆卸地设置于两个所述端盖(5)之间；并且，两个所述第一导磁结构(6)和各所述第二导磁结构(7)分别与各所述永磁体(12)一一对应且具有预设距离；
各所述第二限位机构(4)分别设置于各所述第二导磁结构(7)，用于对所述连接机构(2)的转动幅度进行限制。
6.根据权利要求5所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，每个所述第一导磁结构(6)均包括：第一外轭(61)、呈球形的第一铜片(62)和两组第一线圈(63)；其中，
所述第一外轭(61)包括：第一安装板(611)、两个第一安装柱(612)和两个第一底板(613)；所述第一安装板(611)与所述第一连接体(21)相垂直且可转动地连接，所述第一安装板(611)的两个端部分别通过两个所述第一安装柱(612)与两个所述第一底板(613)相连接，两个所述第一安装柱(612)均向所述动子(1)处延伸且分别置于所述第一连接体(21)的两侧；
两组所述第一线圈(63)一一对应地绕设于两个所述第一安装柱(612)；
每个所述第一底板(63)远离所述第一安装柱(612)一面呈球形，所述第一铜片(62)设置于两个所述第一底板(63)，并且，所述第一铜片(62)与对应的永磁体(12)之间具有预设间隙；
所述第一安装板(611)的两个端部与两个所述端盖(5)一一对应地可拆卸连接。
7.根据权利要求6所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，
所述第一安装板(611)的两个端部分别向外延设有第一插块(8)，每个所述端盖(5)对应于所述第一安装板(611)处均开设有第一插接槽，每个所述第一插块(8)均与对应的第一插接槽相插接并通过螺栓连接；和/或，
所述第一连接体(21)的外壁对应于每个所述第一安装板(611)处均设置有连接轴(9)，每个所述连接轴(9)与对应的第一安装板(611)之间通过轴承连接。
8.根据权利要求5所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，每个所述第二导磁结构(7)包括：第二外轭(71)、呈球形的第二铜片(72)和两组第二线圈(73)；其中，
所述第二外轭(71)包括：第二安装板(711)、两个第二安装柱(712)和两个第二底板(713)；所述第二安装板(711)与所述第一连接体(21)相垂直且具有预设距离，所述第二安装板(711)的两个端部分别通过两个所述第二安装柱(712)与两个所述第二底板(713)相连接，两个所述第二安装柱(712)向所述动子(1)处延伸且分别置于所述第一连接体(21)的两侧；
两组所述第二线圈(73)一一对应地绕设于两个所述第二安装柱(712)；
每个所述第二底板(713)远离所述第二安装柱(712)一面呈球形，所述第二铜片(72)设置于两个所述第二底板(713)，并且，所述第二铜片(72)与对应的永磁体(12)之间具有预设间隙；
所述第二安装板(711)的两个端部与两个所述端盖(5)一一对应地可拆卸连接。
9.根据权利要求9所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，
所述第二安装板(711)的两个端部分别向外延设有第二插块(10)，每个所述端盖(5)对应于所述第二安装板处均开设有第二插接槽，每个所述第二插块(10)均与对应的第二插接槽相插接并通过螺栓连接；和/或，
每个所述第二限位机构(4)均包括：两个第二限位板(41)；其中，两个所述第二限位板(41)分别设置于所述第二安装板(711)朝向所述动子(1)的一面，并且，两个所述第二限位板(41)之间具有预设距离，以使所述第一连接体(21)在两个所述第二限位板(41)之间转动。
10.根据权利要求2所述的电磁直驱式机器人径向浮动打磨末端执行器，其特征在于，
所述永磁体(12)用于沿所述内轭(11)的径向充磁，以产生磁场，所述磁场的磁力线走磁阻最小路径，所述磁力线从所述永磁体(12)的外侧达到所述定子的球形齿面，再穿过气隙后就近回到所述永磁体(12)。
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