CN208246794U - 一种力位独立控制直线型柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种力位独立控制直线型柔性驱动器，包括外壳、前端盖、后端盖、驱动电机、电磁斥力装置和输出端，本驱动器由于利用了磁场力平衡原理调节刚度，做到了位移、力彼此独立的控制。能在人机交互领域、仿生机器人领域、软材料抛光领域、骨骼康复领域等应用场合与软性介质更好的互动，实现刚度固定驱动器所无法满足的调节输出端接触力等需要。

Description

一种力位独立控制直线型柔性驱动器

技术领域

本实用新型属于驱动器装置领域，具体涉及一种力位独立控制直线型柔性驱动器。

背景技术

传统的直线型驱动器多采用刚度近似无穷大的结构，在用于人机交互、仿生机器人等场合时，往往需要输出力可变的弹性驱动效果，这是刚性驱动器无法满足的。现有的一种解决方式是在传统刚性驱动器末端加装弹簧和测力组件，通过改变弹簧的压缩量实现调节输出力效果，但弹簧压缩量调节的机构如需实现足够宽的可调力范围，需要加装导向部件等，设备将占用很大的空间。另一种解决方式是控制弹簧和驱动器轴线的角度，以实现弹簧力在驱动器轴线投影方向上的力可调，然而受到其三角函数关系的影响，变刚度范围和精度要求无法同时满足。因此，变刚度驱动器领域需要一种输出力调节范围大、精度高的直线型驱动器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于利用电磁场力的平衡作用使直线型变刚度驱动器的输出实现精准定位和大范围输出力可调效果。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种力位独立控制直线型柔性驱动器，包括外壳、前端盖、后端盖、驱动电机、电磁斥力装置和输出端，前端盖、后端盖固定安装于外壳内，驱动电机设置于后端盖一侧，并与设置于前端盖、后端盖之间的滚珠丝杠相连接，滚珠丝杠与设置于电磁斥力装置上的丝杠螺母组成丝杠-螺母副，使设置于前端盖、后端盖之间的电磁斥力装置可沿滚珠丝杠及两端与前端盖、后端盖固定连接的固定导轨滑动，输出端设置于前端盖一侧；

所述电磁斥力装置包括2个电磁铁安装座、2组线圈、电源、电磁铁安装座连接柱、永磁铁安装座和一块永磁铁，2块电磁铁安装座可滑动的安装于滚珠丝杠及固定导轨上且分别与2个丝杠螺母固定连接，在2块电磁铁安装座内分别设置有独立与电源连通的2 组线圈，在2个电磁铁安装座之间设置电磁铁安装座连接柱以使受到滚珠丝杠的驱动力时2个电磁铁安装座及电磁铁安装座连接柱整体同步发生位移，永磁铁安装座设置于2 个电磁铁安装座之间的滚珠丝杠上，永磁铁安装座一端设置永磁铁，永磁铁安装座与滑动导轨固定连接，滑动导轨与输出端固定连接。

在上述技术方案中，所述电源座设置于外壳的底部，在电源座内设置电源。

在上述技术方案中，所述电源包括与驱动电机相连为其提供电力的电机电源，及分别与2块电磁铁安装座内2组线圈相连通的第一电磁铁电源、第二电磁铁电源。

在上述技术方案中，所述电机电源控制端连接外界控制端口。

在上述技术方案中，所述第一电磁铁电源、第二电磁铁电源使用柔性电线分别连接2 组电磁铁线圈两端，通过接入控制端的两组控制信号实现两电源输出电压的变化，两电源各自连接的线圈中的电流随其电压变化，电磁铁磁力随之改变。

在上述技术方案中，所述第一电磁铁电源、第二电磁铁的连接导线依次穿过外壳底部的电缆孔、外壳后端盖上的电缆孔、电磁铁安装座上的电缆孔后分别与电磁铁安装座内的线圈相连通。

在上述技术方案中，所述外壳的截面呈八边形，由两部分相互对称的半八棱柱结构对接并通过设置于其两侧法兰上的外壳连接螺栓固定组成。

在上述技术方案中，所述后端盖、前端盖和外壳的截面具有相同的形状，前端盖通过前端盖固定螺栓与外壳连接固定，后端盖通过后端盖固定螺栓与与外壳连接固定。

在上述技术方案中，所述永磁铁安装座通过设置于其两端的销与滑动导轨固定连接。

在上述技术方案中，所述丝杠螺母通过螺栓分别与两个电磁铁安装座同轴安装。

本实用新型的优点和有益效果为：

本驱动器由于利用了磁场力平衡原理调节刚度，做到了位移、力彼此独立的控制。能在人机交互领域、仿生机器人领域、软材料抛光领域、骨骼康复领域等应用场合与软性介质更好的互动，实现刚度固定驱动器所无法满足的调节输出端接触力等需要。

附图说明

图1为驱动器外部结构示意图。

图2为驱动器内部结构示意图。

图3为电磁斥力装置局部结构示意图。

图4为电磁铁、永磁铁与控制电路连接示意图。

其中：1-1为输出端，1-2为外壳，1-3为后端盖固定螺栓，1-4为外壳连接螺栓，1-5为前端盖固定螺栓，1-6为电源座，1-7为电源座固定螺栓，1-8为电源；2-1为驱动电机， 2-2为后端盖，2-3为电磁铁安装座，2-4为永磁铁安装座，2-5为电磁铁安装座连接柱， 2-6为前端盖，2-7为支座法兰；3-1为键，3-2为滚珠丝杠，3-3为滑块，3-4为线圈，3-5 为永磁铁，3-6为永磁铁安装盒，3-7为固定丝杠螺母用螺栓，3-8为丝杠螺母，3-9为固定导轨，3-10为轴承，3-11为固定支座法兰用螺栓；4-1为销，4-2为滑动导轨。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

一种力位独立控制直线型柔性驱动器，包括外壳1-2、前端盖2-6、后端盖2-2、驱动电机2-1、输出端1-1和电磁斥力装置，前端盖、后端盖固定安装于外壳内，驱动电机设置于后端盖一侧，并与设置于前端盖、后端盖之间的滚珠丝杠3-2相连接，滚珠丝杠与设置于电磁斥力装置上的丝杠螺母3-8组成丝杠-螺母副，使设置于前端盖、后端盖之间的电磁斥力装置可沿滚珠丝杠及两端与前端盖、后端盖固定连接的固定导轨3-9滑动，输出端设置于前端盖一侧；

所述电磁斥力装置包括2个电磁铁安装座2-3、2组线圈3-4、电源1-8、电磁铁安装座连接柱2-5、永磁铁安装座2-4和一块永磁铁3-6，2块电磁铁安装座可滑动的安装于滚珠丝杠及固定导轨上且分别与2个丝杠螺母固定连接，在2块电磁铁安装座内分别设置有独立与电源连通的2组线圈，在2个电磁铁安装座之间设置电磁铁安装座连接柱以使受到滚珠丝杠的驱动力时2个电磁铁安装座及电磁铁安装座连接柱整体发生位移，永磁铁安装座设置于2个电磁铁安装座之间的滚珠丝杠上，永磁铁安装座内设置永磁铁，永磁铁安装座与滑动导轨固定连接，滑动导轨与输出端固定连接。

所述电源座设置于外壳的底部，在电源座内设置电源。

所述电源包括与驱动电机相连为其提供电力的电机电源，及分别与2块电磁铁安装座内2组线圈相连通的第一电磁铁电源、第二电磁铁电源。

所述电机电源输入端连接外界控制端口。

所述第一电磁铁电源、第二电磁铁电源使用柔性电线分别连接2组电磁铁线圈两端，并通过通过接入来自控制端的两组控制信号，实现两电源输出电压的变化，线圈中的电流随其电压变化，电磁铁磁力随之改变。

所述第一电磁铁电源、第二电磁铁的连接导线依次穿过外壳底部的电缆孔、外壳后端盖上的电缆孔、电磁铁安装座上的电缆孔后分别与电磁铁安装座内的线圈相连通。

所述外壳的截面呈八边形，由两部分相互对称的半八棱柱结构对接并通过设置于其两侧法兰上的外壳连接螺栓1-4固定组成。

所述后端盖、前端盖和外壳的截面具有相同的形状，前端盖通过前端盖固定螺栓1-5 与外壳连接固定，后端盖通过后端盖固定螺栓1-3与与外壳连接固定。

所述永磁铁安装座通过设置于其两端的销4-1与滑动导轨固定连接。

所述丝杠螺母通过螺栓分别与两个电磁铁安装座同轴安装。

实施例2

本驱动器主要由滚珠丝杠、丝杠螺母、电磁铁安装座、环形磁铁、电磁铁安装座端盖、电磁铁安装座连接柱、线圈、直线轴承、滑块、控制端、电源、传感模块和一些辅助部件构成。

滚珠丝杠和两个相对布置的丝杠螺母组成丝杠-螺母副，用于控制驱动器的位移。滚珠丝杠前端与轴承内圈配合，实现轴向以及周向定位。后端通过键连接联轴器以传递动力。

两个丝杠螺母通过螺栓分别与两个电磁铁安装座同轴安装。

在各个电磁铁安装座的四周，用螺栓固定有四个圆周上均布的滑块。

两电磁铁安装座通过四根电磁铁安装座连接柱相对安装为一体，电磁铁安装座连接柱两端有两轴肩与电磁铁安装座的端面配合，并在连接柱两侧用螺丝和垫片完成紧固。电磁铁安装座两侧开有电缆孔用于通过电磁铁电源线。

两根直线轴承导轨呈圆柱状，从前后两端分别穿过上述电磁铁安装座上的四个滑块，最终固定在外壳的两端盖上，以实现电磁铁安装座相对驱动器外壳的轴向平动效果。

另有两根直线轴承导轨则从上下两端穿过上述电磁铁安装座上的剩余四个滑块，最终通过支座法兰定位，用螺栓固定在输出端上，以实现电磁铁安装座相对输出端的轴向平动效果。同时两导轨开有销孔，与永磁铁安装座用销连接固定。

永磁铁安装座端盖为底部开孔的带法兰圆桶，它们分别将数块环形磁铁固定在永磁铁安装座的一侧，其中永磁铁安装座端盖、环形磁铁和永磁铁安装座保持同轴关系。

永磁铁安装座两端开有销孔，与上下两端的直线轴承导轨各自通过销连接。

电磁铁安装座正面用螺栓固定有线圈，线圈轴线与电磁铁安装座轴线重合。线圈上缠有用于产生磁场的导线，共同构成一个电磁铁，并通过调节通过线圈的电流实现调节磁性效果。在无外界载荷时，永磁铁与其两端的电磁铁通过磁力相互作用达到平衡位置。在受到外部载荷时，控制端将根据传感器反馈改变电磁铁电流，电磁铁随之改变其电磁力，使永磁铁在平衡位置受到与载荷平衡的磁力，最后通过输出端将力施加至外部。

支座法兰与输出端由定位柱定位，并用固定。输出端上预留有法兰孔用于与外部安装。

联轴器输出端通过键与滚珠丝杠连接，输入端通过键与驱动电机连接。

外壳前端盖的中轴线处有阶梯孔，用于完成轴承外圈的定位。上下两端有定位台用于定位直线轴承导轨。前后端有开口供连接输出端的直线轴承导轨探出。四周有带螺纹孔的凸台用于固定外壳。

外壳后端盖的中轴线处有圆孔，丝杠从圆孔中央穿过。上下两端有定位台用于定位直线轴承导轨。前后端有两圆形开口用于穿过电线。四周有带螺纹孔的凸台用于与外壳的螺栓连接。凸台同侧有外方内圆的筒状结构保护联轴器。筒状结构末端有螺纹孔用于与电机法兰的安装。

外壳有两半彼此对称的部分构成一体，它们各自均为半八棱柱壳状结构，其两侧伸出法兰彼此连接。靠近两端的侧面另有数个开孔和台阶用于与外壳前端盖、外壳后端盖螺栓连接。外壳的后端封闭，并有四个法兰孔用于连接电源座。后端中央有电缆孔供电源线从中穿过。

电源座主体结构为与外壳相同的棱柱状，其侧面均布有八个螺栓孔，通过螺栓与外壳后端固连。电源座两侧有法兰以便与驱动器的安装对象的螺栓连接。电源座中央有方形开口用于安装电源。

所述电源为三组输出的可调电压电源。其中第一电源输出线使用柔性电线连接并驱动电机，该组电源控制端接线至位于驱动器外部的控制端出口1。第二组电源输出线使用柔性电缆连接前端的电磁铁线圈的输入和输出，该组电源控制端接线至位于驱动器外部的控制端出口2。第三组电源输出线使用柔性电缆连接后端的电磁铁线圈的输入和输出，该组电源控制端接线至位于驱动器外部的控制端出口3。

传感模块安装于驱动器外部的执行部件与执行部件的受体之间，将采集到的力信号整理后接至控制端入口2，所述力信号源于传感器，包括但不限于压电陶瓷力传感器。

所述控制端使用市电或直流电源供电，用于产生驱动器的位移和力独立输出的信号。驱动器的位移控制方法为：控制端入口1与位移输入硬件，如键盘、旋钮等相连，当位移输入硬件给出向某方向位移一定距离的指令进入控制端时，控制端解算电机旋转信号，经出口1控制电机旋转。所述位移信号解算的原理包括：电机输入输出关系求解、丝杠螺母行程求解。驱动器的力控制方法为：由控制端入口2受到来自传感器的当前受力值，并与入口3收到的来自力输入硬件的所需力相减，所得差经过力-电解算求出需要调节的电磁铁的输入电压数值，经过控制端出口2、3分别控制电源对两个电磁铁的输出，电磁铁磁性随之改变，永磁铁在磁力作用下传给输出端一个新的输出力。所述信号解算的原理包括经磁化电流法、等效电荷法、虚功原理推出的磁力-电流关系，电源和电磁铁标定的电压-电流关系。

实施例3

本驱动器实施时，通过由电机-联轴器-键-滚珠丝杠的输入路径传入扭矩。滚珠丝杠和两个相对布置的丝杠螺母组成丝杠-螺母副，用于控制驱动器的位移。

两螺母各自连接的两电磁铁安装座上，相对的固定了两组线圈。永磁铁与电磁铁通过磁力发生相互作用，两电磁铁通过调节输入电流控制其磁性强弱，进而调节永磁铁安装座受到的磁力大小并输出。在调节输出力的过程中，若驱动器需要更大的输出力，只需增强相应方向一端的电磁铁磁力，根据永磁铁所受的两电磁力和载荷三力平衡关系，经过实施例2所述算法的解算，可使载荷力在电流控制下变为所需值。最后由永磁铁通过直线轴承连接的输出端传出所需的力。

驱动器通过直线轴承和滑块结构，加上磁力载荷的平衡关系，整合上述位移控制部分，即可通过丝杠独立控制位移，且在平衡位置不变的前提下独立调节驱动器输出力。

实施例4

本专利可实施的形式包括但不限于：(1)驱动器可安装在机械加工设备的刀具固定支架上，包括车刀、铣刀、磨石等。在对加工表面要求较高的机械加工场合，可以通过驱动器控制加工件与刀具之间的切削力保持在一个较为稳定的值附近，避免因为刀具振动、材料材质等造成的加工表面质量不佳的问题。(2)驱动器可用于仿生机器人领域的肌肉仿生关节机械开发，相比于旋转位移输出的驱动器，驱动器的直线型位移输出能更好的模拟关节和肌肉之间的实际配合，同时，本专利拥有较一般液压类直线位移驱动器更准确的输出力控制能力，使机械关节的动作解算和执行更加准确。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种力位独立控制直线型柔性驱动器，其特征在于：包括外壳、前端盖、后端盖、驱动电机、电磁斥力装置和输出端，前端盖、后端盖固定安装于外壳内，驱动电机设置于后端盖一侧，并与设置于前端盖、后端盖之间的滚珠丝杠相连接，滚珠丝杠与设置于电磁斥力装置上的丝杠螺母组成丝杠-螺母副，使设置于前端盖、后端盖之间的电磁斥力装置可沿滚珠丝杠及两端与前端盖、后端盖固定连接的固定导轨滑动，输出端设置于前端盖一侧；

所述电磁斥力装置包括2个电磁铁安装座、2组线圈、电源、电磁铁安装座连接柱、永磁铁安装座和一块永磁铁，2块电磁铁安装座可滑动的安装于滚珠丝杠及固定导轨上且分别与2个丝杠螺母固定连接，在2块电磁铁安装座内分别设置有独立与电源连通的2组线圈，在2个电磁铁安装座之间设置电磁铁安装座连接柱以使受到滚珠丝杠的驱动力时2个电磁铁安装座及电磁铁安装座连接柱整体同步发生位移，永磁铁安装座设置于2个电磁铁安装座之间的滚珠丝杠上，永磁铁安装座一端设置永磁铁，永磁铁安装座与滑动导轨固定连接，滑动导轨与输出端固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种力位独立控制直线型柔性驱动器，其特征在于：所述电源包括与驱动电机相连为其提供电力的电机电源，及分别与2块电磁铁安装座内2组线圈相连通的第一电磁铁电源、第二电磁铁电源。

3.根据权利要求1所述的一种力位独立控制直线型柔性驱动器，其特征在于：所述外壳的截面呈八边形，由两部分相互对称的半八棱柱结构对接并通过设置于其两侧法兰上的外壳连接螺栓固定组成。

4.根据权利要求1所述的一种力位独立控制直线型柔性驱动器，其特征在于：所述后端盖、前端盖和外壳的截面具有相同的形状，前端盖通过前端盖固定螺栓与外壳连接固定，后端盖通过后端盖固定螺栓与外壳连接固定。

5.根据权利要求1所述的一种力位独立控制直线型柔性驱动器，其特征在于：所述永磁铁安装座通过设置于其两端的销与滑动导轨固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种力位独立控制直线型柔性驱动器，其特征在于：所述丝杠螺母通过螺栓分别与两个电磁铁安装座同轴安装。