CN208759582U - 基于导电流体的驱动装置及机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于导电流体的驱动装置，包括：导电流体回路系统，包括导电流体储备箱，所述导电流体储备箱具有导电流体出口和入口，用于储备和回收导电流体；活塞液压缸，包括缸体与活塞，并且活塞液压缸内具有导电流体，所述活塞液压缸与所述导电流体回路系统连接，构成导电流体循环系统；电磁场系统，包括设置在缸体两侧的电极，以及设置在另外两侧的电磁铁，其中，电极贴合在活塞液压缸缸体的两侧，形成一个均匀恒定且可调节的电场；电磁铁，包括N极和S极，将N极和S极置于缸体外另外两侧相对，垂直于电场放置，用于产生垂直于电场的均匀磁场。该导电流体的驱动装置简化传统的机械臂驱动方式，使机械传动更为高效和简洁。

Description

基于导电流体的驱动装置及机械臂

技术领域

本实用新型涉及机器人机械臂关节驱动领域，尤其涉及一种利用导电流体进行驱动的装置与方法及机械臂。

背景技术

在制造业飞速发展的今天，机器人在制造工业中变得必不可少。其中，工业机械手是能够模仿人手部的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统、及位置检测装置等组成。其驱动系统主要是驱动执行机构运作的动力机构，一般的驱动方式包括液压驱动、气压驱动、机械传动和电力驱动四种形式。传统的机械驱动方式中需要众多传动和减速，而液压驱动需要繁杂的液压泵和电磁阀。为了和简化传统的机械臂驱动方式，使机械传动更为高效和简洁，需要一种新的机械臂驱动方式。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供了一种基于导电流体的驱动装置及机械臂，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于导电流体的驱动装置，包括：

导电流体回路系统，包括导电流体储备箱，所述导电流体储备箱具有导电流体出口和入口，用于储备和回收导电流体；

活塞液压缸，包括缸体与活塞，并且活塞液压缸内具有导电流体，所述活塞液压缸与所述导电流体回路系统连接，构成导电流体循环系统；

电磁场系统，包括设置在缸体两侧的电极，以及设置在另外两侧的电磁铁，其中，

电极贴合在活塞液压缸缸体的两侧，形成一个均匀恒定且可调节的电场；

电磁铁，包括N极和S极，将N极和S极置于缸体外另外两侧相对，垂直于电场放置，用于产生垂直于电场的均匀磁场。

在本实用新型一些实施例中，所述活塞液压缸缸体下部开口，在推送进程，由于缸体空间变大，导电流体从开口处补充；在回转进程，活塞退回，导电流体从开口处被挤压出去。

在本实用新型一些实施例中，所述电极为方形圆弧形状，弧形曲率与缸体一致，能够完全与缸体粘合，电极圆弧对应的中心角为90°，且对称布置，缸体上下两侧留空以供活塞运作；

电磁铁宽度大于缸体的外尺寸，保证液体缸完全处于均匀磁场下。

在本实用新型一些实施例中，所述电极连接电流控制器与电源形成回路，通过电流控制器控制施加在电极两端的电流大小。

在本实用新型一些实施例中，所述电极采用的材料为强导电性金属；

所述导电流体采用常温下易流动或为液体的液态金属、磁流体、纳米导电液或纳米金属球粉；

所述活塞液压缸缸体内壁使用绝缘材质，活塞与缸体之间采用密闭橡胶进行封闭化处理。

在本实用新型一些实施例中，所述导电流体回路系统还包括：

过滤器，包括第一过滤器和第二过滤器，分别连接导电流体储备箱的出口和进口，用于过滤导电流体介质中的杂质；

单向阀，连接在导电流体储备箱的出口的第一过滤器之后，用于控制导电流体在回路中的流动方向，在导电流体回路进口防止回流；

节流阀，包括第一节流阀和第二节流阀，第一节流阀设置于单向阀与液压缸缸体进口之间，第二节流阀设置于液压缸缸体出口与第二过滤器之间，用于控制导电流体在回路中的速度和流量。

在本实用新型一些实施例中，导电流体储备箱使用不与导电流体发生反应的材料制作而成。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种机械臂，包括如前所述的基于导电流体的驱动装置，通过该驱动装置对机械臂关节进行驱动。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型基于导电流体的驱动装置及机械臂至少具有以下有益效果其中之一：

(1)利用在电场和磁场作用实现导电流体驱动，较之传统的驱动方式，装置更为紧凑简单，作用力更加直接，省去了机械驱动的众多传动和减速，同时又没有液压驱动繁杂的液压泵和电磁阀，应用前景较广；

(2)通过直接调节施加的电压或磁场从而控制作用力的大小，不需要液压驱动时的高压与高精度的电液伺服驱动系统，所以不需要高压环境，对装置的精度要求较小，大大降低了机械臂的制作成本；

(3)该驱动装置可使用的工作介质范围较广，在高温乃至超高温条件下可使用液态金属，介质物性在高温条件下稳定，较之于传统的油压驱动可以耐高温，不至于失效；在低温条件下可使用纳米磁性流体，工作介质不容易冻结失效，因此，该驱动装置可以在恶劣环境下工作，适应性强。

附图说明

图1为本实用新型的一种具体实施例的利用导电流体在电磁场中驱动机械臂的系统装置示意图；

图2为本实用新型的一种具体实施例的利用导电流体在电磁场中驱动机械臂的液压活塞缸体结构图；

图3为本实用新型的一种具体实施例的机械臂运作系统图；

图4为本实用新型的一种具体实施例的利用导电流体在电磁场中驱动机械臂的方法流程图。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

1-导电流体储备箱； 2-过滤器；

3-单向阀； 4-节流阀；

5-电流控制器； 6-电源；

7-液压缸；

701-液压缸缸体； 702-传动活塞；

703-电极； 704-液压缸下盖；

705-进口； 706-出口。

8-电磁铁。

具体实施方式

本实用新型提供了以导电流体为工作介质的液压电磁驱动装置，包括导电流体回路系统、电磁场系统、活塞液压缸等。

所述导电流体回路系统包括导电流体储备箱、过滤器、单通阀、节流阀。

其中，导电流体储备箱用于储备和回收导电流体。导电流体储备箱的材料使用不与导电流体发生反应的不锈钢或铜等制作而成，确保介质的纯净，并尽量保证回路的密闭性。

过滤器包括第一过滤器和第二过滤器，分别连接导电流体储备箱的出口和进口，用于过滤导电流体介质中的杂质，确保工作介质的纯净。

单向阀连接在导电流体储备箱的出口的第一过滤器之后，用于控制导电流体在回路中的流动方向，在导电流体回路进口防止回流。

节流阀包括第一节流阀和第二节流阀，第一节流阀设置于单向阀与液压缸缸体进口之间，第二节流阀设置于液压缸缸体出口与第二过滤器之间，用于控制导电流体在回路中的速度和流量。

所述活塞液压缸包括缸体与活塞。其中，缸体内壁使用绝缘材质，例如使用陶瓷或者钢化玻璃制成，活塞与缸体之间采用密闭橡胶进行封闭化处理，保证电流从导电流体中经过。缸体下部开口，在推送进程，由于缸体空间变大，导电流体从开口处补充；在回转进程，活塞退回，导电流体从开口处被挤压出去。

活塞液压缸内有导电流体，导电流体采用常温下易流动或为液体的液态金属、磁流体、纳米导电液、纳米金属球粉等，具有较高的导电性。

所述电磁场系统包括设置在缸体两侧的电极，以及设置在另外两侧的电磁铁。

电极为方形圆弧形状，贴合在缸体内的两侧，并保证缸体内部光滑，形成一个均匀恒定且可调节的电场。优选地，电极为曲率与缸体一致的弧形，可完全与缸体粘合，电极圆弧对应的中心角为90°，且对称布置；缸体上下两侧留空以供活塞运作。其中，所述电极采用的材料为强导电性金属比如铜、银等，或合金材料。缸体内壁为绝缘材质。可选地，电极与缸体焊接牢靠。

所述电极连接电流控制器与电源形成回路，通过电流控制器控制施加在电极两端的电流大小。可选地，所述电流控制器可以采用可变电阻。

电磁铁，包括N极和S极，将N极和S极置于缸体外另外两侧相对，垂直于电场放置，用于产生垂直于电场的均匀磁场，电磁铁宽度大于缸体的外尺寸，保证液体缸完全处于均匀磁场下。

导电流体在磁场中通电的情况下会产生相应的安培力，方向与电场和磁场相互垂直，且安培力的方向随着电流大小方向的变化以及磁场强度和方向的变化而改变，产生的安培力推动液压缸中的活塞做功。

本实用新型通过施加不同方向的电场和磁场，可以使导电流体产生不同方向和大小的安培力，控制机械关节的运作。该驱动方式具备液压传动机械的优点，结构简单，动作灵敏且传动平稳，同时由于驱动本身依靠电磁力而非压力，所以略去了高制作精度的电液伺服驱动系统和液压泵，不需要高压环境。另外，由于省去了中间众多的转换和传动机构，其用于驱动机械关节时的响应时间大大缩小，提高了机械臂的工作效率。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本实用新型的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本实用新型满足适用的法律要求。

在本实用新型的第一个示例性实施例中，提供了一种利用导电流体的驱动装置。图1为本实用新型的一种具体实施例的利用导电流体在电磁场中驱动机械臂关节的装置示意图。2为本实用新型的一种具体实施例的利用导电流体在电磁场中驱动机械臂的液压活塞缸体结构图。如图1-2所示，该装置包括导电流体储备箱1，用于储存和回收导电流体，导电流体储备箱1设置进出口，并在进出口位置各连接过滤器2，用于过滤导电流体中的氧化物和颗粒杂质，减小其对缸体内活塞的摩擦侵蚀。液压缸7的导电流体进口通道连接单向阀3，以保证导电流体为单向流动防止回流，液压缸7缸体进口连通节流阀4以控制介质流体的流速和压力。同样液压缸7缸体出口也连通节流阀4来控制介质流体的流速和压力，然后连接过滤器2清洁流体介质并回到导电流体储备箱1，构成完整的导电流体回路系统。

在传动活塞702做功阶段，电磁铁8通电产生均匀磁场，液压缸缸体701内需要事先充满导电流体。电极回路通电，调节电流控制器5从而改变施加的电流。导电流体在磁场作用下通电，根据右手安培定则产生向上的安培力，产生的安培力推动液压缸缸体701内的传动活塞702向上做功，液压缸缸体701由于容积变大与外界产生压力差，此时液压缸缸体701下侧的进口打开，导电流体被吸进液压缸缸体701补充多出的容积。

在传动活塞702回缩阶段，电磁铁和电极回路断电，传动活塞702挤压导电流体。液压缸缸体701下侧的出口打开，进口关闭，流体介质被压回流体回路。至此，一个活塞进程完结。

如图2所示，为本实用新型的一种具体实施例的利用导电流体在电磁场中驱动机械臂的液压活塞缸体结构图。液压缸缸体701采用圆柱体绝缘材料制成，在液压缸缸体701中间部位开两个相对的方形孔，用以布置电极703。

电极703的高度为液压缸缸体701的三分之一，形状为曲率半径等于液压缸缸体701的圆弧形，圆弧顶点夹角等于90°。电极703与液压缸缸体701采用无缝粘合并保证液压缸缸体701内部的光滑，电极703的材料采用强导电材料，如紫铜、银等。电极704与电流控制器5相连，电流控制器5采用可调电阻，通过调节电阻达到调节回路电流大小的目的，电源使用直流供电电源。

电磁铁8设计与液压缸缸体701高度相等，宽度与液压缸缸体701外直径相同，达到液压缸缸体701内磁场全覆盖的效果。选取经过液压缸缸体701圆心的某一方向为磁场方向B，在垂直于磁场方向取电场方向，在液压缸缸体701两侧添加电极产生电流I。

由于工作介质为导电流体，通电后在流体中产生由正极流向负极的电流。电极之间的距离采用L表示，由于圆弧形使各个位置的L不同，液压缸缸体701中心的L大于边界的L，但是由于电荷的表面效应使液压缸缸体701边界的电流大于液压缸缸体701中心的电流。所以产生的安培力F＝B·IL大致均匀分布，从而推动传动活塞702运作。

液压缸缸体701下侧中心为导电流体的进口705，两侧为导电流体的出口706。液压缸缸体701上侧为传动活塞702，传动活塞702与液压缸缸体701之间充分接触，以减少导电流体的泄露。传动活塞702杆连接传动机构做功，推动机械臂工作。

图3本实用新型的一种具体实施例的机械臂运作系统图。机器人控制系统向驱动系统发出指令，调节输出电流，控制提供给液压缸缸体两侧的电流大小。在电场和磁场作用下，导电流体受安培力驱动活塞做功，传动机构传动给执行机构，即机械臂关节或升降架，对工件进行操作。执行机构将位置发给位置检测装置，位置检测装置矫正位置坐标再输出给控制系统。

本实用新型不同于传统的液压驱动和电力驱动方式，导电流体驱动机械臂关节采用导电流体在磁场下通电产生安培力，从而推动机械关节的活塞运动，不需要液压驱动时的高压密封和高精度的电液伺服系统，使机械臂的通用性扩大，同时液体回路为正常大气压下运行，省去了介质推进的液体泵和繁琐的电磁阀，使结构更为简洁。同时，不同于机械传动需要的繁杂传动机构，在介质中通电即可产生作用力作用于执行器，省去了机械减速器等装置。

在本实用新型的第二个示例性实施例中，提供了一种基于导电流体的驱动方法，采用如上所述的驱动的装置，该方法包括：

在缸体两侧施加平行电场，并利用电流控制器控制输出电流大小；

在垂直于电场方向上布置均匀的磁场；

导电流体在磁场与电场的作用下生成垂直于电磁场方向的安培力，导电流体顺着安培力方向流动，从而推动活塞运作。

其中，所述缸体两侧添加两个电极被加电压产生电场，电流范围在0～1000A。所述电磁体通电产生垂直于电场的均匀磁场，均匀磁场的强度为0～50000Gs。

图4为本实用新型的一种具体实施例的利用导电流体在电磁场中驱动机械臂的方法流程图。如图4所示，控制系统先发出控制指令，并将指令转换为电流信号，利用电流控制器输出电流，在缸体两侧施加平行电场；工作介质在电磁场中做功，工作介质推动活塞，驱动机械臂关节运动；执行机构执行动作后反馈至控制系统。

具体实施例1：

机械臂的上升：控制系统给出指令调节控制器输出电流。导电流体在缸体中受相互垂直的电磁场作用产生向上的安培力，推动活塞运动。同时活塞以下的缸体内空间变大，此时缸体下侧的进口孔打开，出口孔关闭。补充的导电流体受压差被吸进刚体内补充多余的空间。推送的活塞连接执行杆使机械臂上升。

机械臂的下降：控制系统给出指令关闭向上液体缸的电流。缸体内的导电流体失去安培力。同时在机械臂的相对方向布置同样的液体缸，控制系统给出指令施加电流，产生向下的安培力，推动活塞向下运动。同样在缸体尾部打开进口孔补充导电流体。原本做功的缸体活塞在活塞推动力作用下回缩。缸体由于活塞的压缩，空间变小，缸体下侧出口孔打开，进口孔关闭，将多余的导电流体挤出缸体。活塞下降带动执行杆使机械臂下降。

机械臂的舒张与收缩：液体缸在机械臂骨骼两侧对称布置，且执行机构之间进行联动。当机械臂舒张时，机械臂关节处内侧缸体活塞上升，外侧缸体活塞下降；相反的，当机械臂收缩时，机械臂关节内侧缸体活塞下降，外侧缸体活塞上升。对于缸体运作的过程和原理，与机械臂的上升和下降相同。

通过本实用新型中的电磁场作用，利用导电流体作为工作介质。根据安培定则产生安培力推动活塞运作。较之于传统的液压驱动方式，相同点在于同样使用液压缸和活塞推动，同样装备介质流动回路；不同点在于，由于导电流体在电磁场作用下会产生安培力，利用产生的安培力推动活塞运动，而非液压驱动所利用的压力。

本实用新型的优点在于不需要产生高压所需要的液态泵和高精度电液伺服装置结构简单，可以降低当前工业制造的成本。其次，较之于机械传动，该驱动方式的反应速度极为迅速，省去了繁杂的传动机构和减速装置，使机械的响应时间大大缩短，提高了机械臂的工作效率。

为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本实用新型的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于导电流体的驱动装置，其特征在于，包括：

导电流体回路系统，包括导电流体储备箱，所述导电流体储备箱具有导电流体出口和入口，用于储备和回收导电流体；

活塞液压缸，包括缸体与活塞，并且活塞液压缸内具有导电流体，所述活塞液压缸与所述导电流体回路系统连接，构成导电流体循环系统；

电磁场系统，包括设置在缸体两侧的电极，以及设置在另外两侧的电磁铁，其中，

电极贴合在活塞液压缸缸体的两侧，形成一个均匀恒定且可调节的电场；

电磁铁，包括N极和S极，将N极和S极置于缸体外另外两侧相对，垂直于电场放置，用于产生垂直于电场的均匀磁场。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，

所述活塞液压缸缸体下部开口，在推送进程，由于缸体空间变大，导电流体从开口处补充；在回转进程，活塞退回，导电流体从开口处被挤压出去。

3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述电极为方形圆弧形状，弧形曲率与缸体一致，能够完全与缸体粘合，电极圆弧对应的中心角为90°，且对称布置，缸体上下两侧留空以供活塞运作；

电磁铁宽度大于缸体的外尺寸，保证液体缸完全处于均匀磁场下。

4.根据权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，

所述电极连接电流控制器与电源形成回路，通过电流控制器控制施加在电极两端的电流大小。

5.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，

所述电极采用的材料为强导电性金属；

所述导电流体采用常温下易流动或为液体的液态金属、磁流体、纳米导电液或纳米金属球粉；

所述活塞液压缸缸体内壁使用绝缘材质，活塞与缸体之间采用密闭橡胶进行封闭化处理。

6.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述导电流体回路系统还包括：

过滤器，包括第一过滤器和第二过滤器，分别连接导电流体储备箱的出口和进口，用于过滤导电流体介质中的杂质；

单向阀，连接在导电流体储备箱的出口的第一过滤器之后，用于控制导电流体在回路中的流动方向，在导电流体回路进口防止回流；

节流阀，包括第一节流阀和第二节流阀，第一节流阀设置于单向阀与液压缸缸体进口之间，第二节流阀设置于液压缸缸体出口与第二过滤器之间，用于控制导电流体在回路中的速度和流量。

7.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，导电流体储备箱使用不与导电流体发生反应的材料制作而成。

8.一种机械臂，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的基于导电流体的驱动装置，通过该驱动装置对机械臂关节进行驱动。