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电磁式可变刚度的柔性 转动关节

阅读：935发布：2020-05-13

专利汇可以提供电磁式可变刚度的柔性转动关节专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种机器人技术领域的电磁式可变刚度的柔性转动关节，包括：设有输出轴的电磁变刚度单元、关节外壳和底座，其中：关节外壳、底座与电磁变刚度单元同轴设置，输出轴两端分别固定有第一滚珠轴承和第二滚珠轴承，第一滚珠轴承设置在关节外壳内，第二滚珠轴承设置在底座内；所述的电磁变刚度单元包括与输出轴同轴设置的定子和转子，其中：定子内周向均布有若干定子铁芯，定子铁芯外缠绕有定子线圈，转子设置在定子内，转子铁芯与定子铁芯相对设置，输出轴与转子通过键槽结构固定连接，转子上端面设有挡圈，挡圈与第一滚珠轴承相连。本发明通过电流控制调节转动关节的扭转刚度，具有机械结构简单、重量轻、体积小、刚度调节快速方便等特点。，下面是电磁式可变刚度的柔性转动关节专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电磁式可变刚度的柔性转动关节，其特征在于，包括：设有输出轴的电磁变刚度单元、关节外壳和底座，其中：关节外壳、底座与电磁变刚度单元同轴设置，输出轴两端分别固定有第一滚珠轴承和第二滚珠轴承，第一滚珠轴承设置在关节外壳内，第二滚珠轴承设置在底座内，关节外壳顶部与底座之间周向均布有若干限位钉；
所述的电磁变刚度单元包括与输出轴同轴设置的定子和转子，其中：定子内周向均布有若干定子铁芯，定子铁芯外缠绕有定子线圈，转子设置在定子内，转子铁芯与定子铁芯相对设置，输出轴与转子通过键槽结构固定连接，转子上端面设有挡圈，挡圈与第一滚珠轴承相连；
所述的柔性转动关节中转子铁芯在限位钉范围内转动，其扭转刚度随输入电流的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的电磁式变刚度柔性转动关节，其特征是，所述的限位钉数量和转子铁芯数量相同，转子铁芯可转动的角度范围为(-θ，θ)，θ＜180°/n，n为转子铁芯数量。
3.根据权利要求2所述的电磁式变刚度柔性转动关节，其特征是，所述的转子在上下端面周向均布有若干拉钩，拉钩与限位钉之间通过平衡弹簧相连。
4.根据权利要求1所述的电磁式变刚度柔性转动关节，其特征是，所述的关节外壳设有开孔的前端盖，输出轴一端穿过前端盖与输出连杆相连，同时前端盖与挡圈对第一滚珠轴承进行定位固定。
5.根据权利要求1所述的电磁式变刚度柔性转动关节，其特征是，所述的底座设有后端盖，后端盖与输出轴轴肩对第二滚珠轴承进行定位固定。

说明书全文

电磁式可变刚度的柔性 转动关节

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种电磁式可变刚度的柔性转动关节。

背景技术

[0002] 随着机器人技术的不断发展，机器人正逐渐地进入工业以及人们的日常生活，越来越多的场合需要机器人-环境、机器人-人的交互。传统刚性驱动器无法直接对交互过程中变化的力进行顺应。为了缓和机器人交互过程中碰撞所造成的冲击，保护操作人员、机器人及环境设备的安全，同时适应不同工况条件的需求，近年来，设计出具有输出刚度可变能力的柔性关节/驱动器得到了越来越多的研究关注。

[0003] 目前变刚度柔性关节的设计主要基于：1.调节滑块位置，改变关节内置弹簧片的有效长度来调节其挠曲刚度，进而改变关节的输出刚度；2.预先调节关节内置弹簧的预紧或预拉伸量，从而改变关节的刚度；3.基于杠杆原理，杠杆两端分别连接关节的输出连杆和内置弹性单元，通过改变输出与弹性单元的传递比实现关节刚度的调控。

[0004] 整体而言，以上的设计都是基于机械式的原理。关节输出刚度的改变一定程度上都依赖于关节内部机械结构的变化。而这种机械结构的改变，又需要通过在关节内部设置专门的调节电机和调节机构来实现，从而使关节的内部结构更加复杂化，延迟了关节的刚度变化响应，同时增大了关节的体积和重量，提高了关节的制造成本。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种电磁式可变刚度的柔性转动关节，通过电磁驱动调节转动关节的扭转刚度，具有机械结构简单、重量轻、体积小、刚度调节快速方便等特点。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的，

[0007] 本发明包括：设有输出轴的电磁变刚度单元、关节外壳和底座，其中：关节外壳、底座与电磁变刚度单元同轴设置，输出轴两端分别固定有第一滚珠轴承和第二滚珠轴承，第一滚珠轴承设置在关节外壳内，第二滚珠轴承设置在底座内，关节外壳顶部与底座之间周向均布有若干限位钉。

[0008] 所述的电磁变刚度单元包括与输出轴同轴设置的定子和转子，其中：定子内周向均布有若干定子铁芯，定子铁芯外缠绕有定子线圈，转子设置在定子内，转子铁芯与定子铁芯相对设置，输出轴与转子通过键槽结构固定连接，转子上端面设有挡圈，挡圈与第一滚珠轴承相连。

[0009] 所述的柔性转动关节中转子铁芯在限位钉范围内转动，其扭转刚度随输入电流的变化而变化，且相互呈正相关的关系。

[0010] 所述的转子在上下端面周向均布有若干拉钩，拉钩与限位钉之间通过平衡弹簧相连。

[0011] 所述的关节外壳设有开孔的前端盖，输出轴一端穿过前端盖与输出连杆相连，同时前端盖与挡圈对第一滚珠轴承进行定位固定。

[0012] 所述的底座设有后端盖，后端盖与输出轴轴肩对第二滚珠轴承进行轴向定位固定。技术效果

[0013] 与现有技术相比，本发明基于电磁效应，通过控制输入定子线圈中的电流大小，改变定子铁芯对转子铁芯的吸引力，从而调节关节扭转刚度，具有调节方便、响应速度快的优点；本发明无需设置额外的调节电机和传动机构，从而使关节的内部结构更加简单、体积更加紧凑、质量更加轻便。附图说明

[0014] 图1为本发明外部壳体剖切后的结构示意图；

[0015] 图2为本发明中电磁变刚度单元结构示意图；

[0016] 图3为本发明剖面结构图；

[0017] 图4为本发明转子转动范围示意图；

[0018] 图5为本发明处于空载状态时的工作原理示意图；

[0019] 图6为本发明处于负载状态时的工作原理示意图；

[0020] 图中：关节外壳1、底座2、定子3、定子铁芯301、定子线圈302、转子4、转子铁芯401、输出轴5、限位钉6、平衡弹簧7、拉钩8、第一滚珠轴承9、第二滚珠轴承10、前端盖11、挡圈12、后端盖13。

具体实施方式

[0021] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1

[0022] 如图1、图2和图3所示，本实施例包括：设有输出轴5的电磁变刚度单元、关节外壳1和底座2，其中：关节外壳1、底座2与输出轴5同轴设置，输出轴5两端分别固定有第一滚珠轴承9和第二滚珠轴承10，第一滚珠轴承9设置在关节外壳1内，第二滚珠轴承10设置在底座2内；

[0023] 所述的电磁变刚度单元包括与输出轴5同轴设置的定子3和转子4，其中：定子3内周向均布有四个定子铁芯301，定子铁芯301外缠绕有定子线圈302，转子4设置在定子3内，转子4中四个转子铁芯401与定子铁芯301相对设置，输出轴5与转子4通过键槽结构固定连接，转子4上端面设有挡圈12，挡圈12与第一滚珠轴承9相连。

[0024] 所述的关节外壳1为钟罩形，所述的底座2为多级台阶设计的中空凸台，关节外壳1的底部与底座2相接触。

[0025] 所述的转子4与输出轴5在轴向通过输出轴轴肩定位。

[0026] 理论上柔性转动关节可转动的范围为[-180°/n，180°/n]，n为转子铁芯401的数量；如图4所示，本实施例中n＝4，则理论转子最大的转动范围为[-45°，45°]；当转子转角超过45°，转子铁芯会被相邻的定子铁芯301“捕获”而脱离原来的平衡位置；

[0027] 如图2所示，为了防止转子4过载后超出理论转动范围，所述的关节外壳1顶部与底座2之间周向均布设置有四个限位钉6；如图4所示，考虑到限位钉6的大小等，转子4实际可转动的角度范围为(-θ，θ)，其中θ<45°。

[0028] 进一步地，所述的转子4在周向每侧各均布有四个拉钩8，拉钩8与限位钉6之间通过平衡弹簧7相连、一一对应，防止在断电情况下，转子4处于完全无约束的状态而偏离其平衡位置；同时在一定程度上也可以增加扭转输出刚度。

[0029] 所述的关节外壳1设有开孔的前端盖11，输出轴5一端穿过前端盖11与输出连杆相连，同时前端盖11与挡圈12对第一滚珠轴承9进行定位固定。

[0030] 所述的底座2设有后端盖13，后端盖13与输出轴轴肩对第二滚珠轴承10进行定位固定。

[0031] 本发明实施例在工作时：

[0032] 如图5所示，关节空载状态下，通过外部的直流电源给定子线圈302输入电流，转子铁芯401会受到定子3所产生的磁吸引力F；在磁吸引力F作用下，转子铁芯401会正对定子铁芯301处于平衡位置；此时，定子铁芯301对相应的转子铁芯401的吸引力沿定子铁芯/转子铁芯中线方向，且两组铁芯之间的空气间隙最小，磁路磁阻最小，关节进入稳定的平衡状态。

[0033] 如图6所示，在输出轴5末端施加负载，关节受到外力矩M作用，转子4发生角度偏转，转子铁芯401相对于定子铁芯301沿周向产生错位，导致定子3对每个转子铁芯401的磁吸引力F不再沿铁芯中线方向，磁吸引力合成一个与外力矩M方向相反的回复力矩；当外力矩M释放，在回复力矩作用下，转子铁芯401复位；整个柔性关节表现出扭簧的力学特性。定子线圈302通入电流越大，定子铁芯301对转子铁芯401产生的磁作用力就越强，使转子4转动相同角度所需的外力矩也随之增大，即柔性关节的扭转刚度增大；反之，当线圈电流减小，关节的扭转刚度减小。

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