一种基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节

技术领域

本发明属于柔性机器人技术领域，特别涉及一种基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节，特别适合于柔性串联式变刚度机器人的构建。

背景技术

机器人技术在工业生产、医疗服务、人文娱乐等方向得到了广泛的应用，与人的接触也变得频繁紧密，因此人机交互时的安全性问题正在成为人们关注的热点。柔性变刚度机器人是不同于传统刚性机器人的一类刚度可调的柔性机器人，由于自身刚度可调，可以很大程度的提高人机安全性和环境适应性。柔性变刚度机器人涉及仿生学，机器人学，材料学以及控制学等学科，已经成为未来机器人发展的重要方向。无论是从人与机器人交互时的安全性，还是从人机协作时操作的柔顺性考虑，研究柔性机器人用变刚度关节，都具有实际的应用价值和研究价值。

基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节的变刚度能力主要取决于混合电磁铁与弹簧片共同作用下变刚度性能的好坏。所以设计一款体积小、重量轻、关节刚度调节响应迅速的变刚度关节对于解决新一代机器人的人机安全、提高动态特性和轨迹跟踪等关键问题具有重要意义。近些年来，永磁材料性能大幅度提高，特别是稀土永磁材料单位体积磁能高，性能优良。因此利用永磁体间力学和刚度变化非线性特性直接构建变刚度关节，正在成为人们关注的热点。但是目前还未见此类报道。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节，其目的是提供一种运动形式简洁、制造简便、操作简单、关节刚度调节响应迅速的一种变刚度关节，以解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节，包括电机(A)，还包括混合电磁铁固定轴套(6)、混合电磁铁、关节外壳(7)、电工纯铁(8)和电机支撑架(10)；混合电磁铁固定轴套(6)、混合电磁铁和电工纯铁(8)位于关节外壳(7)内；

电机支撑架(10)套在电机(A)外，电机输出轴(1)穿过电机支撑架(10)的前端，混合电磁铁安装在混合电磁铁固定轴套(6)的后端，混合电磁铁位于混合电磁铁固定轴套(6)和电工纯铁(8)之间，混合电磁铁固定轴套(6)与电机输出轴(1)固定连接；

电机支撑架(10)的前端伸入关节外壳(7)内，电工纯铁(8)套在电机支撑架(10)伸进关节外壳(7)内的部分上。

该关节还包括弹簧片(5)，弹簧片(5)也位于关节外壳(7)内，弹簧片(5)通过弹簧片固定轴套(14)固定套在电机轴(1)上，弹簧片(5)的外端部嵌于关节外壳(7)内壁的止转槽(7-1)内。

混合电磁铁包括塑料线轴(19)、铜线圈(20)、永磁体(22)和铁芯(25)；所述铁芯(25)在永磁体(22)两侧对称布置，塑料线轴(19)套在铁芯(25)上并与铁芯(25)固结，铜线圈(20)套在塑料线轴(19)上与塑料线轴(19)同轴线布置，塑料线轴(19)、铜线圈(20)、永磁体(22)和铁芯(25)形成整体，永磁体(22)和铁芯(25)连接在混合电磁铁固定轴套(6)上。

两个固定档板(23)在铁芯(25)和永磁体(22)底部的前后两侧与铁芯(25)和永磁体(22)固定，再由固定档板(23)把铁芯(25)和永磁体(22)固定在混合电磁铁固定轴套(6)上。

弹簧片(5)为两片，两片弹簧片(5)以电机输出轴(1)为对称轴对称设置，两片弹簧片(5)的外端嵌于关节外壳(7)内壁的止转槽(7-1)内。

关节外壳(7)的前端设置有关节端盖(4)，所述关节端盖(4)与电机输出轴(1)通过小圆锥滚子轴承(2)同心设置，关节端盖(4)与关节外壳(7)固定。

混合电磁铁通过混合电磁铁固定轴套(6)与电机输出轴(1)同心固结，混合电磁铁为两组，两组混合电磁铁等距对称布置在电机输出轴(1)两侧。

电机减速器(B)端面与电机支撑架(10)由3个电机支撑架紧固螺栓(17)固定。

大圆锥滚子轴承(11)内圈与电机支撑架(10)外壁配合，大圆锥滚子轴承(11)外圈与电工纯铁(8)配合。

电工纯铁(8)底面与关节外壳(7)底面固定；电机(A)底面与编码器(9)配合。

优点效果：

本发明基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节由混合电磁铁和弹簧片共同作用，具有刚度调节响应速度快和节省能量等优点。

本发明它包括：电机，小圆锥滚子轴承，关节端盖紧固螺栓组件，关节端盖，弹簧片，混合电磁铁固定轴套，关节外壳，电工纯铁，编码器，电机支撑架，大圆锥滚子轴承，电工纯铁紧固螺栓组件，弹簧片紧固螺母，弹簧片固定轴套，混合电磁铁轴套螺栓组件，混合电磁铁轴套螺母组件，电机支撑架紧固螺栓组件，弹簧片紧固螺栓，塑料线轴，铜线圈，混合电磁铁紧固螺栓，永磁体，固定档板，混合电磁铁紧固螺母，铁芯等组件。

所述弹簧片，两弹簧片对称布置于相配合的关节外壳内，弹簧片外端嵌于关节外壳(7)内壁的止转槽(7-1)内，弹簧片由弹簧片固定轴套经弹簧片紧固螺栓、弹簧片紧固螺母与电机轴固定。弹簧片固定轴套与电机轴配合固定。

电工纯铁由4个紧固螺栓固定在关节外壳底面上，与混合电磁铁所留气隙1mm。

混合电磁铁等距对称布置在电机轴两侧，所述混合电磁铁由永磁体，铁芯，塑料线轴，铜线圈，固定档板，混合电磁铁紧固螺栓，混合电磁铁紧固螺母，混合电磁铁固定轴套，混合电磁铁轴套螺栓组件，混合电磁铁轴套螺母组件等组成。

铁芯在永磁体两侧对称布置，塑料线轴与铁芯固结，铜线圈与塑料线轴同轴线布置，前后两个固定档板在铁芯和永磁体底部由混合电磁铁紧固螺栓、混合电磁铁紧固螺母固定。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、设计了一种基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节，其中关节刚度调整部分采用混合电磁铁和弹簧片共同作用，由于采用混合电磁铁调整关节刚度，因此具有刚度调节响应速度快、无延迟、无滞后等优点。

2、由于混合电磁铁和弹簧片共同作用控制关节刚度，可以实现不通电状态下磁力和刚度的保持，具有节能特性。本发明同时也兼具运动形式简洁、制造简便、操作简单等特点。

3、关节磁路系统(混合电磁铁)中磁通量由永磁体和励磁线圈(铜线圈)中的电流共同决定，因此通过改变励磁线圈中电流的大小和方向，可以实现磁路系统中磁通量增大与减小，即实现关节刚度的增加与减小，且关节刚度变化是非线性的。

附图说明

附图用来提供本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施方式共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节结构剖面示意图；

图2为基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节结构爆炸示意图；

图3为变刚度部分的原理示意图；

图4为混合电磁铁结构示意图；

图5为混合电磁铁结构剖面示意图；

1.图中，1—电机输出轴，2—小圆锥滚子轴承，3—关节端盖紧固螺栓组件，4—关节端盖，5—弹簧片，6—混合电磁铁固定轴套，7—关节外壳，8—电工纯铁，9—编码器，10—电机支撑架，11—大圆锥滚子轴承，12—电工纯铁紧固螺栓组件，13—弹簧片紧固螺母，14—弹簧片固定轴套，15—混合电磁铁轴套螺栓组件，16—混合电磁铁轴套螺母组件，17—电机支撑架紧固螺栓组件，18—弹簧片紧固螺栓，19—塑料线轴，20—铜线圈，21—混合电磁铁紧固螺栓，22—永磁体，23—固定档板，24—混合电磁铁紧固螺母，25—铁芯。

具体实施方式

一种基于混合电磁铁的柔性机器人用变刚度关节，包括电机A，还包括混合电磁铁固定轴套(6)、混合电磁铁、关节外壳(7)、电工纯铁(8)和电机支撑架(10)；混合电磁铁固定轴套(6)、混合电磁铁和电工纯铁(8)位于关节外壳(7)内；

电机支撑架(10)套在电机(A)外，电机输出轴(1)穿过电机支撑架(10)的前端(即图1中的上端)，混合电磁铁安装在混合电磁铁固定轴套(6)的后端(即图1所示的混合电磁铁固定轴套(6)的下端)，混合电磁铁位于混合电磁铁固定轴套(6)和电工纯铁(8)之间；混合电磁铁固定轴套(6)与电机输出轴(1)固定连接。

电机支撑架(10)的前端伸入关节外壳(7)内，电工纯铁(8)套在电机支撑架(10)伸进关节外壳(7)内的部分上。

该关节还包括弹簧片(5)，弹簧片(5)也位于关节外壳(7)内，弹簧片(5)通过弹簧片固定轴套(14)固定套在电机输出轴(1)上，弹簧片(5)的外端伸进关节外壳(7)内壁的止转槽(7-1)内。(将弹簧片(5)的外端定位)

混合电磁铁包括塑料线轴(19)、铜线圈(20)、永磁体(22)和铁芯(25)；所述铁芯(25)在永磁体(22)两侧对称布置，塑料线轴(19)套在铁芯(25)上并与铁芯(25)固结，铜线圈(20)套在塑料线轴(19)上与塑料线轴(19)同轴线布置，塑料线轴(19)、铜线圈(20)、永磁体(22)和铁芯(25)形成整体，永磁体(22)和铁芯(25)连接在混合电磁铁固定轴套(6)上。

两个固定档板(23)在铁芯(25)和永磁体(22)底部的前后两侧(底部就是如图4所示的下部)由混合电磁铁紧固螺栓(21)以及混合电磁铁紧固螺母(24)同铁芯(25)和永磁体(22)固定，再由固定档板(23)把铁芯(25)和永磁体(22)固定在混合电磁铁固定轴套(6)上。

弹簧片(5)为两片，两片弹簧片(5)以电机输出轴(1)为对称轴对称设置，两片弹簧片(5)的外端嵌于关节外壳(7)内壁的止转槽(7-1)内。

关节外壳(7)的前端(图4的上端)设置有关节端盖(4)；

具体的说：本申请依次布置有关节端盖(4)，小圆锥滚子轴承(2)，弹簧片(5)，弹簧片固定轴套(14)，混合电磁铁固定轴套(6)，混合电磁铁，关节外壳(7)，电机支撑架(10)，电工纯铁(8)，大圆锥滚子轴承(11)，编码器(9)。所述关节端盖(4)与电机输出轴(1)通过小圆锥滚子轴承(2)同心设置，关节端盖(4)与关节外壳(7)由4个关节端盖紧固螺栓(2)固定；小圆锥滚子轴承(2)内圈与电机输出轴(1)同心设置，小圆锥滚子轴承(2)外圈与关节端盖(4)配合。

混合电磁铁通过混合电磁铁固定轴套(6)与电机输出轴(1)同心固结，混合电磁铁为两组，两组混合电磁铁等距对称布置在电机输出轴(1)两侧(就是以电机输出轴(1)为对称轴)。

电机(A)的前端的通过电机减速器B连接电机输出轴(1)(如图1所示，电机(A)与电机减速器B都位于电机支撑架(10)内)，电机减速器B的端面与电机支撑架(10)由3个电机支撑架紧固螺栓(17)固定。

大圆锥滚子轴承(11)内圈与电机支撑架(10)外壁配合，大圆锥滚子轴承(11)外圈与电工纯铁(8)配合。

电工纯铁(8)底面与关节外壳(7)底面由4个电工纯铁紧固螺栓(12)固定；电机(A)底面与编码器(9)配合。

使用时，电机输出轴(1)的前端(就是如图1的上端)作为关节输出端，电机(A)旋转带动输出轴(1)旋转，输出轴(1)带动混合电磁铁固定轴套(6)转动，此时，混合电磁铁中的铜线圈(20)通电，产生磁性，而因为电工纯铁(8)是固定不转的，混合电磁铁与电工纯铁(8)之间产生一个扭转的力，通过混合电磁铁将运动或力传递到关节输出端，另外，如果是设置有弹簧片(5)的形式，此时，弹簧片(5)在电机输出轴(1)的转动带动下，形成弹性形变(两个弹簧片产生类似“S”形的变形，也就是说两个弹簧片都有变形，且形成类似“S”形的变形)，此时，通过混合电磁铁和弹簧片(5)将运动或力传递到关节输出端。由于混合电磁铁对非接触的电工纯铁(8)的非线性磁力和弹簧片(5)的弹性变形，可以使关节刚度发生非线性变化。当机器人与周围环境或操作人员产生碰撞使关节输出端旋拧时可以通过混合电磁铁、弹簧片(5)的关节刚度的调节产生缓冲吸振等保护功能。

通过调整铜线圈(20)中电流的大小与方向，可以实现磁路系统中磁通量的增大与减小，从而实现混合电磁铁对非接触电工纯铁(8)的磁力调整，进而实现关节刚度的变化。

关节刚度变化范围：混合电磁铁的刚度为K

下面结合附图再对本发明做进一步的详细说明。借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到实现效果的技术过程能够充分理解并据以实施，需要说明的是，只要不构成冲突，本发明的各个实施方式以及各个实施方式中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括：电机，小圆锥滚子轴承，关节端盖紧固螺栓组件，关节端盖，弹簧片，混合电磁铁固定轴套，关节外壳，电工纯铁，编码器，电机支撑架，大圆锥滚子轴承，电工纯铁紧固螺栓组件，弹簧片紧固螺母，弹簧片固定轴套，混合电磁铁轴套螺栓组件，混合电磁铁轴套螺母组件，电机支撑架紧固螺栓组件，弹簧片紧固螺栓，塑料线轴，铜线圈，混合电磁铁紧固螺栓，永磁体，固定档板，混合电磁铁紧固螺母，铁芯。

本发明通过弹簧片的弹性变形进行能量的存储和释放。弹簧片两端对称嵌于相配合的关节外壳内壁中，弹簧片由弹簧片固定轴套经弹簧片紧固螺栓，弹簧片紧固螺母固定。弹簧片固定轴套与电机轴配合固定。弹簧片与输出轴的啮合点为负载转矩的施力点，且力臂长度保持不变。通过电机驱动弹簧片旋转，从而使弹簧片产生不同程度的挠度变形，相应地，在关节过载时起到一定的保护作用。

混合电磁铁等距对称布置在电机轴两侧，所述混合电磁铁由永磁体，铁芯，塑料线轴，铜线圈，固定档板，混合电磁铁紧固螺栓，混合电磁铁紧固螺母，混合电磁铁固定轴套，混合电磁铁轴套螺栓组件，混合电磁铁轴套螺母组件组成。

铁芯在永磁体两侧对称布置，塑料线轴与铁芯固结，铜线圈与塑料线轴同轴线布置，前后两个支撑板在铁芯和永磁体底部由混合电磁铁紧固螺栓、混合电磁铁紧固螺母固定。

电工纯铁由4个电工纯铁紧固螺栓固定在关节外壳底面上，与混合电磁铁之间所留气隙1mm。

关节磁路系统中磁通量由永磁体和励磁线圈中的电流共同决定，因此通过改变励磁线圈中电流的大小和方向，可以实现磁路系统中磁通量增大与减小，即实现关节刚度的增加与减小，且关节刚度变化是非线性的。

本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的永磁变刚度柔性机器人关节。混合电磁铁为永磁体与励磁线圈结合，结合了永磁体与电磁铁的优点，永磁体可以实现不通电状态下磁力和刚度的保持(由于永磁体(22)自身的磁力，即使混合电磁铁不通电，还是存在一定的磁力，关节有一定的刚度。)，具有节能特性。关节刚度调整部分采用混合电磁铁和弹簧片共同作用，由于采用混合电磁铁调整关节刚度，因此具有刚度调节响应速度快、无延迟、无滞后等优点。