一种用于机械手的两自由度执行机构及驱动方法

技术领域

本发明属于机械手技术领域，特别涉及一种用于机械手的两自由度执行机构及驱动方法。

背景技术

随着现代化工业的发展，机器人在各行各业的应用逐渐增多，机器人开始替代人类的部分工作，机械手作为机器人的末端执行机构将会直接影响执行效果。

各个领域对于机械手的具体要求各不相同，例如重物抓取机器人要求机械手有足够的强度和精确的握力控制，而在医疗手术、精密设备等领域，则要求机械手在保证精度和足够负载的前提下，尽可能做到微型化。其中拟人机械手多自由度、多指协作能力及灵活的特性使之被越来越多地应用于有精细作业需求的场景。拟人机械手需要模拟人手多个自由度的弯曲运动，例如张开、夹持动作，这就要求拟人机械手的关节能够实现多个自由度的运动，传统的方式是对关节的不同自由度分别配置独立的动力源，但是这种方式会导致机械手整体重量增加且微型化困难，因此多自由度的机器人执行机构研究势在必行。

发明内容

本申请的目的在于提供了一种用于机械手的两自由度执行机构及驱动方法，能够实现单个动力源完成机械手两个自由度的摆动运动，有利于减小机械手的重量和实现机械手的微型化。

一方面，本申请提供一种用于机械手的两自由度执行机构，包括动子组件、连杆机构和两个定子组件，所述动子组件设置在所述定子组件的上方，所述动子组件和所述连杆机构铰接；两个所述定子组件用于在通入相同幅值和频率的三相交流电的时候，通过磁场驱动使所述动子组件沿x轴方向移动，从而带动所述连杆机构前后摆动；两个所述定子组件用于在通入不同幅值和不同频率的三相交流电的时候，通过磁场驱动使所述动子组件沿y轴方向移动，从而带动所述连杆机构左右摆动。

本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，采用动子组件、定子组件和连杆机构相结合的传动方式，通过驱动动子组件沿x轴方向或y轴方向移动，从而使连杆机构具备左右摆动的自由度和前后摆动的自由度，相比于传统两自由度执行机构，本申请的设计无需两个动力源，大大降低了机械结构的复杂程度和整体重量，且体积更小，实现了机械手的微型化。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，还包括导轨组件，所述导轨组件包括轨道和至少一个第一滑块，所述第一滑块沿x轴方向滑动设置在所述轨道上，所述动子组件沿y轴方向滑动设置在所述第一滑块上。

通过这种设置方式，可以实现对动子组件的定位和支撑，从而使动子组件准确地沿轨道的长度方向或者宽度方向滑动。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，所述动子组件包括第二滑块和多个永磁体，多个所述永磁体设置在所述第二滑块朝向所述定子组件的一侧。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，所述第二滑块设置在所述第一滑块和所述定子组件之间。

通过这种设置方式，可以使第二滑块上的永磁体充分暴露在定子组件产生的磁场中，减少对磁通量的阻挡，提高驱动效果。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，两个所述定子组件在y轴方向上并排设置；所述定子组件包括多组三相跑道型线圈，多组所述三相跑道型线圈依次串接，多组所述三相跑道型线圈沿x轴方向铺设。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，每组所述三相跑道型线圈包括第一跑道型线圈、第二跑道型线圈和第三跑道型线圈，所述第一跑道型线圈和所述第三跑道型线圈沿x轴方向直线排布，所述第二跑道型线圈设置在所述第一跑道型线圈和所述第三跑道型线圈的上方，所述第二跑道型线圈的两端分别与所述第一跑道型线圈和所述第三跑道型线圈星接。

在实际应用中，这种设计可以保证线圈的平整度，并且适用于扁线绕制的线圈。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，所述第二跑道型线圈的匝数小于所述第一跑道型线圈的匝数和所述第三跑道型线圈的匝数。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，所述第一跑道型线圈、所述第二跑道型线圈和所述第三跑道型线圈的直边均沿x轴方向设置。

进一步地，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第一球关节和第二球关节，所述第一连杆的一端和所述第二滑块铰接，所述轨道的端部通过所述第一球关节和所述第二连杆连接，所述第二连杆远离所述第一球关节的一端通过所述第二球关节和所述第一连杆远离所述第二滑块的一端连接。

另一方面，本发明还提供一种驱动方法，用于驱动上述的用于机械手的两自由度执行机构，其中，需要驱动所述动子组件沿x轴方向移动时，分别向两组所述定子组件中通入相同幅值和频率的三相交流电，使所述动子组件沿x轴方向移动；

需要驱动所述动子组件沿y轴方向移动时，分别向两组所述定子组件中通入不同幅值和不同频率的三相交流电，使所述动子组件沿y轴方向移动。

本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构及驱动方法，采用动子组件、定子组件和连杆机构相结合的传动方式，通过驱动动子组件沿x轴方向或y轴方向移动，从而使连杆机构具备左右摆动的自由度和前后摆动的自由度，相比于传统两自由度执行机构，本申请的设计无需两个动力源，大大降低了机械结构的复杂程度和整体重量，且体积更小，实现了机械手的微型化。

有益效果：1.结构简单，无需附加减速器及传动机构，简化了系统结构，减小了重量和体积，节省了成本，生产制造和维护保养更为简单；

2. 安全可靠，高加速度，机械摩擦损耗小，故障率低，使用寿命长；

3. 适应性强，动子组件、定子组件可用环氧树脂密封，具有较好的防腐、防潮性能，在潮湿、粉尘、有害气体的环境中使用方便。

附图说明

图1为本申请提供的一种用于机械手的两自由度执行机构的结构示意图。

图2为本申请提供的一种动子组件的结构示意图。

图3为本申请提供的一种传统的定子组件的侧视图。

图4为本申请提供的一种定子组件的结构示意图。

标号说明：

100、动子组件；110、第二滑块；120、永磁体；200、定子组件；210、第一跑道型线圈；220、第二跑道型线圈；230、第三跑道型线圈；300、连杆机构；310、第一连杆；320、第二连杆；330、第一球关节；340、第二球关节；400、轨道；500、第一滑块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，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；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1所示，本发明一种用于机械手的两自由度执行机构，包括动子组件100、连杆机构300和两个定子组件200，动子组件100设置在定子组件200的上方，动子组件100和连杆机构300铰接；两个定子组件200用于在通入相同幅值和频率的三相交流电的时候，通过磁场驱动使动子组件100沿x轴方向移动，从而带动连杆机构300前后摆动；两个定子组件200用于在通入不同幅值和不同频率的三相交流电的时候，通过磁场驱动使动子组件100沿y轴方向移动，从而带动连杆机构300左右摆动。

本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构，采用动子组件100、定子组件200和连杆机构300相结合的传动方式，通过驱动动子组件100沿x轴方向或y轴方向移动，从而使连杆机构300具备左右摆动的自由度和前后摆动的自由度，相比于传统两自由度执行机构，本申请的设计无需两个动力源，大大降低了机械结构的复杂程度和整体重量，且体积更小，实现了机械手的微型化。

参阅图1-图2，在一些实施方式中，本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构还包括导轨组件，导轨组件包括轨道400和至少一个第一滑块500，第一滑块500沿x轴方向滑动设置在轨道400上，动子组件100沿y轴方向滑动设置在第一滑块500上。其中，将轨道400的长度方向定为x轴方向，将轨道400的宽度方向定为y轴方向。在另一些实施方式中，轨道400可以是凹槽状，第一滑块500沿x轴方向滑动设置在轨道400的侧壁，定子组件200可设置在轨道400的底板上，在此本申请不做具体限定。其中，第一滑块500的数量可以根据动子组件100的长度进行设置，动子组件100的长度越长，对应的第一滑块500的数量则增多。通过这种设置方式，可以实现对动子组件100的定位和支撑，从而使动子组件100准确地沿轨道400的长度方向或者宽度方向滑动。

在一些实施方式中，轨道400可以安装有位移和速度传感器，还可选装光栅、磁栅、相位检测线圈等，轨道400末端也可以安装有微型限位开关用以检测极限位置。

在进一步的实施方式中，动子组件100包括第二滑块110和多个永磁体120，多个永磁体120设置在第二滑块110朝向定子组件200的一侧。其中，永磁体120有N极体和S极体两种，N极体是指永磁体120的N极朝向定子组件200，S极体是指永磁体120的S极朝向定子组件200。多个永磁体120按照N极体、S极体、N极体、S极体的排列方式沿轨道400的长度方向进行设置。通过这种设置方式，可以使动子组件100在磁场的作用下进行滑动。

在进一步的实施方式中，第二滑块110设置在第一滑块500和定子组件200之间。通过这种设置方式，可以使第二滑块110上的永磁体120充分暴露在定子组件200产生的磁场中，减少对磁通量的阻挡，提高驱动效果。

参阅图4，在另一些实施方式中，两个定子组件200在y轴方向上并排设置；定子组件200包括多组三相跑道型线圈（跑道型线圈是指线圈包括两个直边和两个半圆边，两个直边相互平行且对称设置，两个直边的第一端分别与一个半圆边的两端连接，两个直边的第二端分别与另一个半圆边的两端连接），多组三相跑道型线圈依次串接，多组三相跑道型线圈沿x轴方向铺设。通过这种设置方式，可以实现在通电的情形下产生行波磁场，并与动子组件100的磁场相互作用，产生不同方向的洛伦兹力，从而推动动子组件100沿x轴或者y轴方向运动。

参阅图3，在一些传统的实施方式中，每组三相跑道型线圈中的第一跑道型线圈210、第二跑道型线圈220和第三跑道型线圈230均紧挨着彼此，并倾斜设置。但是对于一些扁线绕制的线圈，这种方式并不适用，因为扁线绕制的线圈无法弯折。而在实际应用中，扁线绕制的线圈的核心优势在于其体积小、效率高、导热强、温升低、噪音小。

在一些优选的实施方式中，每组三相跑道型线圈包括第一跑道型线圈210、第二跑道型线圈220和第三跑道型线圈230，第一跑道型线圈210和第三跑道型线圈230沿x轴方向直线排布（对于轨道400是凹槽状的情况，可把第一跑道型线圈210和第三跑道型线圈230固定在轨道400的底板上），第二跑道型线圈220设置在第一跑道型线圈210和第三跑道型线圈230的上方，第二跑道型线圈220的两端分别与第一跑道型线圈210和第三跑道型线圈230星接。其中，第一组三相跑道型线圈的第三跑道型线圈230作为第二组三相跑道型线圈的第一跑道型线圈210。在实际应用中，这种设计可以保证线圈的平整度，并且适用于扁线绕制的线圈。

在进一步的实施方式中，第二跑道型线圈220的匝数小于第一跑道型线圈210的匝数和第三跑道型线圈230的匝数。通过这种设置方式，可以保证定子组件200产生的行波磁场的均匀性。

在更进一步的实施方式中，第一跑道型线圈210、第二跑道型线圈220和第三跑道型线圈230的直边均沿x轴方向设置。通过这种设置方式，可以减少用材，减小凹槽导轨的宽度，提升槽满率和功率密度，更进一步实现机械手的微型化。

在一些实施方式中，连杆机构300包括第一连杆310、第二连杆320、第一球关节330和第二球关节340，第一连杆310的一端和第二滑块110铰接，轨道400的端部通过第一球关节330和第二连杆320连接，第二连杆320远离第一球关节330的一端通过第二球关节340和第一连杆310远离第二滑块110的一端连接。通过这种设置方式，当动子组件100沿x轴方向运动时，第一连杆310通过铰链随之向x轴方向运动，然后通过第二球关节340带动第二连杆320绕底部第一球关节330前后摆动；动子组件100沿y轴方向移动时，由于动子组件100前端铰链不具有沿y轴方向左右摆动的自由度，第一连杆310跟随动子组件100沿y轴方向左右移动，进而带动第二连杆320围绕底部第一球关节330沿锥面摆动。其中，第二连杆320的运动轨迹由动子组件100的动作决定，因此其轨迹控制需两个方向的运动协同控制，可以通过计算合适的三相交流电和直流分量来完成既定动作。通过这种设置方式，可以实现连杆机构300进行不同自由度的摆动，实现围绕底部第一球关节330的多轴转动。

另一方面，本发明还提供一种驱动方法，用于驱动上述的用于机械手的两自由度执行机构，其中，需要驱动动子组件100沿x轴方向移动时，分别向两组定子组件200中通入相同幅值和频率的三相交流电，使动子组件100沿x轴方向移动；

需要驱动动子组件100沿y轴方向移动时，分别向两组定子组件200中通入不同幅值和不同频率的三相交流电，使动子组件100沿y轴方向移动。

其中，两组定子组件200分别由两个三相供电电路供电，可采用PWM或SVPWM调制方式供电。在两组定子组件200中通入相同幅值、频率的三相交流电时，在定子组件200上方会产生一个幅值和相位按照正弦变化的行波磁场，其中前进方向的磁场分量会与动子组件100的磁场相互作用产生洛伦兹力，进而推动动子组件100前后运动，即沿x轴方向运动；同时，两组定子组件200会在左右方向存在磁场分量，即y轴方向，可通过改变两组定子组件200的通电电流幅值、频率或在某一组定子组件200增加直流分量，会改变左右方向的磁场分量，两组定子组件200左右方向的磁场分量产生的洛伦兹力不再平衡，进而推动动子组件100左右移动。

本申请提供的用于机械手的两自由度执行机构及驱动方法，采用动子组件100、定子组件200和连杆机构300相结合的传动方式，通过驱动动子组件100沿x轴方向或y轴方向移动，从而使连杆机构具备左右摆动的自由度和前后摆动的自由度，相比于传统两自由度执行机构，本申请的设计无需两个动力源，大大降低了机械结构的复杂程度和整体重量，且体积更小，实现了机械手的微型化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。