[發明專利]一種應用于機器人直線關節的關節電機

在審

• 申請號: 202110402835.X
• 申請日: 2021-04-14
• 公開（公告）號: CN113098225A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 馬東林
• 申請（專利權）人: 馬東林
• 主分類號: H02K33/18
• 分類號: H02K33/18;H02K33/12;H02K41/03;B25J9/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種行程和精度均可控的往復電機，依據電磁驅動原理設計。主要應用于機器人的直線關節電機，比如膝關節。將一個條形磁體放置于兩對U型線圈的中間，每對U型線圈由上下兩個U型線圈組成。當依次對U型線圈的電流方向進行組合切換時，U型線圈的磁極改變推動永磁體直線右移。依據此原理：條形永磁體制成圓形薄片并用等厚度的非導磁材料間隔；U型線圈制成環狀薄片并用等厚度的環狀非導磁材料間隔；將多個永磁薄片間隔疊加后制成活塞，將多個環狀U型線圈間隔疊加制成缸體；將活塞置于缸體中時，改變相鄰U型線圈的電流方向從而改變線圈磁極，交替驅動活塞在剛體中做可控往復移動。

技術領域

本發明屬于機器人動力應用領域，具體實現機器人直線運動關節的動力功能。

背景技術

目前市面上的活塞電機多為兩個電磁鐵的往復式電機，移動距離和精度不可調。而精度可調的音圈電機價格超貴并且輸出動力及其有限，都無法實現六足機器人的腿部行走功能。而使用旋轉電機總會有超多的機械傳動結構，增加了行走機器人的腿部結構復雜度，并且旋轉電機在轉換為直線運動的過程中，移動還不是線性的，不便于控制。

發明內容

針對以上局限性，本發明提出了一種精度和行程均可控的往復式活塞電機，其原理是依據永磁體的轉子和鐵芯線圈的定子構成的電機原理。

一對鐵芯線圈和一個永磁體的結構如圖1所示，條形永磁體是左N右S，鐵芯線圈的繞線是順向串聯的，也就是通電后它們產生的磁極方向是一致的，如都是左N右S或都是左S右N。

當給線圈接通圖2所示負向電流后，根據線圈電流和磁極的關系可知，鐵芯線圈產生的磁極是左S右N。由圖2可知此時的永磁體是被上下鐵芯線圈吸引的，上下的線圈分別與永磁體形成了各自的磁回路，永磁體不會左右移動，頂多因為上下的受力不均勻被吸引到上面的鐵芯線圈，或者被吸引到下面的鐵芯線圈。

當給圖1所示的鐵芯線圈接上正向電流后，鐵芯線圈的磁極變成了左N右S，則因為同性磁極排斥的原因永磁體會產生移動，并且有三種可能的移動方式。

一是永磁體被推離原來的位置向右運動，如圖3(a)所示，因為右邊的鐵芯磁極與永磁體左邊的磁極不同會產生吸引，永磁體會被吸引在鐵芯右側的中間，或者因為上下受力不均勻被吸向右上或右下。

二是永磁體被推離原來的位置向左運動，如圖3(b)所示，因為左邊的鐵芯磁極與永磁體右邊的磁極不同會產生吸引，永磁體會被吸引在鐵芯左側的中間，或者因為上下受力不均勻被吸向左上或左下。

三是永磁體在移動的過程中被鐵芯線圈左右旋轉了180度，然后吸引在了上或下邊的鐵芯上，這種不屬于本發明的需要應用的情況，未畫出圖示。

從第一二種情況可以知道，當圖1所示的鐵芯線圈和永磁體所組成的結構在條件滿足時，永磁體是會產生左移或右移的，對于上下鐵芯不均勻吸引的現象不屬于本發明應用，以下將不予提及。

從前述分析可知，永磁體直線移動的條件是：一對鐵芯線圈的中間放置一個條形永磁體；永磁體的磁極分為左右兩端，線圈極化磁極在左右兩端；需要改變電流方向。

根據上述分析結果設計了圖4所示的雙線圈組結構，能夠使條形永磁體作直線運動。A、B鐵芯線圈組的特性相同，包括電器特性和尺寸特性；鐵芯線圈組(以下簡稱線圈組)內的上下兩個鐵芯線圈的尺寸特性和電器特性也是相同的；永磁體是條形且薄的長方體形永磁體，且磁極是左N右S；A、B線圈組之間的間距等于線圈鐵芯的外側長度L；永磁體的長度等于線圈長度的兩倍即2L；A、B線圈組內的鐵芯寬度、永磁體的寬度完全相等均為W。

運動過程如下。

Idc1為負電流，Idc2為負電流時，A、B線圈組的磁極如圖4所示都是左S右N，A線圈組產生的磁極與永磁體磁極相反，于是永磁體被吸引在了A線圈組的中間，即圖4中的位置，該位置定義為永磁體向右移動的起點。