[发明专利]一种应用于机器人直线关节的关节电机

说明书

一种行程和精度均可控的往复电机，依据电磁驱动原理设计。主要应用于机器人的直线关节电机，比如膝关节。将一个条形磁体放置于两对U型线圈的中间，每对U型线圈由上下两个U型线圈组成。当依次对U型线圈的电流方向进行组合切换时，U型线圈的磁极改变推动永磁体直线右移。依据此原理：条形永磁体制成圆形薄片并用等厚度的非导磁材料间隔；U型线圈制成环状薄片并用等厚度的环状非导磁材料间隔；将多个永磁薄片间隔叠加后制成活塞，将多个环状U型线圈间隔叠加制成缸体；将活塞置于缸体中时，改变相邻U型线圈的电流方向从而改变线圈磁极，交替驱动活塞在刚体中做可控往复移动。

技术领域

本发明属于机器人动力应用领域，具体实现机器人直线运动关节的动力功能。

背景技术

目前市面上的活塞电机多为两个电磁铁的往复式电机，移动距离和精度不可调。而精度可调的音圈电机价格超贵并且输出动力及其有限，都无法实现六足机器人的腿部行走功能。而使用旋转电机总会有超多的机械传动结构，增加了行走机器人的腿部结构复杂度，并且旋转电机在转换为直线运动的过程中，移动还不是线性的，不便于控制。

发明内容

针对以上局限性，本发明提出了一种精度和行程均可控的往复式活塞电机，其原理是依据永磁体的转子和铁芯线圈的定子构成的电机原理。

一对铁芯线圈和一个永磁体的结构如图1所示，条形永磁体是左N右S，铁芯线圈的绕线是顺向串联的，也就是通电后它们产生的磁极方向是一致的，如都是左N右S或都是左S右N。

当给线圈接通图2所示负向电流后，根据线圈电流和磁极的关系可知，铁芯线圈产生的磁极是左S右N。由图2可知此时的永磁体是被上下铁芯线圈吸引的，上下的线圈分别与永磁体形成了各自的磁回路，永磁体不会左右移动，顶多因为上下的受力不均匀被吸引到上面的铁芯线圈，或者被吸引到下面的铁芯线圈。

当给图1所示的铁芯线圈接上正向电流后，铁芯线圈的磁极变成了左N右S，则因为同性磁极排斥的原因永磁体会产生移动，并且有三种可能的移动方式。

一是永磁体被推离原来的位置向右运动，如图3(a)所示，因为右边的铁芯磁极与永磁体左边的磁极不同会产生吸引，永磁体会被吸引在铁芯右侧的中间，或者因为上下受力不均匀被吸向右上或右下。

二是永磁体被推离原来的位置向左运动，如图3(b)所示，因为左边的铁芯磁极与永磁体右边的磁极不同会产生吸引，永磁体会被吸引在铁芯左侧的中间，或者因为上下受力不均匀被吸向左上或左下。

三是永磁体在移动的过程中被铁芯线圈左右旋转了180度，然后吸引在了上或下边的铁芯上，这种不属于本发明的需要应用的情况，未画出图示。

从第一二种情况可以知道，当图1所示的铁芯线圈和永磁体所组成的结构在条件满足时，永磁体是会产生左移或右移的，对于上下铁芯不均匀吸引的现象不属于本发明应用，以下将不予提及。

从前述分析可知，永磁体直线移动的条件是：一对铁芯线圈的中间放置一个条形永磁体；永磁体的磁极分为左右两端，线圈极化磁极在左右两端；需要改变电流方向。

根据上述分析结果设计了图4所示的双线圈组结构，能够使条形永磁体作直线运动。A、B铁芯线圈组的特性相同，包括电器特性和尺寸特性；铁芯线圈组(以下简称线圈组)内的上下两个铁芯线圈的尺寸特性和电器特性也是相同的；永磁体是条形且薄的长方体形永磁体，且磁极是左N右S；A、B线圈组之间的间距等于线圈铁芯的外侧长度L；永磁体的长度等于线圈长度的两倍即2L；A、B线圈组内的铁芯宽度、永磁体的宽度完全相等均为W。

运动过程如下。

Idc1为负电流，Idc2为负电流时，A、B线圈组的磁极如图4所示都是左S右N，A线圈组产生的磁极与永磁体磁极相反，于是永磁体被吸引在了A线圈组的中间，即图4中的位置，该位置定义为永磁体向右移动的起点。