专利名称：关节驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在关节上的第一第二元件之间产生相对运动的关节驱动装置。
在现有技术的关节驱动装置中，使用一旋转电动机产生关节上的第一第二元件之间的相对运动。在另一个现有技术的关节驱动装置中，使用直线电动机产生关节上的第一第二元件之间的相对运动，并且所述直线电动机的定子结构和旋转电动机的定子结构类似。
本发明的目的在于提供一种关节驱动装置，用于在关节上的第一第二元件之间产生一相对运动，借助于所述装置，使磁通被有效地用于产生一用来彼此相对地推动第一及第二元件的作用力。
按照本发明，在用于在关节上的第一及第二元件之间产生相对运动的关节驱动装置中，包括直线电动机，所述直线电动机包括至少一个被固定在第一及第二元件的另一个上的定子部分，可以相对于该定子部分沿可动方向运动并和第一及第二元件的一个相连以便相对于第一及第二元件的另一个被运动的可动元件，以及电磁线圈装置，用于对要被磁化的定子部分激磁，使得产生相对于定子部分沿可动方向推动可动元件的磁场，所述定子部分包括至少两对磁极，所述至少两对磁极沿可动方向彼此相邻，所述至少两对磁极的每对磁极通过可动元件沿着垂直于所述可动方向的横向相互面对，从而产生经过所述磁极通过可动元件的磁场，并且当定子部分被磁化时，所述至少两对磁极的一对磁极的极性的方向和沿可动方向与所述至少两对磁极中的一对磁极相邻的另一对磁极的极性的方向相反。
因为所述至少两对磁极的每对磁极的磁极通过可动元件沿垂直于可动方向的横向相互面对，从而产生经过所述磁极通过可动元件的磁场，并且当定子部分被磁化时，所述至少两对磁极的一对磁极的极性的方向和所述至少两对磁极中的与所述至少两对磁极中的一对磁极沿可动方向相邻的另一对磁极的极性的方向相反，所以磁通被有效地用于产生用于彼此相对地推动第一及第二元件的作用力。
所述关节驱动装置还可以包括检测器，用于产生相应于可动元件相对于定子部分的实际运动的信号，其中电磁线圈装置根据所述信号和可动元件的相对于定子部分的指令运动之间的比较控制定子部分的激磁相位的改变，从而形成闭环控制系统。电磁线圈装置可以根据可动元件相对于定子部分的指令运动控制定子部分的激磁相位的改变，从而形成开环控制系统。可动元件相对于定子部分的实际运动可以借助于可动元件的实际运动由在电磁线圈装置中感应的电压，或者由流过电磁线圈装置的电流进行估测。
当所述装置包括至少两个定子部分时，电磁线圈装置则以不同的所述至少两个定子部分间的激磁相位分别激励要被激励的所述至少两个定子部分，从而通过在所述至少两个定子部分之间的协同操作，产生用于沿可动方向推动可动元件的行进磁场。P是在每个定子部分中沿可动方向彼此相邻的磁极对的间距，k是不小于0的整数，M是利用彼此不同的各个激磁相位激励的定子部分数，M是不小于2的整数，则一个定子部分的磁极对和沿运动方向彼此相邻的另一个定子部分的磁极对之间的距离＝(k*P)+(P/M)。
关节驱动装置还可以包括弹性元件，所述弹性元件的一部分和第一及第二元件中的一个相连，其中可动元件和弹性元件的另一部分相连，以便通过弹性元件相对于第一及第二元件中的另一个驱动第一及第二元件中的这一个。所述装置可以包括多对弹性元件和直线电动机，同时第一及第二元件之间的相对运动借助于各自的一对弹性元件和直线电动机沿着彼此不同的各个方向进行。所述装置可以包括多个弹性元件，同时第一及第二元件之间的相对运动借助于和直线电动机选择地连接的一个弹性元件沿彼此不同的各个方向进行。所述关节驱动装置还可以包括用于盖住从定子部分伸出的可动元件之一部分的防尘罩。关节驱动装置还可以包括用于冷却直线电动机的冷却装置。关节驱动装置还可以包括用于在电池和外部电源之间转换，从而接通向直线电动机供电的电源的开关装置。关节驱动装置还可以包括弹性元件，用于沿可动方向相对于第一及第二元件中的另一个推动可动元件。弹性元件可以包括用于在可动元件和第一及第二元件之一之间进行弹性连接的弹簧。弹性元件可以包括用于在可动元件和第一及第二元件之一之间进行弹性连接的橡胶。
当至少两对磁极的每对磁极中的第一个磁极面向该可动元件的第一侧面时，所述至少两对磁极的每对磁极中的第二个磁极则面向沿横向和第一侧面相反的可动元件的第二侧面，在所述至少两对磁极的一对磁极的第一个磁极和至少两对磁极中的一对磁极的第二个磁极之间的极性方向和至少两对磁极的另一对磁极的第一个磁极和至少两对磁极中的另一对磁极的第二个磁极之间的极性方向相反，并且所述至少两对磁极利用一个电磁线圈激磁，从而使得用于直线电动机的电磁线圈的数量最少。
当至少两对磁极的每对磁极中的第一个磁极面向该可动元件的第一侧面时，至少两对磁极的每对磁极中的第二个磁极面向沿横向和第一侧面相反的可动元件的第二侧面，所述定子部分具有磁心，并且电磁线圈装置具有在所述磁心的纵向端部之间围绕所述磁心的中间部分的电磁线圈，用于产生一经过磁心的纵向端部的磁场，从而使所述至少两对磁极被所述电磁线圈激磁，并且所述磁心的一个纵向端部形成所述至少两对磁极的一对磁极中的第一个磁极和所述至少两对磁极的另一对磁极中的第二个磁极(两者)，同时所述磁心的另一个纵向端部形成所述至少两对磁极的另一对磁极中的第一个磁极和所述至少两对磁极的一对磁极中的第二个磁极(两者)，从而使所述磁心的尺寸最小。
当所述装置包括至少两个定子部分，它们以不同的位于其间的激磁相位分别被激励，从而通过在所述至少两个定子部分之间的协同操作，产生用于沿可动方向推动可动元件的行进磁场，并且每个定子部分由一个电磁线圈激励时，则直线电动机的电磁线圈的数量最小。
当所述装置包括至少两个定子部分，它们以不同的激磁相位分别被激励，从而通过在所述至少两个定子部分之间的协同操作，产生用于沿可动方向推动可动元件的行进磁场，并且在一个定子部分中的至少两对磁极由一个电磁线圈激励，另一个定子部分中的至少两对磁极由另一个电磁线圈激励时，则用于直线电动机的电磁线圈的数量最小。当定子部分由一个电磁线圈激励时，则用于直线电动机的电磁线圈的数量最小。
图1是表示包括本发明的直线电动机的关节驱动装置的示意图；图2a是表示所述关节驱动装置的控制系统的方块图；图2b是表示所述关节驱动装置的另一个控制系统的方块图；图3a是表示所述关节驱动装置的另一个控制系统的方块图3b是表示所述关节驱动装置的另一个控制系统的方块图；图4是表示包括本发明的直线电动机的关节驱动装置的示意图；图5是表示所述关节驱动装置的另一个控制系统的方块图；图6a是表示本发明的直线电动机的定子驱动单元的示意的透视图；图6b是表示本发明的直线电动机的另一个定子驱动单元的示意的透视图；图7a是表示本发明的直线电动机的磁心单元的示意的透视图；图7b是表示本发明的直线电动机的磁心组件的示意的透视图；图8a是表示本发明的直线电动机的外形的示意的透视图；图8b是表示本发明的另一个直线电动机的外形的示意的透视图；图8c是表示本发明的另一个直线电动机的外形的示意的透视图；图9是表示被串联设置的本发明的定子部分以及在定子部分上被驱动的可动元件的示意的透视图；图10是表示被并联设置的本发明的定子部分以及在定子部分上被驱动的可动元件的示意的透视图；图11是表示本发明的另一种可动元件的示意的透视图；图12是表示本发明的另一种可动元件以及其中可使用的定子的的示意图；图13是表示本发明的另一种直线电动机的局部截面图；图14表示在两相直流电动机中输入指令脉冲，可动元件的进程以及分别用于激励定子部分的电流相位之间的关系；图15表示在两相直流电动机中输入指令脉冲，可动元件的进程以及分别用于激励定子部分的电流相位之间的另一种关系；图16表示在两相直流电动机中输入指令脉冲，可动元件的进程以及分别用于激励定子部分的电流相位之间的另一种关系；图17是表示包括本发明的直线电动机的另一种关节驱动装置的示意图。
如图1所示，直线电动机101具有控制器102，电力驱动器103，电池104，电源线105，连接器106，可摆动的关节108，在关节106上可以彼此相对摆动的第一和第二元件109，110，由弹簧或橡胶构成的弹性元件107，其一端通过连接器106和可动元件相连，其另一端和第二元件110相连，并且其具有用于实现类似于肌肉的运动的弹性特性，以及由弹簧或橡胶构成的另一个弹性元件111，其一端和第一元件相连，其另一端和第二元件110相连，并且其具有用于实现类似于肌肉的运动的弹性特性。
可以由电池104或者由电源线105对直线电动机101提供电力。电池104和电源线105中的至少一个是可拆卸的。弹簧120可以被设置在第一元件109和可动元件之间作为阻尼器。如图17所示，直线电动机101可以具有冷却装置121与/或用于盖住从定子上伸出的可动元件之一部分的防尘罩122。冷却装置121可以是电动机驱动的风扇或者是散热片。
如图2a所示，可以构成一个闭环控制系统，其中包括检测器123，用于测量可动元件和定子的相对运动与/或在可动元件上的磁极和在定子上的磁极之间的位置关系，控制器102，用于接收来自检测器123和电力驱动器103的信号。
如图2b所示，由直线电动机101，控制器102，和电力驱动器103可以构成开环控制系统。
如图3a所示，电力驱动器103可以根据在控制器102中由直线电动机101产生的感应电压E0估测的在可动元件上的磁极和在定子上的磁极之间的位置关系被控制。
如图3b所示，电力驱动器103可以根据在控制器102中由感应电压E0估测的在可动元件上的磁极和在定子上的磁极之间的位置关系被控制，该感应电压E0由提供到直线电机101的电压和测出的电流计算出。
如图4所示，在第一和第二元件之间的相对运动可以借助于一对直线电动机101来实现。如图5所示，直线电动机101可以选择地和弹性元件107a，107b之一相连，以便沿每个方向驱动第二元件110。
如图6a，6b所示，第一磁心51形成第一对磁极11a，21b，第二磁心52形成第二对磁极12b，22a。第(2n-1)个磁心具有第一对磁极11a，21b，第(2n)个磁心具有第二对磁极12b，22a，其中n＝1，2，3......。第一磁心51和第二磁心52由一个电磁线圈4围绕着。可动元件6可以在第一磁心51的磁极11a，21b之间以及第二磁心52的磁极12b，22a之间的间隙8中运动，所述可动元件6具有一对磁极，其间距Pm等于彼此相邻的第一磁心51和52沿可动元件6的可以运动的方向上的间距Ps。可动元件6的磁极由永磁体，电磁线圈构成，并且/或者沿着可以运动的方向相对于磁心具有不同的导磁率。沿着可以运动的方向彼此相邻的第一和第二磁心51，52的磁极极性方向彼此相反。
如图7a，7b所示，因为可动元件6和磁极11a，22b之间的吸力基本上等于可动元件6和磁极21b，12b之间的吸力，所以可动元件6和磁心51，52之间的吸力被减小了。磁心51和52可以由层叠的钢板构成。
如图8a，8b和8c所示，包括磁心51和52，以及电磁线圈4的定子3可以被各种形状的模制塑料包含着。可动元件6可以是矩形的或圆柱形的，如图12所示。
如图9所示，定子3具有串联设置的定子部分A和B，所述定子部分的每一个包括磁心51和52以及电磁线圈4，并且这些定子部分分别利用在定子部分A和B间不同的激磁相位被激励而产生磁场，从而通过在定子部分A和B之间的协同操作产生沿可动方向推动可动元件6的行进磁场。如图14-16所示，当直线电动机是两相直线电动机时，定子部分A，B之间的激磁相位差是π/2。如图15所示，施加于每个定子部分A，B的电流可以沿正弦曲线改变。如图16所示，施加于每个定子部分A，B的电流可以通过改变被施加的电压或电流的脉冲宽度来被改变。
如图10所示，定子部分A，B可以被并联设置，并且可动元件6可以被并联设置。被并联设置的可动元件6可以是一件式结构。当然，直线电动机可以是三相、四相或五相的直线电动机。
一个定子部分的一对磁极和沿可动方向彼此相邻的另一个定子部分的一对磁极之间的距离＝(k*P)+(P/M)，当P是在每个定子部分中沿可动方向彼此相邻的定子部分A，B的磁极对的间距Ps，并且沿可动方向彼此相邻的可动元件6的磁极的间距Pm时，k是不小于0的整数，M是利用彼此不同的各个激磁相位激励的定子部分数，同时M是不小于2的整数。
如图11所示，可动元件6可以具有基带16和导磁的凸起13，以便沿可动元件6的纵向改变可动元件6和磁心51，52之间的磁阻。导磁凸起13可以由可动元件6上的永磁体磁化。基带16可以是不导磁的。
如图12所示，可动元件6可以由杆35，高导磁率的大直径的环36和低导磁率的小直径的环37构成。环36可以包括永磁体。磁心51和52的表面沿着高导磁率的大直径的环36的外表面弯曲。
如图13所示，磁心51，52可以具有滑动支撑14，可动元件6可以具有滑块15，其可以在低的摩擦力下在滑动支撑14上滑动。
权利要求
1.一种用于在关节上的第一及第二元件之间产生相对运动的关节驱动装置，包括一直线电动机，所述直线电动机包括至少一个被固定在第一及第二元件的另一个上的定子部分，一可以相对于定子部分沿一可动方向运动的并和第一及第二元件的一个相连以便相对于第一及第二元件的另一个被运动的可动元件，以及一电磁线圈装置，用于对要被磁化的定子部分激磁，使得产生一相对于定子部分沿可动方向推动该可动元件的磁场，其中所述定子部分包括至少两对磁极，所述至少两对磁极沿可动方向彼此相邻，所述至少两对磁极的每对磁板通过可动元件沿着垂直于可动方向的横向相互面对，从而产生经过所述磁极通过可动元件的磁场，并且当定子部分被磁化时，所述至少两对磁极的一对磁极的极性方向和沿可动方向与所述至少两对磁极中的一对磁极相邻的其另一对磁极的极性方向相反。
2.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，还包括检测器，用于产生一相应于可动元件之相对于定子部分的实际运动的信号，其中电磁线圈装置根据所述信号和可动元件之相对于定子部分的指令运动之间的比较来控制定子部分的激磁相位的改变，从而形成闭环控制系统。
3.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，电磁线圈装置根据可动元件相对于定子部分的指令运动来控制定子部分的激磁相位的改变，从而形成开环控制系统。
4.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，可动元件相对于定子部分的实际运动借助于可动元件的实际运动由在电磁线圈装置中感应的电压进行估测。
5.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，可动元件相对于定子部分的实际运动由在电磁线圈装置中流过的电流进行估测。
6.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，所述装置包括至少两个定子部分，该电磁线圈装置则以其间不同的激磁相位分别激励要被激励的所述至少两个定子部分，从而通过在所述至少两个定子部分之间的协同操作，产生一用于沿可动方向推动可动元件的行进磁场，当P是在每个定子部分中沿可动方向彼此相邻的磁极对的一间距，k是不小于0的一整数，M是利用彼此不同的各个激磁相位激励的定子部分数，并M是不小于2的一整数时，则一个定子部分的磁极对和沿运动方向彼此相邻的另一个定子部分的磁极对之间的距离＝(k*P)+(P/M)。
7.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，还包括一弹性元件，所述弹性元件的一部分和第一及第二元件中的一个相连，其中可动元件和弹性元件的另一部分相连，以便通过弹性元件相对于第一及第二元件中的另一个来驱动第一及第二元件中的一个。
8.如权利要求7所述的关节驱动装置，其特征在于，所述装置包括多对弹性元件和直线电动机，第一及第二元件之间的相对运动借助于各自的一对弹性元件和直线电动机沿着彼此不同的各个方向进行。
9.如权利要求7所述的关节驱动装置，其特征在于，所述装置包括多个弹性元件，借助于和直线电动机选择地连接的各个弹性元件，在第一及第二元件之间进行方向不同的相对运动。
10.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，还包括用于盖住从定子部分伸出的可动元件之一部分的防尘罩。
11.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，还包括用于冷却直线电动机的冷却装置。
12.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，还包括用于在电池和外部电源之间转换的，从而接通向直线电动机供电的电源开关装置。
13.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，还包括一弹性元件，用于沿可动方向相对于第一及第二元件中的另一个推动可动元件。
14.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，至少两对磁极的每对磁极中的第一个磁极面向可动元件的第一侧面，所述至少两对磁极的每对磁极中的第二个磁极面向沿横向和第一侧面相反的可动元件的第二侧面，所述至少两对磁极的一对磁极的第一个磁极和至少两对磁极中的一对磁极的第二个磁极之间的极性方向和至少两对磁极的另一对磁极的第一个磁极和至少两对磁极中的另一对磁极的第二个磁极之间的极性方向相反，并且所述至少两对磁极利用一个电磁线圈激磁。
15.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，至少两对磁极的每对磁极中的第一个磁极面向可动元件的第一侧面，至少两对磁极的每对磁极中的第二个磁极面向沿横向和第一侧面相反的可动元件的第二侧面，所述定子部分具有一磁心，并且电磁线圈装置具有一在所述磁心的纵向端部之间围绕所述磁心之中间部分的电磁线圈，用于产生一经过磁心的纵向端部的磁场，从而使所述至少两对磁极被所述电磁线圈激磁，并且所述磁心的一个纵向端部形成所述至少两对磁极的一对磁极中的第一个磁极和所述至少两对磁极的另一对磁极中的第二个磁极(两者)，同时所述磁心的另一个纵向端部形成所述至少两对磁极的另一对磁极中的第一个磁极和所述至少两对磁极的一对磁极中的第二个磁极(两者)。
16.如权利要求7所述的关节驱动装置，其特征在于，弹性元件包括一用于在可动元件和第一及第二元件之一之间进行弹性连接的弹簧。
17.如权利要求7所述的关节驱动装置，其特征在于，弹性元件包括用于在可动元件和第一第二元件之一之间进行弹性连接的橡胶。
18.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，所述装置包括至少两个定子部分，它们以其间不同的激磁相位分别被激励，并通过在所述至少两个定子部分之间的协同操作，产生一用于沿可动方向推动可动元件的行进磁场，并且各个定子部分由一个电磁线圈激励。
19.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，所述装置包括至少两个定子部分，它们以其间不同的激磁相位分别被激励，并通过在所述至少两个定子部分之间的协同操作，产生一用于沿可动方向推动可动元件的行进磁场，并且在一个定子部分中的至少两对磁极由一个电磁线圈激励，另一个定子部分中的至少两对磁极由另一个电磁线圈激励。
20.如权利要求1所述的关节驱动装置，其特征在于，定子部分由一个电磁线圈激励。
全文摘要
在关节驱动装置中,直线电动机包括至少一个定子部分,可动元件,以及电磁线圈装置,用于对定子部分激磁,从而产生磁场。其中所述定子部分包括多对磁极,所述多对磁极在每个定子部分中彼此相邻,所述多对磁极的每对磁极通过可动元件相互面对,从而产生经过所述磁极通过可动元件的磁场,并且当定子部分被磁化时,所述至少两对磁极的一对磁极的极性方向和另一对磁极的极性方向相反。
文档编号B25J19/00GK1353495SQ0111749
公开日2002年6月12日 申请日期2001年4月30日 优先权日2000年11月6日
发明者秋田佳稔, 金弘中 申请人:株式会社日立制作所