专利名称：具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器臂关节制动器，尤其涉及一种具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器。
背景技术：
在1984年，IS0/TC184/SC2/WG1曾对机器人定义“机器人是可程序的机械， 在自动控制下实行包括操作或移动动作的课题”。一般工业用机器人均具有操作机 (manipulator)及记忆装置，而记忆装置可为可变顺序控制装置或是固定顺序控制装置。如此，机器人便可通过记忆装置送出信号，以使机器人的操作机执行各种移动、旋转、或是伸缩等相关的动作。此外，在1994年，IS08373 “工业用机器人操作词汇”中则说明机器人应包括操作机(manipulator)、制动器(actuator)、以及软、硬件控制系统。机器人核心技术的研发一直是欧、美、日等先进国家的重要发展方向。过去机器人发展主要为工业用机械手臂(industrial robot)与机器化控制系统，近年来已朝向智能化与多样化发展。传统人形机器人的传动机构大都以马达为主，目前现行作法有三，分别为步进马达、减速机与马达结合及高转矩无刷马达。步进马达的种类依照结构来分可以分成三种永久磁铁式(permanent magnet, PM)、可变磁阻式(variable reluctance, VR)以及复合式(hybrid)。永久磁铁式步进马达的转子是以永久磁铁制成，其特性为线圈无激磁时，由于转子本身具有磁性，故仍能产生保持转矩。可变磁阻式步进马达的转子是以高导磁材料加工制成，由于是利用定子线圈产生吸引力使转子转动，因此当线圈未激磁时无法保持转矩。此外，由于转子可以经由设计提高效率，故可变磁阻式步进马达可以提供较大的转矩。可变磁阻式步进马达的步进角一般均为15度，通常运用于需要较大转矩与精确定位的工具机上。复合式步进马达在结构上，是在转子外围设置许多齿轮状的突出电极，同时在其轴向亦装置永久磁铁，可视为永久磁铁式与可变磁阻式的合体，故称的为复合式步进马达。复合式步进马达同时具备了永久磁铁式步进马达与可变磁阻式步进马达两者的优点，因此具备高精确度与高转矩的特性。复合式步进马达的步进角较小，一般介于1. 8度 3. 6度之间。虽然采用步进马达具有系统结构简单、转速和数字脉波频率成正比、控制容易，无需位置反馈、价格低(因无需位置感测装置)、易与计算机或数字机器结合以及无碳刷滑环等，可靠性高，寿命主要受到轴承限制的特点，但是也具有效率低、高速或高转矩下容易失步、特定频率下易产生共振以及高负载下，可靠性较差的缺点。利用减速机与马达结合是机器人应用上最普遍的架构。一般减速机必需在很高的轴向及径向负载下，具有极小的背隙，能将高的输入转速转换为较低的输出转速并传递大的输出扭矩。减速机需容易安装于马达上，且保持精确的对位，确保产生的系统噪音及振动为最小。一般而言，此减速机与马达结合架构具有适用于低速高扭力场合、马达可设计在高效率区域、控制容易，可采简易反馈控制、易与计算机或数字机器结合以及可应用无刷马达，具高可靠性，寿命主要受到轴承限制的特点，但采用此架构的缺失有系统结构不易扁薄化、定位能力受限于减速机构，且机构常需维护、系统结构复杂，减速机成本偏高以及国外大厂掌握关键技术。无刷马达采用钕铁綳磁铁(NdFeB)，具有体积小、高功率及高扭力密度特性，再加上无碳刷设计，可降低电磁干扰及系统保养等优点。但在机器人应用上，特别在高转矩设计前提下，采用此架构的缺失有所需马达体积过大、电流易过高衍生过热问题以及马达工作效率偏低等。制动制动制动
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，利用永久磁铁相吸的顿转效应，提供所述制动器处于高顿转扭矩状态，产生较大的闭锁力量，而能在断电时，自动切换所述制动器处于高顿转扭矩状态，产生较大的闭锁力量以锁住该内层动子的转动状态。为了达到上述目的，本发明提供一种具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，该制动器包含一内层定子、一内层动子、一外层动子、一外层定子以及一固定轴。该内层定子包含一铁心与绕设在该铁心上的一绕组。该内层动子套接于该内层定子外径，该内层动子由多个N极永久磁铁、多个S极永久磁铁与多个铁金属材料交错设置而成。该外层动子套接于该内层动子外径，该外层动子由多个N极永久磁铁、多个S极永久磁铁与多个铁金属材料交错设置而成。该外层定子套接于该内层动子外径，并且与该外层动子叠接，该外层定子由多个N极永久磁铁、多个S极永久磁铁与多个铁金属材料交错设置而成。该固定轴穿设于该内层定子内。该制动器还包含一外层动子上盖、一内层动子上盖、一内层动子下盖以及一外层定子下盖。该外层动子上盖罩合该外层动子，并且该外层动子上盖顶面设有一 U型开孔槽。 该内层动子上盖覆盖于该内层动子的一侧，并且该内层动子上盖顶面设有一凸柱。该内层动子下盖覆盖于该内层动子的另一侧。该外层定子下盖罩合该外层定子。其中，该内层动子上盖的该凸柱穿设该外层动子上盖的该U型开孔槽，并通过该内层动子转动而带动该凸柱在该U型开孔槽内转动，以决定所述制动器的转动行程。此外，该内层动子上盖设有一第一中心开孔，该内层动子下盖设有一第二中心开孔。该制动器还包含一第一轴承与一第二轴承。该第一轴承嵌固于该第一中心开孔中，并该固定轴穿设在该第一轴承中。该第二轴承嵌固于该第二中心开孔中，并该固定轴穿设在该第二轴承中。借此，本发明的功效在于，利用该外层动子与该外层定子的该多个永久磁铁相吸的顿转效应，而能在断电时，自动切换所述制动器处于高顿转扭矩状态，产生较大的闭锁力量以锁住该内层动子的转动状态。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1本发明一磁控式机器臂关节制动器的爆炸图；图2本发明该磁控式机器臂关节制动器的剖面5
图3A本发明该磁控式机器臂关节制动器的一外层动子相对于一外层定子操作于未旋转前的组合图；图;3B本发明该磁控式机器臂关节制动器的该外层动子相对于该外层定子操作于旋转角度为7. 5度时的组合图；图3C本发明该磁控式机器臂关节制动器的该外层动子相对于该外层定子操作于旋转角度为15度时的组合图；图3D本发明该磁控式机器臂关节制动器的该外层动子旋转后所产生锁住转矩的波形图；图4本发明该磁控式机器臂关节制动器的组合图；图5A本发明该磁控式机器臂关节制动器的该内层定子铁心样式与绕线方法的第一实施例；图5B本发明该磁控式机器臂关节制动器的该内层定子铁心样式与绕线方法的第二实施例；及图5C本发明该磁控式机器臂关节制动器的该内层定子铁心样式与绕线方法的第
三实施例。其中，附图标记
100磁控式机器臂关节制动器
10内层定子
102铁心
104绕组
20内层动子
202内层动子上盖
2022凸柱
204内层动子下盖
206第一轴承
208第二轴承
30外层动子
302外层动子上盖
3022U型开孔槽
40外层定子
402外层定子下盖
50固定轴
θ旋度角度
Cvl第一曲线
Cv2第二曲线
Cv3第三曲线
具体实施例方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下
请参见图1与图2分别为本发明一磁控式机器臂关节制动器的爆炸图与剖面图。 该磁控式机器臂关节制动器100主要包含一内层定子10、一内层动子20、一外层动子30、一外层定子40以及一固定轴50。该内层定子10包含一铁心102与绕设在该铁心上的一绕组104。并且，该内层定子10为多极绕组定子结构。该内层动子20套接于该内层定子10外径，该内层动子20由多个N极永久磁铁(未标示)、多个S极永久磁铁(未标示)与多个铁金属材料(未标示) 交错设置而成。其中，该内层动子20的交错设置是指每一该N极永久磁铁、每一该铁金属材料、每一该S极永久磁铁与每一该铁金属材料依序重复排列，亦即，每一该N极永久磁铁与每一该S极永久磁铁邻接该铁金属材料，使该多个N极永久磁铁、该多个S极永久磁铁与该多个铁金属材料形成圆环状的依序重复排列。该外层动子30套接于该内层动子20外径，该外层动子30由多个N极永久磁铁 (未标示)、多个S极永久磁铁(未标示)与多个铁金属材料(未标示)交错设置而成。同样地，该外层动子30的交错设置是指每一该N极永久磁铁与每一该S极永久磁铁邻接该铁金属材料，使该多个N极永久磁铁、该多个S极永久磁铁与该多个铁金属材料形成圆环状的依序重复排列。该外层定子40套接于该内层动子20外径，并且与该外层动子30叠接，该外层定子40由多个N极永久磁铁(未标示)、多个S极永久磁铁(未标示)与多个铁金属材料(未标示)交错设置而成。同样地，该外层定子40的交错设置是指每一该N极永久磁铁与每一该S极永久磁铁邻接该铁金属材料，使该多个N极永久磁铁、该多个S极永久磁铁与该多个铁金属材料形成圆环状的依序重复排列。该固定轴50穿设于该内层定子10内。 因此，由图2该磁控式机器臂关节制动器的剖面图可明显地看出，该内层定子10、该内层动子20、该外层动子30、该外层定子40由该固定轴50同时穿设而形成同轴配置。配合参见图4本发明该磁控式机器臂关节制动器的组合图。该磁控式机器臂关节制动器100还包含一外层动子上盖302、一内层动子上盖202、一内层动子下盖204以及一外层定子下盖402。该外层动子上盖302罩合该外层动子30，并且该外层动子上盖302顶面设有一 U型开孔槽3022。该内层动子上盖202覆盖于该内层动子20的一侧(依本实施例而言，该内层动子上盖202覆盖于该内层动子20的轴方向上半部)，并且该内层动子上盖202顶面设有一凸柱2022。该内层动子下盖204覆盖于该内层动子20的另一侧(以本实施例而言，该内层动子下盖204覆盖于该内层动子20的轴方向下半部)。该外层定子下盖402罩合该外层定子40。其中，该内层动子上盖202的该凸柱2022穿设该外层动子上盖 302的该U型开孔槽3022，并通过该内层动子20转动而带动该凸柱2022在该U型开孔槽 3022内转动，以决定所述制动器100的转动行程。并且，也借由该内层动子上盖202的该凸柱2022在该U型开孔槽3022内转动，提供该磁控式机器臂关节制动器100实际的动力输出。此外，该制动器100的转动行程多少，可依据动力辅具的需求弹性调整。并且，可通过该外层定子40与该外层动子30的相对位移，可限制该外层定子40与该外层动子30的切换角度。通过设计该内层动子、该外层定子与该外层动子的容置沟槽，以增加该内层动子、 该外层定子与该外层动子间的气隙磁通密度，而提高该致动器的转矩能力。此外，该内层动子上盖202设有一第一中心开孔(未标示)，该内层动子下盖204 设有一第二中心开孔(未标示)。该磁控式机器臂关节制动器100还包含一第一轴承206与一第二轴承208。该第一轴承206嵌固于该内层动子上盖202的该第一中心开孔中，并该固定轴50穿设在该第一轴承206中。另外，该第二轴承208嵌固于该内层动子下盖204的该第二中心开孔中，并该固定轴50穿设在该第二轴承208中。该磁控式机器臂关节制动器100更详细的动作说明，请参见下文。通过对绕设在该内层定子10的该绕组104通电激磁，使该内层动子20交错设置的该多个N极、S极永久磁铁所产生的磁场与该内层定子10的绕组104通电激磁所产生的磁场相互切割，使得该内层动子20转动而带动该凸柱2022在该U型开孔槽3022内转动，以致该磁控式机器臂关节制动器100能以产生位移，提供动力输出。请参见图3A至图3C分别为本发明该磁控式机器臂关节制动器的一外层动子相对于一外层定子操作于未旋转前、操作于旋转角度为7. 5度时以及操作于旋转角度为15度时的组合图。本发明该磁控式机器臂关节制动器的闭锁动作原理是利用该外层动子30交错设置的该多个N极、S极永久磁铁与该外层定子40交错设置的该多个N极、S极永久磁铁所产生的磁场相互切割，使该外层动子30相对于静定不动的该外层定子40产生一旋转角度 Θ。依本实施例而言，图3C表示该外层动子30以逆时针方向旋转15度(该旋转角度θ =15° )，图:3Β表示该外层动子30以逆时针方向旋转7. 5度(该旋转角度θ =7.5° )， 而图3Α则表示该外层动子30未旋转(该旋转角度θ =0° )。此外，该外层动子上盖302罩合该外层动子30以多个定位栓(position pin)彼此紧固；该外层定子下盖402罩合该外层定子40也以多个定位栓彼此紧固。该外层动子上盖302与该外层定子下盖402的该多个定位栓也形成标示之用，亦即当外层动子30未旋转时，该外层动子上盖302的该多个定位栓是与该外层定子下盖402的该多个定位栓对齐 ’然而，当该外层动子30旋转时，该多个定位栓则形成错位状态。当该外层定子40与该外层动子30的磁极位置相同时，该外层定子40与该外层动子30所产生的磁路为封闭状态，产生较大的顿转(cogging)效应，以致利用该特性使该磁控式机器臂关节制动器100处于高顿转扭矩状态，产生较大的闭锁力量，以锁住该内层动子20的转动状态，因此可在断电下承受高负载。当该外层定子40与该外层动子30的磁极位置偏移180度电气角时，(亦即，对结构为M极的该外层定子40与该外层动子30而言， 为15度空间角)，该外层定子40与该外层动子30所产生的磁路为半开放状态，产生较小的顿转效应，使该磁控式机器臂关节制动器100为低顿转扭矩状态，可呈现移动可控状态。在此操作状态下，只要对绕设在该内层定子10的该绕组104通电激磁，就能够使该内层动子 20转动而带动该凸柱2022在该U型开孔槽3022内转动，以致该磁控式机器臂关节制动器 100能以产生位移，提供动力输出。配合参见图3D为本发明该磁控式机器臂关节制动器的该外层动子旋转后所产生锁住转矩的波形图。图中横坐标代表该内层动子20旋转角度，而纵坐标代表该外层动子所产生的锁住转矩大小，并且，图中所示的三条曲线分别代表该磁控式机器臂关节制动器100 操作于未旋转前(第一曲线Cvl)、操作于旋转角度为7. 5度时(第二曲线Cv2)以及操作于旋转角度为15度时(第三曲线CU)的锁住转矩变化图。由图3D可明显看出，当该外层定子40与该外层动子30的磁极位置相同时(即该外层动子30相对于该外层定子40操作于未旋转前)，由该第一曲线Cvl可获知磁控式机器臂关节制动器100处于高顿转扭矩状态， 并且最大转矩可达大约30牛顿-米(N-m)。相对地，当该外层定子40与该外层动子30的磁极位置偏移180度电气角时(即该外层动子30相对于该外层定子40操作于旋转角度为 15度时)，由该第三曲线Cv3可获知磁控式机器臂关节制动器100处于低顿转扭矩状态，并且最大转矩仅达大约5牛顿-米(N-m)。此外，若当该外层定子40与该外层动子30的磁极位置偏移介于0度至180度电气角之间时，以本例而言，是为该外层动子30相对于该外层定子40操作于旋转角度为7. 5度时，由该第二曲线Cv2可获知磁控式机器臂关节制动器 100处于高顿转扭矩与低顿转扭矩状态之间，并且最大转矩达大约20牛顿-米(N-m)。请参见图5A至图5C分别为本发明该磁控式机器臂关节制动器的该内层定子铁心样式与绕线方法的三种实施例。针对该磁控式机器臂关节制动器100的该内层定子10设计成不同的样式，以提供可行的铁心样式与绕线方法。借由磁路结构的改变，以弥补马达磁路与结构上天生的缺陷，使马达同时满足易制动器且高锁住转矩(holding torque)的需求。简而言之，本发明所提供的该磁控式机器臂关节制动器100与机构整合，采以模块化设计，并使该磁控式机器臂关节制动器100具有断电自锁功能(auto-locking)。当断电时，通过该磁控式机器臂关节制动器100内磁铁相吸的顿转(cogging)效应，使机器臂关节呈现锁住状态(holding status)，并未受负载影响产生位移，整体该磁控式机器臂关节制动器100可小型轻量化且具备高自锁扭力的需求。综上所述，本发明系具有以下的优点1、该制动器具有低速超高扭力能力，可进行高/低顿转扭矩的切换，断电时，可因高顿转扭矩而使该制动器呈现固定状态，可省电节能效果；2、该制动器可薄化设计，无需任何减速机构，有效改善传统制动器体积与成本，并且，因无减速机构，所以维护费用较低；3、系统断电时，因该制动器会自动切换到高锁住扭矩模式，即自动锁住，此可增加系统安全及可靠性高；4、可采用简易反馈控制而能实现对该制动器容易控制。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，包含 一内层定子，包含一铁心与绕设在该铁心上的一绕组；一内层动子，套接于该内层定子外径，该内层动子由多个N极永久磁铁、多个S极永久磁铁与多个铁金属材料交错设置而成；一外层动子，套接于该内层动子外径，该外层动子由多个N极永久磁铁、多个S极永久磁铁与多个铁金属材料交错设置而成；一外层定子，套接于该内层动子外径，并且与该外层动子叠接，该外层定子由多个N极永久磁铁、多个S极永久磁铁与多个铁金属材料交错设置而成；及一固定轴，穿设于该内层定子内；借此，利用该外层动子与该外层定子的该多个永久磁铁相吸的顿转效应，而能在断电时，自动切换所述制动器处于高顿转扭矩状态，产生较大的闭锁力量以锁住该内层动子的转动状态。
2.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，该磁控式机器臂关节制动器还包含一外层动子上盖，罩合该外层动子，并且该外层动子上盖顶面设有一 U型开孔槽； 一内层动子上盖，覆盖于该内层动子的一侧，并且该内层动子上盖顶面设有一凸柱； 一内层动子下盖，覆盖于该内层动子的另一侧；及一外层定子下盖，罩合该外层定子；其中，该内层动子上盖的该凸柱穿设该外层动子上盖的该U型开孔槽，并通过该内层动子转动而带动该凸柱在该U型开孔槽内转动，以决定所述制动器的转动行程。
3.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，该内层动子上盖设有一第一中心开孔，并且所述磁控式机器臂关节制动器还包含一第一轴承，该第一轴承嵌固于该第一中心开孔中，并该固定轴穿设在该第一轴承中。
4.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，该内层动子下盖设有一第二中心开孔，并且所述磁控式机器臂关节制动器还包含一第二轴承，该第二轴承嵌固于该第二中心开孔中，并该固定轴穿设在该第二轴承中。
5.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，该内层定子为多极绕组定子结构。
6.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，该内层动子的交错设置为每一该N极永久磁铁、每一该铁金属材料、每一该S极永久磁铁与每一该铁金属材料依序重复排列。
7.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，该外层动子的交错设置为每一该N极永久磁铁、每一该铁金属材料、每一该S极永久磁铁与每一该铁金属材料依序重复排列。
8.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，该外层定子的交错设置为每一该N极永久磁铁、每一该铁金属材料、每一该S极永久磁铁与每一该铁金属材料依序重复排列。
9.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，通过该外层定子与该外层动子的相对位移，可限制该外层定子与该外层动子的切换角度。
10.根据权利要求1所述的具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，其特征在于，通过设计该内层动子、该外层定子与该外层动子的容置沟槽，以增加该内层动子、该外层定子与该外层动子间的气隙磁通密度，而提高该致动器的转矩能力。
全文摘要
一种具有断电自锁功能的磁控式机器臂关节制动器，主要包含一内层定子、一内层动子、一外层动子、一外层定子以及一固定轴。该内层动子、该外层动子以及该外层定子分别具有多个永久磁铁。并且，该内层定子、该内层动子、该外层动子以及该外层定子是由该固定轴同时穿设而形成同轴配置。该内层动子相对于该内层定子转动，以提供该制动器的动力输出。借此，利用该外层动子与该外层定子的该多个永久磁铁相吸的顿转效应，而能在断电时，自动切换所述制动器处于高顿转扭矩状态，产生较大的闭锁力量以锁住该内层动子的转动状态。
文档编号B25J17/00GK102371589SQ20101025258
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者王伯恭, 蔡明祺, 蔡清雄, 许宏成, 许良伊, 郑铭扬, 黄建钦 申请人:台达电子工业股份有限公司, 国立成功大学