一种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，包括中轴、转动臂外壳、转动臂磁钢体、平动臂磁钢体、平动臂轴、档位调节器、平动臂外壳，转动臂磁钢体固定连接在转动臂外壳的内壁上，转动臂磁钢体靠近转动臂外壳的第一端口；平动臂磁钢体套装在平动臂轴的外表面，平动臂磁钢体靠近平动臂外壳的第一端口；中轴的一端位于转动臂外壳中，另一端穿过转动臂磁钢体、平动臂轴、侧板，位于平动臂外壳外侧；档位调节器设在平动臂外壳上，档位调节器调节平动臂磁钢体轴向移动，穿入或穿出转动臂磁钢体的第一通孔。该装置在自身体积变化不大的情况下，可获得更大的力反馈量值，且结构紧凑，占用空间小。
【专利说明】—种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人手控器领域，具体来说，涉及一种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置。
【背景技术】
[0002]对人类获取信息能力的研究表明，视觉信息所占的比例最大，听觉次之，但是当虚拟环境中机器人与环境相互作用时，比如组装工件、插销入孔等，如果仅仅提供视觉和听觉信息，操作者不能从中获得真实的力感受，操作中容易出现大的差错，而只有在力觉临场感的指导下，操作者才能完成这种复杂和精细的作业任务。所以在虚拟现实、遥操作机器人和远程医疗等应用中，力反馈系统是非常重要的。
[0003]目前，已经存在的力反馈系统大多是伺服电机、压缩空气或电磁场驱动的主动型力再现系统，这些力再现装置虽然能给操作者提供较大范围的力觉反馈，但也存在一些问题，首先一旦出现故障，容易给操作者造成伤害；其次稳定性差，使力反馈性能大大降低；而且再现硬度大的物体或刚体时，因所需的力/力矩很大，要求驱动器体积必须足够大以至于不适合用于力反馈系统。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，该磁阻尼装置在自身体积变化不大的情况下，可获得更大的力反馈量值，且结构紧凑，占用空间小。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，该磁阻尼装置包括中轴、呈筒状的转动臂外壳、沿轴线设有第一通孔的转动臂磁钢体、平动臂磁钢体、沿轴线设有第二通孔的平动臂轴、档位调节器、呈筒状的平动臂外壳，平动臂磁钢体的直径小于转动臂磁钢体第一通孔的直径；平动臂外壳的第一端口和转动臂外壳的第一端口相对，且平动臂外壳和转动臂外壳同轴设置，平动臂外壳和转动臂外壳之间设有间隙，转动臂磁钢体位于转动臂外壳内，且转动臂磁钢体固定连接在转动臂外壳的内壁上，转动臂磁钢体靠近转动臂外壳的第一端口 ；平动臂轴位于平动臂外壳中，平动臂磁钢体套装在平动臂轴的外表面，平动臂磁钢体靠近平动臂外壳的第一端口 ；平动臂外壳的第二端口设有侧板，侧板的中部设有第三通孔；中轴的一端位于转动臂外壳中，另一端穿过转动臂磁钢体的第一通孔、平动臂轴的第二通孔，以及侧板的第三通孔，位于平动臂外壳的外侧；档位调节器设在平动臂外壳上，且档位调节器调节平动臂磁钢体轴向移动，平动臂磁钢体可穿入或穿出转动臂磁钢体的第一通孔。
[0006]进一步，所述的档位调节器包括连杆、齿轮、导轨和滑块，导轨固定连接在平动臂外壳的内壁上，滑块的一端嵌至在导轨中，滑块的另一端固定连接在平动臂轴上，平动臂轴上设有齿条，齿轮与齿条相啮合，且齿轮与连杆的一端固定连接，连杆的另一端穿出平动臂夕卜壳。
[0007]进一步，所述的导轨和滑块分别为两个，两个导轨相对设置在平动臂外壳的内壁上，每个导轨中嵌至一个滑块，每个滑块的另一端固定连接在平动臂轴上。
[0008]进一步，所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，还包括旋钮，旋钮固定连接在连杆上，且旋钮位于平动臂外壳的外侧。
[0009]进一步，所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，还包括定位圆盘，该定位圆盘位于转动臂外壳中，且定位圆盘固定连接在转动臂外壳的内壁上，中轴穿过定位圆盘的通孔。
[0010]进一步，所述的平动臂外壳的直径和转动臂外壳的直径相等。
[0011]进一步，所述的转动臂磁钢体和转动臂外壳之间设有隔离套，所述的平动臂磁钢体和平动臂轴之间设有隔离套。
[0012]进一步，所述的转动臂磁钢体和平动臂磁钢体分别由数量相同的偶数块磁钢分体连接组成，转动臂磁钢体和平动臂磁钢体分别由磁极为N级的磁钢分体和磁极为S级的磁钢分体交替连接组成，且转动臂磁钢体中磁极为N级的磁钢分体与平动臂磁钢体中磁极为S级的磁钢分体相对，转动臂磁钢体中磁极为S级的磁钢分体与平动臂磁钢体中磁极为N级的磁钢分体相对。
[0013]有益效果:与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果:
1.可获取变化范围较大的力反馈量值。传统的两相对圆盘形磁刚体结构的磁阻尼器，通过改变两圆盘间气隙的大小进而控制输出力反馈的量值。在磁钢体材料不变的前提下，只能依靠增大圆盘面积、厚度来获得更大的最大力反馈量值，这样必然会占用更多空间，使机械结构更加笨重、复杂。本发明将传统的两相对圆盘形磁钢体的结构改进为两嵌套圆筒形磁钢体的结构，通过控制两圆筒形磁钢体相互嵌套的深度，来控制力反馈量值的大小，NS磁极正对面积的大小变化范围较大，则可以在装置体积不明显变化的情况下，获得变化范围较大的力反馈量值。
[0014]2.通过齿轮和齿条控制平动臂磁钢体的轴向运动，相比于皮带传送等方式，更加准确、且易于控制，同时结构简单易于装配和实现。同时，通过选择不同尺寸齿槽的齿轮和齿条，来满足不同精度的控制。
[0015]3.控制简单可靠、精度高。本发明的磁阻尼器外壳表面只留有一个旋钮，使用者可以根据具体需求采用电机等对旋钮的转停进行控制，甚至可以直接由人手控制旋钮，作为外界信号输入的一种方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构装配示意图。
[0017]图2是本发明中转动臂磁钢体和平动臂磁钢体的磁极和位置示意图。
[0018]图3是本发明的主视图。
[0019]图4是本发明的俯视图。
[0020]图5是本发明的右视图。
[0021]图中有:中轴1、转动臂外壳2、齿条3、转动臂磁钢体4、平动臂磁钢体5、平动臂轴
6、连杆7、齿轮8、平动臂外壳9、导轨10、滑块11、侧板12、旋钮13、定位圆盘14。【具体实施方式】
[0022]下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0023]如图1、图3至图5所示，本发明的一种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，包括中轴1、呈筒状的转动臂外壳2、沿轴线设有第一通孔的转动臂磁钢体4、平动臂磁钢体5、沿轴线设有第二通孔的平动臂轴6、档位调节器、呈筒状的平动臂外壳9。平动臂磁钢体5的直径小于转动臂磁钢体4第一通孔的直径。平动臂外壳9的第一端口和转动臂外壳2的第一端口相对。平动臂外壳9和转动臂外壳2同轴设置,平动臂外壳9和转动臂外壳2之间设有间隙。转动臂磁钢体4位于转动臂外壳2内，且转动臂磁钢体4固定连接在转动臂外壳2的内壁上。转动臂磁钢体4靠近转动臂外壳2的第一端口。平动臂轴6位于平动臂外壳9中，平动臂磁钢体5套装在平动臂轴6的外表面，平动臂磁钢体5靠近平动臂外壳9的第一端口。平动臂外壳9的第二端口设有侧板12，侧板12的中部设有第三通孔。中轴I的一端位于转动臂外壳2中，另一端穿过转动臂磁钢体4的第一通孔、平动臂轴6的第二通孔，以及侧板12的第三通孔，位于平动臂外壳9的外侧。档位调节器设在平动臂外壳9上，且档位调节器调节平动臂磁钢体5轴向移动，平动臂磁钢体5可穿入或穿出转动臂磁钢体4的第一通孔。
[0024]进一步，所述的档位调节器包括连杆7、齿轮8、导轨10和滑块11，导轨10固定连接在平动臂外壳9的内壁上，滑块11的一端嵌至在导轨10中，滑块11的另一端固定连接在平动臂轴6上，平动臂轴6上设有齿条3，齿轮8与齿条3相啮合，且齿轮8与连杆7的一端固定连接，连杆7的另一端穿出平动臂外壳9。通过旋转连杆7，使得连杆7带动齿轮8旋转。因为齿轮8与齿条3相啮合，所以齿条3直线移动，从而带动平动臂轴6轴向移动。因为滑块11嵌至在导轨10中，所以平动臂轴6不能转动。通过改变连杆7的旋转方向，可以调节平动臂轴6的移动方向，调节平动臂轴6移入或移出转动臂磁钢体4第一通孔的位置。
[0025]进一步，所述的导轨10和滑块11分别为两个，两个导轨10相对设置在平动臂外壳9的内壁上，每个导轨10中嵌至一个滑块11，每个滑块11的另一端固定连接在平动臂轴6上。设置两个导轨10和滑块11，两个导轨10相对设置在平动臂外壳9的内壁上，有利于增强平动臂轴6的稳定性，避免其发生转动。
[0026]进一步，所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，还包括旋钮13，旋钮13固定连接在连杆7上，且旋钮13位于平动臂外壳9的外侧。设置旋钮13，便于操作者转动连杆7。
[0027]进一步，所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，还包括定位圆盘14，该定位圆盘14位于转动臂外壳2中，且定位圆盘14固定连接在转动臂外壳2的内壁上，中轴I穿过定位圆盘14的通孔。中轴I位于平动臂外壳9和转动臂外壳2中。中轴I的长度大于平动臂磁钢体5和转动臂磁钢体4的长度之和。中轴I通过轴承套装在定位圆盘14上。这样，既可保证转动臂外壳2、转动臂磁钢体4与中轴1、平动臂磁钢体5、平动臂轴6的独立转动，又可以防止在平动臂磁钢体5平动过程，中轴脱离转动臂外壳6，同时也保证了中轴1、平动臂轴6、平动臂磁钢体5在同一轴线上。转动臂外壳2的两端分别为第一端口和第二端口。同样，平动臂外壳9的两端分别为第一端口和第二端口。[0028]进一步，所述的平动臂外壳9的直径和转动臂外壳2的直径相等。为了使平动臂和转动臂接合时没有凸缘，将平动臂外壳9的直径和转动臂外壳2的直径设置为相等，在接合后外形为直径统一的圆柱体。
[0029]进一步，所述的转动臂磁钢体4和转动臂外壳2之间设有隔离套。在转动臂磁钢体4和转动臂外壳2之间设隔离套，所述的平动臂磁钢体5和平动臂轴6之间设有隔离套。在平动臂磁钢体5和平动臂轴6之间设隔离套，设置隔离套可防止磁钢体向其他方向漏磁。
进一步，如图2所示，所述的转动臂磁钢体4和平动臂磁钢体5分别由数量相同的偶数块磁钢分体连接组成，转动臂磁钢体4和平动臂磁钢体5分别由磁极为N级的磁钢分体和磁极为S级的磁钢分体交替连接组成，且转动臂磁钢体4中磁极为N级的磁钢分体与平动臂磁钢体5中磁极为S级的磁钢分体相对，转动臂磁钢体4中磁极为S级的磁钢分体与平动臂磁钢体5中磁极为N级的磁钢分体相对。磁极S级和N级相对时，默认的输出反馈力矩为零，在S级和N级不相对时自然会产生阻尼力矩，其大小可由人为调节。这样，平动臂磁钢体5与转动臂磁钢体4 一起用来输出不同力矩。
[0030]作为优选，所述的转动臂磁钢体4和平动臂磁钢体5分别由6块磁钢分体连接组成。
[0031]上述结构的磁阻尼装置中，将本发明的磁阻尼装置分为四个部分，分别为平动臂、平动臂外壳体、调节装置和转动臂，其中，平动臂包括中轴1、平动臂轴6、齿条3、平动臂磁钢体5和滑块11 ;平动臂外壳体包括平动臂外壳9和导轨10 ;调节装置包括旋钮13、连杆7和齿轮8 ;转动臂包括转动臂外壳2和转动臂磁钢体4。转动臂与平动臂之间是靠磁钢体以及中轴I连接，而转动臂与平动臂另外一端则是分别装在控制器关节的两节处。这样遇到阻力时，即使转动臂转动，但平动臂在磁阻尼器的作用下并不发生转动。转动臂外壳2上设置定位圆盘14，与中轴I配合，用以保持中轴I固定不变，中轴I与定位圆盘14上的通孔相配合，以保证二者之间的配合间隙约为0，并有良好的转动特性。
[0032]上述结构的磁阻尼装置，通过调整旋钮13来控制转动臂磁钢体4和平动臂磁钢体5的相对位置，进而控制反馈力矩的大小。本发明采用圆筒形转动臂磁钢体4和圆筒形平动臂磁钢体5嵌套的结构。如图1所示，每个圆筒形磁钢体都平均分为6个部分，每一组相邻部分分布不同磁极，使得圆筒形磁钢体上分布三对两两正对的NS磁极。平动臂磁钢体5嵌套在转动臂磁钢体4内，且嵌套时，平动臂磁钢体5的N磁极与转动臂磁钢体4的S磁极正对，平动臂磁钢体5的S磁极与转动臂磁钢体4的N磁极正对，并且平动臂磁钢体5和转动臂磁钢体4之间留有气隙。利用磁阻尼原理，两者间不存在机械连接及机械振动，避免了机械磨损，但依旧可以为机械装置提供静磁力矩。旋动装配在平动臂外壳9上的调节旋钮13，带动齿轮8旋转，控制齿条3带动平动臂轴6发生沿轴向平动，从而控制转动臂磁钢体4和平动臂磁钢体5嵌套深度的变化，进而控制输出的力反馈量值大小。其中，每个圆筒形磁钢体也可以分成八、十、十二等偶数个部分，并在其上间隔分布不同的磁极，以实现不同的控制精度。同时，由于齿条3水平运动的最小距离是由其齿槽大小决定的，所以选择不同大小齿槽的齿条3，实现齿条3水平方向不同精度的运动控制，获得相应大小的反馈力。转动臂外壳2相对平动臂外壳9可作相对转动，但无法进行轴向的平动。中轴I保证转动臂外壳2和平动臂外壳9处于同一轴线，且转动臂外壳2和转动臂磁钢体4绕该轴线转动。平动臂磁钢体5比平动臂轴6短，套装在平动臂轴6上。平动臂磁钢体5固定在靠近转动臂磁钢体4的一侧，是产生阻尼的主要元件之一。齿轮8与齿条3啮合，组成一个高副。在使用过程中，通过转动调节旋钮13，连杆7联动齿轮8带动齿条3连同平动臂轴6进行轴向的平动，以此调节转动臂磁钢体4和平动臂磁钢体5重叠深度，来改变保持力矩的大小。若转动臂磁钢体4和平动臂磁钢体5曲面有所重叠，则在转动过程会中受到平动臂磁钢体5产生的反馈力矩的作用。滑块11嵌入导轨10凹槽中，组成移动副，保证平动臂外壳9以及平动臂磁钢体5在转动臂磁钢体4的反作用力作用下，不连同进行转动，同时又能在调节旋钮13及连杆7的调节下进行轴向的平动。
[0033]下面具体介绍本发明的工作过程。本发明的工作细分为以下3个过程:
第一过程:转动臂与平动臂的轴向固定。
[0034]人手控制转动臂外壳2转动时，由于中轴1、平动臂磁钢体5和平动臂轴6为一体式结构，所以平动臂磁钢体5产生与转动臂磁钢体4转动方向相反的运动趋势，且两者的运动绕同一轴心。人手控制转动臂外壳2转动时，由于中轴I与平动臂磁钢体5、平动臂轴6相对固定，所以平动臂磁钢体5与转动臂磁钢体4绕同一轴心转动，两者的运动始终保持在同一条直线上。这样的结构可以保证转动臂与平动臂在运动时不会发生脱节，或者转动臂与平动臂连接处不会发生曲折。另外，转动臂外壳2的第二端口处固定有定位圆盘14，中轴I穿过定位圆盘14的通孔，与之配合，使得转动臂外壳2与中轴I只能进行围绕同一轴心的转动和沿同一直线的平动，保证中轴I与转动臂外壳2的横向固定，同时具有良好的转动性。
[0035]第二过程:平动臂的轴向平动。
[0036]由于导轨10与滑块11分别固定在平动臂外壳9和平动臂轴6上，当平动臂运动时，滑块11嵌入导轨10内，限制平动臂的运动轨迹为沿着导轨10的一条径向轴线，即限制平动臂不因为转动臂的反作用力发生转动。平动臂只能作轴向的平动。
[0037]第三过程:调节控制两臂间磁转矩输出。
[0038]本发明中，平动臂磁钢体5套在转动臂磁钢体4内，并且两者之间留有气隙。利用磁阻尼原理，两者间不存在机械连接及机械振动，避免了机械磨损，并且依旧可以为机械装置提供静磁力矩。平动臂磁钢体5的N极与转动臂磁钢体4的S极相对，旋动装配在平动臂外壳9上的调节旋钮及连杆7，带动齿轮8旋转，控制齿条3带动平动臂轴6发生径向伸缩，输出磁转矩。
[0039]下面例举一具体实例，对输出的磁转矩给出数值说明。
[0040]磁转矩的高斯计算公式:
T = 3.92 X 105KMHmSthRcsin ( Φ m/ 2 ), N.m 式(I)
上述公式的出处见《化工机械》，2004年06期第357— 360页，窦新生，赵克中，徐成海写的《.磁力驱动技术的磁路分析及磁转矩计算》一文。
[0041 ] 平动臂磁钢体5厚度hi为20 mm，转动臂磁钢体4厚度h2为20mm，平动臂磁钢体5和转动臂磁钢体4之间的气隙宽度g为10mm，最大伸入深度L为50mm，经过式(I)计算，可以得到该条件下最大输出磁转矩为196 N.m。
[0042]该高斯算法相较于有限元法简便，并且力矩产生的条件与力矩输出大小呈线性相关，对使用者来说，易于计算力反馈过程中所需力矩的调节量。
[0043]机械工作过程中，可在磁阻尼装置本身的体积不明显改变的条件下，通过调节转动臂磁钢体4与平动臂磁钢体5的伸入深度，实现较大的反馈力矩范围的变化。并且，对该磁转矩的调节是趋于连续的，同时通过选择不同齿槽的齿轮和齿条，来满足不同精度的控制。
【权利要求】
1.一种用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，该磁阻尼装置包括中轴(I)、呈筒状的转动臂外壳(2)、沿轴线设有第一通孔的转动臂磁钢体(4)、平动臂磁钢体(5)、沿轴线设有第二通孔的平动臂轴(6)、档位调节器、呈筒状的平动臂外壳(9)，平动臂磁钢体(5)的直径小于转动臂磁钢体(4)第一通孔的直径；平动臂外壳(9)的第一端口和转动臂外壳(2)的第一端口相对，且平动臂外壳(9)和转动臂外壳(2)同轴设置，平动臂外壳(9)和转动臂外壳(2)之间设有间隙,转动臂磁钢体(4)位于转动臂外壳(2)内，且转动臂磁钢体(4)固定连接在转动臂外壳(2)的内壁上，转动臂磁钢体(4)靠近转动臂外壳(2)的第一端口 ；平动臂轴(6)位于平动臂外壳(9)中，平动臂磁钢体(5)套装在平动臂轴(6)的外表面，平动臂磁钢体(5)靠近平动臂外壳(9)的第一端口 ；平动臂外壳(9)的第二端口设有侧板(12)，侧板(12)的中部设有第三通孔；中轴(I)的一端位于转动臂外壳(2)中，另一端穿过转动臂磁钢体(4)的第一通孔、平动臂轴(6)的第二通孔，以及侧板(12)的第三通孔，位于平动臂外壳(9)的外侧；档位调节器设在平动臂外壳(9)上，且档位调节器调节平动臂磁钢体(5)轴向移动，平动臂磁钢体(5)可穿入或穿出转动臂磁钢体(4)的第一通孔。
2.按照权利要求1所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，所述的档位调节器包括连杆(7)、齿轮(8)、导轨(10)和滑块(11)，导轨(10)固定连接在平动臂外壳(9)的内壁上，滑块(11)的一端嵌至在导轨(10)中，滑块(11)的另一端固定连接在平动臂轴(6)上，平动臂轴(6)上设有齿条(3)，齿轮(8)与齿条(3)相啮合，且齿轮(8)与连杆(7)的一端固定连接，连杆(7)的另一端穿出平动臂外壳(9)。
3.按照权利要求1或2所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，所述的导轨(10)和滑块(11)分别为两个，两个导轨(10)相对设置在平动臂外壳(9)的内壁上，每个导轨(10)中嵌至一个滑块(11)，每个滑块(11)的另一端固定连接在平动臂轴(6)上。
4.按照权利要求2或3所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，还包括旋钮(13)，旋 钮(13)固定连接在连杆(7)上，且旋钮(13)位于平动臂外壳(9)的外侧。
5.按照权利要求1、2或3所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，还包括定位圆盘(14),该定位圆盘(14)位于转动臂外壳(2)中，且定位圆盘(14)固定连接在转动臂外壳(2)的内壁上，中轴(I)穿过定位圆盘(14)的通孔。
6.按照权利要求1、2或3所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，所述的平动臂外壳(9)的直径和转动臂外壳(2)的直径相等。
7.按照权利要求1、2或3所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，所述的转动臂磁钢体(4)和转动臂外壳(2)之间设有隔离套，所述的平动臂磁钢体(5)和平动臂轴(6)之间设有隔离套。
8.按照权利要求1、2或3所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，所述的转动臂磁钢体(4)和平动臂磁钢体(5)分别由数量相同的偶数块磁钢分体连接组成，转动臂磁钢体(4)和平动臂磁钢体(5)分别由磁极为N级的磁钢分体和磁极为S级的磁钢分体交替连接组成，且转动臂磁钢体(4)中磁极为N级的磁钢分体与平动臂磁钢体(5)中磁极为S级的磁钢分体相对，转动臂磁钢体(4)中磁极为S级的磁钢分体与平动臂磁钢体(5)中磁极为N级的磁钢分体相对。
9.按照权利要求8所述的用于实现机器人手转动关节力反馈的磁阻尼装置，其特征在于，所述的转动臂磁钢体(4)和平动臂磁钢`体缸(5)分别由6块磁钢分体连接组成。
【文档编号】B25J19/02GK103737608SQ201410020666
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】崔建伟, 赵正扬, 杜凯颖, 姚瑶, 冉琴琴, 陈小宇 申请人:东南大学