一种磁力球铰关节以及基于磁力球铰关节的可重构机器人的制作方法

本申请涉及机器人领域，特别是涉及一种磁力球铰关节以及基于磁力球铰关节的可重构机器人。

背景技术：

从机构构型的角度，机器人可分为串联机器人和并联机器人。机器人已被广泛地应用于各种领域，例如工业生产线、机床、运动模拟器以及精密定位平台等。然而，一方面，高精度及高承载力的虎克铰和球铰等运动副均需要特殊定制，极大地增加了制造机器人的成本，并且难以基于现有的机构构型理论设计及构造新的机器人；另一方面，机器人的组装过程复杂，易造成装配误差，导致机器人的运动精度降低。

技术实现要素：

基于此，本申请提供一种磁力球铰关节以及基于磁力球铰关节的可重构机器人，其便于组装/拆卸、可重构性强且成本低。

本申请提供一种基于磁力球铰关节的可重构机器人，包括平台组件、底座组件、至少一个滑块组件和至少一个球杆组件；至少一个球杆组件中的每个球杆组件包括连接杆和分别连接在连接杆的两端的球形部；至少一个滑块组件设置在＝底座组件上；平台组件和滑块组件均分别设置有至少一个凹形座；球杆组件一端的球形部可拆卸地连接至平台组件的至少一个凹形座中，另一端的球形部可拆卸地连接至滑块组件的至少一个凹形座中；球形部分别与设置在所述平台组件或所述滑块组件中的所述凹形座通过磁力连接形成磁力球铰关节。

在其中一个实施例中，凹形座与球形部形成点接触、线接触或者面接触。

在其中一个实施例中，所述凹形座具有凹形球面，所述球形部通过磁力作用与所述凹形球面形成所述面接触。

在其中一个实施例中，所述凹形座具有一个或多个凹孔，所述球形部与所述一个或多个凹孔形成所述线接触。

在其中一个实施例中，所述凹形座具有一个或多个凸点，所述球形部通过磁力作用与所述一个或多个凸点形成所述点接触。

在其中一个实施例中，球形部的至少一部分容纳于凹形座中。

在其中一个实施例中，凹形座和所述球形部具有能够产生相互吸引的磁力的材料。

在其中一个实施例中，底座组件包括上底座、下底座和平行设置的多个支杆；多个支杆中每一支杆的两端分别连接上底座和下底座；滑块组件设置在上底座上，并且滑块组件能够沿与支杆的中心轴线平行的方向移动。

本申请还提供一种磁力球铰关节，包括凹形座和适于容纳于凹形座的球形部；球形部和凹形座通过磁力连接形成磁力球铰关节。

在其中一个实施例中，凹形座与球形部形成点接触、线接触或者面接触。

本申请的磁力球铰关节以及基于磁力球铰关节的可重构机器人通过磁力连接实现具有相对转动的磁力球铰关节，利用磁力球铰关节及其他组件可以快速地、简便地、且高精度地构造不同构型的机器人，降低了机器人的制造成本，因此本申请的基于磁力球铰关节的可重构机器人便于组装/拆卸、可重构性强且成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为根据本申请一实施例的磁力球铰关节的结构示意图；

图2为根据本申请一实施例的球杆组件的结构示意图；

图3为根据本申请一实施例的平台组件的结构示意图；

图4为根据本申请一实施例的底座组件的结构示意图。

图5为根据本申请一实施例的滑块的结构示意图；

图6为根据本申请另一实施例的滑块的结构示意图；

图7为根据本申请一实施例的可重构机器人的结构示意图；

图8为根据本申请再一实施例的可重构机器人的结构示意图；

图9为根据本申请又一实施例的可重构机器人的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的说明书和权利要求书中提及的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。这些术语可以用来将一个特征/要素与另一特征/要素区分开来。因此，本文描述的第一特征/要素可以称为第一特征/要素，类似地，本文讨论的第二特征/要素可以称为第二特征/要素，而不脱离本发明的范围。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或部件的过程、方法、设备或系统没有限定于已列出的步骤或部件，而是可选地还包括没有列出的步骤或部件。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

图1为根据本申请一实施例的磁力球铰关节的结构示意图。本申请提供一种磁力球铰关节1，该磁力球铰关节1包括凹形座11和适于容纳于凹形座11的球形部12。球形部12和凹形座11通过磁力连接形成磁力球铰关节1。

凹形座11可由具有开口的块状构件形成。例如，凹形座由中间具有凹形开口的圆柱构件形成。球形部12可以是球形或半球形的构件。需要说明的是，球形部12的形状并不仅限于此，球形部12仅需要使其与凹形座11接触的接触面呈球面/弧面形状即可。

在一实施例中，可利用压铸、或注塑成型等方式形成凹形座11。

由于球形部和凹形座通过磁力作用相互吸引而连接，因此球形部能够快速地、简便地组装至凹形座中或者从凹形座中拆除。因此，可基于磁力球铰关节快速且简便地构造各种构型的机器人，并且基于磁力球铰关节构造的机器人可以快速地进行拆卸并组装成其他不同构型的机器人，提高了机器人的可重构性，降低了机器人的设计及构造成本。

在一实施例中，凹形座11与球形部12形成点接触、线接触或者面接触。即凹形座11与球形部12接触的表面可以形成多种结构。

在一实施例中，凹形座11具有凹形球面，球形部12通过磁力作用与凹形球面形成面接触。其中，凹形球面可以形成为与球形部的形状匹配的球面，以使二者能够有更大的接触面积，提高二者相对转动的可靠性和承载力。

在一实施例中，凹形座11具有一个或多个凹孔。例如，凹孔可以是开设在凹形座11的凹形球面上的凹槽。球形部12通过磁力作用与一个或多个凹孔形成线接触。

在一实施例中，凹形座11具有一个或多个凸点。例如凸点可以从凹形座11的凹形球面上凸起。球形部12通过磁力作用与一个或多个凸点形成点接触。

需要说明的是，凹形座11与球形部12接触的表面的形状和结构并不限于此，可以根据需要形成其他不同的形状和结构。

由于凹形座与球形部的接触形式具有点接触、线接触或面接触等多种形式，因此由凹形座和球形部形成的磁力球铰关节具有更广泛的适用性，能够适用于更广泛的应用领域。

在一实施例中，球形部12的至少一部分容纳于凹形座11中。由于球形部12和凹形座11通过磁力作用相互吸引，因此能够保证二者的相互接触，从而球形部12可以仅有一部分容纳于凹形座11中。即使球形部仅有一小部分容纳于凹形座中，也能够形成可靠的磁力球铰关节。此外，能够通过提高球形部和凹形座之间的磁力作用来加强二者的相互接触并保证二者的相对转动的可靠性。

传统的机构中通常利用球铰获得两个构件之间的相对转动。球铰需要球形接合件和球形接合座之间的高精度配合，以将球形接合件容纳于球形接合座中。通常球形接合件的大部分(几乎整个球形接合件)需要容纳在球形接合座中，以保证球形接合件和球形接合座之间不会发生彼此脱离的现象。然而，若球形接合件或球形接合座任一者遭受损坏，则需要更换整个球铰。因此，球铰具有制造难度大、成本高、且不易组装和更换等缺点。

由于球形部和凹形座通过磁力连接相互吸引而接触，形成具有相对转动的磁力球铰关节，因此本申请的磁力球铰关节能够简单地实现两个构件之间的相对转动，既能保证磁力球铰关节的运动精度和承载力，又能够简化磁力球铰关节的生产工艺并且降低生产成本。由于球形部可以只有部分容纳于凹形座中，因此球形部和凹形座的相对转动范围大。球形部和凹形座之间通过磁力作用相互吸引而接触，因此二者可方便地进行组装或拆卸。若球形部或凹形座中任一者遭受损坏，可仅更换损坏的构件，而不需要更换整个磁力球铰关节，降低了磁力球铰关节的维护难度及维护成本。本申请的磁力球铰关节能够适用于构造工业领域中任意的需要获得两构件的相对转动的机构，即本申请的磁力球铰关节可重构性强。

本申请的磁力球铰关节可应用于工业领域，具体地，例如可应用于工业生产线、机床、运动模拟器以及精密定位平台等等。

在一实施例中，凹形座和球形部具有能够产生相互吸引的磁力的材料。凹形座和球形部的材料组合可以有多种，只需要使得二者能够相互吸引即可。例如，凹形座和球形部的材料可以包括但不限于以下组合：凹形座和球形部其中一者的材料为磁铁，另一者的材料为铁磁材料；凹形座和球形部的材料均为磁铁；凹形座和球形部其中一者的材料为电磁铁，另一者的材料为铁磁材料；凹形座和球形部的材料均为电磁铁。其中，铁磁材料是能够被磁铁吸引的铁、钴、镍等材料或其组合。电磁铁是通电时产生磁性、且断电后磁性消失的装置，通常采用消磁较快的软铁或硅钢材料制成。利用电磁铁可以更好地控制凹形座和球形部之间的磁力作用，例如可以通过改变电流大小来改变磁力大小。

可以理解的是，凹形座11可以全部或部分为能够被铁磁材料吸引的材料或铁磁材料或电磁铁。同样地，球形部12也可以全部或部分为能够被铁磁材料吸引的材料或铁磁材料或电磁铁。可以根据需要确定凹形座11和球形部12的材料组成。另外，可以通过选用强磁材料等方式增强凹形座和球形部之间的磁力连接，以提高二者相对转动的可靠性，提高磁力球铰关节的运动精度和承载力。

请参见图2至图9，本申请还提供一种基于磁力球铰关节的可重构机器人。在一实施例中，基于磁力球铰关节的可重构机器人包括平台组件22，32，42、底座组件23，33，43、至少一个滑块组件24，34，44和至少一个球杆组件21，31，41。至少一个球杆组件21，31，41中的每个球杆组件21，31，41包括连接杆211，311，411和分别连接在连接杆211，311，411的两端的球形部212，312，412。至少一个滑块组件24，34，44设置在底座组件23，33，43上。平台组件22，32，42和滑块组件24，34，44均分别设置有至少一个凹形座。球杆组件21，31，41一端的球形部212，312，412可拆卸地连接至平台组件22，32，42的至少一个凹形座中，另一端的球形部212，312，412可拆卸地连接至滑块组件23，33，43的至少一个凹形座中。球形部分别与设置在平台组件或滑块组件中的凹形座通过磁力连接形成磁力球铰关节。

可以理解的是，本实施例中的球形部和凹形座二者的形状、结构、连接方式、及材料等可以与上述实施例的磁力球铰关节的球形部和凹形座相同，在此不再赘述。

在某些实施方式中可以通过压铸、或注塑成型等方式在平台组件/滑块组件上形成凹形座。可以理解的是，形成凹形座的方式并不限于此。

需要说明的是，平台组件/滑块组件可以设置多个凹形座，但并不需要每个凹形座都连接球杆组件，可以根据需要将平台组件/滑块组件设计为具有多个凹形座，以便于使平台组件/滑块组件适用于连接任意数量(少于或等于平台组件/滑块组件的凹形座的数量)的球杆组件，从而便于构造/重新构造不同构型的机器人。此外，平台组件的凹形座的数量可与滑块组件的凹形座的数量不同。

由于球杆组件与平台组件或滑块组件通过磁力球铰关节形成可释放的连接，因此利用平台组件、底座组件、滑块组件和球杆组件可以快速地且简便地构造任意构型的机器人。即，利用有限的、相同的部件(例如球杆组件、平台组件和底座组件)能够快速组装或重新构造各种不同构型的机器人，提高了机器人的可重构性，并降低了机器人的设计及制造成本。本实施例的可重构机器人可以广泛地应用于工业领域，例如可应用于高速分拣生产线、运动模拟器、并联机床、和机器人操作器等领域。

进一步地，由于球杆组件两端的球形部可以分别连接平台组件和底座组件的凹形座，因此能够便于构造闭合的并联机器人。和串联机器人相比，并联机器人具有刚度大、承载能力强以及结构紧凑等优点。由于并联机器人的驱动装置可安装在底座组件上，大大减轻了移动部件(例如平台组件)的重量，减小了累积误差，因此可以更好地实现高精度运动。

在一实施例中，如图2所示，球形部212，312，412和连接杆211，311，411的连接方式可以有多种，例如固定连接或可拆卸连接或一体成型等。其中，可拆卸连接可以包括但不限于螺纹连接、或卡扣连接等。

在某些实施方式中，连接杆可以是长度可伸缩或者长度固定的连接杆。

在一实施例中，如图3所示，平台组件22，32，42是形成有凹形座221，321，421的块状构件。可以利用压铸、注塑成型等工艺方式形成平台组件。虽然图3示出的平台组件具有六个凹形座，但可以理解的是，平台组件的凹形座的数量并不限于此，可以根据需要设置凹形座的数量。当平台组件较有多的凹形座时，有利于构造更多不同构型的机器人。

在一实施例中，如图4所示，底座组件23，33，43包括上底座231，331，431、下底座232，332，432和平行设置的多个支杆26，36，46。多个支杆中的每一支杆的两端分别连接上底座和下底座。滑块组件24，34，44设置在上底座上，并且滑块组件24，34，44能够沿与支杆的中心轴线平行的方向移动。需要说明的是，底座组件的结构并不限于此。

在某些实施方式中，支杆是长度可伸缩的杆件，支杆的一端穿过上底座与滑块组件连接，通过驱动装置调节支杆的长度，可以控制滑块组件沿着与支杆的中心线平行的方向移动。在某些实施方式中，支杆与滑块组件可以是可拆卸连接，以便于快速组装和拆卸，从而有利于构造不同构型的机器人。同样地，在某些实施方式中，支杆与上底座/下底座也可以是可拆卸连接，以便于快速组装和拆卸，从而有利于构造不同构型的机器人。

在某些实施方式中，滑块组件具有导杆，可以通过导杆与上底座连接。

在一实施例中，如图5所示，滑块组件24，34可以设置有多个凹形座241，341。虽然图5示出的滑块组件具有两个凹形座，但可以理解的是，滑块组件的凹形座的数量并不限于此，可以根据需要设置凹形座的数量。在另一实施例中，如图6所示，滑块组件44可以仅设置一个凹形座441。

本实施例通过两构件之间的磁力连接获得磁力球铰关节，能够保证磁力球铰关节的运动精度和承载力，利用磁力球铰关节、滑块组件、平台组件及底座组件可方便地进行组装各种构型的机器人，提高了机器人的可重构性，并降低了机器人的设计难度及制造成本。

图7为根据本申请一实施例的可重构机器人的结构示意图。如图7所示，在一实施例中，可重构机器人2包括平台组件22、底座组件23、三个滑块组件24和三个球杆组件21。平台组件22设置有六个凹形座221。底座组件23包括上底座231和下底座232。在上底座231上设置三个滑块组件24。每个滑块组件24设置有两个凹形座241。每个球杆组件21包括连接杆211和分别连接在连接杆211的两端的球形部212。每个球杆组件21一端的球形部212可拆卸地连接至平台组件22的凹形座221中，另一端的球形部212可拆卸地连接至滑块组件24的凹形座241中。球形部212与设置在平台组件22或滑块组件24中的凹形座221，241通过磁力连接形成磁力球铰关节。

图7示出的平台组件22形成有六个凹形座221，并且这六个凹形座座221在圆周方向上均匀分布。可以理解的是，本实施例中，平台组件22可以仅形成三个凹形座221。这三个凹形座可以在圆周方向上均匀分布。

三个滑块组件24可以位于上底座231朝向球杆组件21的表面，并且在圆周方向上均匀分布。具体地，每个滑块组件24与一个球杆组件21的球形部212的连接，该球杆组件21还连接平台组件22，形成一个支链。由此，共形成三个支链。需要说明的是，滑块组件的分布位置并不限于此。图7示出的滑块组件24形成有两个凹形座241，但在具体应用中，可以根据需要确定凹形座的数量。例如，本实施例中每个滑块组件24连接一个球杆组件21，则每个滑块组件24可以仅具有一个凹形座241。

本实施例的可重构机器人2还包括支杆26。支杆26的一端与下底座232连接，且另一端与滑块组件24连接。通过支杆26的驱动，滑块组件24能够沿与支杆26的中心轴线平行的方向移动。例如，支杆26的长度是可伸缩的，通过调节支杆26的长度，可以控制滑块组件25沿与支杆26的中心轴线平行的方向移动。需要说明的是，虽然图7中示出的是用两个支杆26共同驱动一个对应的滑块组件24，但可根据需要用一个支杆驱动一个对应的滑块组件，也可以用两个以上的支杆共同驱动一个滑块组件。

可以理解的是，底座组件的结构并不限于本实施例所描述的结构，可以根据需要形成其他结构。

本实施例的可重构机器人2还包括附加球形部27和附加连接杆28。附加球形部27可以与上述球形部相同。附加连接杆28的一端与附加球形部27连接，另一端与底座组件23连接，且附加球形部27与平台组件22连接，形成又一个支链。

本实施例通过平台组件22、底座组件23、三个滑块组件24和三个球杆组件21形成具有四个支链的可重构机器人2，其中该可重构机器人2具有四个自由度，包括三个转动自由度和一个平移自由度。

图8为根据本申请再一实施例的可重构机器人的结构示意图。如图8所示，在一实施例中，可重构机器人3包括平台组件32、底座组件33、三个滑块组件34和六个球杆组件31。平台组件32设置有六个凹形座321。底座组件33包括上底座331和下底座332。在上底座331上设置三个滑块组件34。每个滑块组件34设置有两个凹形座341。每个球杆组件31包括连接杆311和分别连接在连接杆311的两端的球形部312。每个球杆组件31一端的球形部312可拆卸地连接至平台组件32的凹形座321中，另一端的球形部312可拆卸地连接至滑块组件34的凹形座341中。球形部312与设置在平台组件32或滑块组件34中的凹形座321，341通过磁力连接形成磁力球铰关节。

其中，与图7所示的可重构机器人2不同的是，可重构机器人3中的每个滑块组件34连接两个球杆组件31，这两个球杆组件31还连接平台组件32，形成一个支链。由此，本实施例的可重构机器人3共形成三个支链。每个支链中的两个连接杆34可以是相互平行的。

图8示出的平台组件32形成有六个凹形座321，并且这六个凹形座座321在圆周方向上均匀分布。

三个滑块组件34可以位于上底座331朝向球杆组件31的表面，并且在圆周方向上均匀分布。每个滑块组件34形成两个凹形座341，以连接两个球杆组件31。

可重构机器人3还可以包括支杆36，支杆36的一端与下底座232连接，且另一端与滑块组件34连接。通过支杆36的驱动，滑块组件34能够沿与支杆36的中心轴线平行的方向移动。例如，支杆36的长度是可伸缩的，通过调节支杆36的长度，可以控制滑块组件34沿与支杆36的中心轴线平行的方向移动。需要说明的是，虽然图8中示出的是用两个支杆36共同驱动一个对应的滑块组件34，但可根据需要用一个支杆36驱动一个对应的滑块组件34，也可以用两个以上的支杆36共同驱动一个对应的滑块组件34。

本实施例通过平台组件32、底座组件33、三个滑块组件34和六个球杆组件31形成具有三个支链的可重构机器人3，其中该可重构机器人3具有三个平移自由度。

图9为根据本申请又一实施例的可重构机器人的结构示意图。如图9所示，在一实施例中，可重构机器人4包括平台组件42、底座组件43、六个滑块组件44和六个球杆组件41。平台组件42设置有六个凹形座421。底座组件43包括上底座431和下底座432。在上底座431上设置有六个滑块组件44。每个滑块组件44设置有一个凹形座441。每个球杆组件41包括连接杆411和分别连接在连接杆411的两端的球形部412。每个球杆组件41一端的球形部412可拆卸地连接至平台组件42的凹形座421中，另一端的球形部412可拆卸地连接至滑块组件44的凹形座441中。球形部412与设置在平台组件42或滑块组件44中的凹形座421，441通过磁力连接形成磁力球铰关节。

图9示出的平台组件42形成有六个凹形座421，并且这六个凹形座座421在圆周方向上均匀分布。

六个滑块组件44可以位于上底座431朝向球杆组件41的表面。在某些实施例中，这六个滑块组件44可以在圆周方向上均匀分布。在其他实施例中，这六个滑块组件44也可以两两靠近成为三个滑块组件组，这三个滑块组件组在圆周方向上均匀分布。需要说明的是，滑块组件的分布情况并不限于此，可根据需要设置滑块组件的位置分布。与图8所示的可重构机器人3不同的是，可重构机器人4中的每个滑块组件44与一个球杆组件41连接，该球杆组件41还连接平台组件42，形成一个支链。由此，共形成六个支链。如图9所示，每个滑块组件44形成一个凹形座441，以连接一个球杆组件41。

可重构机器人4还可以包括支杆46，支杆46的一端与下底座432连接，且另一端与滑块组件44连接。通过支杆46的驱动，滑块组件44能够沿与支杆46的中心轴线平行的方向移动。例如，支杆46的长度是可伸缩的，通过调节支杆46的长度，可以控制滑块组件44沿与支杆46的中心轴线平行的方向移动。如图9所示，一个支杆46可以驱动一个对应的滑块组件44。

本实施例通过平台组件42、底座组件43、六个滑块组件44和六个球杆组件41形成具有六个支链的可重构机器人4，其中该可重构机器人4具有六个自由度，包括三个转动自由度和三个平移自由度。

需要说明的是，在其他实施例中，可重构机器人可以不包括滑块组件，球杆组件可以通过其球形部直接与底座组件连接(未示出)。例如，底座组件也形成有凹形座，球杆组件的球形部可容纳于底座组件的凹形座中。

可以理解的是，以上可重构机器人的构型仅是示例性的，并不表示对可重构机器人的限制。可重构机器人可以包括与上述实施例不同数量的平台组件、不同数量的底座组件及不同数量的球杆组件，以构成不同的构型的可重构机器人。

本申请的基于磁力球铰关节的可重构机器人通过磁力连接实现具有相对转动的磁力球铰关节，利用磁力球铰关节及其他组件可以快速地、简便地、且高精度地构造不同构型的机器人，降低了机器人的制造成本，因此本申请的基于磁力球铰关节的可重构机器人便于组装/拆卸、可重构性强且成本低。

可以理解的是，在某些实施方式中，基于磁力球铰关节的可重构机器人还可以包括其他的部件(例如用于实现驱动的动力装置、用于适用于各种特定应用的机械手臂、和/或用于控制机器人的操作的控制装置等等)，以实现机器人的各种应用。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。