專利名稱：自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種驅(qū)動(dòng)傳感控制技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于永磁、磁致 伸縮和壓電等材料或器件復(fù)合作用的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)都為被動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)裝置，其功能只為連接和傳動(dòng)功能。啟動(dòng) 過過程的實(shí)現(xiàn)需要外部電機(jī)作用方能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利號(hào) 20092025552. 3，記載了一種“機(jī)械關(guān)節(jié)”，該技術(shù)由于只是一種單純的機(jī)械機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì) 復(fù)雜，組成部件多。類似的關(guān)節(jié)裝置，其動(dòng)作過程需要與外部電機(jī)配合使用，動(dòng)作程度或過 程通常也只能通過外部傳感系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。因此，這類關(guān)節(jié)不適合制造結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)數(shù)量 多，并且要求實(shí)現(xiàn)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和傳感控制的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度高，關(guān)節(jié)自身為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，具有自傳感自驅(qū)動(dòng)智能特性；該關(guān)節(jié)裝置可以方便實(shí)現(xiàn) 在帶動(dòng)負(fù)載情況下的任意可控角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以被自身傳感裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)； 能夠適合于大型陣列式自展開機(jī)構(gòu)，機(jī)器人關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部 件，智能開關(guān)門窗，智能開關(guān)機(jī)構(gòu)，智能合頁(yè)機(jī)構(gòu)等等。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括套管、磁感裝置和磁場(chǎng)產(chǎn)生裝 置，其中磁感裝置沿套管軸心轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于套管內(nèi)部，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置固定設(shè)置于套管外部。所述的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置包括磁致伸縮壓電傳感裝置及其對(duì)應(yīng)電磁線圈，其中若 干對(duì)極性相反的電磁線圈相對(duì)設(shè)置于套管的外壁，磁致伸縮壓電傳感裝置固定設(shè)置于套管 的側(cè)壁上。所述的電磁線圈的內(nèi)部設(shè)有軛鐵；所述的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置也可以通過一塊或若干塊嵌裝于套管的外部永磁體實(shí)現(xiàn)；所述的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的個(gè)數(shù)為一組或多組，該磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置具體為沿套管的軸向 方向上并行布置。所述的套管由導(dǎo)磁材料體和不導(dǎo)磁材料體制成的若干塊弧形半開口管組成。所述的磁感裝置為結(jié)構(gòu)永磁體或電磁體，其中所述的結(jié)構(gòu)永磁體包括永磁轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體，其中永磁轉(zhuǎn)子套接于轉(zhuǎn)動(dòng) 輸出棒體上，轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體固定設(shè)置于套管的軸心位置。所述的電磁體包括結(jié)構(gòu)電磁線圈和結(jié)構(gòu)軛鐵，其中結(jié)構(gòu)軛鐵套接于轉(zhuǎn)動(dòng)輸出 棒體上，結(jié)構(gòu)電磁線圈設(shè)置于結(jié)構(gòu)軛鐵上。所述的磁感裝置的個(gè)數(shù)為一組或多組，該磁感裝置為沿套管的軸向方向或徑向方 向上并行布置。本裝置可實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)連帶機(jī)構(gòu)或負(fù)載產(chǎn)生動(dòng)作，并且驅(qū)動(dòng)動(dòng)作過程和程度即轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以被感知，從而通過計(jì)算機(jī)控制，使該關(guān)節(jié)自身的驅(qū)動(dòng)和傳感功能共同作用而實(shí)現(xiàn)智能自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一種由關(guān)節(jié)內(nèi)部自驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)裝 置；實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)和傳感一體化的智能環(huán)節(jié)；關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組成部件少，體積相對(duì)較小，結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度高；電磁永磁復(fù)合作用，驅(qū)動(dòng)效率高，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)；可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)輸出方向的振 動(dòng)主動(dòng)控制和利用電磁與永磁，以及永磁與導(dǎo)磁材料之間的相互做作用，而形成主動(dòng)阻尼， 以方便實(shí)現(xiàn)振動(dòng)主動(dòng)控制功能。與傳感裝置相配合，該關(guān)節(jié)具有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)控制， 或振動(dòng)自適應(yīng)控制的潛力?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的智能自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可用于大型陣列式自展開機(jī)構(gòu)，機(jī)器人 關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件，智能開關(guān)門窗，智能開關(guān)機(jī)構(gòu)，智能合頁(yè) 機(jī)構(gòu)等等。


圖1為實(shí)施例1示意圖。圖2為關(guān)節(jié)初始裝配結(jié)構(gòu)及電磁加載初始時(shí)刻結(jié)構(gòu)永磁體位置示意圖。圖3為關(guān)節(jié)中結(jié)構(gòu)永磁體在電磁加載過程偏轉(zhuǎn)位置/過程示意圖。圖4為關(guān)節(jié)中結(jié)構(gòu)永磁體在電磁加載結(jié)束時(shí)刻偏轉(zhuǎn)位置示意圖。圖5為間隔任意角度兩對(duì)電磁極作用的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為間隔90度(或其他角度)兩個(gè)電磁極作用的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為異型結(jié)構(gòu)永磁體關(guān)節(jié)示意圖。圖8為軛鐵與套管和線圈結(jié)構(gòu)裝配關(guān)系示意圖。圖9為結(jié)構(gòu)永磁體換為結(jié)構(gòu)電磁線圈的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖10為結(jié)構(gòu)永磁體換為結(jié)構(gòu)電磁線圈時(shí)，外部永磁體嵌入外環(huán)體中時(shí)結(jié)構(gòu)示意 圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。實(shí)施例1如圖1示，本發(fā)明智能自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)包括套管1、由結(jié)構(gòu)永磁體3和與之固定相連 的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體4組成的磁感裝置以及由電磁線圈6、緊固件7、磁致伸縮材料體8緊壓在 壓電或壓應(yīng)變材料連體9組成的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，其中磁感裝置沿套管1軸心轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于套 管1內(nèi)部，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置固定設(shè)置于套管1外部，一對(duì)極性相反的電磁線圈6相對(duì)設(shè)置于套 管1的外壁，由緊固件7、磁致伸縮材料體8緊壓在壓電或壓應(yīng)變材料連體9組成的磁致伸 縮壓電傳感裝置嵌于套管1的側(cè)壁上。所述的套管1為導(dǎo)磁材料體2和不導(dǎo)磁材料體11固接的復(fù)合材料套管；所述的結(jié)構(gòu)永磁體3為與套管1同軸的旋轉(zhuǎn)體，置于套管中間；如圖2所示，所述的電磁線圈6的內(nèi)部設(shè)有第一軛鐵5，裝配初始位置時(shí)，第一軛鐵5兩端與套管1上的導(dǎo)磁材料體2、結(jié)構(gòu)永磁體3串接在同一磁路方向上。 如圖8所示，所述的第一軛鐵5的兩個(gè)輸出端相對(duì)設(shè)置于套管1的上下兩側(cè)；所述的磁致伸縮壓電傳感裝置中由緊固件7調(diào)整安裝間隙并將磁致伸縮材料體 8緊壓在壓電或壓應(yīng)變材料連體9上并最終以整體形式固定在套管1的側(cè)壁鏤空部位，并在 磁致伸縮作用方向無間隙地卡緊在套管1中。工作時(shí)，如圖2所示，根據(jù)該裝配組成和結(jié)構(gòu)形式，所述自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，初始裝配位 置時(shí)，套管1中的結(jié)構(gòu)永磁體3的一個(gè)磁極與套管1上的導(dǎo)磁材料體2吸附而位置固定，結(jié) 構(gòu)永磁體3的另一個(gè)磁極由于與套管1的非導(dǎo)磁材料體11相鄰而不被吸附，結(jié)構(gòu)永磁體3 因此可以被吸附和固定在套管1的導(dǎo)磁材料體2上，即可以固定在套管1中間。對(duì)圍繞第 一軛鐵5的電磁線圈6通電(其套管外部的一般結(jié)構(gòu)形式如圖8所示)，則在第一軛鐵5兩 端面產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的大小可以通過控制線圈6電流的大小來控制。對(duì)第一軛鐵5上的 線圈6施加電流，當(dāng)通入電流的方向正確，電流強(qiáng)度足夠大時(shí)，與套管1上導(dǎo)磁材料體2外 圓面相接的第一軛鐵5端所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力與套管1上導(dǎo)磁材料體2內(nèi)圓面吸附的結(jié)構(gòu)永磁 體3的磁場(chǎng)力相斥，直至抵消初始永磁吸力，此時(shí)永磁結(jié)構(gòu)體3與套管1脫離，如果繼續(xù)增 加線圈6電流強(qiáng)度，由于同極相斥，異極相吸的磁力作用，結(jié)構(gòu)永磁體3將會(huì)在第一軛鐵5 電磁力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖3所示，直至180度偏轉(zhuǎn)后，即電磁場(chǎng)方向與結(jié)構(gòu)永磁體3磁 場(chǎng)方向同向時(shí)，結(jié)構(gòu)永磁體3偏轉(zhuǎn)停止。此刻，如果斷開第一軛鐵5上電磁線圈6的電流， 電磁場(chǎng)消失，此時(shí)結(jié)構(gòu)永磁體3靠近套管1上導(dǎo)磁材料體2的一端與導(dǎo)磁材料體2再次吸 合而定位不動(dòng)，如圖4所示。以上過程中，固連在結(jié)構(gòu)永磁體3上的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體4隨結(jié)構(gòu)永磁體3轉(zhuǎn)動(dòng)180 度，并且能夠?qū)⒃撾姶臺(tái)永磁復(fù)合磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體3傳導(dǎo)到關(guān)節(jié)外部需要控制 帶動(dòng)的機(jī)構(gòu)上去，從而實(shí)現(xiàn)180度偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)及其電磁控制驅(qū)動(dòng)的效果。同理，根據(jù)以上工作方式的作用過程，如果再給第一軛鐵5的電磁線圈6通入與之 前反方向的電流，且當(dāng)電流強(qiáng)度足夠大時(shí)，結(jié)構(gòu)永磁體3將會(huì)發(fā)生反向180度(或繼續(xù)的正 向180度)旋轉(zhuǎn)，直至結(jié)構(gòu)永磁體3回到初始裝配位置，斷電，位置復(fù)原。至此，關(guān)節(jié)的180度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和復(fù)原驅(qū)動(dòng)兩個(gè)典型工作過程能夠得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例2本實(shí)施例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上增加第二對(duì)電磁線圈11以及第二軛鐵10，其中第 二對(duì)極性相反的電磁線圈11與第一對(duì)極性相反的電磁線圈6交錯(cuò)設(shè)置于套管1的外壁。實(shí)施例2工作時(shí)通過首先對(duì)第一軛鐵5上的電磁線圈通電抵消初始的結(jié)構(gòu)永磁體 3作用在套管1中導(dǎo)磁材料體2上的永磁吸力，然后通過對(duì)第二軛鐵10的電磁線圈11加反 向電流，并且在磁第一軛鐵5電磁斥力以及第二軛鐵10的電磁吸力共同作用下，結(jié)構(gòu)永磁 體3發(fā)生對(duì)應(yīng)于第二軛鐵10擺放角度的偏轉(zhuǎn)，并由于第二軛鐵10的吸力而止動(dòng)在第二軛 鐵10的磁力線方向上。同理，交換以上兩個(gè)軛鐵磁極的通電電流方向，結(jié)構(gòu)永磁體3將發(fā) 生回轉(zhuǎn)，而回復(fù)至初始位置。所述的電磁線圈以及軛鐵的數(shù)目可進(jìn)一步增加以形成多角度或角度細(xì)分的旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)和控制。實(shí)施例3如圖6所示，本實(shí)施例采用剖面為L(zhǎng)字形結(jié)構(gòu)的第一軛鐵5 ；
本實(shí)施例工作時(shí)，其所有組成要件和驅(qū)動(dòng)動(dòng)作方式與實(shí)施方式1相同，只是對(duì)于 本工作方式情況，第一軛鐵5的兩端面法線呈90度角；初始位置時(shí)，第一軛鐵5的一個(gè)端面 法線與結(jié)構(gòu)永磁體3長(zhǎng)度方向的軸線重合(/垂直)或垂直(/重合)，如圖6所示位置情 況。結(jié)合工作方式1的驅(qū)動(dòng)過程，此種工作方式下，結(jié)構(gòu)永磁體3可以實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)角的往 復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。
實(shí)施例4如圖7所示，本實(shí)施例采用中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)永磁體3，通過非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。實(shí)施例5如圖9所示，本實(shí)施例中采用結(jié)構(gòu)電磁線圈11以及設(shè)置于結(jié)構(gòu)電磁線圈11中設(shè) 有鐵磁材料或永磁材料或鐵磁、永磁復(fù)合材料體制成的結(jié)構(gòu)軛鐵12作為磁感裝置。如圖10所示，本實(shí)施例中對(duì)應(yīng)上述磁感裝置采用外部永磁體13作為磁場(chǎng)產(chǎn)生裝 置，該外部永磁體13可以為一塊嵌裝于套管1內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)，或一對(duì)外部永磁體13上下對(duì)稱 設(shè)置于套管1外部?；诒緦?shí)施列的結(jié)構(gòu)形式，其偏轉(zhuǎn)作用機(jī)理與實(shí)施例1-4相同。通過以上幾種具體的實(shí)施方式說明，所提出發(fā)明的智能自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn) 動(dòng)驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)連帶機(jī)構(gòu)或負(fù)載產(chǎn)生動(dòng)作，并且驅(qū)動(dòng)動(dòng)作過程和程度即轉(zhuǎn)動(dòng)角度方便控制， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)程度或角度可以被實(shí)施感知，通過計(jì)算機(jī)控制，即可實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)和傳感性能 的智能驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，包括套管、磁感裝置和磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，其特征在于磁感裝置沿套管軸心轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于套管內(nèi)部，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置固定設(shè)置于套管外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置包括磁致伸縮 壓電傳感裝置及其對(duì)應(yīng)電磁線圈，其中若干對(duì)極性相反的電磁線圈相對(duì)設(shè)置于套管的外 壁，磁致伸縮壓電傳感裝置固定設(shè)置于套管的側(cè)壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述的電磁線圈的內(nèi)部設(shè)有軛鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置由一塊或若干 塊嵌裝于套管的外部永磁體實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的個(gè)數(shù) 為一組或多組，該磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置為沿套管的軸向方向上并行布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述的套管由導(dǎo)磁材料體和 不導(dǎo)磁材料體制成的若干塊弧形半開口管組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述的磁感裝置為結(jié)構(gòu)永磁體或電 磁體，其中所述的結(jié)構(gòu)永磁體包括永磁轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體，其中永磁轉(zhuǎn)子套接于轉(zhuǎn)動(dòng)輸出 棒體上，轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體固定設(shè)置于套管的軸心位置；所述的電磁體包括結(jié)構(gòu)電磁線圈和結(jié)構(gòu)軛鐵，其中結(jié)構(gòu)軛鐵套接于轉(zhuǎn)動(dòng)輸出棒體 上，結(jié)構(gòu)電磁線圈設(shè)置于結(jié)構(gòu)軛鐵上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述的磁感裝置的個(gè)數(shù)為一組或 多組，該磁感裝置為沿套管的軸向方向或徑向方向上并行布置。
全文摘要
一種驅(qū)動(dòng)傳感控制技術(shù)領(lǐng)域的自驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，包括套管、結(jié)構(gòu)永磁體和磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，結(jié)構(gòu)永磁體沿套管軸心轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置于套管內(nèi)部，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置固定設(shè)置于套管外部，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置包括磁致伸縮壓電傳感裝置及其對(duì)應(yīng)電磁線圈，若干對(duì)極性相反的電磁線圈相對(duì)設(shè)置于套管的外壁，磁致伸縮壓電傳感裝置固定設(shè)置于套管的側(cè)壁上。本發(fā)明其結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，無需電源驅(qū)動(dòng)的情況下可方便獲得傳感電信號(hào)。
文檔編號(hào)F16M11/00GK101956891SQ20101029080
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者孟光, 楊斌堂 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)