CN108494202A - 一种可磁化重构的机器人关节电机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人驱动装置相关领域，并公开了一种可磁化重构的机器人关节电机，其包括线圈定子、永磁体转子和可磁化重构单元，其中可磁化重构单元环绕设置于永磁体转子的外周，并在其外层缠绕有与控制电路相连的线圈。当需要执行低转速或零转速的工况时，该可磁化重构单元可通过述控制电路输入不同强度的电流脉冲而获得对应程度的永久磁化，然后产生磁场并与所述永磁体转子的磁场共同作用，由此维持输出所需的转矩。通过本发明，不仅在高速或低速均能获得所需的转矩，同时能够维持较大的电机效率。

Description

一种可磁化重构的机器人关节电机
技术领域
本发明属于机器人驱动装置相关领域，更具体地，涉及一种可磁化重构的机器人关节电机。
背景技术
在机器人***中，执行机构一般分为液压驱动和电机驱动两种基本类型，其中又以电机驱动最为常见。众所周知，传统的电机驱动主要由定子、转子和输出轴组成。当工作时，转子线圈输入电流，产生一个线圈磁场；该磁场和永磁体定子相互作用，由此驱动转子运动，进而操控机器人完成所需的各类动作。
研究表明，在转子转动的过程中，由于是在磁场中转动，会产生一个反电动势，而且转速越高，反电动势相应也会越大。另一方面，电机电压和反电动势共同决定了转子线圈的电流大小，在低转速时，由于定子和转子相对速度较低，产生的反电动势较小，会产生较大的电机电流——电流过大则会导致电机产生很大的焦耳热，同时还会使电机的效率非常低，造成很大的能量损失。换而言之，由于反电动势的作用，电机必需在较高的转速下才能保持较高的效率。
然而，在机器人领域尤其是机器人关节驱动这一典型应用场合下，大多数情况是需要在低速甚至零转速的工况下输出转矩。为了解决此问题，现有技术中采取的解决方案一般是在电机与输出轴之间增加譬如齿轮减速机构之类的减速轴系，即通过组合不同的多个减速器来使电机获得不同的额定转速及转速。但这样相应不可避免地仍会产生以下的技术问题：首先，会增加机器人关节的整个体积，使得整个驱动变得过于庞大和复杂，同时导致关节无法反向驱动；其次，齿轮减速机构还容易引入反冲，在增加重量的同时，产生碰撞时的惯性等问题；最后，传统的关节直接驱动方式为了保持转矩，必需输入很大的电流，但在效率非常低的同时，线圈对电流的限制同样会使得驱动无法在低速时输出所需的大转矩。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进和设计，以便更好地满足现代化机器人关节驱动的更高效率需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可磁化重构的机器人关节电机，其中通过对其整个构造布局重新进行设计，并在增设可磁化重构单元的基础上，对其与其他组件之间的具体设置方式和工作机理等多方面做出改进，相应不仅在高低速均能获得高效率，而且在极低速甚至零转速的工况下也能产生所需的转矩，因而尤其适用于机器人关节直接驱动的特定应用场合。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种可磁化重构的机器人关节电机，其特征在于，该机器人关节电机包括线圈定子、永磁体转子和可磁化重构单元，其中：
所述线圈定子设置在电机驱动器上，并且它在通电时所产生的磁场方向与该电机驱动器的输出轴方向保持平行；
所述永磁体转子整体呈环形盘状结构，它环绕设置于所述线圈定子的外周并由多个永磁块依次串接而成，并且彼此相邻的两个永磁块被设定为磁极方向彼此相反；
所述可磁化重构单元继续环绕设置于所述永磁体转子的外周，该可磁化重构单元由硬磁材料制成，并在其外层缠绕有与控制电路相连的线圈；以此方式，当机器人关节需要执行低转速或零转速的工况时，该可磁化重构单元通过所述控制电路输入不同强度的电流脉冲而获得对应程度的永久磁化，然后产生磁场并与所述永磁体转子的磁场共同作用，由此维持输出所需的转矩；而当机器人关节需要执行高速工况时，该可磁化重构单元保持初始状态也即不通过所述控制电路输入电流脉冲、或者通过所述控制电路输入预定的电流脉冲，并产生磁场用于对整个电机的静态力矩进行固定补偿。
作为进一步优选地，当机器人关节需要执行低转速或零转速的工况时，电机主要依靠可磁化重构单元输出转矩；而当机器人关节需要执行高速工况时，电机主要依靠定子线圈输出转矩。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对机器人关节的实际工况特征及电机直接驱动的机理等方面进行更为深入的研究和分析，并采用设置专门的可磁化重构单元来与其他组件配合发挥作用，相应无论在无论高转速还是低转速甚至零转速的工况下，仅能准确获得所需的转矩和效率，同时具备便于操控、结构紧凑、适用性强，可高度集成机器人关节各部位等特点，因而尤其适用于各类需要高精度高效率运动的机器人关节驱动应用场合。
附图说明
图1是用于示范性显示按照本发明的可磁化重构的机器人关节电机的基本组成结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-线圈定子 2-永磁体转子 3-可磁化重构单元 4-轴承 5-控制电路
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是用于示范性显示按照本发明的可磁化重构的机器人关节电机的基本组成结构示意图。如图1所示，该电机被配套用于各类机器人的关节驱动应用场景，并包括线圈定子1、永磁体转子2和可磁化重构单元3等主要组成部件，下面将逐一对其进行具体解释说明。
如图1所示，所述线圈定子1可设置在电机驱动器上，并且它在通电时所产生的磁场方向与该电机驱动器的输出轴方向保持平行，从而使得线圈磁场可更好地作用于永磁体转子2。此外，定子线圈1中的电流大小也部分决定了作用于永磁体转子的转矩的大小。
永磁体转子2整体优选呈环形盘状结构，它环绕设置于线圈定子1的外周并可由多个永磁块依次串接而成，并且彼此相邻的两个永磁块被设定为磁极方向彼此相反。此外，永磁体转子与输出轴固连。
作为本发明的关键改进所在，可磁化重构单元3继续环绕设置于所述永磁体转子的外周，该可磁化重构单元由硬磁材料制成，并在其外层缠绕有与控制电路相连的一层线圈；以此方式，当机器人关节需要执行低转速或零转速的工况时，该可磁化重构单元通过所述控制电路输入不同强度的电流脉冲而获得对应程度的永久磁化，然后产生磁场并与所述永磁体转子的磁场共同作用，由此维持输出所需的转矩，并且同时保持较高的效率；而当机器人关节需要执行高速工况时，该可磁化重构单元保持初始状态也即不通过所述控制电路输入电流脉冲、或者通过所述控制电路输入预定的电流脉冲，并产生磁场用于对整个电机的静态力矩进行固定补偿。
下面将对按照本发明的机器人关节电机的工作原理进行具体解释。
当驱动器应用于高速工况时，本电机的工作过程与传统电机基本类似。在此情况下，定子线圈可以输出扭矩且保持较高的效率，而可磁化重构单元被执行断电处理，也即不发生磁化，也即关节驱动以定子线圈输出转矩为主。然而，按照本发明的一个优选实施方式，此时也可以输入预定的电流脉冲，相应对静态力矩(如重力矩等)进行固定补偿，较多的实际测试表明其同样可在一定程度上提高电机效率。例如，通过给定的转矩，计算驱动线圈的电流。再由控制***施加电流。相应可以对静态力矩进行固定补偿以进一步提高电机效率。
当驱动器应用于低速工况时(此类工况对于机器人关节运动而言更为常见)，电机将主要由可磁化重构单元来输出转矩。也就是说，控制电路给可磁化重构单元施加一定强度的电流脉冲后，电流产生的磁场会使永磁体永久磁化。此磁场与转子永磁体相互作用并发挥主要作用，进而确保整个电机在低速时候仍然能够维持所需的扭矩而且同时保持较高的电机效率。更具体地，在实际使用时，在转子旋转过程中，可根据转子位置和旋转所需要转矩计算出每个可磁化重构单元所需的磁化强度，再通过控制***分别对磁化线圈施加脉冲电流磁化每个可磁化重构单元。
即便驱动器应用于转速为零的工况时，由于可磁化重构单元是由硬磁材料制成，虽然线圈中的电流脉冲是暂时的，但电流脉冲作用后所产生的剩磁会在相当时间内维持住，从而在可磁化重构单元与永磁体转子之间产生所需的转矩，却无需其他电流持续输入。相应地，只要根据转速的变化情况，周期性地给可磁化重构单元的线圈施加脉冲，就能够保持所需的机器人关节驱动的转矩输出。
综上，采用上述技术方案不仅结构紧凑、便于操控、易于对现有机器人关节进行改造，而且无论处于高速或低速的工况，均可在维持输出预期转矩能力的情况下获得较高的电机效率，因此尤其适用于各类需要高精度高效率运动的机器人关节驱动应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可磁化重构的机器人关节电机，其特征在于，该机器人关节电机包括线圈定子(1)、永磁体转子(2)和可磁化重构单元(3)，其中：
所述线圈定子(1)设置在电机驱动器上，并且它在通电时所产生的磁场方向与该电机驱动器的输出轴方向保持平行；所述永磁体转子(2)整体呈环形盘状结构，它环绕设置于所述线圈定子(1)的外周并由多个永磁块依次串接而成，并且彼此相邻的两个永磁块被设定为磁极方向彼此相反；
所述可磁化重构单元(3)继续环绕设置于所述永磁体转子的外周，该可磁化重构单元由硬磁材料制成，并在其外层缠绕有与控制电路相连的线圈；以此方式，当机器人关节需要执行低转速或零转速的工况时，该可磁化重构单元通过所述控制电路输入不同强度的电流脉冲而获得对应程度的永久磁化，然后产生磁场并与所述永磁体转子的磁场共同作用，由此维持输出所需的转矩；而当机器人关节需要执行高速工况时，该可磁化重构单元保持初始状态也即不通过所述控制电路输入电流脉冲、或者通过所述控制电路输入预定的电流脉冲，并产生磁场用于对整个电机的静态力矩进行固定补偿。
2.如权利要求1所述的一种可磁化重构的机器人关节电机，其特征在于，当机器人关节需要执行低转速或零转速的工况时，电机主要依靠可磁化重构单元输出转矩；而当机器人关节需要执行高速工况时，电机主要依靠定子线圈输出转矩。
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