一種基于磁力耦合驅(qū)動(dòng)的球形關(guān)節(jié)

如今，機(jī)械臂等新型設(shè)備在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、太空探索等領(lǐng)域起到越來越重要的作用。對(duì)于機(jī)械臂來說，關(guān)節(jié)是其關(guān)鍵核心組件之一。但關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不方便重組和多角度控制。有關(guān)磁力耦合連接機(jī)構(gòu)的原理啟發(fā)了作者對(duì)磁力耦合在動(dòng)力關(guān)節(jié)方面應(yīng)用的思考，于是本項(xiàng)目決定設(shè)計(jì)一種磁力耦合驅(qū)動(dòng)的新型動(dòng)力球形關(guān)節(jié)。經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、理論分析、原理樣機(jī)研制、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了球關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并制作了模型機(jī)（圖1）。

球關(guān)節(jié)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)構(gòu)想

關(guān)節(jié)模型由中空的內(nèi)球殼（關(guān)節(jié)頭）和外球殼即球座（關(guān)節(jié)窩）組成，控制運(yùn)動(dòng)的舵機(jī)、支架、控制硬件等經(jīng)過合理的組合均放置于球體內(nèi)部，3組磁體分布于內(nèi)球殼內(nèi)表面及外球殼外表面的特定位置。通過遙控2個(gè)正交舵機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，利用3組磁體產(chǎn)生的回復(fù)力矩使內(nèi)球殼（關(guān)節(jié)頭）相對(duì)于外球殼（關(guān)節(jié)窩）產(chǎn)生兩自由度的角運(yùn)動(dòng)?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖2?？紤]到成本因素，樣機(jī)研制過程采用工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)進(jìn)行部件加工，選用光敏樹脂耗材進(jìn)行打印。未來工程化強(qiáng)度要求提高時(shí)，可以考慮鋁合金CNC加工材料。

工作原理

該設(shè)計(jì)主要分為動(dòng)力（電路）部分與磁力耦合部分，主要解決驅(qū)動(dòng)電路如何通過互相垂直的2個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)多角度運(yùn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)（電路）部分設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)（電路）部分又分為電池組、穩(wěn)壓板、藍(lán)牙模塊、舵機(jī)控制板、舵機(jī)5個(gè)組件。電池組與穩(wěn)壓板組成整個(gè)裝置的電源，為舵機(jī)控制板供電，再通過舵機(jī)控制板為藍(lán)牙模塊和舵機(jī)供電。構(gòu)成與接線圖如圖3所示。

磁力耦合部分原理 當(dāng)磁鐵如圖2關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)所示的方式安裝時(shí)，3組磁鐵均分為2部分，一部分固定在底座上（外球殼外表面），一部分固定在核心系統(tǒng)所在的支架上且緊貼內(nèi)球殼內(nèi)表面。核心系統(tǒng)（由驅(qū)動(dòng)部分與支架、連桿所組成的系統(tǒng)）與底座依靠磁力耦合作用連接。以底座為參，由于舵機(jī)通過連桿與球殼固定連接，則控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)帶動(dòng)連桿使球殼相對(duì)于核心系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)球殼（關(guān)節(jié)頭）多角度控制。

建模分析及仿真實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)球形關(guān)節(jié)的磁力耦合方式及其被動(dòng)柔順性進(jìn)行建模分析，并通過2個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)1：驗(yàn)證回復(fù)力線性近似的合理性。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，仿真的結(jié)果與線性關(guān)系符合得很好;在更大范圍內(nèi)進(jìn)行擬合，可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果此時(shí)更符合二次關(guān)系。實(shí)驗(yàn)2：最大剛度仿真。進(jìn)一步仿真得到更多數(shù)據(jù)，可以看出當(dāng)偏移量在5.5mm附近時(shí)，回復(fù)力有最大值，約為26.9N。對(duì)于實(shí)際情況而言，2組磁鐵最大回復(fù)力應(yīng)為53.8N，若內(nèi)球殼半徑90mm，則最大力矩為49.4kgf·cm，若外力矩超過此值，關(guān)節(jié)將體現(xiàn)出被動(dòng)柔順性。

制作球關(guān)節(jié)模型機(jī)

動(dòng)力部分組裝

按電路連接順序圖（圖3）組裝動(dòng)力部分。

結(jié)構(gòu)安裝

第1步，組裝核心系統(tǒng)。將驅(qū)動(dòng)部分固定在支架上，將連桿安裝在舵機(jī)轉(zhuǎn)盤上。再將磁鐵固定在支架上加工的方槽中。第2步，在球殼預(yù)留的圓槽內(nèi)攻絲，將球殼下半部分與核心系統(tǒng)通過連桿末端的插頭組裝到一起并固定，用螺絲將球殼上半部分和下半部分組裝到一起。第3步，按總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（圖2）在底座的對(duì)應(yīng)位置安裝固定磁鐵，裝置組裝完成。

實(shí)驗(yàn)測試改進(jìn)及其問題分析

實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)測試是為了檢查系統(tǒng)工作是否正常，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行修改，測試隨著裝配進(jìn)行，內(nèi)容從基礎(chǔ)逐步接近最終設(shè)計(jì)目標(biāo)，先檢查核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，再檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)的總裝。

調(diào)試過程與結(jié)果

測試1：電路驗(yàn)證與舵機(jī)操控測試發(fā)現(xiàn)300°舵機(jī)出現(xiàn)適配問題，無操作時(shí)發(fā)生嚴(yán)重抖動(dòng)，因此將原計(jì)劃的180°和300°舵機(jī)各1臺(tái)的配置改為全部采用180°舵機(jī)，調(diào)整后均工作正常。

測試2：藍(lán)牙通信與舵機(jī)遙控將藍(lán)牙模塊插接在舵機(jī)控制板上，啟動(dòng)供電，打開手機(jī)藍(lán)牙和控制應(yīng)用，選擇藍(lán)牙模塊對(duì)應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行連接，經(jīng)測試，完全可以控制。

測試3：球形關(guān)節(jié)整機(jī)測試及問題改進(jìn)

將裝置完全組裝完畢，接通電源，將手機(jī)與藍(lán)牙模塊無線連接，在手機(jī)上對(duì)舵機(jī)進(jìn)行遙控，測試機(jī)械關(guān)節(jié)在2個(gè)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。測試結(jié)果為可以實(shí)現(xiàn)球殼（關(guān)節(jié)頭）在2個(gè)垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，但顯示出一些阻尼導(dǎo)致的遲滯，且由于受力不均的緣故，球殼在水平面內(nèi)120°?170°順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)，在其他角度和方向上轉(zhuǎn)動(dòng)的性能仍需進(jìn)一步提升。

出現(xiàn)問題及改進(jìn)：①連桿直接與舵機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，驅(qū)動(dòng)球殼部分表現(xiàn)連接不夠穩(wěn)固，改進(jìn)措施是加一框架與舵機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，連桿接在框架上，如圖4所示。②球和球殼之間的摩擦對(duì)關(guān)節(jié)的靈活性影響較大。為了減小摩擦采用了很多方式加潤滑劑等，最終采用的1000目的砂紙打磨，并用特氟龍膠帶粘貼，但摩擦力阻力仍然影響較大，這是需要進(jìn)一步解決的問題。

研究結(jié)論

本研究最終制作出的球關(guān)節(jié)模型機(jī)已具備基本的操作功能，能夠?qū)C(jī)械臂進(jìn)行簡單的動(dòng)作控制，從理論和實(shí)踐上都證實(shí)了磁力耦合在沒有機(jī)械部件直接連接的情況下進(jìn)行動(dòng)力傳輸?shù)目尚行?。該磁力耦合關(guān)節(jié)具有被動(dòng)柔順性，在人機(jī)交互方面將有更好的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)經(jīng)過改進(jìn)后，在智能機(jī)器人的多姿態(tài)控制，以及智能機(jī)械的多功能使用方面還會(huì)有更廣泛的實(shí)用價(jià)值。

王一霖

第19屆“明天小小科學(xué)家”一等獎(jiǎng)

學(xué)科：工程學(xué)

王一霖同學(xué)熱愛科學(xué)，喜歡一切與科學(xué)有關(guān)的事物，并從科學(xué)探索活動(dòng)中獲得了極大的快樂。為了更好地從事科學(xué)研究活動(dòng)，他自學(xué)了普通物理、高等數(shù)學(xué)等課程。王一霖平時(shí)還喜歡科學(xué)制作，在課余時(shí)間自制了斯特林熱機(jī)、等離子揚(yáng)聲器、云室、紋影儀、射電望遠(yuǎn)鏡等工具。制作過程中，他既學(xué)習(xí)了科學(xué)理論知識(shí)，也提升了實(shí)踐創(chuàng)新能力。同時(shí)，王一霖還關(guān)注天文學(xué)及未來航天技術(shù)的發(fā)展。他認(rèn)為，人類的發(fā)展離不開對(duì)未知世界的開拓與探索，希望自己能夠成為一名科研人員，為人類對(duì)自然的探索貢獻(xiàn)一份力量。