一种基于磁力耦合启动的球形关节
王一霖/北京市第八十中学
教导先生：何斌、赵胜楠
此刻，呆板臂等新式做战在产业创造、医学调节、天外探究等畛域起到越来越紧急的影响。关于呆板臂来讲，关节是其关键中心组件之一。但关节的组织较量繁杂，不便利重组和多角度操纵。相关磁力耦合联结机构的道理启示了做家对磁力耦合在动力关节方面运用的推敲，因而本项目决意计算一种磁力耦合启动的新式动力球形关节。经由蓄意计算、理论解析、道理样机研发、实践考证等次序，该项目计算了球关节的结洽商劳动道理，并制做了模子机（图1）。▲图1?新式关节及其运用球关节的主体组织计算和劳动道理计算
整个计算设想
关节模子由中空的内球壳（关节头）和外球壳即球座（关节窝）构成，操纵疏通的舵机、支架、操纵硬件等经由公道的组合均安插于球体内部，3组磁体散布于内球壳内表面及外球壳表面面的特定场所。经由遥控2个正交舵机形成动力，欺诈3组磁体形成的答复力矩使内球壳（关节头）相关于外球壳（关节窝）形成两自如度的角疏通。整体组织计算图见图2。思量到成本要素，样机研发经由采取产业级3D打印手艺实行部件加工，采用光敏树脂耗材实行打印。将来工程化强度请求提高时，能够思量铝合金CNC加工材料。劳动道理
该计算紧要分为动力（电路）部份与磁力耦合部份，紧要束缚启动电路何如经由彼此笔直的2个舵机实行关节多角度疏通。启动（电路）部份计算启动（电路）部份又分为电池组、稳压板、蓝牙模块、舵机操纵板、舵机5个组件。电池组与稳压板构成十足安装的电源，为舵机操纵板供电，再经由舵机操纵板为蓝牙模块和舵机供电。构成与接线图如图3所示。磁力耦合部份道应当磁铁如图2关节组织所示的方法安装时，3组磁铁平分为2部份，一部份停止在底座上（外球壳表面面），一部份停止在中心系统地址的支架上且紧贴内球壳内表面。中心系统（由启动部份与支架、连杆所构成的系统）与底座仰赖磁力耦配合用联结。以底座为参，由于舵机经由连杆与球壳停止联结，则操纵舵机滚动就会推动连杆使球壳相关于中心系统滚动，进而实行对球壳（关节头）多角度操纵。建模解析及仿确实践协商
对球形关节的磁力耦合方法及其被迫和婉性实行建模解析，并经由2个实践对其效果实行仿确实践协商。实践1：考证答复力线性形似的公道性。从实践数据能够看出，仿果真效果与线性关联合适得很好；在更大规模内实行拟合，能够发掘仿真效果此时更合适二次关联。实践2：最大刚度仿真。进一步仿真取得更普遍据，能够看出当偏移量在5.5?mm邻近时，答复力有最大值，约为26.9?N。关于理论处境而言，2组磁铁最大答复力应为53.8?N，若内球壳半径90?mm，则最鼎力矩为49.4?kgf·cm，若外力矩超越此值，关节将显示出被迫和婉性。制做球关节模子机
动力部份组装
按电路联结按序图(图3)组装动力部份。组织安装
第1步，组装中心系统。将启动部份停止在支架上，将连杆安装在舵机转盘上。再将磁铁停止在支架上加工的方槽中。第2步，在球壳预留的圆槽内攻丝，将球壳下半部份与中心系统经由连杆末了的插头组装到一同并停止，用螺丝将球壳上半部份和下半部份组装到一同。第3步，按整体组织计算图（图2）在底座的对应场所安装停止磁铁，安装组装达成。实践测试改革及其题目解析
实践蓄意
实践测试是为了搜检系统劳动能否一般，准时发掘题目，实行更正，测试跟着安装实行，实质从根底渐渐亲近最后计算目标，先检稽中心启动系统，再搜检呆板组织的总装。调试经由与效果
测试1：电路考证与舵机操控测试发掘°舵机浮现适配题目，无职掌时产生严峻震颤，因而将原蓄意的°和°舵机各1台的建设改成集体采取°舵机，调换后均劳动一般。测试2：蓝牙通讯与舵机遥控将蓝牙模块插接在舵机操纵板上，启动供电，翻开手机蓝牙和操纵运用，取舍蓝牙模块对应的记号实行联结，经测试，彻底能够操纵。测试3：球形关节整机测试及题目改革将安装彻底组装结束，接通电源，将手机与蓝牙模块无线联结，在手机上对舵机实行遥控，测试呆板关节在2个笔直方位的滚动处境。测试效果为能够实行球壳（关节头）在2个笔直方位的滚动，但显示出一些阻尼致使的迟滞，且由于受力不均的理由，球壳在程度面内°?°顺时针滚动时展现最优，在其余角度和方位上滚动的功用仍需进一步提高。浮现题目及改革：①连杆直接与舵机转轴联结，启动球壳部份展现联结不足安定，改革举措是加一框架与舵机转轴联结，连杆接在框架上，如图4所示。②球和球壳之间的磨擦对关节的灵动性影响较大。为了减小磨擦采取了良多方法加光滑剂等，最后采取的1?目标砂纸打磨，并用特氟龙胶带粘贴，但磨擦力阻力仍旧影响较大，这是需求进一步束缚的题目。协商论断
本协商最后制做出的球关节模子机已完备根底的职掌功用，能够对呆板臂实行容易的行为操纵，从理论和理论上都证明了磁力耦合在没有呆板部件直接联结的处境下进举动力传输的可行性。该磁力耦合关节具备被迫和婉性，在人机交互方面将有更好的运用前程。本计算经由改革后，在智能呆板人的多姿势操纵，以及智能呆板的多功用哄骗方面还会有更宽广的适用价钱。▲图2?整体组织计算图
▲图3?电路联结图
▲图4?连杆联结方法改革先后相比图
王一霖第19届“翌日小小科学家”一等奖学科:工程学??王一霖同窗酷爱科学，喜爱十足与科学相关的事物，并从科学探究举动中获患有极大的欢畅。为了更好地从事科学协商举动，他自学了一般物理、高档数学等课程。王一霖通常还喜爱科学制做，在课余功夫克己了斯特林热机、等离子扬声器、云室、纹影仪、射电望远镜等器材。制做经由中，他既研习了科学理论学问，也提高了理论革新才略。同时，王一霖还