[发明专利]一种能够回收能量的坐标式机械手臂

说明书

本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种能够回收能量的坐标式机械手臂。该机械手臂采用升降气缸、仰俯气缸和伸缩气缸的结构，使得机械手臂能够实现上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回6个动作，且每个气缸均装有压电和摩擦电混合纳米发电机，根据压电效应、静电摩擦生电和静电感应的复合原理，有效地将气缸伸缩运动所产生的机械能转换为电能，通过电压转换电路与其他供电系统或外部负载相连接，实现能量的收集，从而降低能耗。

技术领域

本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种能够回收能量的坐标式机械手臂。

背景技术

随着工业化的发展，机械手臂在平时的工业生产中应用地越来越广泛，然而机械手臂在实际应用中的能耗却十分巨大，能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；本发明所涉及的一种能够回收能量的坐标式机械手臂正好承接了以上理念；基于摩擦电效应以及静电感应原理的静电摩擦发电机在王中林团队等众多科学团队不断努力下取得了大量的研究成果，通过周期性垂直接触-分离、面内滑动、转动或者压电效应的静电摩擦发电机已经成功地用于收集机械能；申请号为201510606288.1的中国专利申请公开了一种基于PLC控制的混合型气动机械手，通过PLC控制能够实现俯下、仰起、伸出、缩回4个动作，但该机械手臂不能实现上下的自动伸降，且对能耗需求很大；本发明提出一种能够回收能量的坐标式机械手机，能够实现6个动作且能够将运动中的机械能转换为电能，节约电能，故其应用范围十分广泛。

发明内容

本发明采用了升降气缸、仰俯气缸和伸缩气缸的结构，使得机械手臂能够实现上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回6个动作，且每个气缸均装有波纹管式混合纳米发电机，收集气缸反复伸出，缩回运动的机械能，用于其他供电系统或外部负载的供电。本发明解决的技术问题是：提供一种能够回收能量的坐标式机械手臂；该机械手臂采用升降气缸、仰俯气缸和伸缩气缸的结构，使得机械手臂能够实现上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回6个动作，且每个气缸均装有压电和摩擦电混合纳米发电机，根据压电效应、静电摩擦生电和静电感应的复合原理，有效地将气缸伸缩运动所产生的机械能转换为电能，通过电压转换电路与其他供电系统或外部负载相连接，实现能量的收集，从而降低能耗。

本发明提供的一种能够回收能量的坐标式机械手臂，其特征包括底座、回转液压缸、回转台、升降气缸、仰俯气缸、伸缩气缸、电压转化电路、位于三个气缸中的混合纳米发电机以及机械手爪。升降气缸、俯仰气缸以及电压转换装置安装在回转台上，伸缩气缸通过两个铰链与升降气缸及俯仰气缸相连接，形成四连杆机构，机械手爪安装在伸缩气缸的气缸杆上，回转台与底座中的回转液压缸相连接。

所述的坐标式机械手臂是一种具有4个自由度的极坐标型机械手，机械手的运动由两个直线运动(垂直方向的升降以及水平方向的伸缩)和两个转动(绕回转台的转动和绕水平轴的仰俯运动)组成，该机械手臂可以完成上升、下降、仰起、俯下、伸出、缩回六个动作。

所述机械手臂的运动均由气动的方式进行驱动，且每个气缸均装有混合纳米发电机，该混合纳米发电机包括波纹管弹性基底和固定在弹性基底上的若干个并联的混合发电单元。每个混合发电单元包括一个摩擦发电单元和一个压电发电单元。所述的摩擦发电单元与压电发电单元相连。其中：所述摩擦发电单元进一步包括：第一电极层和位于第一电极上方的第一摩擦层；位于第一摩擦层上方并与其面对面设置第二摩擦层和位于第二摩擦层上方的第二电极层，所述压电发电单元进一步包括：垂直生长在所述第二电极层上方的压电纳米线阵列；位于压电纳米线阵列上方的第一高分子聚合物绝缘层和位于所述第一高分子聚合物绝缘层上方的第三电极层，其中，所述第一电极层和所述第二电极层是所述摩擦发电单元的输出电极，所述第二电极层和第三电极层是所述压电发电单元的输出电极。

优选的，其中第一电极层，第二电极层和第三电极层为束缚电子能力弱的金属导电层；第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层。