CN102441893A

CN102441893A - 一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置

Info

Publication number: CN102441893A
Application number: CN2010105008675A
Authority: CN
Inventors: 李靖; 秦现生; 尤向荣; 谭小群; 王占玺
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明公开了一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，通过对哺乳动物骨骼肌的结构和运动形式设计了基本单元，由基本单元的串联连接利用电磁力实现了直线驱动。基本单元由三个模块组成，包括动子模块、静子模块和抱闸模块。动子模块和静子模块为基本单元的主体，两模块的相对位置的变化实现了基本单元的伸缩运动。本发明基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，具有直接传动、高速线性运动、完全无接触和机械磨损，高响应速度可以达到毫秒级，低速时平顺移动、运动平滑性好，噪音小、节省能量等良好的驱动特性。

Description

一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置

技术领域

本发明涉及一种电磁力驱动装置，特别是基于电磁力的肌肉仿生驱动装置。属于机械工程与自动化及机器人领域，用于模仿哺乳动物骨骼肌肌肉结构及运动形式。

背景技术

随着科学技术的发展，电磁力的应用推动了机械工程与自动化等技术的发展，尤其在精密机械及机器人研究领域，电磁力的应用亦日趋成熟。基于电磁学原理设计肌肉仿生驱动装置有很好的理论和实践基础，电磁力驱动的仿肌肉驱动装置具有很高的响应频率，较之其它方式的仿肌肉驱动装置在应变和执行位移都有较大的优势。

采用直线电机驱动的新型装置与传统非直线电机驱动相比，具有结构简单、无接触磨损、噪声低精度高、组合灵活速度快等优点，但直线电机本身所具有的特点决定了自身存在的缺陷：如磁路通断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题。如果模仿哺乳动物骨骼肌肌肉结构及运动形式设计一种直线驱动装置，将大大改善现有直线电机的性能。

哺乳动物骨骼肌肌肉有很多传统驱动器远达不到的性能，如功率/重量比高、运动机构简单、响应速度快、能量可以储备以实现强大的爆发力等。仿肌肉驱动器实现比较有代表性的方向有形状记忆合金、电磁直线驱动器、电致伸缩聚合物、压电陶瓷、气动与液动人工肌肉。一个好的仿肌肉驱动器应具优秀的驱动特性和高疲劳寿命，并且还应具有一维伸缩、应变大、强度好、无噪音、能量密度大和柔顺性好等特征。

中国专利ZL 200420054469.5中公开了一种基于电磁力的直线驱动装置，该装置利用线圈之间的电磁力实现收缩，利用弹性元件的恢复力复位，能方便简单的实现伸缩运动。但是该装置存在较强的多级线圈磁场干扰，且由于弹性元件的疲劳损伤，很难实现长时间、高频率的运动。

在专利号为ZL 03250678.3的发明专利中，描述了一种基于肌肉收缩原理的动力装置，其组成分为两部份：由多个磁极按一定顺序排列组成肌腹及与其两端连接的肌腱带，通过改变可变磁极组的极性来实现直线反复运动。尽管该设计结构简单，控制容易，但是仍存在很多不足，如结构中没有设计阻尼装置，存在刚性碰撞，故引起冲击大、噪音大等问题；同时，机械限位是对整体结构进行限位，无法做到对每个磁极单独限位，故整体只有伸缩两种状态，位置调节性能较差，从而降低了其灵活性；磁场之间磁隙较大，有较大的漏磁现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，这种电磁力的肌肉仿生驱动装置，不仅能克服现有技术中存在的瞬时加速度低、疲劳寿命低、功率密度低、线性度差、效率低的问题，而且可以解决同类相似设计中存在的刚性碰撞引起的冲击以及噪音大、灵活性低、漏磁的不足。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：首先，通过对哺乳动物骨骼肌肌小节的仿生设计了基本单元，其次则由基本单元的串联连接实现仿生肌肉驱动装置的设计。所述的基本单元由三个模块组成，包括动子模块、静子模块和抱闸模块。动子模块和静子模块是基本单元的主体，两模块的相对位置的变化实现了基本单元的伸缩运动。

所述的动子模块包括轴、永磁体、固定件。其中，轴和固定件采用抗磁性材料，永磁体安装在轴的中间位置，由轴的轴肩和固定件固定联接。动子模块通过左端盖和右端盖支撑滑动。

所述的静子模块包括左端盖、机壳、A相线圈、A相线圈骨架、B相线圈骨架、B相线圈、右端盖。其中，A相线圈缠绕在A相线圈骨架上，B相线圈缠绕在B相线圈骨架上，A相线圈和B相线圈的绕线通过机壳中间的小孔穿出。A相线圈骨架由左端盖和机壳的左边轴肩相固定，左端盖和机壳通过机壳上左端的螺孔用螺栓固定。B相线圈骨架由右端盖和机壳的右边轴肩固定，右端盖和机壳通过机壳上右端的螺孔用螺栓固定。

所述的静子模块设置有A、B两相线圈，当A相线圈通电时，永磁体带动轴在A相电磁场的作用下，向A相方向移动，实现基本单元的收缩状态，当B相线圈通电时，永磁体带动轴在B相电磁场的作用下，向B相方向移动，实现基本单元的伸展状态。动子模块和静子模块的相对位置是靠电磁场来调节的，电磁场不仅可以起到主动调节的作用，还可以起到阻尼的作用，当动子的位置偏离目标位置时，电磁场可以把其拉回到目标位置。电磁阻尼避免了动子和静子的刚性撞击，也解决了弹性阻尼易于疲劳损伤的问题。

所述的抱闸模块是基本单元的重要组成部分，由抱闸线圈，弹簧，锁紧件等组成。当基本单元不通电时，锁紧件在弹簧的作用下，紧紧的锁定轴，使动子模块和静子模块保持相对静止。当基本单元通电时，抱闸模块受到电磁场力的作用，弹簧被压缩，锁紧件松动，与轴分离，动子模块和静子模块可以在磁场力的作用下自由活动。抱闸模块起着机械定位的作用，当基本单元不需要运动时，可以通过抱闸模块保持其位置，而不需要持续不断的通入电流，避免了能力的浪费以及由于持续通电导致的基本单元温度过快的上升。

本发明基于电磁力的肌肉仿生驱动装置的串联连接方式是根据肌肉肌小节的连接形式而设置的，串联连接方式可以在基本单元允许的范围内，成倍数的增加肌肉仿生驱动装置的移动速度和加速度，较大的提升了驱动装置的驱动特性。

把基本单元按照哺乳动物骨骼肌的结构形式串联，即组成了仿肌肉驱动装置。基本单元总长为30mm，压缩率为50％，即收缩状态与伸展状态相差15mm。所述的串联模式是上一级基本单元的动子链接在下一级基本单元的静子上，由于各级基本单元是分开的，其运动和控制都是分离的，避免了各级基本单元之间的磁场干扰以及各级基本单元之间的运动的干扰。这种串联的组成模式，可以在很大程度上提高仿肌肉驱动装置的驱动特性，如位移、加速度、速度等各方面指标。

在本发明电磁力的肌肉仿生驱动装置的控制方面，可以采用多种控制方式，不同的控制方式可以实现不同的运动模式。控制方式主要可以分为仿生肌小节运动模式的两位控制——驱动装置的动子仅停留在左右两个位置，和灵活性、平滑度更高的连续位置控制。其中，两位控制的实现为：动子模块和静子模块的相对运动形成了基本单元的伸缩运动，当A相线圈通电产生的磁场和永磁体的磁场一致时，永磁体受到通电线圈的磁力作用，运动到和A相线圈相平齐的位置。反之，B相线圈通电产生的磁场和永磁体磁场方向一致时，永磁体运动到和B相线圈平齐的位置。永磁体带动轴运动，实现了基本单元的直线伸缩运动，即两位的运动模式。而连续位置控制则通过以下方式实现：通过外界传感器反馈的实时位置与力等负载的数据，根据目标位置解算出下一控制时刻的输出，然后给两端线圈同时通电。通过调节每个线圈的电流方向和电流大小，则可以在行程范围内准确地控制动子模块的位置，从而实现连续位置控制。

本发明基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其模仿哺乳动物骨骼肌的结构和运动形式，利用电磁力实现了直线驱动。本发明具有高加速度、机械磨损小、体积小、质量轻、噪音低、节省能量等良好的驱动特性。其中响应速度可以达到毫秒级，最大效率可以达到90％以上，最大应变也在40％以上，功率密度可达到200w/Kg。

附图说明

下面结合附图对本发明基于电磁力的肌肉仿生驱动装置作进一步详细的说明。

图1为本发明驱动装置的基本单元串联效果图。

图2为本发明驱动装置的基本单元串联径向示意图。

图3为本发明驱动装置的基本单元剖视图。

图4为本发明驱动装置的基本单元的抱闸模块剖视图。

图5为本发明驱动装置的关节实例效果图。

1.轴 2.扣件 3.锁紧件 4.弹簧 5.左端盖 6.抱闸线圈骨架

7.抱闸线圈 8.机壳 9.A相线圈 10.A相线圈骨架 11.B相线圈骨架

12.B相线圈 13.永磁体 14.固定件 15.右端盖 16.固定螺栓

17.顶杆 18.摆动杆 19.连接端子 20.驱动装置 21.固定杆

具体实施方式

本实施例是一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置。

如图1、图2所示，本发明基于电磁力的肌肉仿生驱动装置是由基本单元串联组成，基本单元依次相链接，即II级基本单元的轴1通过其端面的沉头孔使用螺栓连接在I级基本单元的右端盖15上，III级基本单元的轴1以相同的方式连接在II级基本单元的右端盖15上；该仿生驱动装置的串联连接方式是根据肌肉肌小节的连接形式而设置的，串联连接方式可以在基本单元允许的范围内，成倍数的增加肌肉仿生驱动装置的移动速度和加速度，提升驱动装置的驱动特性。

图3展示了本发明基于电磁力的肌肉仿生驱动装置的基本单元。基本单元主要由三个模块组成，包括动子模块、静子模块和抱闸模块。

所述的动子模块包括轴1、永磁体13、固定件14。其中，轴1和固定件14采用抗磁性材料，永磁体13安装在轴1的中间位置，由轴1的轴肩和固定件14固定联接。动子模块通过左端盖5和右端盖15支撑滑动。

所述的静子模块包括左端盖5、机壳8、A相线圈9、A相线圈骨架10、B相线圈骨架11、B相线圈12、右端盖15。其中，A相线圈9缠绕在A相线圈骨架10上，B相线圈12缠绕在B相线圈骨架11上，A相线圈和B相线圈的绕线通过机壳8中间的小孔穿出。A相线圈骨架10由左端盖5和机壳8的左边轴肩相固定，左端盖5和机壳通过机壳8上左端的螺孔用螺栓固定。B相线圈骨架11由右端盖15和机壳8的右边轴肩固定，右端盖15和机壳通过机壳8上右端的螺孔用螺栓固定。

在本发明电磁力的肌肉仿生驱动装置的控制方面，可以采用多种控制方式，不同的控制方式可以实现不同的运动模式。本发明电磁力的肌肉仿生驱动装置的基本单元的伸缩运动是由动子模块和静子模块的相对运动形成的，当A相线圈9通电产生的磁场和永磁体的磁场方向一致时，永磁体13受到通电线圈的磁力作用，运动到和A相线圈9相平齐的位置。反之，B相线圈12通电产生的磁场和永磁体的磁场方向一致时，永磁体13运动到和B相线圈12平齐的位置。永磁体13带动轴1运动，实现了基本单元的直线伸缩运动。而连续位置控制则通过以下方式实现：通过外界传感器反馈的实时位置与力等负载的数据，根据目标位置解算出下一控制时刻的输出，然后给两端线圈同时通电。通过调节每个线圈的电流方向和电流大小，则可以在行程范围内准确地控制动子模块的位置，从而实现连续位置控制。

如图4，本发明基于电磁力的肌肉仿生驱动装置的基本单元的抱闸模块是基本单元的重要组成部分。所述的抱闸模块包括有扣件2、锁紧件3、弹簧4、抱闸线圈骨架6、抱闸线圈7、固定螺栓16、顶杆17。当需要动子模块和静子模块保持相对位置不变，但是两者有力存在的情况下，需要利用抱闸模块。当抱闸模块的抱闸线圈7没有通电时，锁紧件3在弹簧的压力下向左运动，在被扣件2挤压的同时，锁紧件3的内径缩小，其与轴1卡紧在一起，起到固定的作用。当抱闸线圈7通电时，其受到A相线圈9的磁场引力向右运动。A相线圈骨架10通过顶杆17带动锁紧件3向右运动，脱开扣件2，锁紧件3的内径增大，与轴1的卡紧状态松动，轴1可以***。

参见图5，在本实施例中，机器关节为摆动杆和固定杆通过铰链联接，肌肉仿生驱动装置20联接在两个连接端子19上，连接端子19通过铰链联接到摆动杆18和固定杆21上。肌肉仿生驱动装置收缩带动关节运动，其中L1＝44mm，L2＝36mm，L3＝33mm，L4＝27mm，关节需要的转动角度为70°，且基本单元总长为30mm，压缩率为50％，即收缩状态与舒张状态相差15mm，由此可以求解出需要串联3个基本单元，转动范围为56.25°～128.04°，转动角度为71.39°。

Claims

1.一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其特征在于包括至少两个依次相串联连接的基本单元；所述的基本单元由动子模块、静子模块和抱闸模块组成，动子模块和静子模块的相对位置的变化实现基本单元的伸缩运动，基本单元的伸缩为利用电磁力实现直线运动的驱动。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其特征在于：所述的动子模块包括轴(1)、永磁体(13)、固定件(14)；轴(1)和固定件(14)采用抗磁性材料，永磁体(13)安装在轴(1)的中间位置，由轴(1)的轴肩和固定件(14)固定联接，动子模块通过左端盖(5)和右端盖(15)支撑滑动；所述的静子模块包括左端盖(5)、机壳(8)、右端盖(15)和A相线圈(9)、A相线圈骨架(10)、B相线圈骨架(11)、B相线圈(12)；静子模块设置有A、B两相线圈，A相线圈(9)缠绕在A相线圈骨架(10)上，B相线圈(12)缠绕在B相线圈骨架(11)上，A相线圈和B相线圈的绕线通过机壳(8)中间的小孔穿出，A相线圈骨架(10)由左端盖(5)和机壳(8)的左边轴肩固定，左端盖(5)与机壳通过机壳(8)上左端的螺孔用螺栓固定，B相线圈骨架(11)由右端盖(15)和机壳(8)的右边轴肩固定，右端盖(15)与机壳通过机壳(8)上右端的螺孔用螺栓固定，当A相线圈(9)通电时，永磁体(13)带动轴(1)在A相电磁场的作用下，向A相方向移动，实现基本单元的收缩状态；当B相线圈(12)通电时，永磁体(13)带动轴(1)在B相电磁场的作用下，向B相方向移动，实现基本单元的伸展状态；通过调节线圈的电流方向和电流大小，在行程范围内准确地控制动子模块的位置，实现其连续位置控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其特征在于：动子模块和静子模块的相对位置是靠电磁场来调节，电磁场既起到主动调节作用，也起到阻尼作用，当动子模块偏离目标位置时，电磁场即将其拉回到目标位置；电磁阻尼避免动子模块和静子模块的刚性撞击，也避免了弹性阻尼易于疲劳损伤。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其特征在于：所述的抱闸模块包括扣件(2)、锁紧件(3)、弹簧(4)、抱闸线圈骨架(6)、抱闸线圈(7)、固定螺栓(16)、顶杆(17)；当抱闸模块的抱闸线圈(7)没有通电时，锁紧件(3)在弹簧(4)的压力下向左运动，在被扣件(2)挤压的同时，锁紧件(3)的内径缩小，其与轴(1)卡紧锁定，使动子模块和静子模块保持相对位置不变；当抱闸线圈(7)通电时，其受到A相线圈的磁场引力向右运动，A相线圈骨架通过顶杆(16)带动锁紧件(3)向右运动，脱开扣件(2)，锁紧件(3)的内径增大，与轴(1)松动，使动子模块和静子模块在磁场力的作用下自由活动，抱闸模块起着机械定位的作用。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其特征在于：所述基本单元长度不大于30mm，压缩率为50％，即收缩状态与伸展状态相差15mm。