CN203919043U - 电磁驱动仿生机械手臂 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基电磁驱动仿生机械手臂，主要由上臂仿生肌肉和下臂组成；仿生肌肉由至少三个仿生肌小节连接而成，每个仿生肌小节包括一个电磁线圈模块和一个永磁体模块，根据电磁驱动原理实现仿生肌小节内部电磁线圈模块和永磁体模块的相对运动，再将仿生肌小节串联成为仿生肌肉，从而实现仿生肌肉的伸缩运动，最终带动机械手臂做旋转运动。本实用新型的特点在于机械手臂关节采用齿轮齿条啮合结构使机械手臂转动更加平稳，转角范围更大。采用多组电磁线圈并联以加大电磁驱动力。线圈骨架固定底板使用肋板结构，加快线圈散热。采用滑轨滑块结构，使仿生肌肉伸缩过程线性位移得以保证，运动过程更加平稳，方向性更好。
Description
所属技术领域
本实用新型属于机械工程与自动化及机器人领域，具体涉及一种基于电磁力驱动的仿生机械手臂装置。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，对机器人手臂的收缩和伸展状态提出了更高的要求，而传统的电机传动机构方式不能满足越来越高的性能要求，由此，仿生肌肉和关节的设计成为了国内外研究的热点。电磁感应现象作为二十世纪的一个重大发现，是人类科技史上的一个重要里程碑。随着电磁技术的日益发展，电磁驱动装置在机械控制及自动化领域应用广泛，在机器人领域的应用也日趋成熟。基于电磁驱动仿生肌肉的研究具有广阔的前景。
基于仿生肌肉的驱动装置国内外都开展了广泛的研究，采用了多种多样的材料和技术，研究出了多种形式的肌肉仿生驱动装置，并取得了一些成绩。仿生肌肉驱动装置的种类根据其驱动原理可以分为两大类：材料变形驱动和机械驱动。材料变形驱动包括形状记忆合金、压电材料、智能高分子材料和电致伸缩聚合物等，通过特殊材料的变形来实现仿生肌肉的伸缩。机械驱动包括电机驱动、液压驱动、气压驱动和电磁驱动。材料变形驱动的缺点就是承载能力低响应速度慢，同样，机械驱动也存在不足。电机驱动结构尺寸大，灵活性差；气压驱动难于准确控制速度和位置、出力小、有噪声；液压驱动需液压设备，漏油和油温都会影响到驱动特性，稳定性差等。一个好的仿生肌肉驱动器应该具有优秀的驱动特性，结构简单，强度好，噪声低，能量密度大，柔顺性好，在应变和位移上应有较大优势，电磁驱动在这些方面的优势很突出。
专利201020553748.1中提及了一种基于电磁驱动的仿生肌肉结构，最后也组成了仿生机械手臂。虽然该专利有效的减轻了刚性碰撞与冲击，但所设计的仿生肌肉结构复杂，摩擦阻力较大，零部件较多，尺寸较大，必然导致整个结构的质量较大，提举力较小，且手臂伸缩的位移较小，线性位移难以保证，且无法仿真手臂关节的大角度旋转。
实用新型内容
本实用新型提出了一种基于电磁驱动的仿生机械手臂，该机械手臂不仅包含了仿生肌肉还包含了关节，是一个完整的仿生机械手臂，其特点在于机械结构简单，质量轻，摩擦阻力小，提举力大，手臂的伸缩位移大，关节转角大，线性位移得到保证，可以在一定程度上实现机械手臂的连续***。
为了实现上述目标，本实用新型的技术方案如下：
一种电磁驱动仿生机械手臂，其特征在于，所述的仿生机械手臂主要由上臂仿生肌肉和下臂组成；
仿生肌肉由至少三个仿生肌小节连接而成，每个仿生肌小节包括一个电磁线圈模块和一个永磁体模块，所述的电磁线圈模块包括：一对A线圈骨架3和一对B线圈骨架9两两对齐地固定在加肋底板6的四个角上，两对A线圈4和B线圈8缠绕在线圈骨架上，每个线圈骨架内孔的外侧一端装有弹性元件，一个透明的外壳13安装在加肋底板6上；所述的永磁体模块包括：两根平行的中心连接轴1穿过线圈骨架的内孔，一对永磁体7通过螺栓连接固定在中心连接轴上并位于两个线圈骨架之间；各个仿生肌小节通过各自的中心连接轴连接成仿生肌肉，后一个仿生肌小节的中心连接轴的前端通过螺栓连接在前一个仿生肌小节的中心连接轴的后端上，每个仿生肌小节的加肋底板上都设置有安装在导轨上的滑块5；
机械手臂的下臂18为一个两端为圆柱状的方轴，仿生肌肉的顶端和导轨的顶端固接在顶板14上，仿生肌肉的底端的中心连接轴与连接件15相连接，连接件15底部安装有齿条16，两齿轮19以转动副的形式安装在轴17上，齿轮齿条相互啮合，下臂18固定连接在两齿轮19的外侧，下臂18与轴17以转动副相连接。
生物上组成肌肉的最小单元是肌小节，肌小节再通过串并联组成肌肉。根据仿生原理，我们将仿生肌肉的设计细化到仿生肌小节的设计，再将仿生肌小节通过串并联组成仿生肌肉，将仿生肌肉连接到骨架上，骨架之间通过关节联接，最终将仿生肌肉的直线伸缩运动转化为手臂关节的旋转运动，实现仿生机械手臂的***。
根据电磁驱动的原理，对于基本单元仿生肌小节的结构设计主要包括两个模块：电磁线圈模块和永磁体模块，通过改变电磁线圈中的电流大小，实现两模块之间电磁力的变化，最终驱动两模块相对运动。电磁线圈模块主要由四个电磁线圈及线圈骨架，四个弹性元件，一个底板(滑板)和一个透明外壳组成。四个线圈骨架分别固定在矩形底板的四个角上，两两对齐，线圈事先绕好在线圈骨架上，在四个线圈骨架内孔的外侧一端都装有弹性元件，以减轻永磁体模块对电磁线圈模块相对运动时的刚性冲击。透明外壳最终安装在底板上。
永磁体模块主要由中心连接轴和永磁体组成。永磁体通过螺栓连接固定在中心连接轴上。中心连接轴穿过电磁线圈模块上的两个线圈骨架的内孔，相对运动时永磁体的位置位于电磁线圈模块上两个线圈骨架之间，通过改变两个线圈中电流的大小和方向，实现永磁体和电磁线圈的相对运动。实现上述运动需要两个电磁线圈和一个永磁体，为了增加电磁驱动力的大小，采用两组电磁线圈(四个电磁线圈)及两个永磁体模块。这相当于两个电磁力并联在一起，从而将电磁驱动力加倍。这就组成了一个仿生肌小节单元。
对于多个仿生肌小节的连接，A仿生肌小节单元永磁体模块中心连接轴的后端通过螺栓连接B仿生肌小节单元电磁线圈模块的前端，依次，B仿生肌小节单元永磁体模块中心连接轴的前端通过螺栓连接C仿生肌小节单元电磁线圈模块的后端,照此连接方式依次连接，实现电磁驱动力的传递。
考虑到电磁力较大时通过线圈的电流较大，线圈散热量较大，对底板进行特殊结构的设计，根据传热学知识，在固定电磁线圈骨架的底板的另一面添加肋板，加大线圈的散热面积，以避免线圈因通入电流过大，温度过高而烧坏线圈。
将仿生肌小节单元进行串联连接之后组成一块仿生肌肉，在所有底板下面安装有滑块，再将滑块都安装在导轨上，所有的仿生肌小节单元都能在导轨上实现自由滑动，这保证了仿生肌小节在伸缩过程中的线性位移，电磁驱动力传递的方向更加精确。
仿生肌肉的顶端和导轨的顶端都固接在一个顶板上，这样固定了仿生肌肉的一端，另一端与两齿条连接在一起，仿生肌肉的上下伸缩运动可以带动齿条上下直线运动。在导轨的下端固接一方轴，方轴两端是圆柱状，两齿轮以转动副的形式安装在方轴的两端，齿轮齿条相互啮合，齿条的直线运动转化为齿轮的转动，再将机械手臂的下臂固接在两齿轮上，齿轮的转动带动下臂运动。
本实用新型的特点在于：
1、采用两组电磁线圈并联，很大程度上增大了电磁驱动力，从而增大了机械手臂的提举力；
2、采用滑块导轨对仿生肌肉的伸缩方向进行引导，使仿生肌肉的线性位移得到保证；
3、采用齿轮齿条啮合传动对手臂关节进行结构设计，使手臂转动更加平稳连续，很大程度上增大了手臂的转角。
4、采用加肋板的底板和半封闭的外壳使仿生肌肉电磁线圈的散热效果得以改善，提高了电磁线圈的使用寿命。
附图说明
图1为本实用新型仿生肌小节的剖视图
其中，1：中心连接轴；2；A弹性元件；3；A线圈骨架；4：A电磁线圈；5：滑块；6：加肋底板；7：永磁体；8：B电磁线圈；9：B线圈骨架；10：B弹性元，13：外壳。
图2为本实用新型仿生肌小节结构示意图；
其中，1：中心连接轴；6：加肋底板；9：B线圈骨架；13：外壳。
图3为本实用新型三个仿生肌小节串联的示意图；
图4为本实用新型三个仿生肌小节串联的剖视图；
图5为本实用新型电磁驱动仿生机械手臂的结构示意图
其中，14：顶板；15连接件；16齿条；17轴；18下臂；19齿轮；20滑轨。
具体实施方式
如图1、图2所示，展示了本实用新型机械手臂仿生肌肉的基本单元，即仿生肌小节，它主要由电磁线圈模块和永磁体模块组成，其中A电磁线圈4缠绕在A线圈骨架3上，B电磁线圈8缠绕在B线圈骨架9上，它们分别固定在加肋底板6的两端，A弹性元件2安装在A线圈骨架3的右端，B弹性元件10安装在B线圈骨架9的左端，滑块5安装在加肋底板6的底端。永磁体模块两根平行的中心连接轴1穿过线圈骨架的内孔，一对永磁体7通过螺栓连接固定在中心连接轴上并位于两个线圈骨架之间；前一个仿生肌小节的中心连接轴1通过螺栓连接在后面一个仿生肌小节B线圈骨架上，如图3所示。中心连接轴、加肋底板、滑块以及线圈骨架都采用抗磁材料。弹性元件用于减轻永磁体运动过程中的冲击。
在控制方面，以一个仿生肌小节为例，当A电磁线圈4通入的电流产生的磁场方向与永磁体7的磁场方向相同时，此时永磁体7将向右运动到A电磁线圈4的右端，A弹性元件2与永磁体7接触，用于缓冲。在A电磁线圈4通电的同时可以将B电磁线圈8通入相反方向的电流，此时B电磁线圈8产生的磁场方向与永磁体7的磁场方向相反，将增加永磁体7向右运动的推动力，使永磁体7具有更快的响应速度，同时产生更大的电磁驱动力。永磁体7向右运动将带动中心连接轴1向右运动，使得整个永磁体模块向右运动，向左运动也是类似的控制方式，因为该永磁体模块与后面一个仿生肌小节的电磁线圈模块相连接，如图3图4所示，从而带动后面一个仿生肌小节的电磁线圈模块运动，依次类推，整个仿生肌肉实现自由伸缩运动。为了进一步加大电磁驱动力，在加肋底板上安装了两组(四个)电磁线圈模块和两组永磁体模块相配合。
如图5所示，三个仿生肌小节单元相互串联安装在滑轨20上，最上面一节仿生肌小节的中心连接轴固定在顶板14上，最下面一节仿生肌小节尾部的中心连接轴与连接件15相连接，连接件15底部安装有齿条16。滑轨顶端安装在固定板14上，底端安装在轴17上，轴17的两端装有两个齿轮19，两齿轮19与轴17是以转动副相连接，在两齿轮19的外侧装有下臂18，下臂18与轴17以转动副相连接，与齿轮19固接，齿轮19转动将带动下臂同步转动。
每个仿生肌小节的伸缩距离为40mm，三个仿生肌小节的伸缩总距离为120mm，则齿条的有效行程为120mm，齿轮与齿条啮合传动，为使下臂的转动范围为0°～180°，则齿轮分度圆的直径为76.4mm。
因为设计的是四个仿生肌小节单元，每个单元伸缩一次就可以改变下臂旋转后停留的位置。理论上，下臂可以在四个位置进行停留：180°，120°，60°，0°。所示角度即下臂与上臂之间夹角。
Claims (1)
1.一种电磁驱动仿生机械手臂，其特征在于，所述的仿生机械手臂主要由上臂仿生肌肉和下臂组成；
仿生肌肉由至少三个仿生肌小节连接而成，每个仿生肌小节包括一个电磁线圈模块和一个永磁体模块，所述的电磁线圈模块包括：一对A线圈骨架(3)和一对B线圈骨架(9)两两对齐地固定在加肋底板(6)的四个角上，两对A线圈(4)和B线圈(8)缠绕在线圈骨架上，每个线圈骨架内孔的外侧一端装有弹性元件，一个透明的外壳(13)安装在加肋底板(6)上；所述的永磁体模块包括：两根平行的中心连接轴(1)穿过线圈骨架的内孔，一对永磁体(7)通过螺栓连接固定在中心连接轴上并位于两个线圈骨架之间；每个仿生肌小节通过各自的中心连接轴连接成仿生肌肉，后一个仿生肌小节的中心连接轴的前端通过螺栓连接在前一个仿生肌小节的中心连接轴的后端上，每个仿生肌小节的加肋底板上都设置有安装在导轨上的滑块(5)；
机械手臂的下臂(18)为一个两端为圆柱状的方轴，仿生肌肉的顶端和导轨的顶端固接在顶板(14)上，仿生肌肉的底端的中心连接轴与连接件(15)相连接，连接件(15)底部安装有齿条(16)，两齿轮(19)以转动副的形式安装在轴(17)上，齿轮齿条相互啮合，下臂(18)固定连接在两齿轮(19)的外侧，下臂(18)与轴(17)以转动副相连接。
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