CN1054497A - 可塑柔性磁体电磁模拟肌肉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于机械肢体关节动作所需动 力的可塑柔性磁体电磁模拟肌肉。它将以往电磁铁 固体磁体从动改为可塑柔性磁体从动。在电磁场作 用下，由可塑柔性磁体的收缩变形产生的牵引力来改 变机械肢体的状态。该电磁模拟肌肉牵引力的大小 和变形状态，取决于取用电源电功率的大小。该电磁 模拟肌肉可根据所需牵引力的大小和机械肢体的体 积要求制作成不同的大小外形尺寸。一个机械关节 的动作，可以由一个或若干个本发明提供的可塑柔性 磁体电磁模拟肌肉组合来提供牵引动力、在计算机 控制下，实现机械肢体简洁、柔和、精细、轻巧、准确的 拟人动作。

Description

本发明属于为机械关节曲折动作提供牵引力的一种电磁牵引装置。它适用于机械人机械肢体关节动作的动力源，使机械关节可通过计算机实现自动精密的受控运动。
在此之前的机械关节的运动，是由机械的齿型传动，杠杆传动，液压传动，气压传动或电机、步进电机驱动方式来实现的。它们普遍存在的问题是传动方式复杂、体积庞大、动作粗糙、笨拙、生硬，无法实现简洁柔和、精细轻巧的拟人动作。
本发明的目的是提供一种可塑柔性磁体电磁牵引装置，外型模拟人体肌肉的外观，在提供电源电压后，本装置将像人体肌肉一样呈收缩状态而产生收缩牵引力。这个牵引力的大小，随所加电压的大小而变化。
本发明提供的这种装置，可根据机械肢体的整体尺寸要求和所需牵引力的大小来确定它的结构尺寸。一个机械关节可由一个或若干个本发明提供的装置组合后实现复杂的动作，并可由计算机控制实现机械肢体的拟人动作。
根据本装置的外观、功能和作用，本发明提供的这种装置全称为可塑柔性磁体电磁模拟肌肉。
下面，结合说明书附图详细说明。
附图一为模拟肌肉释放状态，在外力作用下舒展开。它由铁芯（1）、极帽（2）、线圈（3）、磁隙套（4）、可塑柔性磁体（5）、弹性外套（6）由内向外依次组装而成。其中，铁芯（1）、极帽（2）由坡莫合金制作;线圈（3）由高强漆包线绕制;磁隙套（4）由尼龙或聚四氟乙稀制成。这四个部件共同组成两端呈球状端的圆柱体。两个球状端顶部各留有用来固定两个可塑柔性磁体（5）的固定端（7）。这个铁芯总成是模拟肌肉的电磁动力源。
可塑柔性磁体（5）是本发明的核心。它由厚度约为0.01-0.05毫米的高强低弹性聚脂膜制成袋囊，内部充填含有百分之六十至百分之八十坡莫合金铁粉的硅油混合液组装而成。袋囊为呈水滴状成型袋，大头的中心端固定在铁芯总成球形端中心的固定点（7）上。每个模拟肌肉有两个可塑柔性磁体分置铁芯总成的两端。两个可塑柔性磁体（5）的小头端分别和弹性外套（6）的两端固结，并一同分别固定在受控机械关节的两个活动杆的受力点上，对机械关节提供动作的动力。
硅油混合液中，硅油用来降低铁粉的摩擦系数，同时使袋囊保持饱满的外形。
铁粉为250目以上的坡莫合金粉。在铁芯线圈（3）通电时铁芯总成产生的电磁场作用下，向铁芯总成靠拢，从而对两端产生牵引力。
弹性外套（6）使模拟肌肉获得平滑的外形，同时使模拟肌肉与外部机械保持稳定的状态，当模拟肌肉不加电时，提供恢复舒展状态的部分外力。
加电后的状态参见说明书附图二。
随着外加电压的增加，可塑柔性磁体（5）内的铁粉在铁芯总成产生的电磁场作用下，由两端向铁芯球面端靠拢，从而牵动聚脂膜袋囊也向铁芯靠拢和产生翻转变形，因而牵引机械关节臂作弯曲动作。铁芯总成获取的电功率越高，铁粉被吸附的越多，直至带动袋囊向铁芯腰部爬行。袋囊在铁芯和铁粉间吸附力的作用下，翻转变形并贴附在铁芯总成的表面，随着铁芯吸附铁粉量的增加，袋囊不断变形，被铁粉带动向铁芯总成的腰部磁隙处靠拢。
当两端的可塑柔性磁体（5）在到达铁芯总成腰部的磁隙区后，内部的铁粉在磁场的作用下产生相互吸引的作用力，进一步加大牵引力，更有力地牵动机械关节的运动，直到两端的两个可塑柔性磁体在铁芯总成的腰部磁隙处合拢形成闭合磁路。模拟肌肉的收缩达到极限，它的中腰部隆起，受控的机械关节弯曲也达到极限。
当外加电压减弱或消失时，电磁作用力也随之减弱或消失，机械关节在其它外力（反方向弹性力或反方向牵引的另一组可塑柔性磁体电磁模拟肌肉）作用下逐渐伸直，直到恢复原始状态。
铁芯，极帽和铁粉采用坡莫合金制作，以求获得最低的矫顽力和磁滞损耗，从而获得较强的电磁作用力。又由于坡莫合金有很窄的磁滞回线，容易获得较大范围的线性功率控制区，使模拟肌肉的牵引力有一段较宽裕的随电功率线性变化的区域，便于控制机械肢体作柔合准确的动作。
两端极帽（2）的导磁截面积各为铁芯导磁截面积的一半，为可塑磁性体提供足够的磁场强度。
聚脂膜袋囊的大头球部表面积要大于极帽（2）的球部表面积，以保证袋囊在翻转变形时，为铁粉向铁芯总成的腰部爬行时提供足够的空间，使两端的可塑柔性磁体（5）可以在铁芯总成的腰部闭合。
模拟肌肉牵引力的大小，由铁芯总成提供的电磁吸力所决定。这个电磁吸力的大小暂时由直流电磁铁有极帽、短行程电磁吸力方程估算。方程式如下：
Fc = (BO 2SZC1 2C2 2)/(2μo) (N)
式中：
Bo-等效气隙端面处的磁感应强废（T）
Sz-等效气隙端面面积（M2）
C1-等效气隙端面直径与极帽直径之比，取1.0-1.6
C2-极帽直径与铁芯直径之比，取1.6-2.0
μo-空气导磁率，其值为0.000001256637（H/M）
由于可塑柔性磁体电磁模拟肌肉的各部分工作方式和磁场分布状况与普通的直流电磁铁有很大的区别，因此，计算参数和计算结果仅能作近似参考值。
模拟肌肉的总体结构尺寸，取决于对它要求的牵引力大小和机械肢体关节的总体尺寸要求。
由于本发明所提供的可塑柔性磁体电磁模拟肌肉，将以往电磁铁固体磁体从动改为可塑柔性磁体从动，因而获得了外形与人体肌肉相似、体积小而相对收缩尺寸大、收缩牵引柔和、动作位移细腻平滑、外形使组装简单、组装适应性强、相对普通电磁铁，它的牵引力大、线性控制范围大、运行时没有噪声以及功耗低，容易实现计算机控制等诸多优点。
本发明可为机械人肢体和机械手提供优良的动力源。

Claims (6)

1、由高强度低弹性聚脂膜制成的袋囊，内部充填含有百分之六十至百分之八十坡莫合金铁粉的硅油混合液的可塑柔性磁体(5)。
2、由铁芯（1）、极帽（2）、线圈（3）、磁隙套（4）、和两个按权利要求1组装成的可塑柔性磁体（5）、及弹性外套（6）按顺序由内向外组装而成的可塑柔性磁体电磁模拟肌肉。
3、按权利要求2组成的装置中，由铁芯（1）、极帽（2）、线圈（3）、磁隙套（4）组成的铁芯总成，两端呈球面状，在两个极帽（2）球顶中心，分别留有固定可塑柔性磁体的固定端（7）。线圈（3）导线由磁隙套中部引出。
4、按权利要求3组成的装置，两个按权利要求1组成的可塑柔性磁体的大球面端中心分别固定在铁芯总成的两个极帽球顶中心固定点上，它们的另一端，分别和弹性外套（6）的两端固结。
5、按权利要求2、3、4规定组成的装置，由弹性外套（6）全部包容在内，形成一个外形与人体肌肉相似的完整体。弹性外套（6）的两端分别固结内部两个可塑柔性磁体的外端。使用时，这两端分别固定在一个机械关节的两个活动杆的相应固定位。
6、按权利要求2、3、4、5组成的装置，其特点是，对外界产生的收缩牵引力，是由两个可塑柔性磁体（5）在铁芯总成提供的电磁场的作用下，因收缩变形而获得的。这个牵引力的大小，取决于铁芯线圈向电源获取的电功率和铁芯总成所产生的电磁力的大小。
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