CN107160432A - 电磁带动的机械轴杆关节弯曲自由度实现结构 - Google Patents

Abstract

一种电磁带动的机械轴杆关节弯曲自由度实现结构。本发明属于自动化、人工智能、机械义肢、玩具等领域的相关技术。解决现有结构动力不足、动作僵硬不够灵活、响应时间长的技术问题，利用螺旋线圈电磁固有的磁场特性，设计复式电磁模拟生物肌肉，特殊的轴杆结构模拟生物骨骼、关节。整体反应迅速灵敏，动力强劲，可用于制造人工智能、高仿生义肢、仿生玩具等。

Description

电磁带动的机械轴杆关节弯曲自由度实现结构

技术领域

本专利所属技术领域为自动化、人工智能、机械义肢、玩具类。

背景技术

现有方法或装置的缺陷：

1. 现有机器人、仿生设备关节驱动一般靠关节处单独的动力装置，使得动力臂小于阻力臂，属于不省力杠杆。2.受限于关节处有限的空间，现有结构所能安装的驱动装置形体上有上限，动力提升空间不大。3.现有机械马达式驱动装置零件繁复，不易维护，动作僵硬不灵活4. 现有结构多自由度的实现需要复杂的驱动、方向控制零件组合。5. 现有结构动作操控精度有限。6. 结构整体复杂，不方便做附加功能扩展。7. 液压式驱动响应时间过长。8整体实用性不高。

发明内容

一般来说，仿生结构的骨骼与关节的动作原理可以简化为轴（2）、连杆（1）结构的动作，其单一自由度的实现动力来源于与本组骨骼关节对应的伸、屈两组肌肉。本专利发明异于已有同类发明动力装置安装在关节内部的思路，将轴杆关节与动力模块分离，通过定滑轮（8）构成的动力导向/着力位置控制装置（3）调整作用于轴、杆（关节、骨骼）的力的位置和方向，尽可能地放大动力力臂。利用螺旋线圈电磁固有的磁场特性，以外部螺旋线圈电磁体（6）和嵌入其内的内部螺旋线圈电磁体（7）组成电磁驱动装置（4），外部磁体位置相对固定，两个磁体磁场作用时，内部磁体可以在外部磁体内做伸缩往复运动，通过带动模拟生物肌腱的绳牵组件（5）以模拟生物肌肉的舒展、收紧状态。与生物肢体相同，同一组骨骼（连杆）、关节（轴）可以设置相互对应的伸、屈两组电磁驱动装置（4）（肌肉），通过调整外部接入的电流大小调节伸、屈两组动力之间的动力差，则可以控制骨骼(连杆)的动作幅度，达到模拟生物肢体的工作效果，具有以下优势：

1. 各个关节处力臂力矩最大化，动力效率高。2. 作为结构主体的关节（轴）和骨骼（连杆）与动力模块在位置上分离，复式螺旋线圈电磁体可以通过增加匝数及改变供电条件等大幅度提升动力。3. 单纯电力驱动，动力传输装置简单，动力输出和作用都是线性的，机械响应速度非常快，动力损失低。4. 结构清晰简单，降低故障率，提升维护性，且易于生产加工。5. 利用结构主体与动力主体位置分立的优点，使结构可以做多自由度的复杂的动作组合。6. 结构的动作可以精确控制，精度提升空间大。7. 机械结构和动力结构仿生，更接近生物肢体活动原理，方便生物肢体与此类机械肢体的结合、配合。8. 可以简化现有的自动结构及相关人工智能结构在其控制软件上的复杂程度。9. 结构上的空余位置充裕，方便结构整体做后续功能扩展。10. 可以和现有的其他自动结构技术上无缝结合。10.结构整体结实稳固，可以应对相对高强度的实用工作。

附图说明：

图1是基础骨骼零件图：以连杆（1）模拟生物骨骼，前端设计为滑车面，尾端为关节面（滑车切迹）。骨骼前端滑车侧安装定滑轮(8)，用以固定力的作用点和改变动力的传输方向，如果把骨骼尾端关节面作为结构支点，则此设计动力臂相当于受力定滑轮到支点轴（2）的长度。此结构左右对称。不同的肢体部位结构相同，长度大小可做调整。

图2是关节细节图：骨骼【连杆（1）】与骨骼之间通过轴（2）接方式连接，骨骼滑车对应另一骨骼的滑车切迹。两支连杆（1）通过过刚性的绳牵组件（5）做动力传导。此处的绳牵组件（5）相当于生物肌腱。当屈肌肌肉【电磁驱动装置（4）】作用时，屈肌肌腱【绳牵组件（5）】收紧，带动骨骼【连杆（1）】基于另一骨骼做最大大于九十度的折叠；伸肌肌肉【电磁驱动装置（4）】作用时，伸肌肌腱绳牵组件（5）】收紧，带动骨骼【连杆（1）】复位，完全收紧时各个骨骼【连杆（1）】端点基本处于同一直线，模仿人类手指完全伸展的状态。由于动力的作用点均在指骨顶端，所以伸与屈的作用过程均是省力杠杆的作用过程。

图3是复式电磁驱动装置（4）图：此结构由内部螺旋线圈电磁体（7）外部螺旋线圈电磁体（6）两个螺旋线圈式电磁铁组成，线圈缠绕方向一致，电流方向一致。当通电时，磁体内外均会产生磁场。外部磁体中空，内部磁体直径小于外部磁体的内径（最理想的状态是外部磁体的内部磁场与内部磁体的外部磁场重叠）以作嵌套，磁场作用时，内部螺旋电磁体（7）可以在外部螺旋电磁体（6）内做伸缩往复运动。

图4是复式螺旋线圈电磁体磁场方向图：如图，外部螺旋电磁体（6）内部磁场方向与内部螺旋电磁体（7）外部磁场方向相反，通电后两个磁场相互作用，使内部螺旋电磁体磁体（7）收进外部螺旋电磁体（6）内部，电流减弱时磁力下降，电流停止时磁场消失。以此带动与内部螺旋电磁体（6）连接的绳牵组件（5），使动力作用于各个骨骼【连杆（1）】与关节【轴（2）】，实现骨骼的伸屈。

图5是动力模块图：如图，复式螺旋线圈电磁体肌肉构成的伸屈两组电磁驱动装置（4）固定于肢体骨骼【连杆（1）】上，组成整个动力模块。

图6是结构整体图：电磁驱动装置（4）通过绳牵组件（5）作用于骨骼【连杆（1）】滑车面侧的由定滑轮（8）组成的动力导向/着力位置控制装置（3），使骨骼【连杆（1）】基于另一骨骼【连杆（1）】的滑车面做折叠或复位，模仿生物肢体的屈伸动作。此过程中，首先接入绳牵组件的滑轮主要控制连杆（1）的动力着力点，其次的定滑轮主要用于控制对下一节连杆（1）输出的力的起始位置。以尽量拉长动力臂。其次的定滑轮与其先的定滑轮轴心连线与连杆中心线成一定角度，以便确定两个连杆折叠角度大于九十度。整个过程都是省力杠杆的作用过程。此过程可以通过调整电流在伸屈两组复式螺旋电磁肌肉中间形成的动力差，以调整连杆（1）伸屈折叠的角度，控制整个肢体的动作幅度。未来可以通过更精细化的设计调整伸屈肌肉组各个部件的位置，并通过精准控制电流强度来控制整个结构的动作精度和反应灵敏性。

Claims (4)

1.一种电磁带动的机械轴杆关节弯曲自由度实现结构，包括关节轴（2）、连杆（1）、连杆上的动力导向/着力位置控制装置（3）、电磁驱动装置（4）以及传输动力的绳牵组件（5）。

2.权利要求1所述的电磁带动的机械轴杆关节弯曲自由度实现结构，其特征在于电磁驱动装置（4）为包括外部螺旋线圈电磁体（6）和其嵌套的内部螺旋线圈电磁体（7）的复式电磁驱动装置。

3.权利要求1所述的电磁带动的机械轴杆关节弯曲自由度实现结构，其特征在于连杆(1)上的动力导向/着力位置控制装置(3)包含两个定滑轮（8）。

4.权利要求1所述的电磁带动的机械轴杆关节弯曲自由度实现结构，其特征在于绳牵组件(5)在定滑轮(8)上的缠绕方式固定。