CN107717975A - 电磁仿生肌纤维以及电磁仿生肌群 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电磁仿生肌纤维以及电磁仿生肌群，电磁仿生肌纤维包括：串联的多个磁性肌小节，磁性肌小节之间通过至少一弹性连接件弹性连接在一起，每个磁性肌小节包括一磁铁本体以及缠绕磁铁本体形成磁场的导线；至少一绝缘套管，套接串联的多个磁性肌小节；一肌纤维控制单元，与缠绕每个磁性肌小节的导线电连接；以及至少一仿生肌腱，仿生肌腱的第一端与串联的多个磁性肌小节连接。本发明能够模仿人体肌纤维和肌群的原理实现运动控制，结构简单、原料价格低廉，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及仿生结构领域，更具体地，涉及一种电磁仿生肌纤维以及电磁仿生肌群。
背景技术
人造肌肉的研究开始于20世纪40年代，但真正取得进展则是最近10余年的事，这是由于近年来特殊聚合体材料和智能材料的诞生，为人造肌肉的研究提供了新的发展契机，那些新材料往往具有一些不同凡响的本领，一些材料可以根据电流变化呈现出各种复杂的状态，例如，弯曲、延伸、扭动和收缩等，并且它们的行为非常接近真正的肌肉纤维。开发人造肌肉不仅对医学具有重大意义，而且对机器人技术的发展也至关重要。
目前的机器人或机械手臂受到能量限制，现有机器人主要以电动机为动力来源，由于电动机对于体积、算法的要求较高，并且价格昂贵。即便是开发中的其他仿生肌纤维例如：气泵或是仿生化学电动控制等一样具有结构复杂的缺点，不宜推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供电磁仿生肌纤维以及电磁仿生肌群，克服了当前机器人主要以电动机为动力来源的缺点，能够模仿人体肌纤维和肌群的原理实现运动控制，结构简单、原料价格低廉，易于推广。
根据本发明的一个方面，提供一种电磁仿生肌纤维，包括：
串联的多个磁性肌小节，所述磁性肌小节之间通过至少一弹性连接件弹性连接在一起，每个所述磁性肌小节包括一磁铁本体以及缠绕所述磁铁本体形成磁场的导线；
至少一绝缘套管，套接所述串联的所述多个磁性肌小节；
一肌纤维控制单元，与缠绕每个所述磁性肌小节的导线电连接；以及
至少一仿生肌腱，所述仿生肌腱的第一端与串联的所述多个磁性肌小节连接。
优选地，所述磁性肌小节包括一柱状的磁铁本体，所述磁铁本体具有一第一连接端和一第二连接端，所述导线缠绕于所述磁铁本体的外表面，所述第一连接端与一弹性连接件连接，所述第二连接端与另一弹性连接件连接。
优选地，所述磁铁本体之间受所述磁场影响而磁性相吸，所述多个磁性肌小节共同收缩。
优选地，所述第一连接端和所述第二连接端分别设有一环形内缩肩台，所述弹性连接件分别卡接在所述环形内缩肩台，弹性连接件是弹簧。
优选地，还包括一传感器，设置于所述仿生肌腱，所述传感器电连接所述肌纤维控制单元。
优选地，还包括一传输终端，连接所述仿生肌腱的第二端，所述传输终端设有一传感器，所述传感器电连接所述肌纤维控制单元。
优选地，还包括一电流控制器，所述电流控制器串联在所述肌纤维控制单元与所述导线之间，所述控制器控制所述导线的电流大小以调节所述磁场的强弱。
优选地，相邻的所述磁性肌小节的外表面上，所述导线的绕组方向相同或者绕组方向相反。
优选地，相邻的至少两个所述磁性肌小节的外表面上，被同一根所述导线绕组在一起。
根据本发明的另一个方面，还提供一种电磁仿生肌群，包括：至少两个如上述的电磁仿生肌纤维以及一肌群控制单元，所述电磁仿生肌纤维中的肌纤维控制单元分别连接所述肌群控制单元。
由于使用了以上技术，本发明的电磁仿生肌纤维以及电磁仿生肌群能够模仿人体肌纤维和肌群的原理实现运动控制，结构简单、原料价格低廉，易于推广。
附图说明
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。
图1为本发明的电磁仿生肌纤维的电路图；
图2为本发明的电磁仿生肌纤维的剖面示意图；
图3为本发明的电磁仿生肌纤维中单个肌小节的示意图；
图4为本发明的电磁仿生肌纤维中相邻肌小节相互吸引的示意图；以及
图5为本发明的电磁仿生肌群的连接框图。
附图标记
1 第一连接端
2 磁铁
3 第二连接端
4 导线
5 弹性连接件
6 绝缘套管
10 磁性肌小节
20 电流控制器
30 肌纤维控制单元
40 传感器
50 仿生肌腱
60 传输终端
70 肌群控制单元
100 电磁仿生肌纤维
200 电磁仿生肌群
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
图1为本发明的电磁仿生肌纤维的电路图。图2为本发明的电磁仿生肌纤维的剖面示意图。如图1和2所示，本发明的电磁仿生肌纤维100，包括：串联的多个磁性肌小节10、一绝缘套管6、一电流控制器20、一肌纤维控制单元30、一仿生肌腱50、一传输终端60以及传感器40。串联的多个磁性肌小节10中每个磁性肌小节10之间通过一弹性连接件5弹性连接在一起，每个磁性肌小节10包括一磁铁本体2以及缠绕磁铁本体2形成磁场的导线4。本发明中，导线4优选为铜线，但不以此为限。导线4的电流可以是脉冲电流，但不以此为限。绝缘套管6套接串联的多个磁性肌小节10。绝缘套管6可以是橡胶套管，但不以此为限。电流控制器20串联在肌纤维控制单元30与导线4之间，控制器20控制导线4的电流大小以调节磁场的强弱。肌纤维控制单元30与缠绕每个磁性肌小节10的导线4电连接。仿生肌腱50的第一端与串联的多个磁性肌小节10连接。传输终端60连接仿生肌腱50的第二端。
图3为本发明的电磁仿生肌纤维中单个肌小节的示意图。如图3所示，每个磁性肌小节10包括一柱状的磁铁本体2，磁铁本体2可以是一磁性金属或是磁石，但不以此为限。磁铁本体2具有一第一连接端1和一第二连接端3，导线4缠绕于磁铁本体2的外表面，第一连接端1与一弹性连接件5连接，第二连接端3与另一弹性连接件5连接。第一连接端1和第二连接端3分别设有一环形内缩肩台，弹性连接件5分别卡接在环形内缩肩台。本发明中的弹性连接件5可以是弹簧，但不以此为限。由于每个磁铁本体2都缠绕了导线4，所以在导线4通电以后，每个磁铁本体2都会产生磁场。通过右手螺旋定则可知，基于图3中的磁铁本体2的外表面的绕线方式，该磁铁本体2的第一连接端1会被形成为“S极”，该磁铁本体2的第二连接端3会被形成为“N极”。该磁铁本体2的磁场强弱会受到导线4中电流大小的影响，电流越大，则磁场越强；电流越小，则磁场越若。
图4为本发明的电磁仿生肌纤维中相邻肌小节相互吸引的示意图。如图3和4所示，绝缘套管6上设有一些通孔，可以用于将导线4引出绝缘套管6。本实施例中，相邻的磁性肌小节10的外表面上，导线4的绕组方向相同，但不以此为限。所以图4中的两个磁性肌小节10的第一连接端1都被形成为“S极”，第二连接端3都被形成为“N极”。使得其中图纸中上部磁性肌小节10的第一连接端1(“S极”)与会相邻的图纸中下部另一个磁性肌小节10的第二连接端3(“N极”)磁性相吸。图纸中上部磁性肌小节10的第一连接端1(“S极”)收到磁场产生的拉力F1，向下移动；而图纸中下部另一个磁性肌小节10的第二连接端3(“N极”)收到磁场产生的拉力F2，向上移动，使得两者克服弹性连接件5的弹力而相互靠近、并且吸引在一起。同理，多个磁铁本体2之间可以形成“S极”与“N极”两两相对的情况，磁铁本体2之间受磁场影响而磁性相吸，多个磁性肌小节10共同收缩，来形成一个亚功能单元。
在一个优选例中，可以通过相邻的两个磁性肌小节10的外表面上，被同一根导线4绕组在一起的形式，以此来简化线路，当然，也可以扩展到将相邻的三个或是五个磁性肌小节10被同一根导线4绕组在一起，不以此为限。
在一个变化例中，根据对磁性肌小节10相互之间的作用的不同要求，相邻的磁性肌小节10的外表面上，绕组方向也可以相反，不以此为限。
传输终端60设有一传感器40，传感器40电连接肌纤维控制单元30。仿生肌腱50上设置一传感器40，且该传感器40电连接肌纤维控制单元30。本发明中的传感器40可以是温度传感器、湿度传感器、拉力传感器、位置传感器等中的一种，但不以此为限。传感器40可以将仿生肌腱50或是传输终端60的状态信息传输到肌纤维控制单元30，以便肌纤维控制单元30通过控制器20来进一步控制导线4的电流大小以调节磁场的强弱。
图5为本发明的电磁仿生肌群的连接框图。如图5所示，本发明的电磁仿生肌群200，包括：至少两个如上述电磁仿生肌纤维100以及一肌群控制单元70，电磁仿生肌纤维100中的肌纤维控制单元30分别连接肌群控制单元70。每个电磁仿生肌纤维100的结构特征和工作原理如前所述，此处不再赘述。肌群控制单元70可以分别调整每个电磁仿生肌纤维100中肌纤维控制单元30的工作状态，从而控制相关的导线4的电流大小和频度等等。通过将电磁仿生肌纤维100带动不同传输终端，或是传输终端的不同位置，可以实现通过电磁仿生肌群进行复杂运动的控制。本发明中的电磁仿生肌群可以被用于取代机器人的电动机、控制假肢、外骨骼、康复训练仪等等，不以此为限。
本发明的电磁仿生肌纤维以及电磁仿生肌群可以应用于机器人产业，可在一定程度上改变当前机器人的产业布局。本发明也可以应用于医学，例如：残疾人义肢、肌无力者的助力设备、中风或是骨科患者的辅助设备等。本发明还可以应用于军事，由于本发明采用脉冲电流，在控制上耗能低，有利于制造长距离微小功力装置，如仿生鱼、作为潜艇的附属装备等等。
综上可知，本发明的电磁仿生肌纤维以及电磁仿生肌群能够模仿人体肌纤维和肌群的原理实现运动控制，结构简单、原料价格低廉，易于推广。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种电磁仿生肌纤维，其特征在于，包括：
串联的多个磁性肌小节(10)，所述磁性肌小节(10)之间通过至少一弹性连接件(5)弹性连接在一起，每个所述磁性肌小节(10)包括一磁铁本体(2)以及缠绕所述磁铁本体(2)形成磁场的导线(4)；
至少一绝缘套管(6)，套接所述串联的所述多个磁性肌小节(10)；
一肌纤维控制单元(30)，与缠绕每个所述磁性肌小节(10)的导线(4)电连接；以及
至少一仿生肌腱(50)，所述仿生肌腱(50)的第一端与串联的所述多个磁性肌小节(10)连接。
2.如权利要求1所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：所述磁性肌小节(10)包括一柱状的磁铁本体(2)，所述磁铁本体(2)具有一第一连接端(1)和一第二连接端(3)，所述导线(4)缠绕于所述磁铁本体(2)的外表面，所述第一连接端(1)与一弹性连接件(5)连接，所述第二连接端(3)与另一弹性连接件(5)连接。
3.如权利要求2所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：所述磁铁本体(2)之间受所述磁场影响而磁性相吸，所述多个磁性肌小节(10)共同收缩。
4.如权利要求2所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：所述第一连接端(1)和所述第二连接端(3)分别设有一环形内缩肩台，所述弹性连接件(5)分别卡接在所述环形内缩肩台，弹性连接件(5)是弹簧。
5.如权利要求1所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：还包括一传感器(40)，设置于所述仿生肌腱(50)，所述传感器(40)电连接所述肌纤维控制单元(30)。
6.如权利要求1所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：还包括一传输终端(60)，连接所述仿生肌腱(50)的第二端，所述传输终端(60)设有一传感器(40)，所述传感器(40)电连接所述肌纤维控制单元(30)。
7.如权利要求1所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：还包括一电流控制器(20)，所述电流控制器(20)串联在所述肌纤维控制单元(30)与所述导线(4)之间，所述控制器(20)控制所述导线(4)的电流大小以调节所述磁场的强弱。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：相邻的所述磁性肌小节(10)的外表面上，所述导线(4)的绕组方向相同或者绕组方向相反。
9.如权利要求1至7中任意一项所述的电磁仿生肌纤维，其特征在于：相邻的至少两个所述磁性肌小节(10)的外表面上，被同一根所述导线(4)绕组在一起。
10.一种电磁仿生肌群，其特征在于，包括：至少两个如权利要求1至9中任意一项所述的电磁仿生肌纤维(100)以及一肌群控制单元(70)，所述电磁仿生肌纤维(100)中的肌纤维控制单元(30)分别连接所述肌群控制单元(70)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180223 |