CN108081246B - 一种人工肌肉装置及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人工肌肉装置，包括线圈骨架，线圈骨架的内侧活动插接有永磁体，线圈骨架的外侧缠绕有第一电磁线圈，第一电磁线圈外侧设置有磁轭，第一永磁体上固定有限位器，限位器与磁轭滑动接触；磁轭表面设置有滑槽，限位器与磁轭的接触面上设置有若干个电磁阻尼器，电磁阻尼器与滑槽选择性接触；电磁阻尼器与第一电磁线圈连接至同一总电源控制器上，每个电磁阻尼器上单独设置有分电源控制器。本发明能够改进现有技术的不足，提高了使用电磁驱动的人工肌肉的运动控制精确度。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其是一种人工肌肉装置及其驱动方法。
背景技术
传统的机器人关节驱动由旋转电机和减速传动机构组成。首先，这种驱动结构复杂，而且需要内置于关节出，不易设计与安装。同时，转动关节驱动的缓冲能力基本没有，因而易损坏。再者，这种关节的自锁功能弱，需要独立的机构或精确的控制，这三点直接造成了传统关节驱动的低适用性和高成本，也成为了很多工业工程的瓶颈之一，像机器人业。
近年来，人工肌肉逐渐成为研究热点之一。目前已经研制或正在研制的人工肌肉主要分为两大类：液压和新材料类。目前世界上比较成功的案例有美国波士顿公司开发的BigDog，采用液压系统；韩国的Byung kyuKim等采用形状记忆合金研制的蚯蚓机器人；中国徐伟等研制了磁性橡胶人工肌肉等。
液压类人工肌肉的性能很可靠，但是机构非常庞杂，主要是由于液泵或气泵的存在。而新材料类的最大缺陷在于完全依赖研制困难，价格非常昂的类肌肉新材料，而这类材料往往具有某些缺陷，可能是尺寸太小或功能缺陷。由于这些因素的存在，目前这类人工肌肉难以在工业上得以应用。
中国发明专利CN105598962B公开了一种电磁驱动的仿真肌肉，利用电磁力作为驱动力，简化了人工肌肉装置的结构。但是，由于电磁力在控制方面不如传统液压系统精确，而且如果想要对电磁力进行调节，需要配合复杂的电流、磁场调节装置，成本反而升高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种人工肌肉装置及其驱动方法，能够解决现有技术的不足，提高了使用电磁驱动的人工肌肉的运动控制精确度。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种人工肌肉装置，包括线圈骨架，线圈骨架的内侧活动插接有永磁体，线圈骨架的外侧缠绕有第一电磁线圈，第一电磁线圈外侧设置有磁轭，第一永磁体上固定有限位器，限位器与磁轭滑动接触；磁轭表面设置有滑槽，限位器与磁轭的接触面上设置有若干个电磁阻尼器，电磁阻尼器与滑槽选择性接触；电磁阻尼器与第一电磁线圈连接至同一总电源控制器上，每个电磁阻尼器上单独设置有分电源控制器。
作为优选，所述电磁阻尼器包括外壳，外壳内设置有第二电磁线圈，第二电磁线圈内侧设置有液压管，液压管中部设置有电磁节流阀，液压管两端通过平衡管连通，液压管的顶部活动设置有活塞，液压管外侧设置有第二永磁体，第二永磁体的顶部固定有阻尼块，阻尼块与滑槽选择性接触，活塞与第二永磁体连接。
作为优选，所述阻尼块包括两个对称铰接在第二永磁体顶部的支撑架，支撑架的内侧设置有弧形金属弹片，弧形金属弹片的两端与支撑架固定连接，弧形金属弹片的表面固定有橡胶阻尼片，两个支撑架之间连接有第一弹簧体。
作为优选，所述橡胶阻尼片表面设置有凸棱,滑槽表面设置有与凸棱相互插接的凹槽。
作为优选，所述弧形金属弹片的边缘设置有插槽，橡胶阻尼片的边缘插接在插槽内，插槽的底面设置有固定螺栓。
作为优选，所述凸棱内设置有金属筋。
一种上述的人工肌肉装置的驱动方法，包括以下步骤：
A、总电源控制器通电，第一电磁线圈产生的磁场驱动第一永磁体产生位移；
B、通过控制分电源控制器通电的数量，改变不同电磁阻尼器与滑槽的接触状态，从而调节第一永磁体产生位移动作的速度。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过在人工肌肉的电磁驱动系统中加装多个电磁阻尼器，利用原本的供电线路，实现电磁驱动系统工作时，电磁阻尼器同步供电工作的效果，无需增加新的电路。利用每个电磁阻尼器上的分电源控制器，可以单独控制每个电磁阻尼器的开关，从而可以利用不同电磁阻尼器的配合实现不同的阻尼力释放，实现阻尼力平滑调节，提高了人工肌肉动作的精确度。电磁阻尼器的动作通过液压管进行缓冲，通过调节每个电磁阻尼器内的电磁节流阀，可以改变第二永磁体运动的速度，从而实现对于单个电磁阻尼器阻尼力释放的精确调节。阻尼块的结构可以改善其与滑槽接触时的摩擦力释放过程，进一步提高阻尼力的控制精度。凸棱内的金属筋一方面可以提高橡胶阻尼片的受力支撑性，另外在橡胶阻尼片过度磨损后，金属筋与滑槽之间摩擦会产生噪音，从而及时提醒更换橡胶阻尼片，避免更大的损失。橡胶阻尼片与弧形金属弹片通过插槽与固定螺栓固定，便于更换。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的结构图。
图2是本发明一个具体实施方式中电磁阻尼器的结构图。
图3是本发明一个具体实施方式中阻尼块的结构图。
图4是本发明一个具体实施方式中弧形金属弹片的截面图。
图5是本发明一个具体实施方式中弧形金属弹片与橡胶阻尼片固定位置的结构图。
图6是本发明一个具体实施方式中限位器的结构图。
图7是本发明一个具体实施方式中电控系统的原理图。
图中：1、线圈骨架；2、永磁体；3、第一电磁线圈；4、磁轭；5、限位器；6、滑槽；7、电磁阻尼器；8、总电源控制器；9、分电源控制器；10、外壳；11、第二电磁线圈；12、液压管；13、电磁节流阀；14、平衡管；15、活塞；16、第二永磁体；17、阻尼块；18、支撑架；19、弧形金属弹片；20、橡胶阻尼片；21、第一弹簧体；22、凸棱；23、凹槽；24、插槽；25、固定螺栓；26、金属筋；27、缓冲器；28、第三电磁线圈；29、第三永磁体；30、第二弹簧体；31、橡胶垫。
具体实施方式
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
参照图1-7，本发明一个具体实施方式包括线圈骨架1，线圈骨架1的内侧活动插接有永磁体2，线圈骨架1的外侧缠绕有第一电磁线圈3，第一电磁线圈3外侧设置有磁轭4，第一永磁体2上固定有限位器5，限位器5与磁轭4滑动接触；磁轭4表面设置有滑槽6，限位器5与磁轭4的接触面上设置有若干个电磁阻尼器7，电磁阻尼器7与滑槽6选择性接触；电磁阻尼器7与第一电磁线圈3连接至同一总电源控制器8上，每个电磁阻尼器7上单独设置有分电源控制器9。电磁阻尼器7包括外壳10，外壳10内设置有第二电磁线圈11，第二电磁线圈11内侧设置有液压管12，液压管12中部设置有电磁节流阀13，液压管12两端通过平衡管14连通，液压管12的顶部活动设置有活塞15，液压管12外侧设置有第二永磁体16，第二永磁体16的顶部固定有阻尼块17，阻尼块17与滑槽6选择性接触，活塞15与第二永磁体16连接。阻尼块17包括两个对称铰接在第二永磁体16顶部的支撑架18，支撑架18的内侧设置有弧形金属弹片19，弧形金属弹片19的两端与支撑架18固定连接，弧形金属弹片19的表面固定有橡胶阻尼片20，两个支撑架18之间连接有第一弹簧体21。橡胶阻尼片20表面设置有凸棱22,滑槽6表面设置有与凸棱22相互插接的凹槽23。弧形金属弹片19的边缘设置有插槽24，橡胶阻尼片20的边缘插接在插槽24内，插槽24的底面设置有固定螺栓25。凸棱22内设置有金属筋26。
在滑槽6的两端还设置有缓冲器27。缓冲器27内设置有第三电磁线圈28，第三电磁线圈28内设置有第三永磁体29，第三永磁体29底部通过第二弹簧体30与滑槽6连接，第三永磁体29顶部设置有橡胶垫31。第三电磁线圈28与第一电磁线圈3并联连接在总电源控制器8上。利用第三电磁线圈28产生的电磁力，可以随着总电源控制器8供电电流的大小同步改变缓冲器27的缓冲力大小，从而实现电磁力缓冲、弹簧缓冲和橡胶垫缓冲的三级缓冲机制。
一种上述的人工肌肉装置的驱动方法，包括以下步骤：
A、总电源控制器8通电，第一电磁线圈3产生的磁场驱动第一永磁体2产生位移；
B、通过控制分电源控制器9通电的数量，改变不同电磁阻尼器7与滑槽6的接触状态，从而调节第一永磁体2产生位移动作的速度。
在通电初期，首先接通若干个电磁阻尼器7，使其施加阻尼力。当需要增加阻尼力时，同时接通3个电磁阻尼器7，与此同时关闭1个已通电的电磁阻尼器7；当需要减小阻尼力时，同时管关闭2个电磁阻尼器7，于此同时接通5个电磁阻尼器7；利用不同电磁阻尼器7之间阻尼力释放过程的不同，实现总阻尼力的平滑变化。（附图中未将所有电磁阻尼器画出）
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种人工肌肉装置，其特征在于：包括线圈骨架（1），线圈骨架（1）的内侧活动插接有第一永磁体（2），线圈骨架（1）的外侧缠绕有第一电磁线圈（3），第一电磁线圈（3）外侧设置有磁轭（4），第一永磁体（2）上固定有限位器（5），限位器（5）与磁轭（4）滑动接触；磁轭（4）表面设置有滑槽（6），限位器（5）与磁轭（4）的接触面上设置有若干个电磁阻尼器（7），电磁阻尼器（7）与滑槽（6）选择性接触；电磁阻尼器（7）与第一电磁线圈（3）连接至同一总电源控制器（8）上，每个电磁阻尼器（7）上单独设置有分电源控制器（9）。
2.根据权利要求1所述的人工肌肉装置，其特征在于：所述电磁阻尼器（7）包括外壳（10），外壳（10）内设置有第二电磁线圈（11），第二电磁线圈（11）内侧设置有液压管（12），液压管（12）中部设置有电磁节流阀（13），液压管（12）两端通过平衡管（14）连通，液压管（12）的顶部活动设置有活塞（15），液压管（12）外侧设置有第二永磁体（16），第二永磁体（16）的顶部固定有阻尼块（17），阻尼块（17）与滑槽（6）选择性接触，活塞（15）与第二永磁体（16）连接。
3.根据权利要求2所述的人工肌肉装置，其特征在于：所述阻尼块（17）包括两个对称铰接在第二永磁体（16）顶部的支撑架（18），支撑架（18）的内侧设置有弧形金属弹片（19），弧形金属弹片（19）的两端与支撑架（18）固定连接，弧形金属弹片（19）的表面固定有橡胶阻尼片（20），两个支撑架（18）之间连接有第一弹簧体（21）。
4.根据权利要求3所述的人工肌肉装置，其特征在于：所述橡胶阻尼片（20）表面设置有凸棱（22）,滑槽（6）表面设置有与凸棱（22）相互插接的凹槽（23）。
5.根据权利要求4所述的人工肌肉装置，其特征在于：所述弧形金属弹片（19）的边缘设置有插槽（24），橡胶阻尼片（20）的边缘插接在插槽（24）内，插槽（24）的底面设置有固定螺栓（25）。
6.根据权利要求5所述的人工肌肉装置，其特征在于：所述凸棱（22）内设置有金属筋（26）。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的人工肌肉装置的驱动方法，其特征在于包括以下步骤：
A、总电源控制器（8）通电，第一电磁线圈（3）产生的磁场驱动第一永磁体（2）产生位移；
B、通过控制分电源控制器（9）通电的数量，改变不同电磁阻尼器（7）与滑槽（6）的接触状态，从而调节第一永磁体（2）产生位移动作的速度。
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