CN108127658A - 一种电磁力驱动的人工肌肉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁力驱动的人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。它能够在外加电压下产生直线变形，解决了现有人工肌肉输出特性差、效率低、价格高的问题。本发明包括n组励磁线圈、n个电枢线圈和柔性基体；所述励磁线圈与电枢线圈置于柔性基体内部，并绕柔性基体的轴线环形排布；线圈与柔性基体整体卷绕成螺旋结构。本发明的人工肌肉利用线圈之间的电磁力产生扭转变形，利用螺旋结构将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力；人工肌肉结构简单，体积小，重量轻，能量密度高；利用电磁力进行驱动，易于实现变形量与输出力的控制；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换与能量损耗，驱动效率高。

Description

一种电磁力驱动的人工肌肉
技术领域
本发明涉及一种电磁力驱动的人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。
背景技术
柔性驱动器一直以来都是机器人领域的重要分支，由于传统刚性驱动器体积、重量大，动作刚度高，在一些应用上存在某些局限性。柔性驱动器具有灵活性高、容易变形等特点，易于布置在柔性机器人或狭小的结构中，又因其具有很强的动作柔顺性，易于实现机器人、环境和人的安全交互，具有广阔的应用前景。
目前常见的柔性驱动器包括电活性聚合物、形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料等。这些柔性驱动器价格昂贵，输出力与位移有限，迟滞现象明显，疲劳寿命短，难以满足柔性机器人的需求。
发明内容
本发明为了解决现有人工肌肉输出特性差、驱动效率低、价格昂贵等问题，提出了这一种电磁力驱动的人工肌肉，所采取的技术方案如下：
一种电磁力驱动的人工肌肉，所述人工肌肉包括n组励磁线圈1、n个电枢线圈2和柔性基体3，其中，n为大于等于1的整数；所述励磁线圈1与电枢线圈2置于柔性基体内部；所述励磁线圈1和电枢线圈2与柔性基体整体卷绕成螺旋结构；所述n个电枢线圈2相互交叉相套，并设置于柔性基体3中心位置；所述n组励磁线圈1与交叉相套的所述n个电枢线圈2均以柔性基体3的轴线为中心周向均布。螺旋结构长度方向发生变形时，螺旋结构会发生扭转变形。反之，螺旋结构主动产生扭转变形时，螺旋结构将发生长度方向的直线变形。因此，螺旋结构可将较小的扭转变形放大成较大的直线变形。
进一步地，一个所述电枢线圈2套于另一个电枢线圈2上，并且n个电枢线圈2成交叉结构相套；所述每组励磁线圈1分别对应1个电枢线圈2；每组所述励磁线圈1中包括2个励磁线圈1，所述2个励磁线圈1分别设置于与其对应的电枢线圈2的线轴方向上的两端，并且所述励磁线圈1所在平面垂直于与该励磁线圈1对应的电枢线圈2所在平面。对一组励磁线圈1通以交变的电场时，可产生交变的磁场。在此磁场中放置一个电枢线圈2，该电枢线圈2中亦可激励出交变的磁场。激励出的磁场较第一个磁场有一定的相位滞后，因而两磁场将产生相互作用并产生作用力用以实现驱动力输出。
进一步地，所述柔性基体3采用圆柱状结构或棱柱状结构。
进一步地，所述柔性基体3采用绝缘材料制成。
进一步地，所述励磁线圈1和电枢线圈2与柔性基体3共同卷绕成螺旋结构，并经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。
本发明有益效果：
发明提出的人工肌肉利用线圈之间的电磁力产生扭转变形，利用螺旋结构将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力，以此实现本发明所述人工肌肉在具有结构简单，体积小，重量轻的优势下还能有效提高人工肌肉的能量密度；利用电磁力进行驱动，实现变形量与输出力的控制，并且有效降低了变形量与输出力的控制难度，使变形量与输出力相对于现有人工肌肉易于控制；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换与能量损耗，有效提高人工肌肉的驱动效率，相对于传统的人工肌肉，使本发明所述人工肌肉具有较高的驱动效率。
附图说明
图1是本发明所述人工肌肉的结构示意图。
图2是本发明所述励磁线圈与电枢线圈布置形式示意图。
图3是本发明所述人工肌肉截面扭转变形示意图。
图4是本发明所述螺旋结构将扭转变形转化成直线变形的原理示意图。
图5是本发明所述人工肌肉长度变形示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种电磁力驱动的人工肌肉，所述人工肌肉包括n组励磁线圈1、n个电枢线圈2和柔性基体3，其中，n为大于等于1的整数；所述励磁线圈1与电枢线圈2置于柔性基体内部；所述励磁线圈1和电枢线圈2与柔性基体整体卷绕成螺旋结构；所述n个电枢线圈2相互交叉相套，并设置于柔性基体3中心位置；所述n组励磁线圈1与交叉相套的所述n个电枢线圈2均以柔性基体3的轴线为中心周向均布。螺旋结构长度方向发生变形时，螺旋结构会发生扭转变形。反之，螺旋结构主动产生扭转变形时，螺旋结构将发生长度方向的直线变形。因此，螺旋结构可将较小的扭转变形放大成较大的直线变形。所述柔性基体3采用圆柱状结构或棱柱状结构。所述柔性基体3采用绝缘材料制成。所述励磁线圈1和电枢线圈2与柔性基体3共同卷绕成螺旋结构，并经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。
本实施例提出的人工肌肉利用线圈之间的电磁力产生扭转变形，利用螺旋结构将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力，以此实现本实施例所述人工肌肉在具有结构简单，体积小，重量轻的优势下还能有效提高人工肌肉的能量密度；利用电磁力进行驱动，实现变形量与输出力的控制，并且有效降低了变形量与输出力的控制难度，使变形量与输出力相对于现有人工肌肉易于控制；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换于能量损耗，有效提高人工肌肉的驱动效率，相对于传统的人工肌肉，使本发明所述人工肌肉具有较高的驱动效率。
实施例2：
结合图1至图5说明本实施例，本实施例提供的一种电磁力驱动的人工肌肉，如图1所示，所述人工肌肉包括2组励磁线圈1、2个电枢线圈2和柔性基体3；所述励磁线圈1与电枢线圈2置于柔性基体内部；所述励磁线圈1和电枢线圈2与柔性基体整体卷绕成螺旋结构；所述2个电枢线圈2设置于柔性基体3中心位置；其中一个所述电枢线圈2套于另一个电枢线圈2上，并且2个电枢线圈2成十字结构相套；所述2组励磁线圈1分别对应2个电枢线圈2；每组所述励磁线圈1中包括2个励磁线圈1，所述2个励磁线圈1分别设置于与其对应的电枢线圈2的线轴方向上的两端，并且所述励磁线圈1所在平面垂直于与该电枢线圈2对应的电枢线圈2所在平面。对一个励磁线圈1通以交变的电场时，可产生交变的磁场。在此电场中放置一组电枢线圈2，该电枢线圈2中亦可激励出交变的磁场。激励出的磁场较第一个磁场有一定的相位滞后，因而两磁场将产生相互作用并产生作用力用以实现驱动力输出。
所述柔性基体3为圆柱状或棱柱状；所述励磁线圈1与电枢线圈2绕柔性基体3的对称轴环形布置，布置结构如图2所示。对励磁线圈1通以交变的电流，则励磁线圈1产生交变的磁场。在此交变磁场作用下，电枢线圈2中也激励出交变的磁场，但电枢线圈2中的交变磁场相位滞后于励磁线圈1中的磁场。电枢线圈2中的磁场与励磁线圈1中的磁场相互吸引，产生作用力，从而使柔性基体3发生扭转，扭矩产生示意图如图3所示。
由于线圈1、2与柔性基体3卷绕成螺旋结构，螺旋结构将柔性基体3截面的扭转转化成沿螺旋结构轴线方向的直线变形，具体形变结构如图4所示从而实现人工肌肉的动作，人工肌肉的运动形式如图5所示。所述线圈1、2与柔性基体3卷绕成的螺旋结构经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。
本实施例提出的人工肌肉利用线圈之间的电磁力产生扭转变形，利用螺旋结构将扭转变形放大成直线变形，可产生较大的变形量与输出力，变形量与输出力相对于传统人工肌肉增大了，以此实现本实施例所述人工肌肉在具有结构简单，体积小，重量轻的优势下还能将人工肌肉的能量密度有效提高；利用电磁力进行驱动，实现变形量与输出力的控制，并且有效降低了变形量与输出力的控制难度，使变形量与输出力相对于现有人工肌肉易于控制；直接将电能转化成机械能，不存在其他形式的能量转换，有效减少能量损耗，极大程度上提高人工肌肉的驱动效率，因此，相对于传统的人工肌肉，本发明所述人工肌肉具有很高的驱动效率。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种电磁力驱动的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉包括n组励磁线圈(1)、n个电枢线圈(2)和柔性基体(3)，其中，n为大于等于1的整数；所述励磁线圈(1)与电枢线圈(2)置于柔性基体内部；所述励磁线圈(1)和电枢线圈(2)与柔性基体整体卷绕成螺旋结构；所述n个电枢线圈(2)相互交叉相套，并设置于柔性基体(3)中心位置；所述n组励磁线圈(1)与交叉相套的所述n个电枢线圈(2)均以柔性基体(3)的轴线为中心周向均布。
2.根据权利要求1所述电磁力驱动的人工肌肉，其特征在于，一个所述电枢线圈(2)套于另一个电枢线圈(2)上，并且n个电枢线圈(2)成交叉结构相套；所述每组励磁线圈(1)分别对应1个电枢线圈(2)；每组所述励磁线圈(1)中包括2个励磁线圈(1)，所述2个励磁线圈(1)分别设置于与其对应的电枢线圈(2)的线轴方向上的两端，并且所述励磁线圈(1)所在平面垂直于与该励磁线圈(1)对应的电枢线圈(2)所在平面。
3.根据权利要求1或2所述电磁力驱动的人工肌肉，其特征在于，所述柔性基体(3)采用圆柱状结构或棱柱状结构。
4.根据权利要求1或2所述电磁力驱动的人工肌肉，其特征在于，所述柔性基体(3)采用绝缘材料制成。
5.根据权利要求1或2所述电磁力驱动的人工肌肉，其特征在于，所述励磁线圈(1)和电枢线圈(2)与柔性基体(3)共同卷绕成螺旋结构，并经热定型处理后在静止状态下不自发解螺旋。
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