CN111360803A - 一种电磁人工肌肉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁人工肌肉，以单束肌纤维为构成单元，单束肌纤维包括若干电磁铁、导磁橡胶和磁性液体，导磁橡胶为空心圆柱状结构，若干电磁铁均等间距设置在导磁橡胶内，与导磁橡胶同轴布置，每相邻两个电磁铁及相邻两个电磁铁之间的导磁橡胶均围成一腔室，在所有的腔室内均注入磁性液体，电磁铁包括线圈和磁芯，线圈缠绕在磁芯上，相邻的两个电磁铁、两个电磁铁之间的导磁橡胶及两个电磁铁之间的磁性液体构成肌节单元；向磁芯上的线圈通电，电磁铁极化，磁性液体和导磁橡胶极化，相邻的电磁铁端部磁极相同或相反，每一肌节单元伸长或收缩，从而使单束肌纤维伸长或收缩。本发明产生的力大，能够快速驱动，具有精确的位移能力，便于控制。
Description
技术领域
本发明属于仿生机械领域，尤其是涉及一种电磁人工肌肉。
背景技术
随着现代机器人技术的发展，传统机器采用的旋转电机的驱动方式，无法满足复杂的应用环境对高性能机器人运动的要求，人工肌肉与之相比具有许多优点，是驱动系统突破的重点。
人工肌肉可采用电活性聚合物(EAP)、气动(PMA)、压电材料(PZT)、形状记忆合金(SMA)或电磁力等方式实现。
电活性聚合物(EAP)材料在外界电激励下可以显著改变自身形状尺寸，外界电激励撤销后，又能恢复到原始的形状尺寸。它具有质量轻、响应快速、柔韧性好等优点，但是也存在着驱动力小且不能稳定使用等不足。
气动人工肌肉(PMA)由外部提供的压缩空气驱动，作推拉动作。气动肌肉存在着一些局限性，如与传统气动执行元件相比行程较小；其充气变形为强非线性环节，且具有时变性，难以实现精确控制；柔性也使得精度和重复性受到了限制。
压电材料(PZT)可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料用于致动器的开发。由于压电材料的位移量小，常用于传感器，因此用于驱动器时，需要很高倍的放大装置，因此不能保证其精度，提高位移会导致输出力衰减。
形状记忆合金(SMA)具有在低温下进行的较大变形，随着温度上升到一定值后恢复到原有形状的特质，即形状记忆效应。由于需要加热装置，其具有能耗高、不利散热、响应速度慢等缺点。
现有的基于电磁力的电磁人工肌肉，存在刚性碰撞产生的振动和噪声、不灵活和漏磁严重等缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种电磁人工肌肉，具有结构简单、响应速度快、能量密度高和线性度好等优点，它提供的驱动力和位移可控制，还具有一定的柔性，可以避免同类的装置存在的刚性碰撞产生的振动和噪声、不灵活和漏磁严重等缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种电磁人工肌肉，以单束肌纤维为构成单元，单束肌纤维包括若干电磁铁、导磁橡胶和磁性液体，所述的导磁橡胶为空心圆柱状结构，若干电磁铁均等间距设置在导磁橡胶内，若干电磁铁与导磁橡胶同轴布置，若干电磁铁和导磁橡胶的内壁固定连接，每相邻两个电磁铁及相邻两个电磁铁之间的导磁橡胶均围成一腔室，在所有的腔室内均注入磁性液体，所述的电磁铁包括线圈和磁芯，所述线圈缠绕在磁芯上，所述的磁性液体为由磁性固体颗粒、基载液和界面活性剂混合而成的胶状液体，相邻的两个电磁铁、两个电磁铁之间的导磁橡胶及两个电磁铁之间的磁性液体构成肌节单元；
向磁芯上的线圈通电，电磁铁极化，磁性液体和导磁橡胶极化，相邻的电磁铁端部磁极相同或相反，每一肌节单元伸长或收缩，从而使单束肌纤维伸长或收缩。
进一步的，所述人工肌肉由多束肌纤维以并联捆扎方式组成。
进一步的，多束肌纤维形成的人工肌肉的截面为蜂窝状。
进一步的，电磁铁与导磁橡胶之间胶接。
进一步的，每个腔室注入磁性液体的体积为腔室体积的2/3-4/5。
进一步的，所述磁性固体颗粒的直径为10nm，磁性固体颗粒为四氧化三铁、三氧化二铁、镍或钴；所述基载液为水、有机溶剂或油；所述界面活性剂为油酸。
相对于现有技术，本发明所述的一种电磁人工肌肉具有以下优势：
本发明所述的一种电磁人工肌肉，可以应用在许多需要直线运动的场合，应用十分广泛；产生的驱动力大且可调节、便于控制；
磁性橡胶的设置起到导磁、磁屏蔽和改善磁路的作用；使得电磁铁产生的磁力线被约束在磁性橡胶和磁性液体内不发散，降低了磁阻，提高了磁导率，使得相邻电磁铁之间的磁力更强，能量密度高；
磁性液体的设置，增强了相邻的两个电磁铁的磁力，使得电磁人工肌肉的驱动力更大；
电磁驱动，响应速度快、重量轻、结构简单、具有一定的柔性、避免了碰撞产生的振动和噪声。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种电磁人工肌肉的结构示意图；
图2为肌节单元处于自然状态下的结构示意图；
图3为肌节单元处于收缩状态下的结构示意图；
图4为肌节单元处于伸长状态下的结构示意图。
附图标记说明：
1-导磁橡胶，2-磁性液体，3-线圈，4-磁芯。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图4所示，一种电磁人工肌肉，以单束肌纤维为构成单元，单束肌纤维包括若干电磁铁、导磁橡胶1和磁性液体2，导磁橡胶1也就是磁性橡胶，所述的导磁橡胶1为空心圆柱状结构，若干电磁铁均等间距设置在导磁橡胶1内，若干电磁铁与导磁橡胶1同轴布置，若干电磁铁和导磁橡胶1的内壁固定连接，每相邻两个电磁铁及相邻两个电磁铁之间的导磁橡胶均围成一腔室，在所有的腔室内均注入磁性液体2，所述的电磁铁包括线圈3和磁芯4，所述线圈3缠绕在磁芯4上，所述的磁性液体2为由磁性固体颗粒、基载液和界面活性剂混合而成的胶状液体，相邻的两个电磁铁、两个电磁铁之间的导磁橡胶及两个电磁铁之间的磁性液体构成肌节单元；
向磁芯4上的线圈3通电，电磁铁极化，磁性液体和导磁橡胶极化，相邻的电磁铁端部磁极相同或相反，每一肌节单元伸长或收缩，从而使单束肌纤维伸长或收缩。
可以根据需要来增减肌节单元数量和改变其大小，改变最大行程和驱动力以满足定制化的要求。
人工肌肉由多束肌纤维并联捆扎方式组成。多束肌纤维形成的人工肌肉的截面为蜂窝状。提高人工肌肉的稳定性和能量密度。
电磁铁与导磁橡胶1之间胶接，连接牢固。具体加工时，先将将磁性液体注入腔室后，通过胶体将其密封。
每个腔室注入磁性液体2的体积为腔室体积的2/3-4/5，为电磁铁位移挤压磁性液体时留下容纳空间。
磁性固体颗粒的直径为10nm，磁性固体颗粒为四氧化三铁、三氧化二铁、镍或钴；所述基载液为水、有机溶剂或油；所述界面活性剂为油酸。
向电磁铁线圈中施加电流，电磁铁产生磁场，如果相邻电磁铁的相对应端的极性相反，即一个是N极、另一个是S极，就会产生电磁吸引力，该电磁吸引力克服弹性的导磁橡胶的弹力并使肌纤维单元整体收缩；如果相邻电磁铁的相对应端的极性相同，即一个是N极、另一个也是N极或一个也是S极、另一个也是S极，就会产生电磁排斥力，该电磁排斥力克服弹性的导磁橡胶的弹力并使肌纤维单元整体伸长。改变电流大小和方向提供可控的双向的驱动力。
可以通过微加工将其小型化，兼容设计将其加入微机电系统中，该发明作为微型夹持器和各种杠杆系统的MEMS部件，在微机电系统领域的应用有着重要的意义。
如图2所示，电磁人工肌肉的一个肌节单元处于自然(线圈不通电)状态下的示意图，也就是导磁橡胶1维持原长度；
将在磁芯上的线圈通电，相邻的电磁铁端部磁极相反如…N-S、N-S、N-S…或者…S-N、S-N、S-N…，使两个相邻电磁铁产生互相吸引力，该电磁吸引力克服弹性导磁橡胶1的弹力并使肌节单元收缩，如图3所示。
改变线圈上电流的方向，使相邻的电磁铁端部磁极相同如…N-S、S-N、N-S…或者…S-N、N-S、S-N…，使两个相邻电磁铁产生互相排斥力，该电磁排斥力克服弹性导磁橡胶1的弹力并使肌节单元伸长，如图4所示。
通过改变线圈上电流的大小，可以精确地控制提供伸缩力的大小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电磁人工肌肉，其特征在于：以单束肌纤维为构成单元，单束肌纤维包括若干电磁铁、导磁橡胶(1)和磁性液体(2)，所述的导磁橡胶(1)为空心圆柱状结构，若干电磁铁均等间距设置在导磁橡胶(1)内，若干电磁铁与导磁橡胶(1)同轴布置，若干电磁铁和导磁橡胶(1)的内壁固定连接，每相邻两个电磁铁及相邻两个电磁铁之间的导磁橡胶均围成一腔室，在所有的腔室内均注入磁性液体(2)，所述的电磁铁包括线圈(3)和磁芯(4)，所述线圈(3)缠绕在磁芯(4)上，所述的磁性液体(2)为由磁性固体颗粒、基载液和界面活性剂混合而成的胶状液体，相邻的两个电磁铁、两个电磁铁之间的导磁橡胶及两个电磁铁之间的磁性液体构成肌节单元；
向磁芯(4)上的线圈(3)通电，电磁铁极化，磁性液体和导磁橡胶极化，相邻的电磁铁端部磁极相同或相反，每一肌节单元伸长或收缩，从而使单束肌纤维伸长或收缩。
2.根据权利要求1所述的一种电磁人工肌肉，其特征在于：所述人工肌肉由多束肌纤维以并联捆扎方式组成。
3.根据权利要求2所述的一种电磁人工肌肉，其特征在于：多束肌纤维形成的人工肌肉的截面为蜂窝状。
4.根据权利要求1所述的一种电磁人工肌肉，其特征在于：电磁铁与导磁橡胶(1)之间胶接。
5.根据权利要求1所述的一种电磁人工肌肉，其特征在于：每个腔室注入磁性液体(2)的体积为腔室体积的2/3-4/5。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种电磁人工肌肉，其特征在于：所述磁性固体颗粒的直径为10nm，磁性固体颗粒为四氧化三铁、三氧化二铁、镍或钴；所述基载液为水、有机溶剂或油；所述界面活性剂为油酸。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20220128 |