CN112510957B - 一种摆动驱动装置的自动回正连接结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁驱动领域，具体涉及一种用于水中的仿生摆动驱动装置，包括驱动部与摆动部，所述驱动部内部包括电磁驱动装置，所述电磁驱动装置包括电磁感应线圈和/或永磁体，所述摆动部包括电磁感应线圈和/或永磁体，所述摆动部可以手动地从驱动部中插入或移除，所述摆动部与所述驱动部通过磁场作用活动连接，所述摆动部在插入所述驱动部时在所述磁场作用下能够自动进入摆动居中位置并完成所述摆动部和所述驱动部的连接。具有连接便捷、装配简单、防水可靠性高等优点。

Description

一种摆动驱动装置的自动回正连接结构

技术领域

本发明涉及电磁驱动领域，具体涉及一种摆动驱动装置的自动回正连接结构。

背景技术

目前仿生机器鱼研究是国内外水下机器人研究的热点，大部分都采用电机驱动的模式，也有一些研究机构采用形状记忆合金、压电陶瓷等智能材料作为驱动元件。如：美国MIT研制的RoboTuna和后续的仿鱼推进器，日本运输省船舶技术研究所研制的PF系列机器鱼，英国Essex大学研制的仿生机器鲤鱼，以及美国西北大学研制的波动鳍推进器等。国内的仿生机器鱼主要有北京大学的机器鱼和仿生海豚、中科院自动化所的仿生机器鱼、北京航空航天大学的SPC系列潜水器、哈尔滨工程大学的仿生蓝鳍金枪鱼和哈尔滨工业大学的形状记忆合金仿生乌贼以及中国科学技术大学的仿生机器鱼和形状记忆合金仿生鱼鳍。

上述方案中，采用电机驱动的结构具有体积大和能耗高等缺点，不适于微型仿生机器鱼，进而限制了微型仿生机器鱼的研究和推广。而现有的电磁驱动结构结构复杂，摆动部件穿设于电磁驱动结构的内部，导致驱动结构需要做复杂的防水处理，制造加工难度大，制造成本高昂，也限制了微小型仿生机器鱼的推广。

在专利库中，如CN103950525A，公开了一种低能耗仿生机器鱼的磁动力推进机构，包括本体即磁动力尾鳍，所述磁动力尾鳍包括U型连接架，磁感应线圈，强磁摆子和新月形柔性尾鳍，所述磁感应线圈由丝包线缠绕在PVC筒管上形成的，所述强磁摆子采用两个圆形的强磁永磁体吸合安装在旋转轴的中心位置上，所述旋转轴的两端安装在两个小轴承上，且所述旋转轴的末端通过卡销把所述小轴承内圈锁住，所述U型连接架将鱼身与所述新月形柔性尾鳍连接，所述新月形柔性尾鳍由尾柄和鳍面组成。但其摆动驱动结构结构仍然复杂需要轴承等连接部件，电磁线圈将浸没于水中，存在电路浸水的风险。

又如CN102267552A，公开了一种仿生鱼的仿生驱动与控制方法，其包括以下步骤：1)设置一密封的鱼身体，及一可相对该身体摆动的鱼尾；2)在身体两侧对应线圈的位置各设置一粒磁石，当线圈充电时一边产生吸力一边产生推力；3)供电给线圈，通过控制供电的电流方向和通断时间长度的变化，来控制鱼尾摆动，实现前进或转弯。本发明还提供了一种采用上述方法的仿真鱼，其包括可相对摆动的一鱼身体组件和鱼尾部组件，在该身体组件1中设置有一驱动控制电路；在身体组件包括一左侧壳体和右侧壳体，其中各装有一粒磁石，两粒磁石相对面的极性相同；通过变化的磁场与磁石的相互作用，推动尾部产生摆动作用，进而推动整个身体前进。其摆动结构同样需要做复杂的防水才能保证水不会经过摆动结构进入电路腔体。此外，摆动驱动部件连接结构复杂，不易更换维修。

发明内容

本发明的目的在于，提供用于水中的电磁仿生摆动驱动装置，并简化制造难度与制造成本、操作灵活、运行方便。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种摆动驱动装置的自动回正连接结构，包括驱动部与摆动部，所述驱动部内部包括电磁驱动装置，所述电磁驱动装置包括用于产生恒定磁场和/或变化磁场的电磁感应线圈和/或永磁体，所述摆动部包括用于致动的电磁感应线圈和/或永磁体，所述摆动部与所述驱动部通过磁场作用活动连接，所述摆动部可以手动地从驱动部中移除，所述摆动部在插入所述驱动部时在所述磁场作用下能够自动进入摆动居中位置并完成所述摆动部和所述驱动部的连接。

可选地，所述摆动部中用于致动的电磁感应线圈和/或永磁体也能产生产生恒定磁场和/或变化磁场。

可选地，所述驱动部包括壳体，所述壳体包括防水空间和非防水空间，所述摆动部在所述非防水空间与所述驱动部连接。

可选地，所述电磁驱动装置整体位于所述防水空间内。

可选地，所述摆动部部分位于所述非防水空间内。

可选地，所述摆动部的永磁体以及所述电磁驱动装置的永磁体可以采用厚度充磁，径向充磁铁、轴向充磁、轴向多级充磁或周向充磁的方式加工制造。作为优选，所述摆动部的永磁体采用径向充磁的圆柱形磁铁，所述驱动部的永磁体采用轴向充磁的圆柱形磁铁。

可选地，所述驱动部包括电池、电路板、固定支架以及一个或多个电磁感应线圈和/或永磁体。作为优选，所述电磁驱动装置包括至少一个电磁感应线圈和至少两个永磁体。

可选地，作为优选，所述致动部的永磁体的数量为一个。

可选地，所述驱动部的永磁体为两个轴向充磁圆柱形磁铁，采用平行并列排布，其南北磁性的关系可以相反或相同，优选相反。

可选地，所述致动部的永磁铁采用径向充磁的圆柱形磁铁，径向圆柱形磁铁采用一侧具有缺口的中空圆柱形结构，所述摆动件的摆动本体通过相匹配的形状固定于所述具有缺口的中空圆柱形结构内。

此外，本发明还提供一种仿生机器人，包括主机体，所述主机体包括至少一个摆动驱动装置，所述摆动驱动装置通过如前述述任一一种的摆动驱动装置的连接结构与所述主机体连接。

有益效果：本发明的驱动结构具有以下有益效果：

1、相对于电机驱动，本发明采用电磁驱动具有驱动结构可小型化、重量轻、功耗低，加工制造难度低，成本低廉等优点；

2、相对于传统的电磁驱动结构，本发明中摆动部通过磁场作用与驱动部活动连接，并且所述摆动部可以手动地从驱动部中插入或移除，组装方便，方便后期改进以及模块化生产加工。此外本发明摆动部无需穿设于防水空间内部，这样整个电磁驱动部件的可以安置于一个整体的防水结构内，无需针对摆动件的驱动部分进行防水处理，进一步降低了生产加工的难度，降低了成本，更容易制造推广。由于本发明的电磁驱动结构仅需要一个整体的防水结构将电磁驱动部纳入其中，摆动件的连接不会穿设防水结构，防水的可靠性高，不用管担心活动部件导致防水结构失效的问题；

3、本发明通过构建合理的磁场相互关系，实现初始状态摆动部与驱动部自动居中连接，安装简便，操作方便；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种驱动结构的正视图示意图；

图2为本发明实施例提供的一种摆动驱动装置的自动回正连接结构手动移除摆动部的示意图。

图3为本发明实施例提供的一种驱动结构内部剖面二维结构示意图(对应图1中心线剖面)；

图4为本发明实施例提供的一种驱动结构内部磁性元件布局结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种驱动结构摆动部致动永磁体结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种磁性自动回正结构磁场示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种磁性自动回正结构磁场示意图。

附图标记：1-驱动部，2-摆动部，3-防水空间，4-非防水空间，5-电磁驱动装置，6-电磁感应线圈，7-防水结构，8-线圈永磁体，9-致动永磁体，10-摆动部接头，11-摆动部本体，12-第一永磁体，13-第二永磁体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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和简化描述，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的可选实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

图1为本发明实施例提供的一种摆动驱动装置的自动回正连接结构示意图。如图1所示，该装置包括驱动部1，在这个实施例中相当于一种仿生鱼的鱼身结构，以及与所述驱动本体配合驱动的摆动部2，在这个实施中相当于鱼的尾巴。所述摆动部2可以手动地从驱动部1中插入或移除，所述摆动部2与所述驱动部1通过磁场作用活动连接。在一些实施例中，所述磁场由一个或多个电磁感应线圈和/或永磁体产生。

图2为本发明实施例提供的一种摆动驱动装置的自动回正连接结构手动移除摆动部的示意图。参见图2，在一些实施例中，一个驱动部1可以在多个位置连接多个不同的摆动部2，图2在右侧给出了多个不同形状摆动部2的实施例，通过手动的移除和插入，可以实现摆动部的快速更换。一个驱动部1也可以在不同的部位安装不同的摆动部2，实现更多仿生可能性。所述驱动部1和摆动部2相连接的位置具有相互作用的磁场，所述摆动部2在插入所述驱动部时在所述磁场作用下能够自动进入摆动居中位置并完成所述摆动部和所述驱动部的连接。

图3为本发明实施例提供的一种摆动驱动装置的自动回正连接结构内部剖面二维结构示意图(对应图1中心线剖面)。如图3所示，在一些实施例中，所述驱动部1包括壳体，所述壳体包括防水结构7，所述防水结构7在所述壳体上形成防水空间3和非防水空间4，所述摆动部2在所述非防水空间4与所述驱动部1连接。在一些实施例中，所述驱动部1内部包括电磁驱动装置5，所述电磁驱动装置5整体位于所述防水空间3内，所述摆动部2部分位于所述非防水空间4内。在一些实施例中，所述驱动部1包括电池、电路板、固定支架以及一个或多个用于产生恒定磁场和/或变化磁场的电磁感应线圈6和/或永磁体8。作为优选，所述电磁驱动装置包括至少一个电磁感应线圈6和至少两个永磁体8。在一些实施例中，所述摆动部2包括一个或多个电磁感应线圈和/或永磁体，所述摆动部2中用于致动的电磁感应线圈和/或永磁体也能产生产生恒定磁场和/或变化磁场。通过电磁驱动装置5产生的恒定磁场和/或变化磁场与摆动部2产生的恒定磁场和/或变化磁场发生磁力相互作用从而驱使摆动部2摆动。作为优选，所述摆动部2的包括一个永磁体9。在一些实施例中，所述摆动部2的永磁体以及所述驱动部1的永磁体8可以采用厚度充磁，径向充磁铁、轴向充磁、轴向多级充磁或周向充磁的方式加工制造。作为优选，所述摆动部的永磁体9采用径向充磁的圆柱形磁铁，所述驱动部1的永磁体8采用轴向充磁的圆柱形磁铁。

图4为本发明实施例提供的一种摆动驱动装置的自动回正连接结构内部磁性元件布局结构示意图，图中省去了壳体。其中驱动部1内的电磁驱动装置5包括电磁感应线圈6、第一永磁体12、第二永磁体13，其中第一永磁体12、第二永磁体13均为轴向充磁的圆柱形磁铁，并列固定于所述电磁感应线圈6的内部。对应地，所述摆动部2包括永磁体9，永磁体9为径向充磁的圆柱形磁铁。

图5为本发明实施例提供的一种驱动结构摆动部致动永磁体结构示意图。所述摆动部的致动永磁体9采用径向充磁的圆柱形磁铁，径向圆柱形磁铁采用一侧具有缺口的中空圆柱形结构，其中缺口的中心线与径向磁铁的磁极分割线重合；所述摆动件的摆动本体通过相匹配的形状固定于所述具有缺口的中空圆柱形结构内。通过上述装配方式，在装配中自动能将摆动部的中心线与磁极分割线对准，极大简化了装配的工艺和难度。

图6为本发明实施例提供的一种摆动驱动装置的自动回正连接结构磁性自动回正结构磁场示意图。如图6所示，电磁驱动装置5在电磁感应线圈6内部设置两个轴向充磁的第一永磁体12、第二永磁体13；此时对应的摆动部2的致动永磁体9为一个径向磁铁，当第一永磁体12、第二永磁体13并列反向布局时，由于磁场的相互作用，致动永磁体9会具有靠近第一永磁体12、第二永磁体13并且其径向磁极的分割线能够与第一永磁体12、第二永磁体13中间的中心线重叠的趋势。通过将摆动部2的中心线与致动永磁体9径向磁极的分割线对其，将摆动部2放入驱动部1连接空腔内时，磁力作用将自动将摆动部引导至居中的位置并保持连接。此时，电磁驱动装置5再给予电磁感应线圈6施加正反变化的电流时，由于电磁感应的作用，致动永磁体9将在驱动部1的连接空腔结构内往返摆动。

图7为本发明实施例提供的一种摆动驱动装置的自动回正连接结构另一种磁性自动回正结构磁场示意图。在这个实施例中，两个轴向充磁的第一永磁体12、第二永磁体13的磁极呈相同并列排部，在这种布局下，径向充磁的致动永磁体9中磁性与第一永磁体12、第二永磁体13向对面相反的一侧将朝向第一永磁体12、第二永磁体13，此时，在致动永磁体9的旁边两侧设置电磁感应线圈6，通过改变电磁感应线圈6的电流，同样能够实现摆动部2的来回摆动。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (9)

1.一种摆动驱动装置的连接结构，包括驱动部与摆动部，所述驱动部内部包括电磁驱动装置，其特征在于，所述电磁驱动装置包括至少一个电磁感应线圈和两个永磁体，所述两个永磁体平行间隔并列排布，所述电磁驱动装置用于产生恒定磁场和变化磁场；所述摆动部包括致动永磁体，所述摆动部与所述驱动部通过所述致动永磁体与所述至少两个永磁体之间的磁场作用活动连接，所述摆动部可以手动地从驱动部中插入或移除，所述摆动部在插入所述驱动部时在所述磁场作用下能够自动进入摆动居中位置并完成所述摆动部和所述驱动部的连接。

2.根据权利要求1所述的摆动驱动装置的连接结构，其特征在于，所述摆动部还包括电磁感应线圈或电磁感应线圈与永磁体的组合，所述摆动部也能产生恒定磁场和变化磁场。

3.根据权利要求1所述的摆动驱动装置的连接结构，其特征在于，所述驱动部包括壳体，所述壳体包括防水空间和非防水空间，所述摆动部在所述非防水空间与所述驱动部连接；所述电磁驱动装置位于所述防水空间内。

4.根据权利要求1所述的摆动驱动装置的连接结构，其特征在于，所述摆动部的致动永磁体以及所述电磁驱动装置的永磁体采用厚度充磁，径向充磁铁、轴向充磁、轴向多级充磁或周向充磁的方式加工制造。

5.根据权利要求1所述的摆动驱动装置的连接结构，其特征在于，所述摆动部的致动永磁体采用径向充磁的圆柱形磁铁。

6.根据权利要求5所述的摆动驱动装置的连接结构，其特征在于，所述电磁驱动装置的永磁体为两个轴向充磁圆柱形磁铁，固定于所述电磁感应线圈的内部，所述两个轴向充磁圆柱形磁铁的南北磁性的方向排布相反或相同。

7.根据权利要求2所述的摆动驱动装置的连接结构，其特征在于，所述驱动部包括容纳所述摆动部的所述电磁感应线圈或电磁感应线圈与永磁体的组合的空腔结构，所述电磁感应线圈或电磁感应线圈与永磁体的组合活动连接于所述空腔结构内，所述空腔结构的外形与所述磁场共同限制所述摆动部的活动范围。

8.根据权利要求5所述的摆动驱动装置的连接结构，其特征在于，所述径向圆柱形磁铁采用一侧具有缺口的中空圆柱形结构，所述缺口的中心线与所述径向圆柱磁铁的磁极分割线重合，所述摆动部的摆动本体通过相匹配的形状固定于所述具有缺口的中空圆柱形结构内。

9.一种仿生机器人，包括主机体，所述主机体包括至少一个摆动驱动装置，其特征在于所述摆动驱动装置通过如权利要求1-8任一所述的摆动驱动装置的连接结构与所述主机体连接。

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