CN117985146A - 一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，包括永磁拉杆、大腿杆件、小腿杆件；所述大腿杆件的一端铰接于安装支架处，另一端铰接于小腿杆件杆身处；所述永磁拉杆外壁处套有内置励磁线圈的线圈套，线圈套固定于安装支架处，永磁拉杆一端铰接于小腿杆件顶部，另一端滑置于安装支架处；永磁拉杆中部设有永磁体，永磁体一端与固定于线圈套处的弹簧的伸缩端相连，另一端与小腿杆件相连；线圈套、弹簧、励磁线圈和永磁拉杆组合为与外部激励电源相连的电磁弹射机构，能在外部激励电源驱动下在极短时间内产生类似生物腿部肌肉的牵拉力以驱动机械腿；本发明不需要用到电机和减速结构，体积小，在相同的运动能力下其功率密度相对于传统机械腿要大得多。
Description
技术领域
本发明涉及涉及机械人技术领域，尤其涉及一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，具体是一种采用电磁弹射装置作为机构驱动动力源的两关节刚性机械腿。
背景技术
随着科技的飞速发展，人类对于机械设备的依赖与日俱增。其中，机械腿作为一种仿生装置，已经成为了医学、生物学以及机器人技术领域的研究热点。机械腿的设计与制造涉及了复杂的机械结构、传感器技术、控制算法等多个领域的知识。传统的机械腿设计大多是模拟人类或者其他生物下肢的结构，通过模仿腿部关节的运动方式来实现行走、奔跑等功能。然而，由于机械腿需要承受不同重量的负载和适应各种复杂的环境因素，因此对于其强度、稳定性和耐用性有着极高的要求。此外，为了实现与人类自然的步态相匹配，机械腿还需要具备高度智能化的控制系统。
其中，机械腿的驱动方式是决定其性能和功能的关键因素之一。目前，常见的机械腿驱动方式主要包括电动驱动、液压驱动和气压驱动等。电动驱动方式的机械腿通常采用电机作为动力源，通过传动机构驱动机械腿的运动。这种驱动方式的优点在于控制精度高、响应速度快、能量转换效率高，且噪音较小。此外，随着电池技术的不断发展，电动驱动方式的机械腿的续航能力也在不断提升；液压驱动方式的机械腿利用液体的压力和流量来传递能量，具有较大的输出力和力矩，且能够实现大范围的调速和制动。但是，液压驱动方式的机械腿需要配备液压泵、液压缸等较为复杂的液压系统，且容易受到温度和压力的影响；气压驱动方式的机械腿利用气体的压力来传递能量，具有清洁、无污染、成本低等优点。但是，由于气体的可压缩性较大，气压驱动方式的机械腿的控制精度和响应速度相对较低；除了以上三种常见的驱动方式外，还有一些新型的驱动方式，如形状记忆合金驱动、电致伸缩驱动等。这些新型驱动方式具有一些独特的优点，如响应速度快、能量转换效率高等，但同时也存在一些局限性，如成本较高、技术成熟度不够等。
发明内容
本发明提出一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，不需要用到电机和减速结构，体积小，在相同的运动能力下其功率密度相对于传统机械腿要大得多。
本发明采用以下技术方案。
一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，所述机械腿包括永磁拉杆（6）、大腿杆件（10）、小腿杆件（9）；所述大腿杆件的一端铰接于安装支架（1）处，另一端铰接于小腿杆件杆身处；所述永磁拉杆外壁处套有内置励磁线圈（5）的线圈套（3），线圈套固定于安装支架处，永磁拉杆一端铰接于小腿杆件顶部，另一端滑置于安装支架处；永磁拉杆中部设有永磁体（61），永磁体一端与固定于线圈套处的弹簧（4）的伸缩端相连，另一端与小腿杆件相连；
线圈套（3）、弹簧、励磁线圈（5）和永磁拉杆（6）组合为与外部激励电源相连的电磁弹射机构，能在外部激励电源驱动下在极短时间内产生类似生物腿部肌肉的牵拉力以驱动机械腿。
当向励磁线圈（5）通入电流并产生激励磁场后，该激励磁场对永磁拉杆（6）中的永磁体（61）产生一个磁拉力，永磁拉杆（6）在该磁拉力作用下向安装支架（1）一端方向运动，同时使弹簧（4）被压缩以产生弹性回复力，即永磁体压缩弹簧并驱动使永磁拉杆向安装支架一侧滑移，永磁拉杆拉动小腿杆件使其以大腿杆件作为支撑发生转动；当励磁线圈断电，永磁拉杆在弹簧弹力驱动下回复初始状态，同时带动小腿杆件和大腿杆件回复原位。
所述永磁拉杆的一端经第一销轴件（7）与小腿杆件顶部相连，另一端滑置于安装支架的第二销轴件（2）处；
大腿杆件的一端经第三销轴件（8）与小腿杆件相连，另一端经第四销轴件（11）与安装支架相连。
所述永磁体呈圆柱形，永磁体两端分别固定第一非导磁性圆柱状长杆（62）与第二非导磁性圆柱状长杆（63）。
当励磁线圈（5）处于断电状态并且弹簧（4）处于自然松弛状态，此时永磁拉杆（6）中的永磁体（61）有部分位于于励磁线圈（5）内部。
永磁体的磁场方向和励磁线圈（5）通电后产生的磁场方向反向。
当永磁拉杆（6）受到磁力作用而滑移时同时带动小腿杆件（9）进行转动，并且小腿杆件（9）在转动过程以大腿杆件（10）作为支撑
当机械腿处于初始状态时，小腿杆件（9）和大腿杆件（10）之间的夹角为锐角，小腿杆件（9）与永磁拉杆（6）之间的夹角为锐角。
当励磁线圈（5）由通电状态切换为断电状态，永磁拉杆（6）将在弹簧（4）的弹性回复力作用下向远离安装支架（1）的一侧滑移并回到初始位置，同时永磁拉杆（6）带动小腿杆件（9）和大腿杆件（10）回到原位。
与现有技术相比，本发明专利的创新在于：
1、当前足式机器人主要采用电机（包括伺服电机、步进电机等）、气压、液压等传统方式驱动腿部机构进行运动，这些驱动方式的优点是驱动过程比较稳定，可实现较高精度的运动定位，但这些足式机器人的结构复杂并且驱动力可调范围较小，运动动作较为单一；而本发明所提出的仿生机械结构紧凑高效，并可通过调整输入到励磁线圈的瞬态电流大小实现机械腿的大范围可调出力，除了实现一般的行走动作，还可以实现跳跃动作。
2、由于不需要用到电机和减速结构，机器人的体积可以做的很小，在相同的运动能力下其功率密度相对于传统机械腿要大得多。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是仿生机械腿的示意图。
附图2是仿生机械腿在通电状态下的磁场分布示意图（N和S分别表示永磁体的两极，虚线表示磁感线）；
附图3是永磁拉杆的结构组成示意图；
附图4是仿生机械腿在断电与通电状态下的关键作用力示意图（F m为施加在永磁拉杆（6）上的电磁力，M为作用在大腿杆件（10）和小腿杆件（9）连接关节处的弯矩力，q 1和q 2分别为励磁线圈（5）通电和断电状态下大腿杆件（10）和小腿杆件（9）之间的夹角，F s1为励磁线圈（5）断电状态下作用在小腿杆件（9）上的支撑力，F s2和F f2分别为励磁线圈（5）通电状态下作用在小腿杆件（9）上的支撑力和摩擦力）；
图中：1-安装支架，2-第二销轴件，3-线圈套，4-弹簧，5-励磁线圈，6-永磁拉杆，7-第一销轴件，8-第三销轴件，9-小腿杆件，10-大腿杆件，11-第四销轴件；
61为永磁体，62为第一非导磁性圆柱状长杆；63第二非导磁性圆柱状长杆。
具体实施方式
如图所示，一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，所述机械腿包括永磁拉杆6、大腿杆件10、小腿杆件9；所述大腿杆件的一端铰接于安装支架1处，另一端铰接于小腿杆件杆身处；所述永磁拉杆外壁处套有内置励磁线圈5的线圈套3，线圈套固定于安装支架处，永磁拉杆一端铰接于小腿杆件顶部，另一端滑置于安装支架处；永磁拉杆中部设有永磁体61，永磁体一端与固定于线圈套处的弹簧4的伸缩端相连，另一端与小腿杆件相连；
线圈套3、弹簧、励磁线圈5和永磁拉杆6组合为与外部激励电源相连的电磁弹射机构，能在外部激励电源驱动下在极短时间内产生类似生物腿部肌肉的牵拉力以驱动机械腿。
当向励磁线圈5通入电流并产生激励磁场后，该激励磁场对永磁拉杆6中的永磁体61产生一个磁拉力，永磁拉杆6在该磁拉力作用下向安装支架1一端方向运动，同时使弹簧4被压缩以产生弹性回复力，即永磁体压缩弹簧并驱动使永磁拉杆向安装支架一侧滑移，永磁拉杆拉动小腿杆件使其以大腿杆件作为支撑发生转动；当励磁线圈断电，永磁拉杆在弹簧弹力驱动下回复初始状态，同时带动小腿杆件和大腿杆件回复原位。
所述永磁拉杆的一端经第一销轴件7与小腿杆件顶部相连，另一端滑置于安装支架的第二销轴件2处；
大腿杆件的一端经第三销轴件8与小腿杆件相连，另一端经第四销轴件11与安装支架相连。
所述永磁体呈圆柱形，永磁体两端分别固定第一非导磁性圆柱状长杆62与第二非导磁性圆柱状长杆63。
当励磁线圈5处于断电状态并且弹簧4处于自然松弛状态，此时永磁拉杆6中的永磁体61有部分位于于励磁线圈5内部。
永磁体的磁场方向和励磁线圈5通电后产生的磁场方向反向。
当永磁拉杆6受到磁力作用而滑移时同时带动小腿杆件9进行转动，并且小腿杆件9在转动过程以大腿杆件10作为支撑
当机械腿处于初始状态时，小腿杆件9和大腿杆件10之间的夹角为锐角，小腿杆件9与永磁拉杆6之间的夹角为锐角。
当励磁线圈5由通电状态切换为断电状态，永磁拉杆6将在弹簧4的弹性回复力作用下向远离安装支架1的一侧滑移并回到初始位置，同时永磁拉杆6带动小腿杆件9和大腿杆件10回到原位。
本例中，永磁拉杆作为第二销轴件中的销部分插置于轴部分的通孔中滑移，当永磁拉杆的角度发生变化时，第二销轴件的轴也随之旋转。
实施例：
本例所述的一种基于电磁弹射原理的仿真机械腿，其通过电磁弹射结构模拟肌肉牵拉动作，结构紧凑高效，运动能力强。其主要结构包括：安装支架、销轴、线圈套、弹簧、励磁线圈、永磁拉杆、小腿杆件、大腿杆件和外部驱动电路。仿生机械腿处于自然状态时励磁线圈断电，弹簧处于自然松弛状态，此时永磁拉杆中的永磁体部分处于励磁线圈内部；当向励磁线圈通入瞬态大电流，线圈周围产生一个磁场并在永磁拉杆上产生一个磁吸力，该磁吸力使得永磁拉杆向安装支架一侧运动，同时弹簧被压缩。永磁拉杆的一端通过销轴与小腿杆件连接，小腿杆件又与大腿杆件通过销轴连接，当永磁拉杆被磁力拉动，小腿杆件将以大腿杆件作为支撑发生转动。当励磁线圈断电，永磁拉杆将在弹簧的恢复力作用下回到自然状态下的位置，同时带动小腿杆件和大腿杆件回复原位。
本例的仿生机械结构紧凑高效，并可通过调整输入到励磁线圈的瞬态电流大小实现机械腿的大范围可调出力，除了实现一般的行走动作，还可以实现跳跃动作。
由于不需要用到电机和减速结构，使用本例的仿真机械腿的机器人的体积可以做的很小，在相同的运动能力下其功率密度相对于传统机械腿要大得多。
Claims (9)
1.一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：所述机械腿包括永磁拉杆（6）、大腿杆件（10）、小腿杆件（9）；所述大腿杆件的一端铰接于安装支架（1）处，另一端铰接于小腿杆件杆身处；所述永磁拉杆外壁处套有内置励磁线圈（5）的线圈套（3），线圈套固定于安装支架处，永磁拉杆一端铰接于小腿杆件顶部，另一端滑置于安装支架处；永磁拉杆中部设有永磁体（61），永磁体一端与固定于线圈套处的弹簧（4）的伸缩端相连，另一端与小腿杆件相连；
线圈套（3）、弹簧、励磁线圈（5）和永磁拉杆（6）组合为与外部激励电源相连的电磁弹射机构，能在外部激励电源驱动下在极短时间内产生类似生物腿部肌肉的牵拉力以驱动机械腿。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：当向励磁线圈（5）通入电流并产生激励磁场后，该激励磁场对永磁拉杆（6）中的永磁体（61）产生一个磁拉力，永磁拉杆（6）在该磁拉力作用下向安装支架（1）一端方向运动，同时使弹簧（4）被压缩以产生弹性回复力，即永磁体压缩弹簧并驱动使永磁拉杆向安装支架一侧滑移，永磁拉杆拉动小腿杆件使其以大腿杆件作为支撑发生转动；当励磁线圈断电，永磁拉杆在弹簧弹力驱动下回复初始状态，同时带动小腿杆件和大腿杆件回复原位。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：所述永磁拉杆的一端经第一销轴件（7）与小腿杆件顶部相连，另一端滑置于安装支架的第二销轴件（2）处；
大腿杆件的一端经第三销轴件（8）与小腿杆件相连，另一端经第四销轴件（11）与安装支架相连。
4.根据权利要求2所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：所述永磁体呈圆柱形，永磁体两端分别固定第一非导磁性圆柱状长杆（62）与第二非导磁性圆柱状长杆（63）。
5.根据权利要求2所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：当励磁线圈（5）处于断电状态并且弹簧（4）处于自然松弛状态，此时永磁拉杆（6）中的永磁体（61）有部分位于于励磁线圈（5）内部。
6.根据权利要求2所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：永磁体的磁场方向和励磁线圈（5）通电后产生的磁场方向反向。
7.根据权利要求2所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：当永磁拉杆（6）受到磁力作用而滑移时同时带动小腿杆件（9）进行转动，并且小腿杆件（9）在转动过程以大腿杆件（10）作为支撑。
8.根据权利要求2所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：当机械腿处于初始状态时，小腿杆件（9）和大腿杆件（10）之间的夹角为锐角，小腿杆件（9）与永磁拉杆（6）之间的夹角为锐角。
9.根据权利要求2所述的一种基于电磁弹射原理的仿生机械腿，其特征在于：当励磁线圈（5）由通电状态切换为断电状态，永磁拉杆（6）将在弹簧（4）的弹性回复力作用下向远离安装支架（1）的一侧滑移并回到初始位置，同时永磁拉杆（6）带动小腿杆件（9）和大腿杆件（10）回到原位。
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