CN2241613Y - 一种人工关节驱动器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于驱动机构，用于驱动机器人的人工关节，也可驱动其它机构。其特征在于：在人工关节的两个部分上，各连一块圆柱形软磁磁芯，此两块磁芯安装在一个非磁性套管内，套管的外面绕有电磁线圈。线圈的外面包有一个椭球形磁性橡胶体。两块与人工关节相连的磁芯的端部。各与磁性橡胶体的前、后端相固定，构成磁路。人工关节的两个部分，在两个驱动器的作用下，分别实现“曲”“伸”动作。
Description
本实用新型属于驱动机构，用于驱动机器人的人工关节，也适合于其它机构的驱动工作。
机器人不同于一般的机器，它用以承担人所做的部分工作，其机械构造不仅要结构紧凑，重量轻，而且要能实现灵巧性的动作。而目前机器人的驱动仍然是使用适合于汽车、机床的传统的驱动方式和传动元件，如液压驱动、气压驱动，电机驱动等。液压和气压驱动的明显缺点是附属设备多，整个体积、重量大，控制不方便。电机驱动也需要有一连串的减速传动机构，增加了体积、重量和转动惯量，不利于实现灵巧性的动作。由此组成的机器人机构与日益发展的机器人智能越来越不相适应，限制了智能机器人的发展和扩大应用。因此，研制各种适合于机器人特点的新型驱动装置势在必行。
从仿生学的研究发现，人体的肌肉是一种理想的高效、灵活的驱动器，其优点是直接进行驱动，不需要减速装置和传动元件。而且肌肉往往成对排列，以群体的形式互相协同、配合、牵制，以独特、巧妙的方式达到最佳效果。因此，模拟肌肉的功能和工作方式，可以使驱动器的性能得到提高，更适合于机器人关节的驱动。
电磁铁是电驱动装置的一种，已广泛应用于工业控制和驱动技术中，与肌肉相比，相同点是电磁铁驱动也不需要减速装置，且结构简单，便于控制。不同点，也是电磁铁的缺点是：一、驱动力曲线很陡，动作猛烈，不适合于驱动机器人关节；二、运动构件之间的磨擦阻力大，三、工作行程短。因此，在机器人驱动中，电磁铁的应用较少。本实用新型的目的，是从仿生学的角度出发，对现行的螺管式电磁铁作出改进，使其具有部分肌肉的功能和工作方式。以更适合于机器人关节的驱动，提高机器人关节工作的效率和性能。
本实用新型的目的是这样实现的：在组成机器人关节的可相对转动的两个部分上，各与一块圆柱形软磁磁芯的端部相连，此两块圆柱形磁芯安放在一个线轴形的非磁性套管内，非磁性套管的外面绕有一个电磁线圈，在磁芯、非磁性套管和电磁线圈的外面，包有一个空心的椭球形磁性橡胶体，两块磁芯的端部，分别与磁性橡胶体的前端和后端相固定，构成磁路。同时，还与人工关节可相对转动的两部分分别固联。电磁线圈未通电时，在磁性橡胶体弹力的作用下，两块磁芯相分离，无驱动力；反之，当电磁线圈通电时，两块磁芯之间产生电磁吸力及磁芯与电磁线圈之间产生螺管力，产生驱动作用。
磁性橡胶体的作用除了与磁芯构成磁路，起导磁作用外，还具有弹性，其作用一是缓冲吸振，使动作比较柔和；二是构成的柔性磁路，使磨擦阻力大幅度减少；三是可以模仿肌肉的工作状态，成对使用，构成原动肌和对抗肌，以实现灵巧动作和扩大工作行程。在磁性橡胶体上有一定数量的纵向缝，其作用一是有利于对流散热，二是减小磁性橡胶体的变形阻力。在电磁线圈的外周或内部，固定有一定数量的微型热管。热管的根数视散热需要而定。
本实用新型的优点是：不需要减速机构直接进行驱动，结构简单，动作柔和，运动惯量小，功率重量比大，磨擦阻力小，传动效率高。可成对使用构成仿生关节，以达到驱动力平稳，驱动行程大，动作灵活的目的。
下面结合附图对本实用新型作进一步的描述：
图1为本实用新型未通电时的状态图；
图2为本实用新型通电后达到最大“收缩”时的状态图；
图3为本实用新型A-A剖面的侧视图。
参看图1、图2、图3，由图可知，非磁性套管(5)的外面，绕有一个电磁线圈(6)，在非磁性套管(5)内有一个固定的软磁磁芯(10)和可移动的软磁磁芯(2)，磁芯(10)的一端可抵挡在非磁性套管(5)环形台肩上，另一端由挡板(9)和磁性橡胶体(3)的端面限位固定。磁芯(2)的一端可在非磁性套管(5)内移动，另一端与磁性橡胶体(3)的端部固联并通过人工肌腱和人工关节的另一部分相联。电磁线圈(6)的外面(亦可在里面)固定有一定数量的热管(7)，热管(7)的一端插在非磁性套管(5)的盲孔中，另一端焊有挡块(11)，挡块(11)由挡板(9)限位固定，从而使热管(7)固定。挡板(9)通过螺钉(8)与非磁性套管(5)相联，使非磁性套管(5)与磁性橡胶体固定在一起，支承件(12)一端通过螺钉(13)与非磁性套管(5)固定，另一端与人工关节固定。磁性橡胶体(3)与磁芯(2)和磁芯(10)形成磁路。当电磁线圈(6)未通电时，磁芯(2)在磁性橡胶体(3)的弹力作用下，离开磁芯(10)，呈图1所示的状态。当电磁线圈(6)通电时，磁芯(2)在与磁芯(10)之间的端面电磁力及与电磁线圈(6)之间的螺管力的作用下，沿非磁性套管(5)的内孔，向磁芯(10)移动，使磁性橡胶体(3)变形收缩，产生驱动作用，呈图2所示状态。磁性橡胶体(3)上制有纵向缝(4)，其作用为：减小磁性橡胶体(3)的变形阻力，并有利于对流散热。磁性橡胶体(3)构成的柔性磁路，避免了主磁通通过磁芯(2)与非磁性套管(5)内孔之间的间隙，磁芯(2)与非磁性套管(5)之间的作用力较小，从而使磁芯受到的磨擦阻力大幅度减小。这样，利用电磁力产生驱动作用，两个驱动器的配合使用，使机器人关节产生曲、伸动作。
磁性橡胶是由软磁磁粉和橡胶混炼而成的复合材料，它既有软磁磁性材料的磁性，又具有高分子材料的弹性，在人工关节驱动器中起导磁、改善磁路、缓冲储能及磁屏避作用。
热管是一种相变传热元件，具有很大的当量导热系数，导热能力是普通材料的1000多倍，把微型热管应用于电磁线圈的散热，可以提高散热效果，增大驱动器的功率重量比。
上述附图及其说明给出了本实用新型的实施例。
Claims (3)
1.一种人工关节驱动器，由非磁性套管(5)、绕在非磁性套管(5)外面的电磁线圈(6)、安放在非磁性套管(5)内固定的软磁磁芯(10)和可移动的软磁磁芯(2)、分别与固定的软磁磁芯(10)和可移动的软磁磁芯(2)相连的人工关节的两个部分组成，其特征在于：在软磁磁芯(2和10)、非磁性套管(5)和电磁线圈(6)的外面，包有一个空心的椭球形的磁性橡胶体(3)；磁性橡胶体(3)的前端与可移动的软磁磁芯(2)相固定，后端与固定的软磁磁芯(10)相固定；在电磁线圈(6)的外部(或内部。固定有数根微型热管(7)。
2.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于：固定的软磁磁芯(10)的前端由非磁性套管(5的环形台肩定位，后端由磁性橡胶体(3)和挡板(9)定位。
3.如权利要求1所说的驱动器，其特征在于：热管(7)的一端插在非磁性套管(5)的盲孔中，另一端焊有挡块(11)，挡块(11)由挡板(9)限位固定。
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