本实用新型专利技术涉及一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，通过对哺乳动物骨骼肌的结构和运动形式设计了基本单元，由基本单元的串联连接利用电磁力实现了直线驱动。基本单元由三个模块组成，包括动子模块、静子模块和抱闸模块。动子模块和静子模块为基本单元的主体，两模块的相对位置的变化实现了基本单元的伸缩运动。本实用新型专利技术基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，具有直接传动、高速线性运动、完全无接触和机械磨损，高响应速度可以达到毫秒级，低速时平顺移动、运动平滑性好，噪音小、节省能量等良好的驱动特性。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种电磁力驱动装置，特别是基于电磁力的肌肉仿生驱动装置。 属于机械工程与自动化及机器人领域，用于模仿哺乳动物骨骼肌肌肉结构及运动形式。
技术介绍
随着科学技术的发展，电磁力的应用推动了机械工程与自动化等技术的发展，尤 其在精密机械及机器人研究领域，电磁力的应用亦日趋成熟。基于电磁学原理设计肌肉 仿生驱动装置有很好的理论和实践基础，电磁力驱动的仿肌肉驱动装置具有很高的响应频 率，较之其它方式的仿肌肉驱动装置在应变和执行位移都有较大的优势。采用直线电机驱动的新型装置与传统非直线电机驱动相比，具有结构简单、无接 触磨损、噪声低精度高、组合灵活速度快等优点，但直线电机本身所具有的特点决定了自身 存在的缺陷如磁路通断所引起的边端效应以及安装气隙较大等问题。如果模仿哺乳动物 骨骼肌肌肉结构及运动形式设计一种直线驱动装置，将大大改善现有直线电机的性能。哺乳动物骨骼肌肌肉有很多传统驱动器远达不到的性能，如功率/重量比高、运 动机构简单、响应速度快、能量可以储备以实现强大的爆发力等。仿肌肉驱动器实现比较有 代表性的方向有形状记忆合金、电磁直线驱动器、电致伸缩聚合物、压电陶瓷、气动与液动 人工肌肉。一个好的仿肌肉驱动器应具优秀的驱动特性和高疲劳寿命，并且还应具有一维 伸缩、应变大、强度好、无噪音、能量密度大和柔顺性好等特征。中国专利ZL 200420054469. 5中公开了 一种基于电磁力的直线驱动装置，该装置 利用线圈之间的电磁力实现收缩，利用弹性元件的恢复力复位，能方便简单的实现伸缩运 动。但是该装置存在较强的多级线圈磁场干扰，且由于弹性元件的疲劳损伤，很难实现长时 间、高频率的运动。在专利号为ZL 03250678.3的专利技术专利中，描述了一种基于肌肉收缩原理的动 力装置，其组成分为两部份由多个磁极按一定顺序排列组成肌腹及与其两端连接的肌腱 带，通过改变可变磁极组的极性来实现直线反复运动。尽管该设计结构简单，控制容易，但 是仍存在很多不足，如结构中没有设计阻尼装置，存在刚性碰撞，故引起冲击大、噪音大等 问题；同时，机械限位是对整体结构进行限位，无法做到对每个磁极单独限位，故整体只有 伸缩两种状态，位置调节性能较差，从而降低了其灵活性；磁场之间磁隙较大，有较大的漏 磁现象。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题在于提供一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，这 种电磁力的肌肉仿生驱动装置，不仅能克服现有技术中存在的瞬时加速度低、疲劳寿命低、 功率密度低、线性度差、效率低的问题，而且可以解决同类相似设计中存在的刚性碰撞引起 的冲击以及噪音大、灵活性低、漏磁的不足。为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是首先，通过对哺乳动物骨骼肌肌小节的仿生设计了基本单元，其特征包括至少两个依次相串联连接的基本单元；所 述的基本单元由动子模块、静子模块和抱间模块组成，动子模块和静子模块的相对位置的 变化实现基本单元的伸缩运动，基本单元的伸缩为利用电磁力实现直线运动的驱动。所述的动子模块包括轴、永磁体、固定件。其中，轴和固定件采用抗磁性材料，永磁 体安装在轴的中间位置，由轴的轴肩和固定件固定联接。动子模块通过左端盖和右端盖支 撑滑动。所述的静子模块包括左端盖、机壳、A相线圈、A相线圈骨架、B相线圈骨架、B相线 圈、右端盖。其中，A相线圈缠绕在A相线圈骨架上，B相线圈缠绕在B相线圈骨架上，A相 线圈和B相线圈的绕线通过机壳中间的小孔穿出。A相线圈骨架由左端盖和机壳的左边轴 肩相固定，左端盖和机壳通过机壳上左端的螺孔用螺栓固定。B相线圈骨架由右端盖和机壳 的右边轴肩固定，右端盖和机壳通过机壳上右端的螺孔用螺栓固定。所述的静子模块设置有A、B两相线圈，当A相线圈通电时，永磁体带动轴在A相电 磁场的作用下，向A相方向移动，实现基本单元的收缩状态，当B相线圈通电时，永磁体带动 轴在B相电磁场的作用下，向B相方向移动，实现基本单元的伸展状态。动子模块和静子 模块的相对位置是靠电磁场来调节的，电磁场不仅可以起到主动调节的作用，还可以起到 阻尼的作用，当动子的位置偏离目标位置时，电磁场可以把其拉回到目标位置。电磁阻尼避 免了动子和静子的刚性撞击，也解决了弹性阻尼易于疲劳损伤的问题。所述的抱闸模块是基本单元的重要组成部分，由抱闸线圈，弹簧，锁紧件等组成。 当基本单元不通电时，锁紧件在弹簧的作用下，紧紧的锁定轴，使动子模块和静子模块保持 相对静止。当基本单元通电时，抱闸模块受到电磁场力的作用，弹簧被压缩，锁紧件松动，与 轴分离，动子模块和静子模块可以在磁场力的作用下自由活动。抱间模块起着机械定位的 作用，当基本单元不需要运动时，可以通过抱闸模块保持其位置，而不需要持续不断的通入 电流，避免了能力的浪费以及由于持续通电导致的基本单元温度过快的上升。本技术基于电磁力的肌肉仿生驱动装置的串联连接方式是根据肌肉肌小节 的连接形式而设置的，串联连接方式可以在基本单元允许的范围内，成倍数的增加肌肉仿 生驱动装置的移动速度和加速度，较大的提升了驱动装置的驱动特性。把基本单元按照哺乳动物骨骼肌的结构形式串联，即组成了仿肌肉驱动装置。基 本单元长度不大于30mm，压缩率为50%，即收缩状态与伸展状态相差15mm。所述的串联 模式是上一级基本单元的动子链接在下一级基本单元的静子上，由于各级基本单元是分开 的，其运动和控制都是分离的，避免了各级基本单元之间的磁场干扰以及各级基本单元之 间的运动的干扰。这种串联的组成模式，可以在很大程度上提高仿肌肉驱动装置的驱动特 性，如位移、加速度、速度等各方面指标。在本技术电磁力的肌肉仿生驱动装置的控制方面，可以采用多种控制方式， 不同的控制方式可以实现不同的运动模式。控制方式主要可以分为仿生肌小节运动模式的 两位控制——驱动装置的动子仅停留在左右两个位置，和灵活性、平滑度更高的连续位置 控制。其中，两位控制的实现为动子模块和静子模块的相对运动形成了基本单元的伸缩运 动，当A相线圈通电产生的磁场和永磁体的磁场一致时，永磁体受到通电线圈的磁力作用， 运动到和A相线圈相平齐的位置。反之，B相线圈通电产生的磁场和永磁体磁场方向一致 时，永磁体运动到和B相线圈平齐的位置。永磁体带动轴运动，实现了基本单元的直线伸缩运动，即两位的运动模式。而连续位置控制则通过以下方式实现通过外界传感器反馈的实 时位置与力等负载的数据，根据目标位置解算出下一控制时刻的输出，然后给两端线圈同 时通电。通过调节每个线圈的电流方向和电流大小，则可以在行程范围内准确地控制动子 模块的位置，从而实现连续位置控制。本技术基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其模仿哺乳动物骨骼肌的结构和运 动形式，利用电磁力实现了直线驱动。本专利技术具有高加速度、机械磨损小、体积小、质量轻、 噪音低、节省能量等良好的驱动特性。其中响应速度可以达到毫秒级，最大效率可以达到 90%以上，最大应变也在40%以上，功率密度可达到200w/Kg。以下结合附图对本技术基于电磁力的肌肉仿生驱动装置作进一步详细的说 明。附图说明图1为本技术驱动装置的基本单元串联效果图。图2为本技术驱动装置的基本单元串联径向示意图。图3为本技术驱动装置的基本单元剖视图。图4为本技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置，其特征在于包括至少两个依次相串联连接的基本单元；所述的基本单元由动子模块、静子模块和抱闸模块组成，动子模块和静子模块的相对位置的变化实现基本单元的伸缩运动，基本单元的伸缩为利用电磁力实现直线运动的驱动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李靖，秦现生，尤向荣，谭小群，王占玺，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：实用新型
国别省市：87
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