[发明专利]一种基于电磁力的肌肉仿生驱动装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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的发明专利中，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。

发明内容

本发明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，本发明采用的技术方案是：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，其次则由基本单元的串联连接实现仿生肌肉驱动装置的设计。所述的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是基本单元的主体，两模块的相对位置的变化实现了基本单元的伸缩运动。

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。