電磁驅動仿生機械手臂的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基電磁驅動仿生機械手臂，主要由上臂仿生肌肉和下臂組成；仿生肌肉由至少三個仿生肌小節連接而成，每個仿生肌小節包括一個電磁線圈模塊和一個永磁體模塊，根據電磁驅動原理實現仿生肌小節內部電磁線圈模塊和永磁體模塊的相對運動，再將仿生肌小節串聯成為仿生肌肉，從而實現仿生肌肉的伸縮運動，最終帶動機械手臂做旋轉運動。本實用新型的特點在于機械手臂關節采用齒輪齒條嚙合結構使機械手臂轉動更加平穩，轉角范圍更大。采用多組電磁線圈并聯以加大電磁驅動力。線圈骨架固定底板使用肋板結構，加快線圈散熱。采用滑軌滑塊結構，使仿生肌肉伸縮過程線性位移得以保證，運動過程更加平穩，方向性更好。
【專利說明】電磁驅動仿生機械手臂
所屬【技術領域】
[0001]本實用新型屬于機械工程與自動化及機器人領域，具體涉及一種基于電磁力驅動的仿生機械手臂裝置。

【背景技術】
[0002]隨著機器人技術的不斷發展，對機器人手臂的收縮和伸展狀態提出了更高的要求，而傳統的電機傳動機構方式不能滿足越來越高的性能要求，由此，仿生肌肉和關節的設計成為了國內外研究的熱點。電磁感應現象作為二十世紀的一個重大發現，是人類科技史上的一個重要里程碑。隨著電磁技術的日益發展，電磁驅動裝置在機械控制及自動化領域應用廣泛，在機器人領域的應用也日趨成熟。基于電磁驅動仿生肌肉的研究具有廣闊的前旦
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[0003]基于仿生肌肉的驅動裝置國內外都開展了廣泛的研究，采用了多種多樣的材料和技術，研究出了多種形式的肌肉仿生驅動裝置，并取得了一些成績。仿生肌肉驅動裝置的種類根據其驅動原理可以分為兩大類:材料變形驅動和機械驅動。材料變形驅動包括形狀記憶合金、壓電材料、智能高分子材料和電致伸縮聚合物等，通過特殊材料的變形來實現仿生肌肉的伸縮。機械驅動包括電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動和電磁驅動。材料變形驅動的缺點就是承載能力低響應速度慢，同樣，機械驅動也存在不足。電機驅動結構尺寸大，靈活性差；氣壓驅動難于準確控制速度和位置、出力小、有噪聲；液壓驅動需液壓設備，漏油和油溫都會影響到驅動特性，穩定性差等。一個好的仿生肌肉驅動器應該具有優秀的驅動特性，結構簡單，強度好，噪聲低，能量密度大，柔順性好，在應變和位移上應有較大優勢，電磁驅動在這些方面的優勢很突出。
[0004]專利201020553748.1中提及了一種基于電磁驅動的仿生肌肉結構，最后也組成了仿生機械手臂。雖然該專利有效的減輕了剛性碰撞與沖擊，但所設計的仿生肌肉結構復雜，摩擦阻力較大，零部件較多，尺寸較大，必然導致整個結構的質量較大，提舉力較小，且手臂伸縮的位移較小，線性位移難以保證，且無法仿真手臂關節的大角度旋轉。
實用新型內容
[0005]本實用新型提出了一種基于電磁驅動的仿生機械手臂，該機械手臂不僅包含了仿生肌肉還包含了關節，是一個完整的仿生機械手臂，其特點在于機械結構簡單，質量輕，摩擦阻力小，提舉力大，手臂的伸縮位移大，關節轉角大，線性位移得到保證，可以在一定程度上實現機械手臂的連續自由運動。
[0006]為了實現上述目標，本實用新型的技術方案如下:
[0007]—種電磁驅動仿生機械手臂，其特征在于，所述的仿生機械手臂主要由上臂仿生肌肉和下臂組成；
[0008]仿生肌肉由至少三個仿生肌小節連接而成，每個仿生肌小節包括一個電磁線圈模塊和一個永磁體模塊，所述的電磁線圈模塊包括:一對A線圈骨架3和一對B線圈骨架9兩兩對齊地固定在加肋底板6的四個角上,兩對A線圈4和B線圈8纏繞在線圈骨架上，每個線圈骨架內孔的外側一端裝有彈性元件，一個透明的外殼13安裝在加肋底板6上；所述的永磁體模塊包括:兩根平行的中心連接軸I穿過線圈骨架的內孔，一對永磁體7通過螺栓連接固定在中心連接軸上并位于兩個線圈骨架之間；各個仿生肌小節通過各自的中心連接軸連接成仿生肌肉，后一個仿生肌小節的中心連接軸的前端通過螺栓連接在前一個仿生肌小節的中心連接軸的后端上，每個仿生肌小節的加肋底板上都設置有安裝在導軌上的滑塊5 ；
[0009]機械手臂的下臂18為一個兩端為圓柱狀的方軸，仿生肌肉的頂端和導軌的頂端固接在頂板14上，仿生肌肉的底端的中心連接軸與連接件15相連接，連接件15底部安裝有齒條16，兩齒輪19以轉動副的形式安裝在軸17上，齒輪齒條相互嚙合，下臂18固定連接在兩齒輪19的外側，下臂18與軸17以轉動副相連接。
[0010]生物上組成肌肉的最小單元是肌小節，肌小節再通過串并聯組成肌肉。根據仿生原理，我們將仿生肌肉的設計細化到仿生肌小節的設計，再將仿生肌小節通過串并聯組成仿生肌肉，將仿生肌肉連接到骨架上，骨架之間通過關節聯接，最終將仿生肌肉的直線伸縮運動轉化為手臂關節的旋轉運動，實現仿生機械手臂的自由運動。
[0011]根據電磁驅動的原理，對于基本單元仿生肌小節的結構設計主要包括兩個模塊:電磁線圈模塊和永磁體模塊，通過改變電磁線圈中的電流大小，實現兩模塊之間電磁力的變化，最終驅動兩模塊相對運動。電磁線圈模塊主要由四個電磁線圈及線圈骨架，四個彈性元件，一個底板(滑板)和一個透明外殼組成。四個線圈骨架分別固定在矩形底板的四個角上，兩兩對齊，線圈事先繞好在線圈骨架上，在四個線圈骨架內孔的外側一端都裝有彈性元件，以減輕永磁體模塊對電磁線圈模塊相對運動時的剛性沖擊。透明外殼最終安裝在底板上。
[0012]永磁體模塊主要由中心連接軸和永磁體組成。永磁體通過螺栓連接固定在中心連接軸上。中心連接軸穿過電磁線圈模塊上的兩個線圈骨架的內孔，相對運動時永磁體的位置位于電磁線圈模塊上兩個線圈骨架之間，通過改變兩個線圈中電流的大小和方向，實現永磁體和電磁線圈的相對運動。實現上述運動需要兩個電磁線圈和一個永磁體，為了增加電磁驅動力的大小，采用兩組電磁線圈(四個電磁線圈)及兩個永磁體模塊。這相當于兩個電磁力并聯在一起，從而將電磁驅動力加倍。這就組成了一個仿生肌小節單元。
[0013]對于多個仿生肌小節的連接，A仿生肌小節單元永磁體模塊中心連接軸的后端通過螺栓連接B仿生肌小節單元電磁線圈模塊的前端，依次，B仿生肌小節單元永磁體模塊中心連接軸的前端通過螺栓連接C仿生肌小節單元電磁線圈模塊的后端，照此連接方式依次連接，實現電磁驅動力的傳遞。
[0014]考慮到電磁力較大時通過線圈的電流較大，線圈散熱量較大，對底板進行特殊結構的設計，根據傳熱學知識，在固定電磁線圈骨架的底板的另一面添加肋板，加大線圈的散熱面積，以避免線圈因通入電流過大，溫度過高而燒壞線圈。
[0015]將仿生肌小節單元進行串聯連接之后組成一塊仿生肌肉，在所有底板下面安裝有滑塊，再將滑塊都安裝在導軌上，所有的仿生肌小節單元都能在導軌上實現自由滑動，這保證了仿生肌小節在伸縮過程中的線性位移，電磁驅動力傳遞的方向更加精確。
[0016]仿生肌肉的頂端和導軌的頂端都固接在一個頂板上，這樣固定了仿生肌肉的一端，另一端與兩齒條連接在一起，仿生肌肉的上下伸縮運動可以帶動齒條上下直線運動。在導軌的下端固接一方軸，方軸兩端是圓柱狀，兩齒輪以轉動副的形式安裝在方軸的兩端，齒輪齒條相互嚙合，齒條的直線運動轉化為齒輪的轉動，再將機械手臂的下臂固接在兩齒輪上，齒輪的轉動帶動下臂運動。
[0017]本實用新型的特點在于:
[0018]1、采用兩組電磁線圈并聯，很大程度上增大了電磁驅動力，從而增大了機械手臂的提舉力；
[0019]2、采用滑塊導軌對仿生肌肉的伸縮方向進行引導，使仿生肌肉的線性位移得到保證；
[0020]3、采用齒輪齒條嚙合傳動對手臂關節進行結構設計，使手臂轉動更加平穩連續，很大程度上增大了手臂的轉角。
[0021]4、采用加肋板的底板和半封閉的外殼使仿生肌肉電磁線圈的散熱效果得以改善，提高了電磁線圈的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型仿生肌小節的剖視圖
[0023]其中，1:中心連接軸；2 ；A彈性元件；3 ；A線圈骨架；4:A電磁線圈；5:滑塊；6:力口肋底板；7:永磁體；8:B電磁線圈；9:B線圈骨架；10:B彈性元，13:外殼。
[0024]圖2為本實用新型仿生肌小節結構示意圖；
[0025]其中，1:中心連接軸；6:加肋底板；9:B線圈骨架；13:外殼。
[0026]圖3為本實用新型三個仿生肌小節串聯的示意圖；
[0027]圖4為本實用新型三個仿生肌小節串聯的剖視圖；
[0028]圖5為本實用新型電磁驅動仿生機械手臂的結構示意圖
[0029]其中，14:頂板；15連接件；16齒條；17軸；18下臂；19齒輪；20滑軌。

【具體實施方式】
[0030]如圖1、圖2所示，展示了本實用新型機械手臂仿生肌肉的基本單元，即仿生肌小節，它主要由電磁線圈模塊和永磁體模塊組成，其中A電磁線圈4纏繞在A線圈骨架3上，B電磁線圈8纏繞在B線圈骨架9上，它們分別固定在加肋底板6的兩端，A彈性元件2安裝在A線圈骨架3的右端，B彈性元件10安裝在B線圈骨架9的左端，滑塊5安裝在加肋底板6的底端。永磁體模塊兩根平行的中心連接軸I穿過線圈骨架的內孔，一對永磁體7通過螺栓連接固定在中心連接軸上并位于兩個線圈骨架之間；前一個仿生肌小節的中心連接軸I通過螺栓連接在后面一個仿生肌小節B線圈骨架上，如圖3所示。中心連接軸、加肋底板、滑塊以及線圈骨架都采用抗磁材料。彈性元件用于減輕永磁體運動過程中的沖擊。
[0031]在控制方面，以一個仿生肌小節為例，當A電磁線圈4通入的電流產生的磁場方向與永磁體7的磁場方向相同時，此時永磁體7將向右運動到A電磁線圈4的右端，A彈性元件2與永磁體7接觸，用于緩沖。在A電磁線圈4通電的同時可以將B電磁線圈8通入相反方向的電流，此時B電磁線圈8產生的磁場方向與永磁體7的磁場方向相反，將增加永磁體7向右運動的推動力，使永磁體7具有更快的響應速度，同時產生更大的電磁驅動力。永磁體7向右運動將帶動中心連接軸I向右運動，使得整個永磁體模塊向右運動，向左運動也是類似的控制方式，因為該永磁體模塊與后面一個仿生肌小節的電磁線圈模塊相連接，如圖3圖4所示，從而帶動后面一個仿生肌小節的電磁線圈模塊運動，依次類推，整個仿生肌肉實現自由伸縮運動。為了進一步加大電磁驅動力，在加肋底板上安裝了兩組(四個)電磁線圈模塊和兩組永磁體模塊相配合。
[0032]如圖5所示，三個仿生肌小節單元相互串聯安裝在滑軌20上，最上面一節仿生肌小節的中心連接軸固定在頂板14上，最下面一節仿生肌小節尾部的中心連接軸與連接件15相連接，連接件15底部安裝有齒條16。滑軌頂端安裝在固定板14上，底端安裝在軸17上，軸17的兩端裝有兩個齒輪19，兩齒輪19與軸17是以轉動副相連接，在兩齒輪19的外側裝有下臂18，下臂18與軸17以轉動副相連接，與齒輪19固接，齒輪19轉動將帶動下臂同步轉動。
[0033]每個仿生肌小節的伸縮距離為40mm，三個仿生肌小節的伸縮總距離為120mm，則齒條的有效行程為120mm,齒輪與齒條嚙合傳動，為使下臂的轉動范圍為0°?180° ,則齒輪分度圓的直徑為76.4mm。
[0034]因為設計的是四個仿生肌小節單元，每個單元伸縮一次就可以改變下臂旋轉后停留的位置。理論上，下臂可以在四個位置進行停留:180°，120° ,60°，0°。所示角度即下臂與上臂之間夾角。
【權利要求】
1.一種電磁驅動仿生機械手臂，其特征在于，所述的仿生機械手臂主要由上臂仿生肌肉和下臂組成； 仿生肌肉由至少三個仿生肌小節連接而成，每個仿生肌小節包括一個電磁線圈模塊和一個永磁體模塊，所述的電磁線圈模塊包括:一對A線圈骨架(3)和一對B線圈骨架(9)兩兩對齊地固定在加肋底板(6)的四個角上,兩對A線圈(4)和B線圈(8)纏繞在線圈骨架上，每個線圈骨架內孔的外側一端裝有彈性元件，一個透明的外殼(13)安裝在加肋底板(6)上；所述的永磁體模塊包括:兩根平行的中心連接軸(I)穿過線圈骨架的內孔，一對永磁體(7)通過螺栓連接固定在中心連接軸上并位于兩個線圈骨架之間；每個仿生肌小節通過各自的中心連接軸連接成仿生肌肉，后一個仿生肌小節的中心連接軸的前端通過螺栓連接在前一個仿生肌小節的中心連接軸的后端上，每個仿生肌小節的加肋底板上都設置有安裝在導軌上的滑塊(5)； 機械手臂的下臂(18)為一個兩端為圓柱狀的方軸，仿生肌肉的頂端和導軌的頂端固接在頂板(14)上，仿生肌肉的底端的中心連接軸與連接件(15)相連接，連接件(15)底部安裝有齒條(16)，兩齒輪(19)以轉動副的形式安裝在軸(17)上，齒輪齒條相互嚙合，下臂(18)固定連接在兩齒輪(19)的外側，下臂(18)與軸(17)以轉動副相連接。
【文檔編號】B25J9/00GK203919043SQ201420243463
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】李英, 杭鵬, 韓騰騰, 井曉陽, 張偉 申請人:華東理工大學