[實用新型]電磁驅動仿生機械手臂

有效

• 申請號: 201420243463.6
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN203919043U
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 李英;杭鵬;韓騰騰;井曉陽;張偉
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/12;H02K33/18
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司 31203
• 代理人: 談順法

所屬技術領域

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

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景。

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。

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

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。

為了實現上述目標，本實用新型的技術方案如下：

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1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；

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。

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。

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。