[实用新型]电磁驱动仿生机械手臂

说明书

所属技术领域

本实用新型属于机械工程与自动化及机器人领域，具体涉及一种基于电磁力驱动的仿生机械手臂装置。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，对机器人手臂的收缩和伸展状态提出了更高的要求，而传统的电机传动机构方式不能满足越来越高的性能要求，由此，仿生肌肉和关节的设计成为了国内外研究的热点。电磁感应现象作为二十世纪的一个重大发现，是人类科技史上的一个重要里程碑。随着电磁技术的日益发展，电磁驱动装置在机械控制及自动化领域应用广泛，在机器人领域的应用也日趋成熟。基于电磁驱动仿生肌肉的研究具有广阔的前景。

基于仿生肌肉的驱动装置国内外都开展了广泛的研究，采用了多种多样的材料和技术，研究出了多种形式的肌肉仿生驱动装置，并取得了一些成绩。仿生肌肉驱动装置的种类根据其驱动原理可以分为两大类：材料变形驱动和机械驱动。材料变形驱动包括形状记忆合金、压电材料、智能高分子材料和电致伸缩聚合物等，通过特殊材料的变形来实现仿生肌肉的伸缩。机械驱动包括电机驱动、液压驱动、气压驱动和电磁驱动。材料变形驱动的缺点就是承载能力低响应速度慢，同样，机械驱动也存在不足。电机驱动结构尺寸大，灵活性差；气压驱动难于准确控制速度和位置、出力小、有噪声；液压驱动需液压设备，漏油和油温都会影响到驱动特性，稳定性差等。一个好的仿生肌肉驱动器应该具有优秀的驱动特性，结构简单，强度好，噪声低，能量密度大，柔顺性好，在应变和位移上应有较大优势，电磁驱动在这些方面的优势很突出。

专利201020553748.1中提及了一种基于电磁驱动的仿生肌肉结构，最后也组成了仿生机械手臂。虽然该专利有效的减轻了刚性碰撞与冲击，但所设计的仿生肌肉结构复杂，摩擦阻力较大，零部件较多，尺寸较大，必然导致整个结构的质量较大，提举力较小，且手臂伸缩的位移较小，线性位移难以保证，且无法仿真手臂关节的大角度旋转。

实用新型内容

本实用新型提出了一种基于电磁驱动的仿生机械手臂，该机械手臂不仅包含了仿生肌肉还包含了关节，是一个完整的仿生机械手臂，其特点在于机械结构简单，质量轻，摩擦阻力小，提举力大，手臂的伸缩位移大，关节转角大，线性位移得到保证，可以在一定程度上实现机械手臂的连续自由运动。

为了实现上述目标，本实用新型的技术方案如下：

一种电磁驱动仿生机械手臂，其特征在于，所述的仿生机械手臂主要由上臂仿生肌肉和下臂组成；

仿生肌肉由至少三个仿生肌小节连接而成，每个仿生肌小节包括一个电磁线圈模块和一个永磁体模块，所述的电磁线圈模块包括：一对A线圈骨架3和一对B线圈骨架9两两对齐地固定在加肋底板6的四个角上，两对A线圈4和B线圈8缠绕在线圈骨架上，每个线圈骨架内孔的外侧一端装有弹性元件，一个透明的外壳13安装在加肋底板6上；所述的永磁体模块包括：两根平行的中心连接轴1穿过线圈骨架的内孔，一对永磁体7通过螺栓连接固定在中心连接轴上并位于两个线圈骨架之间；各个仿生肌小节通过各自的中心连接轴连接成仿生肌肉，后一个仿生肌小节的中心连接轴的前端通过螺栓连接在前一个仿生肌小节的中心连接轴的后端上，每个仿生肌小节的加肋底板上都设置有安装在导轨上的滑块5；

机械手臂的下臂18为一个两端为圆柱状的方轴，仿生肌肉的顶端和导轨的顶端固接在顶板14上，仿生肌肉的底端的中心连接轴与连接件15相连接，连接件15底部安装有齿条16，两齿轮19以转动副的形式安装在轴17上，齿轮齿条相互啮合，下臂18固定连接在两齿轮19的外侧，下臂18与轴17以转动副相连接。

生物上组成肌肉的最小单元是肌小节，肌小节再通过串并联组成肌肉。根据仿生原理，我们将仿生肌肉的设计细化到仿生肌小节的设计，再将仿生肌小节通过串并联组成仿生肌肉，将仿生肌肉连接到骨架上，骨架之间通过关节联接，最终将仿生肌肉的直线伸缩运动转化为手臂关节的旋转运动，实现仿生机械手臂的自由运动。

根据电磁驱动的原理，对于基本单元仿生肌小节的结构设计主要包括两个模块：电磁线圈模块和永磁体模块，通过改变电磁线圈中的电流大小，实现两模块之间电磁力的变化，最终驱动两模块相对运动。电磁线圈模块主要由四个电磁线圈及线圈骨架，四个弹性元件，一个底板(滑板)和一个透明外壳组成。四个线圈骨架分别固定在矩形底板的四个角上，两两对齐，线圈事先绕好在线圈骨架上，在四个线圈骨架内孔的外侧一端都装有弹性元件，以减轻永磁体模块对电磁线圈模块相对运动时的刚性冲击。透明外壳最终安装在底板上。