可塑柔性磁體電磁模擬肌肉的製作方法

2023-05-17 21:57:11 5

專利名稱：可塑柔性磁體電磁模擬肌肉的製作方法
技術領域：
本發明屬於為機械關節曲折動作提供牽引力的一種電磁牽引裝置。它適用於機械人機械肢體關節動作的動力源，使機械關節可通過計算機實現自動精密的受控運動。
在此之前的機械關節的運動，是由機械的齒型傳動，槓桿傳動，液壓傳動，氣壓傳動或電機、步進電機驅動方式來實現的。它們普遍存在的問題是傳動方式複雜、體積龐大、動作粗糙、笨拙、生硬，無法實現簡潔柔和、精細輕巧的擬人動作。
本發明的目的是提供一種可塑柔性磁體電磁牽引裝置，外型模擬人體肌肉的外觀，在提供電源電壓後，本裝置將像人體肌肉一樣呈收縮狀態而產生收縮牽引力。這個牽引力的大小，隨所加電壓的大小而變化。
本發明提供的這種裝置，可根據機械肢體的整體尺寸要求和所需牽引力的大小來確定它的結構尺寸。一個機械關節可由一個或若干個本發明提供的裝置組合後實現複雜的動作，並可由計算機控制實現機械肢體的擬人動作。
根據本裝置的外觀、功能和作用，本發明提供的這種裝置全稱為可塑柔性磁體電磁模擬肌肉。
下面，結合說明書附圖
詳細說明。
附圖一為模擬肌肉釋放狀態，在外力作用下舒展開。它由鐵芯(1)、極帽(2)、線圈(3)、磁隙套(4)、可塑柔性磁體(5)、彈性外套(6)由內向外依次組裝而成。其中，鐵芯(1)、極帽(2)由坡莫合金製作;線圈(3)由高強漆包線繞制;磁隙套(4)由尼龍或聚四氟乙稀製成。這四個部件共同組成兩端呈球狀端的圓柱體。兩個球狀端頂部各留有用來固定兩個可塑柔性磁體(5)的固定端(7)。這個鐵芯總成是模擬肌肉的電磁動力源。
可塑柔性磁體(5)是本發明的核心。它由厚度約為0.01-0.05毫米的高強低彈性聚脂膜製成袋囊，內部充填含有百分之六十至百分之八十坡莫合金鐵粉的矽油混合液組裝而成。袋囊為呈水滴狀成型袋，大頭的中心端固定在鐵芯總成球形端中心的固定點(7)上。每個模擬肌肉有兩個可塑柔性磁體分置鐵芯總成的兩端。兩個可塑柔性磁體(5)的小頭端分別和彈性外套(6)的兩端固結，並一同分別固定在受控機械關節的兩個活動杆的受力點上，對機械關節提供動作的動力。
矽油混合液中，矽油用來降低鐵粉的摩擦係數，同時使袋囊保持飽滿的外形。
鐵粉為250目以上的坡莫合金粉。在鐵芯線圈(3)通電時鐵芯總成產生的電磁場作用下，向鐵芯總成靠攏，從而對兩端產生牽引力。
彈性外套(6)使模擬肌肉獲得平滑的外形，同時使模擬肌肉與外部機械保持穩定的狀態，當模擬肌肉不加電時，提供恢復舒展狀態的部分外力。
加電後的狀態參見說明書附圖二。
隨著外加電壓的增加，可塑柔性磁體(5)內的鐵粉在鐵芯總成產生的電磁場作用下，由兩端向鐵芯球面端靠攏，從而牽動聚脂膜袋囊也向鐵芯靠攏和產生翻轉變形，因而牽引機械關節臂作彎曲動作。鐵芯總成獲取的電功率越高，鐵粉被吸附的越多，直至帶動袋囊向鐵芯腰部爬行。袋囊在鐵芯和鐵粉間吸附力的作用下，翻轉變形並貼附在鐵芯總成的表面，隨著鐵芯吸附鐵粉量的增加，袋囊不斷變形，被鐵粉帶動向鐵芯總成的腰部磁隙處靠攏。
當兩端的可塑柔性磁體(5)在到達鐵芯總成腰部的磁隙區後，內部的鐵粉在磁場的作用下產生相互吸引的作用力，進一步加大牽引力，更有力地牽動機械關節的運動，直到兩端的兩個可塑柔性磁體在鐵芯總成的腰部磁隙處合攏形成閉合磁路。模擬肌肉的收縮達到極限，它的中腰部隆起，受控的機械關節彎曲也達到極限。
當外加電壓減弱或消失時，電磁作用力也隨之減弱或消失，機械關節在其它外力(反方向彈性力或反方向牽引的另一組可塑柔性磁體電磁模擬肌肉)作用下逐漸伸直，直到恢復原始狀態。
鐵芯，極帽和鐵粉採用坡莫合金製作，以求獲得最低的矯頑力和磁滯損耗，從而獲得較強的電磁作用力。又由於坡莫合金有很窄的磁滯回線，容易獲得較大範圍的線性功率控制區，使模擬肌肉的牽引力有一段較寬裕的隨電功率線性變化的區域，便於控制機械肢體作柔合準確的動作。
兩端極帽(2)的導磁截面積各為鐵芯導磁截面積的一半，為可塑磁性體提供足夠的磁場強度。
聚脂膜袋囊的大頭球部表面積要大於極帽(2)的球部表面積，以保證袋囊在翻轉變形時，為鐵粉向鐵芯總成的腰部爬行時提供足夠的空間，使兩端的可塑柔性磁體(5)可以在鐵芯總成的腰部閉合。
模擬肌肉牽引力的大小，由鐵芯總成提供的電磁吸力所決定。這個電磁吸力的大小暫時由直流電磁鐵有極帽、短行程電磁吸力方程估算。方程式如下Fc = (BO2SZC12C22)/(2μo) (N)式中Bo-等效氣隙端面處的磁感應強廢(T)Sz-等效氣隙端面面積(M2)C1-等效氣隙端面直徑與極帽直徑之比，取1.0-1.6C2-極帽直徑與鐵芯直徑之比，取1.6-2.0μo-空氣導磁率，其值為0.000001256637(H/M)由於可塑柔性磁體電磁模擬肌肉的各部分工作方式和磁場分布狀況與普通的直流電磁鐵有很大的區別，因此，計算參數和計算結果僅能作近似參考值。
模擬肌肉的總體結構尺寸，取決於對它要求的牽引力大小和機械肢體關節的總體尺寸要求。
由於本發明所提供的可塑柔性磁體電磁模擬肌肉，將以往電磁鐵固體磁體從動改為可塑柔性磁體從動，因而獲得了外形與人體肌肉相似、體積小而相對收縮尺寸大、收縮牽引柔和、動作位移細膩平滑、外形使組裝簡單、組裝適應性強、相對普通電磁鐵，它的牽引力大、線性控制範圍大、運行時沒有噪聲以及功耗低，容易實現計算機控制等諸多優點。
本發明可為機械人肢體和機械手提供優良的動力源。
權利要求
1.由高強度低彈性聚脂膜製成的袋囊，內部充填含有百分之六十至百分之八十坡莫合金鐵粉的矽油混合液的可塑柔性磁體(5)。
2.由鐵芯(1)、極帽(2)、線圈(3)、磁隙套(4)、和兩個按權利要求1組裝成的可塑柔性磁體(5)、及彈性外套(6)按順序由內向外組裝而成的可塑柔性磁體電磁模擬肌肉。
3.按權利要求2組成的裝置中，由鐵芯(1)、極帽(2)、線圈(3)、磁隙套(4)組成的鐵芯總成，兩端呈球面狀，在兩個極帽(2)球頂中心，分別留有固定可塑柔性磁體的固定端(7)。線圈(3)導線由磁隙套中部引出。
4.按權利要求3組成的裝置，兩個按權利要求1組成的可塑柔性磁體的大球面端中心分別固定在鐵芯總成的兩個極帽球頂中心固定點上，它們的另一端，分別和彈性外套(6)的兩端固結。
5.按權利要求2、3、4規定組成的裝置，由彈性外套(6)全部包容在內，形成一個外形與人體肌肉相似的完整體。彈性外套(6)的兩端分別固結內部兩個可塑柔性磁體的外端。使用時，這兩端分別固定在一個機械關節的兩個活動杆的相應固定位。
6.按權利要求2、3、4、5組成的裝置，其特點是，對外界產生的收縮牽引力，是由兩個可塑柔性磁體(5)在鐵芯總成提供的電磁場的作用下，因收縮變形而獲得的。這個牽引力的大小，取決於鐵芯線圈向電源獲取的電功率和鐵芯總成所產生的電磁力的大小。
全文摘要
本發明提供一種用於機械肢體關節動作所需動力的可塑柔性磁體電磁模擬肌肉。它將以往電磁鐵固體磁體從動改為可塑柔性磁體從動。在電磁場作用下，由可塑柔性磁體的收縮變形產生的牽引力來改變機械肢體的狀態。該電磁模擬肌肉牽引力的大小和變形狀態，取決於取用電源電功率的大小。該電磁模擬肌肉可根據所需牽引力的大小和機械肢體的體積要求製作成不同的大小外形尺寸。一個機械關節的動作，可以由一個或若干個本發明提供的可塑柔性磁體電磁模擬肌肉組合來提供牽引動力、在計算機控制下，實現機械肢體簡潔、柔和、精細、輕巧、準確的擬人動作。
文檔編號H01F7/00GK1054497SQ9010601
公開日1991年9月11日 申請日期1990年12月25日 優先權日1990年12月25日
發明者殷寶華, 周洪直 申請人:周洪直