本專利所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)樽詣?dòng)化、人工智能、機(jī)械義肢、玩具類。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有方法或裝置的缺陷：

1.現(xiàn)有機(jī)器人、仿生設(shè)備關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)一般靠關(guān)節(jié)處單獨(dú)的動(dòng)力裝置，使得動(dòng)力臂小于阻力臂，屬于不省力杠桿。2.受限于關(guān)節(jié)處有限的空間，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)所能安裝的驅(qū)動(dòng)裝置形體上有上限，動(dòng)力提升空間不大。3.現(xiàn)有機(jī)械馬達(dá)式驅(qū)動(dòng)裝置零件繁復(fù)，不易維護(hù)，動(dòng)作僵硬不靈活4.現(xiàn)有結(jié)構(gòu)多自由度的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)、方向控制零件組合。5.現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動(dòng)作操控精度有限。6.結(jié)構(gòu)整體復(fù)雜，不方便做附加功能擴(kuò)展。7.液壓式驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。8整體實(shí)用性不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一般來說，仿生結(jié)構(gòu)的骨骼與關(guān)節(jié)的動(dòng)作原理可以簡(jiǎn)化為軸（2）、連桿（1）結(jié)構(gòu)的動(dòng)作，其單一自由度的實(shí)現(xiàn)動(dòng)力來源于與本組骨骼關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的伸、屈兩組肌肉。本專利發(fā)明異于已有同類發(fā)明動(dòng)力裝置安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的思路，將軸桿關(guān)節(jié)與動(dòng)力模塊分離，通過定滑輪（8）構(gòu)成的動(dòng)力導(dǎo)向/著力位置控制裝置（3）調(diào)整作用于軸、桿（關(guān)節(jié)、骨骼）的力的位置和方向，盡可能地放大動(dòng)力力臂。利用螺旋線圈電磁固有的磁場(chǎng)特性，以外部螺旋線圈電磁體（6）和嵌入其內(nèi)的內(nèi)部螺旋線圈電磁體（7）組成電磁驅(qū)動(dòng)裝置（4），外部磁體位置相對(duì)固定，兩個(gè)磁體磁場(chǎng)作用時(shí)，內(nèi)部磁體可以在外部磁體內(nèi)做伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過帶動(dòng)模擬生物肌腱的繩牽組件（5）以模擬生物肌肉的舒展、收緊狀態(tài)。與生物肢體相同，同一組骨骼（連桿）、關(guān)節(jié)（軸）可以設(shè)置相互對(duì)應(yīng)的伸、屈兩組電磁驅(qū)動(dòng)裝置（4）（肌肉），通過調(diào)整外部接入的電流大小調(diào)節(jié)伸、屈兩組動(dòng)力之間的動(dòng)力差，則可以控制骨骼(連桿)的動(dòng)作幅度，達(dá)到模擬生物肢體的工作效果，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.各個(gè)關(guān)節(jié)處力臂力矩最大化，動(dòng)力效率高。2.作為結(jié)構(gòu)主體的關(guān)節(jié)（軸）和骨骼（連桿）與動(dòng)力模塊在位置上分離，復(fù)式螺旋線圈電磁體可以通過增加匝數(shù)及改變供電條件等大幅度提升動(dòng)力。3.單純電力驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力傳輸裝置簡(jiǎn)單，動(dòng)力輸出和作用都是線性的，機(jī)械響應(yīng)速度非?？?，動(dòng)力損失低。4.結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，降低故障率，提升維護(hù)性，且易于生產(chǎn)加工。5.利用結(jié)構(gòu)主體與動(dòng)力主體位置分立的優(yōu)點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)可以做多自由度的復(fù)雜的動(dòng)作組合。6.結(jié)構(gòu)的動(dòng)作可以精確控制，精度提升空間大。7.機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力結(jié)構(gòu)仿生，更接近生物肢體活動(dòng)原理，方便生物肢體與此類機(jī)械肢體的結(jié)合、配合。8.可以簡(jiǎn)化現(xiàn)有的自動(dòng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)人工智能結(jié)構(gòu)在其控制軟件上的復(fù)雜程度。9.結(jié)構(gòu)上的空余位置充裕，方便結(jié)構(gòu)整體做后續(xù)功能擴(kuò)展。10.可以和現(xiàn)有的其他自動(dòng)結(jié)構(gòu)技術(shù)上無縫結(jié)合。10.結(jié)構(gòu)整體結(jié)實(shí)穩(wěn)固，可以應(yīng)對(duì)相對(duì)高強(qiáng)度的實(shí)用工作。

附圖說明：

圖1是基礎(chǔ)骨骼零件圖：以連桿（1）模擬生物骨骼，前端設(shè)計(jì)為滑車面，尾端為關(guān)節(jié)面（滑車切跡）。骨骼前端滑車側(cè)安裝定滑輪(8)，用以固定力的作用點(diǎn)和改變動(dòng)力的傳輸方向，如果把骨骼尾端關(guān)節(jié)面作為結(jié)構(gòu)支點(diǎn)，則此設(shè)計(jì)動(dòng)力臂相當(dāng)于受力定滑輪到支點(diǎn)軸（2）的長(zhǎng)度。此結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱。不同的肢體部位結(jié)構(gòu)相同，長(zhǎng)度大小可做調(diào)整。

圖2是關(guān)節(jié)細(xì)節(jié)圖：骨骼【連桿（1）】與骨骼之間通過軸（2）接方式連接，骨骼滑車對(duì)應(yīng)另一骨骼的滑車切跡。兩支連桿（1）通過過剛性的繩牽組件（5）做動(dòng)力傳導(dǎo)。此處的繩牽組件（5）相當(dāng)于生物肌腱。當(dāng)屈肌肌肉【電磁驅(qū)動(dòng)裝置（4）】作用時(shí)，屈肌肌腱【繩牽組件（5）】收緊，帶動(dòng)骨骼【連桿（1）】基于另一骨骼做最大大于九十度的折疊；伸肌肌肉【電磁驅(qū)動(dòng)裝置（4）】作用時(shí)，伸肌肌腱繩牽組件（5）】收緊，帶動(dòng)骨骼【連桿（1）】復(fù)位，完全收緊時(shí)各個(gè)骨骼【連桿（1）】端點(diǎn)基本處于同一直線，模仿人類手指完全伸展的狀態(tài)。由于動(dòng)力的作用點(diǎn)均在指骨頂端，所以伸與屈的作用過程均是省力杠桿的作用過程。

圖3是復(fù)式電磁驅(qū)動(dòng)裝置（4）圖：此結(jié)構(gòu)由內(nèi)部螺旋線圈電磁體（7）外部螺旋線圈電磁體（6）兩個(gè)螺旋線圈式電磁鐵組成，線圈纏繞方向一致，電流方向一致。當(dāng)通電時(shí)，磁體內(nèi)外均會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。外部磁體中空，內(nèi)部磁體直徑小于外部磁體的內(nèi)徑（最理想的狀態(tài)是外部磁體的內(nèi)部磁場(chǎng)與內(nèi)部磁體的外部磁場(chǎng)重疊）以作嵌套，磁場(chǎng)作用時(shí)，內(nèi)部螺旋電磁體（7）可以在外部螺旋電磁體（6）內(nèi)做伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖4是復(fù)式螺旋線圈電磁體磁場(chǎng)方向圖：如圖，外部螺旋電磁體（6）內(nèi)部磁場(chǎng)方向與內(nèi)部螺旋電磁體（7）外部磁場(chǎng)方向相反，通電后兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用，使內(nèi)部螺旋電磁體磁體（7）收進(jìn)外部螺旋電磁體（6）內(nèi)部，電流減弱時(shí)磁力下降，電流停止時(shí)磁場(chǎng)消失。以此帶動(dòng)與內(nèi)部螺旋電磁體（6）連接的繩牽組件（5），使動(dòng)力作用于各個(gè)骨骼【連桿（1）】與關(guān)節(jié)【軸（2）】，實(shí)現(xiàn)骨骼的伸屈。

圖5是動(dòng)力模塊圖：如圖，復(fù)式螺旋線圈電磁體肌肉構(gòu)成的伸屈兩組電磁驅(qū)動(dòng)裝置（4）固定于肢體骨骼【連桿（1）】上，組成整個(gè)動(dòng)力模塊。

圖6是結(jié)構(gòu)整體圖：電磁驅(qū)動(dòng)裝置（4）通過繩牽組件（5）作用于骨骼【連桿（1）】滑車面?zhèn)鹊挠啥ɑ啠?）組成的動(dòng)力導(dǎo)向/著力位置控制裝置（3），使骨骼【連桿（1）】基于另一骨骼【連桿（1）】的滑車面做折疊或復(fù)位，模仿生物肢體的屈伸動(dòng)作。此過程中，首先接入繩牽組件的滑輪主要控制連桿（1）的動(dòng)力著力點(diǎn)，其次的定滑輪主要用于控制對(duì)下一節(jié)連桿（1）輸出的力的起始位置。以盡量拉長(zhǎng)動(dòng)力臂。其次的定滑輪與其先的定滑輪軸心連線與連桿中心線成一定角度，以便確定兩個(gè)連桿折疊角度大于九十度。整個(gè)過程都是省力杠桿的作用過程。此過程可以通過調(diào)整電流在伸屈兩組復(fù)式螺旋電磁肌肉中間形成的動(dòng)力差，以調(diào)整連桿（1）伸屈折疊的角度，控制整個(gè)肢體的動(dòng)作幅度。未來可以通過更精細(xì)化的設(shè)計(jì)調(diào)整伸屈肌肉組各個(gè)部件的位置，并通過精準(zhǔn)控制電流強(qiáng)度來控制整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)作精度和反應(yīng)靈敏性。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種電磁帶動(dòng)的機(jī)械軸桿關(guān)節(jié)彎曲自由度實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明屬于自動(dòng)化、人工智能、機(jī)械義肢、玩具等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動(dòng)力不足、動(dòng)作僵硬不夠靈活、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的技術(shù)問題，利用螺旋線圈電磁固有的磁場(chǎng)特性，設(shè)計(jì)復(fù)式電磁模擬生物肌肉，特殊的軸桿結(jié)構(gòu)模擬生物骨骼、關(guān)節(jié)。整體反應(yīng)迅速靈敏，動(dòng)力強(qiáng)勁，可用于制造人工智能、高仿生義肢、仿生玩具等。

技術(shù)研發(fā)人員：李路路
受保護(hù)的技術(shù)使用者：李路路
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.26
技術(shù)公布日：2017.09.15