本專利所屬技術領域為自動化、人工智能、機械義肢、玩具類。

背景技術：

現(xiàn)有方法或裝置的缺陷：

1.現(xiàn)有機器人、仿生設備關節(jié)驅(qū)動一般靠關節(jié)處單獨的動力裝置，使得動力臂小于阻力臂，屬于不省力杠桿。2.受限于關節(jié)處有限的空間，現(xiàn)有結構所能安裝的驅(qū)動裝置形體上有上限，動力提升空間不大。3.現(xiàn)有機械馬達式驅(qū)動裝置零件繁復，不易維護，動作僵硬不靈活4.現(xiàn)有結構多自由度的實現(xiàn)需要復雜的驅(qū)動、方向控制零件組合。5.現(xiàn)有結構動作操控精度有限。6.結構整體復雜，不方便做附加功能擴展。7.液壓式驅(qū)動響應時間過長。8整體實用性不高。

技術實現(xiàn)要素：

一般來說，仿生結構的骨骼與關節(jié)的動作原理可以簡化為軸（2）、連桿（1）結構的動作，其單一自由度的實現(xiàn)動力來源于與本組骨骼關節(jié)對應的伸、屈兩組肌肉。本專利發(fā)明異于已有同類發(fā)明動力裝置安裝在關節(jié)內(nèi)部的思路，將軸桿關節(jié)與動力模塊分離，通過定滑輪（8）構成的動力導向/著力位置控制裝置（3）調(diào)整作用于軸、桿（關節(jié)、骨骼）的力的位置和方向，盡可能地放大動力力臂。利用螺旋線圈電磁固有的磁場特性，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)動裝置（4），外部磁體位置相對固定，兩個磁體磁場作用時，內(nèi)部磁體可以在外部磁體內(nèi)做伸縮往復運動，通過帶動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）、關節(jié)（軸）可以設置相互對應的伸、屈兩組電磁驅(qū)動裝置（4）（肌肉），通過調(diào)整外部接入的電流大小調(diào)節(jié)伸、屈兩組動力之間的動力差，則可以控制骨骼(連桿)的動作幅度，達到模擬生物肢體的工作效果，具有以下優(yōu)勢：

1.各個關節(jié)處力臂力矩最大化，動力效率高。2.作為結構主體的關節(jié)（軸）和骨骼（連桿）與動力模塊在位置上分離，復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力。3.單純電力驅(qū)動，動力傳輸裝置簡單，動力輸出和作用都是線性的，機械響應速度非常快，動力損失低。4.結構清晰簡單，降低故障率，提升維護性，且易于生產(chǎn)加工。5.利用結構主體與動力主體位置分立的優(yōu)點，使結構可以做多自由度的復雜的動作組合。6.結構的動作可以精確控制，精度提升空間大。7.機械結構和動力結構仿生，更接近生物肢體活動原理，方便生物肢體與此類機械肢體的結合、配合。8.可以簡化現(xiàn)有的自動結構及相關人工智能結構在其控制軟件上的復雜程度。9.結構上的空余位置充裕，方便結構整體做后續(xù)功能擴展。10.可以和現(xiàn)有的其他自動結構技術上無縫結合。10.結構整體結實穩(wěn)固，可以應對相對高強度的實用工作。

附圖說明：

圖1是基礎骨骼零件圖：以連桿（1）模擬生物骨骼，前端設計為滑車面，尾端為關節(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和改變動力的傳輸方向，如果把骨骼尾端關節(jié)面作為結構支點，則此設計動力臂相當于受力定滑輪到支點軸（2）的長度。此結構左右對稱。不同的肢體部位結構相同，長度大小可做調(diào)整。

圖2是關節(jié)細節(jié)圖：骨骼【連桿（1）】與骨骼之間通過軸（2）接方式連接，骨骼滑車對應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）做動力傳導。此處的繩牽組件（5）相當于生物肌腱。當屈肌肌肉【電磁驅(qū)動裝置（4）】作用時，屈肌肌腱【繩牽組件（5）】收緊，帶動骨骼【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)動裝置（4）】作用時，伸肌肌腱繩牽組件（5）】收緊，帶動骨骼【連桿（1）】復位，完全收緊時各個骨骼【連桿（1）】端點基本處于同一直線，模仿人類手指完全伸展的狀態(tài)。由于動力的作用點均在指骨頂端，所以伸與屈的作用過程均是省力杠桿的作用過程。

圖3是復式電磁驅(qū)動裝置（4）圖：此結構由內(nèi)部螺旋線圈電磁體（7）外部螺旋線圈電磁體（6）兩個螺旋線圈式電磁鐵組成，線圈纏繞方向一致，電流方向一致。當通電時，磁體內(nèi)外均會產(chǎn)生磁場。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)部磁場與內(nèi)部磁體的外部磁場重疊）以作嵌套，磁場作用時，內(nèi)部螺旋電磁體（7）可以在外部螺旋電磁體（6）內(nèi)做伸縮往復運動。

圖4是復式螺旋線圈電磁體磁場方向圖：如圖，外部螺旋電磁體（6）內(nèi)部磁場方向與內(nèi)部螺旋電磁體（7）外部磁場方向相反，通電后兩個磁場相互作用，使內(nèi)部螺旋電磁體磁體（7）收進外部螺旋電磁體（6）內(nèi)部，電流減弱時磁力下降，電流停止時磁場消失。以此帶動與內(nèi)部螺旋電磁體（6）連接的繩牽組件（5），使動力作用于各個骨骼【連桿（1）】與關節(jié)【軸（2）】，實現(xiàn)骨骼的伸屈。

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

圖6是結構整體圖：電磁驅(qū)動裝置（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?）組成的動力導向/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位，模仿生物肢體的屈伸動作。此過程中，首先接入繩牽組件的滑輪主要控制連桿（1）的動力著力點，其次的定滑輪主要用于控制對下一節(jié)連桿（1）輸出的力的起始位置。以盡量拉長動力臂。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，以便確定兩個連桿折疊角度大于九十度。整個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式螺旋電磁肌肉中間形成的動力差，以調(diào)整連桿（1）伸屈折疊的角度，控制整個肢體的動作幅度。未來可以通過更精細化的設計調(diào)整伸屈肌肉組各個部件的位置，并通過精準控制電流強度來控制整個結構的動作精度和反應靈敏性。

技術特征：

技術總結
一種電磁帶動的機械軸桿關節(jié)彎曲自由度實現(xiàn)結構。本發(fā)明屬于自動化、人工智能、機械義肢、玩具等領域的相關技術。解決現(xiàn)有結構動力不足、動作僵硬不夠靈活、響應時間長的技術問題，利用螺旋線圈電磁固有的磁場特性，設計復式電磁模擬生物肌肉，特殊的軸桿結構模擬生物骨骼、關節(jié)。整體反應迅速靈敏，動力強勁，可用于制造人工智能、高仿生義肢、仿生玩具等。

技術研發(fā)人員：李路路
受保護的技術使用者：李路路
技術研發(fā)日：2017.07.26
技術公布日：2017.09.15