CN117067196A - 一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，可用于柔软体机器人领域，驱动器系统主要由磁场发生器和由可导纤维制成的编织结构组成。多根纤维螺旋交织形成编织结构作为柔性驱动器的主体结构，具有良好的变形能力；将多根可导纤维的首尾通过导线依次连接形成通路，外部直流电源供电后结构内部可形成磁场。编织结构的磁场与磁场发生器的磁场相互作用下产生驱动力，实现编织结构的驱动效果。通过控制编织结构或电磁式磁场发生器的电流的大小、方向可改变驱动力的大小与方向，实现编织结构的伸长、收缩及相应运动量的调控；偏置磁场发生器可实现编织结构的偏摆运动。本发明驱动器主体结构柔软、形变灵活，通过电磁驱动，可实现无拖线驱动。

Description

一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统

技术领域

本发明涉及柔软体机器人领域，具体是一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统。

背景技术

柔性驱动器是柔软体机器人的驱动装置，对柔软体机器人的发展至关重要。目前常用的柔性驱动器包括如下几类：

首先是采用气压驱动的方式，该驱动方式主要依靠气泵对结构内部进行充气或吸气，利用气压使结构产生变形和运动，从而实现驱动。采用形状记忆合金进行驱动，利用高温奥氏体相和低温马氏体相间的自由能差来提供驱动力实现驱动，该方法需要通过电流的热效应或介质的热传导激发形状记忆合金相变。此外，电致变形聚合物IPMC可在电场的作用下发生弯曲变形，但其需要依赖于液体环境而面临局限。此外，还有介电高弹体驱动、凝胶驱动、内燃驱动等方法，此类方法均需要通过与供能设备直接连接来实现驱动的激励。

分析可以发现，目前的柔性驱动器大多需要通过电线、导气管等连接于电源、气泵等能源装置，拖线的驱动方法使载有上述驱动器的机器人无法大范围移动与远距离驱动，应用面临局限。

为了解决上述问题，本案由此而生。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明为克服柔性驱动器拖线驱动、难以远距离驱动的问题，设计一种电磁驱动的螺旋编织式柔性驱动器，通过螺旋线圈通电产生磁场后与环境磁场相作用的原理，实现可远距离控制伸长、收缩、偏摆等动作的驱动器，以期解决上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，包括可导纤维螺旋缠绕形成的管状编织结构，近似呈螺旋状的可导纤维表面包覆绝缘材料，形成的结构具有良好的折展特性与弯曲柔顺性，通电后内部产生磁场；还包括磁场发生器，可在一定空间内形成强度适宜的磁场。

在本发明一些示例性实施例中，编织结构置于磁场发生器所形成的磁场中，通电后在外界磁场作用下编织结构会受到磁场力而发生形变、产生驱动效果。

具体的，管状编织结构一端固定于机座且置于磁场发生器形成的磁场中。通电后，螺旋状的导电纤维会使编织结构内部会产生一个新的磁场，并受到原有磁场力的作用而发生形变、产生驱动力的效果。因而，所公开的编织式柔性驱动器可无介质驱动，受环境约束程度小。控制编织结构内部磁场或环境磁场的强度和方向，依据磁场之间“同极相斥异极相吸”原理，可实现管状编织结构不同的受力状态与运动模式。

在本发明一些示例性实施例中，编织结构由多根独立导电纤维组合而成，因此其内部包含多条线路。为简化控制，编织结构各可导纤维的首尾通过导线紧密连接形成唯一电路通路。由于编织结构左右旋纤维电流流向相反，旋向也相反，所以左右旋纤维形成的磁场方向一致。因此，对所连接通路通过外部直流电源供电，借助开关便可控制结构内部形成磁场。

在本发明一些示例性实施例中，可在编织结构所在电路中串联滑动变阻器，通过改变滑动变阻器控制通过可导纤维电流大小而控制内部磁场的强弱，磁场的强弱影响磁场发生器与柔性驱动器间的电磁力，因而可实现对柔性驱动器的驱动力及驱动量的控制。

在本发明一些示例性实施例中，可在编织结构所在电路中串联电流换向器来控制电流方向以改变磁场力方向，使编织结构在伸长、收缩的驱动模式间进行切换，同时控制电流变化的频率，可以控制驱动器的伸缩频率。

在本发明一些示例性实施例中，采用可移动装置，将磁场发生器放置于可移动装置上，改变可移动装置位置，使磁场发生器相对于编织式驱动器径向进行偏置运动，使驱动器发生偏摆驱动动作。

在本发明一些示例性实施例中，采用电磁铁作为磁场发生器，改变电磁铁电流的大小、方向，可以改变环境磁场的强度，进而影响驱动力的大小与方向，改变编织结构的驱动模式与驱动力，实现对编织式驱动器的远程无拖线驱动。

(三)有益效果

采用上述技术方案后，本发明提供的一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的通过电磁驱动的编织式柔性驱动器使用可导纤维螺旋交织形成的编织结构作为驱动器主体结构，具有良好的折展性、柔顺性，在电磁力作用下能够实现伸长、收缩、弯曲等丰富的运动形式。

2、本发明的通过电磁驱动的编织式柔性驱动器可通过改变编织结构内部磁场的方向、强度以及相对于磁场发生器的位置来实现运动量的控制和运动模式的切换，易于控制。

3、本发明的通过电磁驱动的编织式柔性驱动器可将电磁铁作为磁场发生器，通过控制电磁铁产生磁场的方向、强度以及相对于编织驱动器的位置来实现运动量的控制和运动模式的切换，不仅易于控制，还实现了驱动器的无拖线控制，可适应更多种作业环境。

附图说明

图1为本发明实施例的通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统整体示意图；

图2为本发明实施例的单根可导纤维与绝缘层关系示意图；

图3为本发明实施例的控制电流大小改变驱动量的系统示意图；

图4为本发明实施例的控制电流方向改变伸长、收缩运动模式的系统示意图；

图5为本发明实施例的编织式驱动器伸长状态示意图；

图6为本发明实施例的编织式驱动器收缩状态示意图；

图7为本发明实施例的控制磁场发生器位置改变弯曲状态的系统示意图；

图8为本发明实施例的编织式驱动器弯曲状态示意图；

图9为本发明实施例的控制电磁式磁场发生器的磁场参数改变编织式驱动器运动状态的系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例提供一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统主要由磁场发生器、可导纤维螺旋缠绕形成的管状编织结构、端部连接导线组成。可导纤维形成的编织结构具有折展性与柔顺性，通电后其内部形成磁场，受到磁场发生器的磁场力作用而产生形变与驱动效果。

图1为通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统整体示意图。如图1所示，电磁驱动的编织式柔性驱动器系统包括电磁发生器1-1、可导纤维组成的编织结构1-2、末端连接导线1-3、外接电路端口1-4、机座1-5。

磁场发生器可为永久磁体或电磁铁，可在一定空间范围内形成一定强度的磁场，其固定于大地。编织结构1-2由多根可导纤维螺旋缠绕而成，左右旋的纤维交错相叠可使编织结构稳定，并具有良好的弯曲柔顺性和折叠、展开特性，其一端固定于机座1-5。

每根可导纤维如图2所示，其由内部可导材料2-1和外部绝缘层2-2组成；由于螺旋线形状，每根纤维通电后内部均会形成内部强磁场。末端连接导线1-3将各个左旋纤维与右旋纤维首尾连接，形成唯一电路通路以方便控制。左旋纤维与右旋纤维的旋向不同、电流方向不同，因此每根螺旋纤维内部磁场方向一致而形成叠加作用。

纤维连接后形成电路端口1-4用于将编织结构与外部供电电路连接。通电后编织结构1-2的磁场与磁场发生器1-1的磁场相互作用，产生的磁场力可使编织结构产生变形与运动、形成驱动效果。

编织式柔性驱动器应用模式一，如附图3所示，为本发明实施例的控制电流大小改变驱动量的系统示意图，编织结构3-2一端固定于机座3-5，电源3-1用于给编织结构3-2供电，改变连接于电路中的滑动变阻器3-3的阻值可改变编织结构3-2纤维中的电流大小，进而改变编织结构3-2的内部磁场强度。电磁发生器3-4与编织结构3-2的磁场力大小发生改变，进而改变驱动力及驱动量。

编织式柔性驱动器应用模式二，如附图4所示，为本发明实施例的控制电流方向改变伸长、收缩运动模式的系统示意图，编织结构4-2一端固定于机座4-5，电源4-1用于给编织结构4-2供电，调节连接于电路中的电流换向器4-3可改变编织结构4-2纤维中的电流方向，进而改变编织结构4-2的内部磁场方向。电磁发生器4-4与编织结构4-2的磁场力方向发生改变，进而改变形变趋势与驱动方向。

编织结构4-2的伸长后状态如图5所示，编织结构4-2的收缩后状态如图6所示。

编织式柔性驱动器应用模式三，如附图7所示，为本发明实施例的控制磁场发生器位置改变弯曲状态的系统示意图，电源7-1用于给编织结构7-2供电，使编织结构7-2内部形成磁场，编织结构一端固定于机座。电磁发生器7-3固定于移动装置7-4上。通过移动机构7-4改变电磁发生器7-3与编织结构7-2的侧向相对位置，可形成对编织结构7-2的偏置力，使编织结构7-2发生弯曲形变，编织结构7-2的弯曲状态如图8所示。

编织式柔性驱动器应用模式四，如附图9所示，为本发明实施例的控制电磁式磁场发生器的磁场参数改变编织式驱动器运动状态的系统示意图，编织结构9-2一端固定于机座9-7，电源9-1用于给编织结构9-2供电，使编织结构9-2内部形成磁场。电源9-3用于给电磁铁9-4供电，使电磁铁9-4在环境中产生一定强度的磁场。改变连接于电磁铁电路中的滑动变阻器9-5的阻值可改变电磁铁9-4的磁场强度；电磁铁9-4与编织结构9-2的磁场力大小发生改变，进而改变驱动力及驱动量。调节连接于电磁铁电路中的电流换向器9-6可改变电磁铁9-4的电流方向，进而改变电磁铁9-4的磁场方向；电磁铁9-4与编织结构9-2的磁场力方向发生改变，进而改变编织结构9-2形变趋势与驱动方向。

由上述实施例可以看出，本发明使用的可导纤维螺旋缠绕形成的管状编织结构提高了柔性驱动器稳定性，通过导线连接线形成唯一电路通路便于控制，同时利用磁场实现驱动，通过控制磁场的性质实现不同驱动效果。与现有的柔性驱动器相比，该柔性驱动器可通过改变磁场发生器性质实现驱动器的驱动，适合脱线驱动的作业环境

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于，包括呈管状的编织结构，其由可导纤维螺旋缠绕形成，每根可导纤维由内部可导材料和外部绝缘层组成，通过外部供电器通电后其内部产生磁场；

还包括磁场发生器，所述磁场发生器在一定空间内形成磁场，编织结构置于磁场发生器所形成的磁场中，通电后的所述编织结构在磁场作用下受到磁场力而发生形变，并实现脱线驱动作业。

2.根据权利要求1所述一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于：可导纤维包括左旋纤维与右旋纤维，各个所述左旋纤维与右旋纤维首尾连接，并通过末端连接导线形成唯一电路通路；其中左旋纤维与右旋纤维的旋向不同、电流方向不同。

3.根据权利要求2所述一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于：左旋纤维与右旋纤维交错相叠，形成的编织结构一端通过机座固定。

4.根据权利要求2所述一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于：外部供电器包括电源和连接于电路中的滑动变阻器，电源给予编织结构供电，滑动变阻器的不同阻值可改变编织结构中纤维的电流大小。

5.根据权利要求2所述一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于：外部供电器包括电源和连接于电路中的电流换向器，电源给予编织结构供电，电流换向器可改变编织结构中可导纤维的电流方向。

6.根据权利要求1所述一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于：还包括移动装置，磁场发生器固定于移动装置上，并通过其改变与编织结构的侧向相对位置。

7.根据权利要求1所述一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于：磁场发生器为永久磁体或电磁铁，其固定于大地。

8.根据权利要求7所述一种通过电磁驱动的编织式柔性驱动器系统，其特征在于：磁场发生器采用为电磁铁，外部供电器与电磁铁电连接，外部供电器包括串联形成闭合电路的电源、电流换向器、滑动变阻器。