一种双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器

1.本实用新型涉及双稳态软体驱动器，特别地，涉及一种双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器。


背景技术：

2.目前，柔性机械臂在工业生产、航空宇航、人机交互等领域具有广阔的应用前景，近年来引起国内外学者的广泛关注，并取得一定进展。柔性机械臂具有多种多样的驱动方式，如气动人工肌肉、充气柔性驱动器、形状记忆合金、绳系控制等，不同的驱动形式具有不同的优缺点：如形状记忆合金在温度过高容易引起形变失效，为了维持特定温度，需要有特定的温度控制、维持装置，增加了系统的复杂性；气动人工肌肉的内部弹性橡胶体和外部编织网之间存在摩擦，力学关系复杂；充气柔性驱动器模型难以精确建立，需要配套庞大的供气系统，使得机械臂复杂、不便于操作，此外由于气体可压性，气压驱动柔性臂维持稳态的能力十分有限，极易受到干扰；绳系控制需要相应的电机和传动机构，系统相对笨重。
3.因此，上述种种方法都具有一个共同缺点：系统复杂、可靠性差、响应慢。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器，以解决现有柔性机械臂的驱动方式所存在系统复杂、可靠性差、响应慢的技术问题。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器，包括：
7.滑槽下护盖，其平行于长度方向的左右两侧设置有滑槽；
8.导轨上护盖，位于所述滑槽下护盖的上方，且其平行于长度方向的左右两侧设置有与所述滑槽滑动配合的导轨；
9.两电磁铁，沿直线间隔固定设置在所述滑槽下护盖的中部；
10.铁芯，与两电磁铁的中心孔滑块配合，且沿直线固定设置在所述导轨上护盖的中部；
11.两弹性限位件，分别位于所述滑槽下护盖和导轨上护盖长度方向的两端，且每个弹性限位件的两端分别与所述滑槽下护盖和导轨上护盖相铰接，其中，弹性限位件两端的铰接孔在自然状态下的距离大于所述滑槽下护盖和导轨上护盖同一端铰接处之间的垂直距离。
12.进一步地，所述滑槽横截面呈梯形，且开口朝向所述滑槽下护盖的内侧。
13.进一步地，所述导轨设置有与所述滑槽相匹配的梯形凸起，且其梯形凸起朝向导轨上护盖的外侧。
14.进一步地，所述两电磁铁通过限制固连件和螺钉沿直线间隔固定设置在所述滑槽下护盖中部，两电磁铁的中心孔同轴。
15.进一步地，所述铁芯与两电磁铁的中心孔滑块配合，且两端通过限制固连件和螺
钉沿直线固定设置在所述导轨上护盖的中部。
16.进一步地，所述导轨上护盖的中部设置有减重孔。
17.进一步地，所述滑槽下护盖中部设置有若干减重孔。
18.进一步地，所述的弹性限位件采用弹性金属限位件或柔性材料限位件。
19.进一步地，所述弹性金属限位件包括弹性金属片、螺旋弹簧；所述柔性材料限位件包括硅胶柔性限位件。
20.进一步地，所述滑槽下护盖和导轨上护盖长度方向的两端均设置有通过销轴与弹性限位件相铰接的铰接臂，所述弹性限位件两端的铰接孔在自然状态下的距离为h，位于所述滑槽下护盖和导轨上护盖同一端的铰接臂的铰接孔之间的垂直距离为d，其中h>d。
21.本实用新型具有以下有益效果：
22.本实用新型提供的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器，设置有滑动配合的滑槽下护盖和导轨上护盖、两电磁铁和铁芯、两弹性限位件，所述两弹性限位件分别位于所述滑槽下护盖和导轨上护盖长度方向的两端，且每个弹性限位件的两端分别与所述滑槽下护盖和导轨上护盖相铰接，其中，弹性限位件两端的铰接孔在自然状态下的距离大于所述滑槽下护盖和导轨上护盖同一端铰接处之间的垂直距离。本实用新型提出的基于电磁力驱动和弹性限位件维持稳态的驱动器结构，包括利用电磁铁产生磁场驱动铁芯双中位移动的驱动器结构和利用弹性限位件维持稳态的导轨滑槽移动结构，具有双稳态技术特征，在通电时可以实现驱动器两个稳态之间的切换，断电时两个状态均可稳定地保持，从而大大降低系统功耗，同时也可以避免电磁铁连续通电带来的发热问题，结构简单、可靠性强、响应快。
23.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
24.构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
25.图1是本实用新型优选实施例的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器总体装配示意图。
26.图2是本实用新型优选实施例的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器的铁芯和导轨上护盖的装配意示意图。
27.图3是本实用新型优选实施例的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器的电磁铁和滑槽下护盖的装配示意图。
28.图4是本实用新型优选实施例的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器的电磁铁、铁芯、限制固连件的装配示意图。
29.图5是本实用新型优选实施例的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器的两个电磁铁和铁芯的位置状态示意图，其中：
30.图5(a)是两电磁铁未通电时两电磁铁和铁芯的位置状态示意图；
31.图5(b)是左侧电磁铁(实线框部分)通电时两电磁铁和铁芯的位置状态示意图；
32.图5(c)是右侧电磁铁(实线框部分)通电时两电磁铁和铁芯的位置状态示意图。
33.图6是本实用新型优选实施例的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器的硅胶柔性限位件的势能示意图。
34.图7本实用新型优选实施例的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器的双稳态切换示意图。
35.图中：
36.1、电磁铁；2、铁芯；3、导轨上护盖；4、滑槽下护盖；5、限制固连件；6、弹性限位件；7、铰接臂；8、减重孔。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
38.参照图1至图4，本实用新型的优选实施例提供了一种双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器，包括：
39.滑槽下护盖4，其平行于长度方向的左右两侧设置有滑槽；
40.导轨上护盖3，位于所述滑槽下护盖4的上方，且其平行于长度方向的左右两侧设置有与所述滑槽滑动配合的导轨；
41.两电磁铁1，沿直线间隔固定设置在所述滑槽下护盖4的中部；
42.铁芯2，与两电磁铁1的中心孔滑块配合，且沿直线固定设置在所述导轨上护盖3的中部；
43.两弹性限位件6，分别位于所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3长度方向的两端，且每个弹性限位件6的两端分别与所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3相铰接，其中，弹性限位件6两端的铰接孔在自然状态下的距离h大于所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3同一端铰接处之间的垂直距离d。
44.本实施例提供的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器，设置有滑动配合的滑槽下护盖4和导轨上护盖3、两电磁铁1和铁芯2、两弹性限位件6，所述两弹性限位件6分别位于所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3长度方向的两端，且每个弹性限位件6的两端分别与所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3相铰接，其中，弹性限位件6两端的铰接孔在自然状态下的距离大于所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3同一端铰接处之间的垂直距离。
45.两电磁铁1驱动铁芯2往复运动是本实施例的双稳态软体驱动器的核心驱动方式，其利用铁磁性物质在磁场中被磁化的特性，当两个电磁铁1中任意一个通入直流电流产生磁场，铁芯2磁化，铁芯2中心点将向通电的电磁铁1中心运动并保持在电磁铁1中心位置。因此，只要控制电磁铁1的轮流通电，即可实现铁芯2的往复运动，如图5(a)所示，当两电磁铁1均未通电时，铁芯2可以位于任意位置(在没有弹性限位件6的情况下)，如图5(b)所示，当左侧的电磁铁1(实线框部分)通电时，铁芯2磁化，铁芯2中心点将向左侧的电磁铁1中心运动并保持在右侧的电磁铁1的中心位置；类似地，如图5(c)所示，当右侧的电磁铁1(实线框部分)通电时，铁芯2磁化，铁芯2中心点将向右侧的电磁铁1中心运动并保持在右侧的电磁铁1的中心位置。
46.另外发现，为了使铁芯2能够满足往复运动，且满足铁芯2与外界固连，铁芯2的长
度l应当满足：
[0047][0048]
即：
[0049]
l≥3x+2δ
[0050]
其中x为电磁铁1的长度，δ为两电磁铁1之间的距离。
[0051]
弹性限位件6的应用是双稳态得以维持的重要部件。在状态转换时，弹性限位件6首先受到挤压，长度收缩或弯曲，势能增加；运动超过中立位后，势能释放，恢复原有长度，并在断电后使得驱动器状态保持，势能示意图见图6。所述的弹性限位件6采用弹性金属限位件或柔性材料限位件，其中，所述弹性金属限位件包括弹性金属片、螺旋弹簧；所述柔性材料限位件包括硅胶柔性限位件，本实施例采用硅胶柔性限位件，硅胶柔性限位件通过铰接方式同滑槽下护盖4和导轨上护盖3连接，一方面起到连接作用，另一方面使得其可以发生转动。
[0052]
电磁铁1的驱动力f做的功存储在硅胶柔性限位件中，变为弹性势能，设硅胶柔性限位件的弹性系数为k，d为所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3同一端铰接处之间的垂直距离d，则驱动力刚好能够实现双稳态切换时，满足如下关系：
[0053][0054]
即：
[0055][0056]
其中，θ为滑槽下护盖4和导轨上护盖3错开角度，考虑到双稳态结构中的摩擦以及工程实现，要求驱动力f满足：
[0057][0058]
其中，f
c
为双稳态结构阻尼项，主要包括滑槽下护盖4和导轨上护盖3之间的摩擦力、电磁铁1和铁芯2之间的摩擦力。
[0059]
滑槽下护盖4和导轨上护盖3起到连接铁芯2、电磁铁1的作用，导轨与滑槽则限定单自由度运动，并给予硅胶柔性限位件固定位置，组装状态见图6。
[0060]
在状态转换时，相应的线圈产生磁场，使得铁芯2向通电的电磁铁1的中心移动，带动所在导轨上护盖3同时运动，达到稳定状态。断电后，铁芯2不再受磁力作用，滑槽下护盖4和导轨上护盖3由硅胶柔性限位件维持状态，达到断电后状态保持的目的，驱动器的双稳态转换示意图见图7。
[0061]
上述实施例提出的基于电磁力驱动和弹性限位件6维持稳态的驱动器结构，包括利用电磁铁1产生磁场驱动铁芯2双中位移动的驱动器结构和利用弹性限位件6维持稳态的导轨滑槽移动结构，具有双稳态技术特征，在通电时可以实现驱动器两个稳态之间的切换，
断电时两个状态均可稳定地保持，从而大大降低系统功耗，同时也可以避免电磁铁1连续通电带来的发热问题，结构简单、可靠性强、响应快。
[0062]
本实施例提出的双程推拉式电磁铁驱动的双稳态软体驱动器在使用时可采用串联和/或并联组合，从而应用于不同形式的软体机械臂系统设计方案。
[0063]
在本实用新型的优选实施例中，所述滑槽横截面呈梯形，且开口朝向所述滑槽下护盖4的内侧。
[0064]
在本实用新型的优选实施例中，所述导轨设置有与所述滑槽相匹配的梯形凸起，且其梯形凸起朝向导轨上护盖3的外侧。
[0065]
在本实用新型的优选实施例中，所述两电磁铁1通过限制固连件5和螺钉沿直线间隔固定设置在所述滑槽下护盖4中部，两电磁铁1的中心孔同轴。所述铁芯2与两电磁铁1的中心孔滑块配合，且两端通过限制固连件5和螺钉沿直线固定设置在所述导轨上护盖3的中部。
[0066]
本实施例的所述限制固连件5用于将运动核心部件设置于双稳态软体驱动器的中央，便于力学建模和分析计算，同时由于限制固连件5的存在，使得模态切换时避免了驱动器的震荡，提高了稳定性。
[0067]
在本实用新型的优选实施例中，所述导轨上护盖3的中部设置有减重孔8，可减轻所述导轨上护盖3的自重，同时还具有强化散热效果。
[0068]
在本实用新型的优选实施例中，所述滑槽下护盖4中部设置有若干减重孔8，可减轻所述滑槽下护盖4的自重，同时还具有强化散热效果。
[0069]
在本实用新型的优选实施例中，所述的弹性限位件6采用弹性金属限位件或柔性材料限位件。
[0070]
在本实用新型的优选实施例中，所述弹性金属限位件包括弹性金属片、螺旋弹簧；所述柔性材料限位件包括硅胶柔性限位件。
[0071]
在本实用新型的优选实施例中，所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3长度方向的两端均设置有通过销轴与弹性限位件6相铰接的铰接臂7，所述弹性限位件6两端的铰接孔在自然状态下的距离为h，位于所述滑槽下护盖4和导轨上护盖3同一端的铰接臂7的铰接孔之间的垂直距离为d，其中h>d。
[0072]
上述实施例提供的双稳态软体驱动器具有双稳态、易实现和响应快速等特点，通过对两个电磁铁1输入直流电流产生磁场，进而利用铁芯2在磁场中受力稳定于中立位的特性，可实现机械臂驱动关节双稳态灵活切换。驱动器双稳态设计可以使得无电流输入也具有稳定性，降低机械臂系统功率输入，同时也可以避免电流持续输入带来的电磁铁发热问题。
[0073]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。