一种电磁摆动驱动结构

技术领域

本发明涉及电磁驱动领域，具体涉及一种用于仿生机器人的电磁摆动驱动装置。

背景技术

鱼类、鸟类、昆虫经过上亿年的自然选择形成了一些具有独特形态和运动方式。针对模仿鱼类鳍的摆动驱动，目前越来越多的水下仿生机器人放弃了传统的螺旋桨推进方式，而采用模仿鱼类高性能的波动推进的游动方式来产生推进力。鱼类在大自然中历经了至少5亿年的进化，形成独特的水下游动模式，具有运动效率高、机动性能高和噪声小的特点。所以，模仿鱼类的游动方式不但能提高水下机器人的航行效率和机动性能，更为水下机器人的发展和应用提高了新的思路和方向。针对鸟类以及昆虫的飞行控制，已经形成了扑翼飞行器的分支。

美国麻省理工学院的第一条机器鱼“Robotuna”和后来的“RoboPike”，美国Draper实验室的采用涡控制实现推进的自主水下机器人“VCUUV”，日本运输省船舶技术研究所的系列机器鱼，日本名古屋大学采用形状记忆合金推进的微型波动式水下机器人以及英国Essex大学开发的各种机器鱼。为了实现防水密封，机器鱼大多采用整体密封方式，即以防水蒙皮包裹柔性尾部，并用密封胶粘接在刚性头部上的方式。整体密封方式可在一定程度上实现机器鱼的防水密封，但是具有密封性能差，游动效率低，上升下潜困难等缺点，严重地限制了机器鱼推进性能的提高。另外，以往的机器鱼都采用单一的尾鳍实现推进和转弯，然而自然界中的鱼类除了尾鳍，还具有胸鳍，背鳍，臀鳍，腹鳍等，它们在鱼类的推进，转弯，维持平衡，上升下潜，减速制动等方面起着重要的作用，研究各类鱼鳍的结构和功能，并采用人工的手段模拟复现鱼鳍的运动将大幅提高机器鱼的游动性能。以上两个方面是机器鱼投入实际应用的关键技术难题，灵活可靠的防水密封方式以及运动自如的仿鱼鳍机构在仿生机器鱼领域仍是空白，有待开发。在扑翼飞行器领域，扑动机构的运动通常采用齿轮摇臂实现扑动。

在专利库中，如CN103950525A、CN102267552A、CN108163168A等，公开了一些基于电磁致动的仿生驱动结构。这些驱动结构的摆动部件穿设于电磁驱动结构的内部，导致驱动结构需要做复杂的防水处理，制造加工难度大，制造成本高昂，也限制了仿生机器人的推广。

发明内容

本发明的目的在于，提供用于水中的电磁仿生摆动驱动装置，并简化制造难度与制造成本、操作灵活、运行方便，可以广泛地应用于各类仿生机器人的摆动驱动装置上。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种电磁摆动驱动结构，包括本体，以及至少一个与所述本体配合致动的摆动件，所述本体包括壳体，其特征在于，所述壳体包括至少一个封闭腔体和至少一个半开放腔体，所述封闭腔体内部包括电磁驱动装置，所述电磁驱动装置包括至少一个电磁线圈以及设置于所述电磁线圈内部的可磁化材料，所述摆动件包括可响应于所述电磁线圈致动的磁感应部，所述磁感应部在半开放腔体中与所述壳体活动连接。

可选地，所述摆动件还包括支撑部、摆动本体，所述支撑部用于连接所述磁感应部与所述摆动本体，支撑部两端延伸形成所述转轴，所述摆动本体可拆卸地连接于所述支撑部上。

可选地，所述电磁驱动装置涉电单元全部位于所述封闭腔体内部，封闭腔体内部无从封闭腔体外部伸入的运动部件。

可选地，所述磁感应部包括一个或多个电磁线圈和/或永磁体。作为优选，磁感应部包括一个圆柱形径向磁铁。

可选地，所述圆柱形径向磁铁为一侧具有定位缺口的中空圆柱形结构，所述支撑部通过与所述缺口配合的形状与所述磁感应部固定连接，缺口方向与南北极性分割线垂直。

可选地，所述电磁驱动装置的电磁线圈数量为偶数个，相对于所述摆动件呈对称布局。

可选地，所述电磁驱动装置包括控制系统、电池、电池充电模块、信号接收模块，所述电磁驱动装置还包括检测所述摆动件摆动角度的传感器，所述控制系统通过所述传感器的信号实现摆动件的反馈控制。

可选地，所述电磁线圈通过所述控制系统控制电流的脉冲宽度调整（PWM）控制实现直行、左转、右转、加速、减速、上升、下降的摆动驱动控制。

一种仿生机器人，包括主机体，所述主机体包括至少一个电磁摆动驱动装置，其特征在于，所述摆动驱动装置为上述任一一项的电磁摆动驱动结构。

有益效果：本发明的驱动结构具有以下有益效果：

1、相对于电机驱动，本发明采用电磁驱动具有驱动结构可小型化、重量轻、功耗低，加工制造难度低，成本低廉等优点；

2、相对于接触式的电磁驱动结构，本发明创新性地将摆动件与电磁驱动结构在机械连接关系上实现了隔离，摆动件无需穿设于电磁驱动装置内部，这样整个电磁驱动部件的可以安置于一个整体的密闭结构内，无需针对摆动件的驱动部分进行防水处理，进一步降低了生产加工的难度，降低了成本，更容易制造推广。由于本发明的电磁驱动结构仅需要一个整体的防水结构将电磁驱动部纳入其中，摆动件的连接不会穿设防水结构，防水的可靠性高，不用管担心活动部件导致防水结构失效的问题；

3、摆动件的致动部可以采用标准化模块生产加工，通过将不同的摆动件本体与标准化的致动部连接，即可快速获得不同的摆动件，由于本发明的摆动件与驱动本体的连接方式是可以快速拆卸和连接的，通过不同的摆动件替换，可以快速实现仿生结构的变形和变种；

4、通过摆动的定位缺口配合轴向磁铁充磁的方向设定，实现磁性装配的防呆，简化了装配的失误。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电磁摆动驱动结构的三维内部示意图。

图2为本发明实施例提供的一种电磁摆动驱动结构的电磁元件三维示意图。

图3为本发明另一种实施例提供的一种电磁摆动驱动结构三维示意图。

图4为本发明另一种实施例提供的一种电磁摆动驱动结构装配结构三维示意图。

图5为本发明另一种实施例提供的一种电磁摆动驱动结构剖面示意图。

图6为本发明另一种实施例提供的一种电磁摆动驱动结构摆动件剖面示意图。

附图标记：1-壳体，2-封闭腔体，3-半开放腔体，4-摆动件，5-电磁线圈，6-磁感应部，7-转轴，8-支撑部，9-铁芯。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的可选实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

图1展示了本发明实施例提供的一种电磁摆动驱动结构的三维内部结构，为了便于展示内部结构，图中省略了部分外部壳体以及不必要的相关设备，如图1所示，电磁摆动驱动装置包括本体，以及至少一个与所述本体配合致动的摆动件4，通过摆动件4有规律的摆动产生驱动力作用于本体上，该驱动装置可以广泛应用于仿生机器人领域用于模拟水中鱼类的鳍或者空中蝴蝶、飞鸟等的翅膀的摆动。所述本体包括壳体1，其中壳体包括至少一个封闭腔体2以及至少一个半开放的腔体3，图中壳体1的顶部和前部结构已略去。所述封闭腔体2内部包括电磁驱动装置，所述电磁驱动装置包括至少一个电磁线圈5以及与所述电磁线圈5配合的可磁化材料，所述可磁化材料可以是铁芯。所述摆动件4包括响应于所述电磁线圈5的磁感应部6，并在所述半开放腔体3中与所述壳体活动连接，所述摆动件4能够响应于所述电磁驱动装置实现规律性摆动。进而实现了模拟仿生鱼类、鸟类等动物运动。在一些实施例中，所述摆动件4通过转轴7铰接于所述半开放腔体3内。在一些实施例中，所述电磁驱动装置的涉电单元全部位于所述封闭腔体内部，且内部无从封闭腔体外部伸入的运动部件。这样可以让涉电单元处于一个封闭稳定的环境内，免于外部环境的侵蚀和干扰，增加电路的可靠性。在一些实施例中，所述磁感应部6包括一个或多个永磁体和/或电磁线圈。

图2展示了本发明实施例提供的一种电磁摆动驱动装置的电磁元件三维示意图，为了方便展示电磁致动的原理，图中省去了壳体以及相关安装部件。本发明电磁摆动驱动装置通过电磁驱动装置控制电磁线圈5产生规律变化的磁场，通过磁场作用推动在磁场内的磁感应部6往复运动进而实现带动摆动件4的来回摆动。在一些实施例中，电磁驱动装置包括偶数个电磁线圈5，磁感应部优偶数个永磁体构成，其中偶数个电磁线圈5通过固定支架对称安装，对应地，偶数个的永磁体通过支撑部8对称安装，为了便于更换不同类型的摆动件4，支撑部8与摆动件4的安装为可拆卸式安装，结合附图1，支撑部8两端延伸形成所述转轴7。没个电磁线圈5内部包括一个铁芯9，这里铁芯9还可以替换为任何可磁化材料。铁芯9的设置一方面增强了电磁线圈5产生的磁场，另一方面，由于铁芯9对称布局的存在，在未通电的状态下，铁芯9相对于磁感应部6中对称布局的永磁体也距离相当，因此磁感应部6左右两侧产生的磁力基本相等，这使得摆动件4在未通电状态下有通过磁力自然居中的趋势，方便控制。

图3-4展示了本发明另一种实施例提供的一种电磁摆动驱动结构三维示意图，如图3所示，与图1中的电磁摆动装置一样，电磁摆动驱动装置包括本体，以及至少一个与所述本体配合致动的摆动件4，通过摆动件4有规律的摆动产生驱动力作用于本体上，所述本体包括壳体1，其中壳体包括至少一个封闭腔体2以及至少一个半开放的腔体3，图中壳体1的顶部结构已略去。所述封闭腔体2内部包括电磁驱动装置（图中未示出），所述摆动件4包括响应于所述电磁线圈5的磁感应部6，有别于附图1，这里磁感应部6包括一个圆柱形径向磁铁，所述圆柱形径向磁铁响应于所述电磁线圈产生的变化磁场实现规律性摆动。所述圆柱形径向磁铁未中空圆柱，中空部通过转轴7铰接于所述半开放腔体3内。

图5-6展示了本发明另一种实施例提供的一种电磁摆动驱动结构剖面图，参见图5，电磁驱动装置包括两个电磁线圈5，每个电磁线圈内部包括一个铁芯9，两个电磁线圈5相对于电磁驱动装置的中线（附图5中为横向中心线）对称。磁感应部6的圆柱形磁铁采用一侧具有缺口的中空圆柱形结构，所述摆动件通过形状匹配的固定接头固定于所述具有缺口的中空圆柱形结构内；通过缺口定位进行安装，可以方便装配时精确地根据圆柱形磁铁南北极分布确定居中位置。参见图6，作为优选，磁感应部6的圆柱形磁铁采用径向充磁，其中充磁形成的南北极分割线与摆动件延伸方向垂直。采用这样的设计，有效地简化了装配过程中需要确定圆柱形径向磁铁磁极方位的问题，具有装配防呆的作用。

在一些实施例中，所述电磁驱动装置包括控制系统、电池、电池充电模块、信号接收模块；所述电磁驱动装置还包括检测所述摆动件摆动角度的传感器，所述控制系统通过所述传感器的信号实现摆动件的反馈控制。所述电磁线圈5通过电流的脉冲宽度调整（PWM）控制实现直行、左转、右转、加速、减速、上升、下降的摆动驱动控制。可以预见的是，改变电流的幅值、相位、占空比等参数，磁场会产生相应的变化，其磁场变化将反映在摆动能够提供包括不限于直行、左转、右转、加速、减速、上升、下降等运动的推进力。

上述实施例结构简单，成本低廉，可靠性高，可以广泛应用于各类仿生机器人驱动器中，实现摆动驱动。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。