Электромагнитная искусственная мышца

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к управляемым приводам для преобразования электрической энергии в механическую и может быть использована в робототехнике, машиностроении и медицине, в частности при разработке бионических протезов и экзоскелетов.
Уровень техники.
Из уровня техники известны устройства для преобразования электрической энергии в механическую, так одно из них предложено в работе [1] (Патент СССР SU №901611 A1, опубл. 30.01.1982 г. «Электрогидравлический привод Козлова А.А.»), содержащий камеры с эластичными стенками, заполненными жидким ферромагнетиком, снабженные электрическими обмотками, состоящими из последовательно включенных катушек индуктивности.
Недостатком известного устройства являются:
- недостаточная надежность из-за наличия жидкости, которая в случае образования трещин корпуса, может вытекать, а также случае выхода из строя одной из камер работоспособность значительно снизится;
- высокая энергоемкость и низкое развиваемое усилие, т.к. нет возможности применять в конструкции камер с ферритовыми сердечниками.
- в конструкции привода нет элементов для быстрой установки данного технического средства, что вызывает сложности при установке данной мышцы в какой-либо машине или механизме.
Также известно устройство для преобразования электрической энергии в механическую, предложенной в работе [2] (Патент РФ №2372056 по заявке 2008104288/14 от 04.02.2008 г., МПК A61F 2/50, A61F 2/72, A61F 2/08, B25J 17/02, Опубл. 10.11.2009., Бюл. №31., Искусственная мышца (варианты)), содержащая камеры с эластичными стенками, заполненные с возможностью формирования давления на стенки веществом с ферромагнитными свойствами и имеющие электропроводные обмотки. Согласно первому варианту, камеры с эластичными стенками выполнены торообразной формы, заключены в полую эластичную оболочку, имеющую форму удлиненного эллипсоида, и расположены вдоль нее. Согласно второго варианта, камеры с эластичными стенками выполнены торообразной формы и заключены в по меньшей мере две эластичные оболочки, заключенные одна в другую с зазором между ними и имеющие форму удлиненных эллипсоидов, при этом в каждой из оболочек камеры расположены вдоль них.
Недостатками данного устройства являются:
- сложность конструкции, поскольку требует наличие специального оборудования для создания тороидальных камер с электрическими обмотками, а также сложность ремонта в случае выхода из строя одной из камер;
- высокая энергоемкость и низкое развиваемое усилие, т.к нет возможности применять в конструкции камер с ферритовыми сердечниками;
- низкая надежность и нагрев мышцы в ходе работы, т.к. в конструкции присутствуют соприкасаемые поверхности.
- малый рабочий ход и как следствие низкий геометрический КПД;
- в конструкции мышцы нет элементов для быстрой установки данного технического средства, что вызывает сложности при установке данной мышцы в какой-либо машине или механизме.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, принимаемым за прототип, является устройство, описанное в работе [3] (Патент РФ №2598763C2 по заявке 2014113482/14 от 04.04.2014г., МПК A61 2/50, A61F 2/08, B25J 18/02, Опубл. 27.09.2016 г., Бюл. №28 «Искусственная мышца»), содержащая подвижную камеру, выполненную в форме цилиндра, изготовленного из эластичного, легкосжимаемого материала, в своем объеме заполненного ферромагнитными металлическими частицами малого размера, к торцу которого (камеры) крепится соленоид с ферритовым сердечником (электромагнит).
Недостатком известного технического решения являются:
- малый рабочий ход и как следствие низкий геометрический КПД;
- низкое развиваемое усилие, а именно наведение магнитного поля, создаваемое одним электромагнитом на ферромагнитные металлические частицы, оказывает низкое воздействие на данные частицы, вследствие чего снижается развиваемое усилие;
- низкая надежность вследствие высокого износа подвижной камеры из-за наличия сухого трения с ферромагнитными частицами;
- отключение мышцы в случае выхода из строя электромагнита.
- в конструкции мышцы нет элементов для быстрой установки данного технического средства, что вызывает сложности при установки данной мышцы в какой-либо машине или механизме.
Раскрытие полезной модели.
Техническими результатами предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно:
- повышение развиваемого усилия;
- увеличение надежности;
- увеличение рабочего хода мышцы.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения данная электромагнитная искусственная мышца содержит на противоположном конце подвижной камеры закреплённый постоянный магнит. Внутренняя полость подвижной камеры заполняется магнитной жидкостью с добавлением в нее присадок для увеличения магнитной восприимчивости, причем подвижная камера выполнена с добавлением частиц, выполненных с возможностью намагничиваться и притягивать к себе частицы магнитной жидкости, при этом подвижная камера заключена во внешнюю оплетку для ограничения ее расширения при сжатии электромагнитной искусственной мышцы.
В сердечнике электромагнита и постоянного магнита выполнено глухое отверстие с нарезанной резьбой для закрепления искусственной мышцы в конструкции, приводимой в движение машины или механизма.
Сущность предложенной конструкции электромагнитной мышцы заключается в следующем.
Постоянный магнит обеспечивает первоначальное намагничивание магнитной жидкости в подвижной камере, не давая ей вытечь в случае образования различных дефектов подвижной камеры. Также данный постоянный магнит обеспечивает увеличение рабочего хода и снижает энергоемкость мышцы, т.к. магнитное поле постоянного магнита проходя через магнитную жидкость и усиливаясь, взаимодействует с электромагнитом еще до подачи на него тока, стремясь притянуть его к себе на значительном расстоянии.
Подвижная камера выполнена с добавлением частиц, выполненных с возможностью намагничиваться и притягивать к себе частицы магнитной жидкости для предотвращения ее вытекания из камеры при образовании в ней трещин. Это достигается тем, что под действием магнитного поля генерируемым постоянным магнитом, частицы намагничиваются и начинают притягивать к себе частицы магнитной жидкости, тем самым, не давая им возможности вытечь из камеры.
Одним из способов реализации данной камеры является добавление ферромагнитных частиц в эластичную базу (жидкий силикон) в процессе формовки подвижной камеры, при этом содержание ферромагнитных частиц должно быть не менее 50% от объема эластичной базы. После отверждения смеси, ферромагнитные частицы равномерно распределены и равноудалены друг от друга по объему камеры и при растяжении или сжатии камеры расстояние между ферромагнитными частицами увеличивается или уменьшается. Растяжение или сжатие камеры обеспечивает эластичная база (силикон).
Внутренняя полость подвижной камеры заполняется магнитной жидкостью, которая устраняет сухое трение и усиливает проходящее через нее магнитное поле, при этом в магнитную жидкость добавляется присадка для увеличения её магнитной восприимчивости и как следствие, повышения развиваемого усилия электромагнитной искусственной мышцы. Использование магнитной жидкости обусловлено ее низкой плотностью по сравнению с другими магнитными материалами, что позволит снизить массу готового изделия. Используемые присадки представляют собой магнитовосприимчивые частицы малого размера.
Подвижная камера заключена во внешнюю оплетку, для ограничения ее расширения при сжатии электромагнитной искусственной мышцы. Это необходимо для предотвращения чрезмерного расширения подвижной камеры, которое может способствовать нарушению ее целостности и образованию различных дефектов.
В сердечнике электромагнита и постоянного магнита имеется глухое отверстие с нарезанной резьбой для закрепления электромагнитной искусственной мышцы в конструкции, приводимой в движение машины или механизма, при этом нет необходимости разрабатывать крепления для установки электромагнитной искусственной мышцы, что упрощает процесс ее монтажа и проектирования робототехнических устройств с ее применением.
Описание чертежей.
Признаки и сущность заявленной полезной модели поясняются чертежами. На фиг. 1 – представлен общий вид электромагнитной искусственной мышцы; на фиг. 2 - представлен вариант исполнения электромагнитной искусственной мышцы.
Осуществление полезной модели.
Электромагнитная искусственная мышца (фиг. 1) содержит электромагнит 1 соединенный с постоянным магнитом 2 через подвижную камеру 3, внутренняя полость которой заполнена магнитной жидкостью с добавлением присадок 4, а также содержит внешнюю оплетку 5, крепежное отверстие 6.
Электромагнитная искусственная мышца работает следующим образом.
При подаче электрического тока на электромагнит 1 генерируется магнитное поле, которое проводится и усиливается, проходя через магнитную жидкость с присадками 4, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита 2. Вследствие чего электромагнит и постоянный магнит притягиваются друг к другу, осуществляя полезную работу. Для обеспечения обратного хода достаточно поменять направление движения тока для электромагнита, в результате генерируется одноименное магнитное поле и электромагнит с постоянным магнитом отталкиваются друг от друга.
Возможно несколько режимов работы электромагнитной искусственной мышцы: импульсный, плавный, высокочастотный.
Импульсный режим. Характеризуется подачей большой силы тока на электромагнит в виде импульса, при котором происходит резкой и полное сжатие мышцы с высокими силовыми показателями. При этом электромагнит работает в режиме сверх перегрузки.
Плавный режим. Характеризуется подачей тока на электромагнит от нуля до номинального рабочего. При этом при регулировании силы тока обеспечивается плавная регулировка развиваемого усилия рабочего хода электромагнитной искусственной мышцы.
Высокочастотный режим. Характеризуется широтно-импульсной модуляция подаваемого тока на электромагнит, при этом регулировка хода мышцы будет зависеть от длины импульса и частоты подаваемого тока. Таким образом, работа электромагнитной искусственной мышцы в данном режиме аналогична работе человеческой мышцы.
Перед началом работы, электромагнитную искусственную мышцу устанавливают в механизме в нейтральном положении используя крепёжное отверстие 6. Один конец закрепляется жестко за неподвижную часть механизма, другой конец за подвижную часть таким образом, чтобы нивелировать притяжение постоянного магнита к электромагниту. После чего выбирается оптимальный режим работы мышцы исходя из предъявляемых требований к машине или механизму.
При необходимости с противоположной стороны электромагнита можно установить дополнительную подвижную камеру, заполненную магнитной жидкостью и со смонтированным постоянным магнитом (фиг. 2). Это обеспечит увеличение рабочего хода, а также позволит увеличить силовые характеристики мышцы, т.к. находящиеся на противоположных концах такой сборки постоянные магниты будут взаимодействовать друг с другом и с электромагнитом.
Предлагаемая конструкция электромагнитной искусственной мышцы может найти применение в робототехнике, машиностроении и медицине, в частности при разработке бионических протезов и экзоскелетов.
Источники информации:
1. SU №901611 A1, опубл. 30.01.1982 г. «Электрогидравлический привод Козлова А.А.»/;
2. Патент РФ №2372056 по заявке 2008104288/14 от 04.02.2008 г., A61F 2/50, A61F 2/72, A61F 2/08, B25J 17/02, Опубл. 10.11.2009., Бюл. №31., Искусственная мышца (варианты));
3. Патент РФ №2598763C2 по заявке 2014113482/14 от 04.04.2014г., МПК  A61 2/50, A61F 2/08, B25J 18/02, Опубл. 27.09.2016 г., Бюл. №28 «Искусственная мышца».