CN101219075A - 基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉。在弹性橡胶管外依次紧密轴向安装弯曲导向合金弹簧、旋转导向合金弹簧和形状记忆合金编织网等构成的变形网，弹性橡胶管两端用外卡箍和内构件密封。在橡胶内管受气压膨胀时，变形网在被动变形基础上，加入主动变形来约束气动肌肉的变形，从而实现特性可调节和多自由度特点。采用脉冲电流加热形状记忆合金智能材料来主动产生变形。弯曲导向和螺旋旋转导向形状记忆合金弹簧实现气动肌肉的弯曲和旋转。本发明积极效应体现在改善了气动肌肉的驱动特性，增加了气动肌肉的自由度，可用于需要高精度、柔性、复杂驱动领域。本发明气动肌肉可直接连接负载，也可通过传动机构连接负载。

Description

基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉

技术领域

本发明涉及气动肌肉技术和形状记忆合金材料，具体说就是利用形状记忆合金来制作特殊结构的可主动变形的变形网。

背景技术

气动肌肉最早由俄国发明家S.Garasiev于20世纪30年代提出。美国医生Mckibben于50年代发明了可以使用的气动肌肉。80年代，日本工程师在Mckibben气动肌肉基础上，研制了Rubbertuator气动肌肉。英国工程师在Mckibben气动肌肉基础上，研制了Air Muscle气动肌肉。气动肌肉是气动技术的一次革命，也是目前智能驱动器的一个重要发展方向。气动肌肉主要由充气弹性软管和起约束弹性管膨胀变形的外部承受负载构件组成，由于变形收到外部承受负载构件的约束而产生应力。

气动肌肉的优点是功率重量比大、无污染、无滑动、具有人或动物肌肉的柔顺性以及易于小型化，具有很好的应用前景。最早的Mckibben气动肌肉被用作辅助残疾手指的运动驱动装置。气动肌肉也用于工业领域，尤其是工业用机械臂和机器人，作为一种高效驱动器使用，可以产生足够大的力，同时又保持一定的柔顺性，使得被驱动装置具有“环境友好”特性，可执行诸如护理病人、抓取易碎物品等任务。

气动肌肉按结构可分为编织网式、网孔式，嵌入式和特种结构气动肌肉。编织网式气动肌肉采用纤维编织网约束气密弹性管的变形。网孔式气动肌肉采用网孔比较大、纤维比较稀疏的、系结而成的编织网。嵌入式人工肌肉承受负载的丝、纤维构件是嵌入到弹性薄膜里的。上述气动肌肉都只能产生轴向伸缩动作，且单个的气动肌肉只能产生一种动作，即只有一个自由度(自由动作方向的个数)。特种结构气动肌肉本质上是将多个气动肌肉按照一定的结构组合起来，可以获得复杂动作和多个自由度。目前已有的气动肌肉机构原理都大同小异，用网状构件来约束加压气管(囊)的运动，网状构件只有被动变形，变形主要体现在丝与肌肉轴线的夹角的被动变化上。目前气动肌肉的主要缺点和不足如下：

首先，现有气动肌肉驱动特性固定，表现在长度-负载特性、收缩率、单位截面积出力、刚度变化等静、动态特性不可根据驱动负载的变化进行调节。从而导致不同的负载驱动任务，需要设计不同特性的气动肌肉。而人体的生物肌肉特性是可调节变化的。网状构件的约束变形是决定气动肌肉驱动特性的关键因素。

其次，单个气动肌肉只具有一种驱动动作能力，不适合需要复杂驱动动作的领域。已有的一种三自由度气动肌肉，其气管被均等分隔成三个独立的扇形柱状空腔。三个空腔的气压要分别调节，所以从本质上是三个气动肌肉的组合体。用多个气动肌肉组合实现复杂驱动动作会导致气动肌肉机构复杂，体积较大，且需要调节多个空腔的气压，成本高。

这两点不足是影响气动肌肉发展和应用的关键问题。解决这两个不足，将会提高气动肌肉性能，促进气动肌肉在高精密、柔顺驱动领域的应用，从而促进制造业和仿生机器人的发展。

形状记忆合金是一种利用形状记忆效应，可以通过温度变化发生形状变化的智能材料，是智能结构中最早应用的一种驱动元件。形状记忆合金可制成螺旋弹簧、丝状、扭簧、薄片、蝶状等多种形状，特点是弯曲量大、塑性高、在记忆温度以上恢复形状、结构简单、无噪声等，被广泛应用于人造骨骼、卫星天线、牙齿矫形器、管路连接部件、制动器以及小型仿人机器人驱动等领域。

根据气动肌肉的工作原理，应该可以通过主动调节起约束作用的网中的丝与肌肉轴线的夹角来改善气动肌肉的特性；可以通过有多个方向主动变形动作的网来约束单个气管气动肌肉的变形，从而实现多自由度复杂动作。虽然形状记忆合金动作频率不是很高，但肌肉驱动动作频率要求不高，所以将形状记忆合金材料的可控主动变形特性引入气动肌肉的网状构件中来，将会得到创新的技术和产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉，可根据负载变化进行调节的智能气动肌肉，可进行伸缩、弯曲、旋转等多自由度，并且驱动特性可根据负载变化进行调节的智能气动肌肉驱动器装置。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

在弹性橡胶管向外依次紧密轴向安装弯曲导向合金弹簧、旋转导向合金弹簧和形状记忆合金编织网；弹性橡胶管的一端向外依次装有前端密封用外卡箍、前端密封用内构件和前端连接件；弹性橡胶管的另一端向外依次装有后端密封用外卡箍、后端密封用内构件和后端连接件；前端密封用内构件上开有气体进出口，气管连接头和接线端口分别安装在前端密封用内构件上；气管的一端通过气管连接头与弹性橡胶管连通，气管的另一端通过外部气管连接口与外部清洁气压源A连接；电导线的一端通电流C，电导线的另一端经接线端口，分别与形状记忆合金编织网、轴向安装弯曲导向合金弹簧和旋转导向合金弹簧连接。

所述的轴向安装弯曲导向合金弹簧为四根，在橡胶内管外壁开轴向槽成对在径向均布安装，通以不同的电流。

所述的旋转导向合金弹簧在橡胶内管外壁开螺旋槽安装。

本发明具有的有益效果是：

本发明气动肌肉的驱动特性可通过性状记忆合金变形网的主动变形来进行调节，从而可适应不同的驱动负载要求，具有智能。同时由于变形网采用具有变形导向合金弹簧的特殊结构，使得气动肌肉用单个气管、单个气压源实现了弯曲、旋转和伸缩等多个自由度的驱动动作。本发明积极效应体现在改善了气动肌肉的驱动特性，增加了气动肌肉的自由度，可用于需要高精度、柔性、复杂驱动领域。本发明气动肌肉可直接连接负载，也可通过传动机构连接负载。

附图说明

图1是本发明气动肌肉的结构原理示意图。

图2是图1的B-B剖视图。

图中：1、形状记忆合金编织网；2、弯曲导向合金弹簧；3、旋转导向合金弹簧；4、弹性橡胶内管；5、气体进出口；6、气管连接头；7、气管；8、前端连接件；9、外部气管连接口；10、接线端口；11、电导线；12、前端密封用内构件；13、前端密封用外卡箍；14、后端密封用外卡箍；15、后端密封用内构件；16、后端连接件；A、气体；C、电流。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明气动肌肉驱动器包括：橡胶弹性内管，附着在内管外壁上的可主动变形的变形网，气管供气用进出气口，用于将气管和变形网精密连接在一起的前后两端的密封卡箍，以及接线端口、气管、电导线等。具体技术在于：

A.利用橡胶内管的变形受外部的可主动变形的变形网约束原理，实现气动肌肉驱动特性和变形方向可调节。所述的变形网采用了特殊结构，由形状记忆合金丝编织网和变形导向合金弹簧构成，其中变形导向合金弹簧由弯曲导向合金弹簧和旋转导向合金弹簧组成。将变形网结构紧密螺旋缠绕和套在橡胶弹性内管外壁上来约束内管的变形。

B.通过给形状记忆合金丝施加不同的PWM脉冲电流进行加热和自然冷却方法，从而改变合金丝的温度，导致合金丝的长度变化，从而可以在脉冲电流加热控制下改变编织网结构，实现编织网的主动变形，使气动肌肉具有智能。变形过程中，合金丝长度和网表面积会发生主动变化。

C.为了用具有单个气腔的气动肌肉实现弯曲变形，本发明在编织网内壁中沿编织网轴向方向，设计分布有起弯曲变形导向功能的多对形状记忆合金弹簧。成对的弯曲导向合金弹簧对称安装，相反变形，从而使得气动肌肉可弯曲变形。在橡胶内管外壁上开槽安装弯曲导向合金弹簧。本发明气动肌肉的弯曲变形方向和个数由对称安装的弯曲导向合金弹簧的位置和个数决定。

D.为了用具有单个气腔的气动肌肉实现旋转变形，本发明设计了旋转导向合金弹簧，并螺旋缠绕在橡胶内管外壁上，在橡胶内管外壁上开槽安装旋转导向合金弹簧。本发明气动肌肉的旋转变形方向由旋转导向合金弹簧安装时的螺旋方向决定。

E.气动肌肉两端的密封采用同轴螺旋卡紧设计的内构件和外卡箍构成。将气动肌肉的橡胶内管和变形网的两端套在内构件上，通过将外卡箍与内构件旋紧并施加密封胶，从而方便的实现气动肌肉两端的密封。前端密封用内构件中设计有气体进出口和形状记忆合金加热电流接线端口。

本发明智能气动肌肉的特性和变形调节方法包括：

A.气动肌肉驱动特性调节方法，主要针对两大特性的调节：伸缩率和变刚度。

a.伸缩率指气动肌肉最大伸缩变形量与原始长度的比值。在气压恒定情况下，气动肌肉的伸缩变形量取决于编织网角，而编织网角与编织网丝的长度有关。通过给形状记忆合金丝加热变形，改变丝的长度，可改变编织网角，从而调节气动肌肉的伸缩变形量，进而调节伸缩率。不同伸缩率的气动肌肉可用于不同的运动驱动需求，从而使得本发明气动肌肉可适用于不同驱动需求。

b.生物肌肉的刚度可以随着张力和负载的不同而变化。变刚度特性使得由肌肉组成的关节的运动具有很好的柔顺性，在一个关节的运动中，既可以实现位置控制，又可以实现力的控制。气动肌肉的刚度是充气压力和长度的函数，是变化的。但传统的气动肌肉在充气压力恒定情况下，长度保持不变，所以传统气动肌肉的变刚度特性不可根据驱动任务的不同进行调节。本发明可以在充气压力一定情况下，通过形状记忆合金编织网的主动变形来改变气动肌肉的长度，也可在气动肌肉长度不变情况下，通过形状记忆合金编织网的主动变形来约束气管内的充气压力，从而实现刚度的灵活调节。

B.不同自由度驱动动作的实现方法。通过给特定方向成对安装的弯曲导向合金弹簧施加不同的电流，引起相反的主动变形，从而导致气动肌肉的弯曲变形，而其它的弯曲导向合金弹簧不施加电流，只发生被动变形。通过给螺旋安装的旋转导向合金弹簧施加不同的电流，引起合金弹簧的主动变形，从而导致气动肌肉的旋转变形。

如图1、图2所示，本发明在弹性橡胶管4向外依次紧密轴向安装弯曲导向合金弹簧2、旋转导向合金弹簧3和形状记忆合金编织网1；弹性橡胶管4的一端向外依次装有前端密封用外卡箍13、前端密封用内构件12和前端连接件8；弹性橡胶管4的另一端向外依次装有后端密封用外卡箍14、后端密封用内构件15和后端连接件16；前端密封用内构件12上开有气体进出口5，气管连接头6和接线端口10分别安装在前端密封用内构件12上；气管7的一端通过气管连接头6与弹性橡胶管4连通，气管7的另一端通过外部气管连接口9与外部清洁气压源A连接；电导线11的一端通电流C，电导线11的另一端经接线端口，分别与形状记忆合金编织网1、轴向安装弯曲导向合金弹簧2和旋转导向合金弹簧3连接。

所述的轴向安装弯曲导向合金弹簧2为四根，在橡胶内管外壁开轴向槽成对在径向均布安装，通以PWM脉冲电流。成对的两根导向合金弹簧必须通不同的PWM脉冲电流，产生不同的长度变形，才能使气动肌肉产生弯曲变形。

所述的旋转导向合金弹簧3在橡胶内管外壁开螺旋槽安装，通不同的PWM脉冲电流，合金弹簧产生不同程度的旋转变形。

本发明的装置实施例：

选用外径为Φ24mm，内径为Φ20mm，长度为120mm，最高耐压0.5MPa的高弹性橡胶管作为气动肌肉的内管。

编织网采用目前已经实用化的Ti-Ni系形状记忆合金材料，具有回复变形时回复力大、形变回复量大、电阻率高、疲劳寿命长、能量密度高、材料耐腐蚀等优点。编织网的编织采用麻花网编织方法。用于编织网的形状记忆合金丝采用直径0.2mm，长度600mm，最大伸缩量50mm，最大承受拉应力100N的合金丝。变形导向合金弹簧与编织网内壁密切连接。

设计安装4根弯曲导向合金弹簧，选用Ti-Ni合金螺旋弹簧，丝径250μm，直径4mm，长度120mm。4根弯曲导向合金弹簧均匀分布在橡胶内管外壁，可使气动肌肉绕两个轴弯曲变形。在橡胶内管外壁上加工出轴向直线槽，用于弯曲导向合金弹簧的安转。设计安装单根旋转导向合金弹簧，选用Ti-Ni合金螺旋弹簧，丝径400μm，直径4mm，长度300mm。在橡胶内管外壁上加工出螺旋槽，用于旋转导向合金弹簧的安装。

变形网的安装要有预应力，保证变形网和橡胶内管的紧密接触。

采用PWM脉冲电流对形状记忆合金进行加热和自然冷却方法进行降温，加热时间＜0.7s，冷却时间＜1.3s。选用的形状记忆合金丝的加热变形温度在70℃，冷却温度40℃。为了减小合金丝温度对橡胶管的影响，在橡胶管外壁喷涂隔热胶。

气动肌肉所产生的拉力大小受变形网和橡胶内管间的摩擦因素和橡胶软管变形的影响。为减小编织网与橡胶内管之间的摩擦，在装配时应在橡胶内管外壁涂抹少量润滑剂。

密封元件采用铝合金材料加工。气管7采用尼龙管。电导线11采用直径1mm的铜芯导线。气体进出口5设计在前端卡箍内构件12中，接线端口10安装在前端卡箍内构件12上。

装配时首先在橡胶内管上涂抹隔热胶和润滑剂，而后将制作好的包含1、2和3的变形网套在橡胶内管4外壁上。将密封卡箍内构件12和15插入橡胶内管的两端。将密封用外卡箍卡到橡胶内管两端，确保密封。将前后端连接件8和16分别焊接在内构件12和15上。利用气管连接头6将气管7与气体进口5连同。将导线11与接线端子10连接。

本装置实施例总体重量可控制在0.5kg左右，可输出最大力800N，最大负载50kg。接线端口的端子个数为6个，1个用于连接编织网、1个用于连接旋转导向合金弹簧，4个用于连接弯曲导向合金弹簧。气动肌肉末端点可输出40mm直线位移量，10mm弯曲位移量。

本发明的使用方法步骤实施例：

以用于仿人机器人肘关节驱动器为实施例。气动肌肉只能提供单向驱动力，所以借鉴生物颉颃肌方式，采用两条气动肌肉对抗安装于转动关节的两侧，从而驱动转动关节。使用方法步骤：

A.选用合适的气压调节装置和形状记忆合金加热电流控制电路。

B.将本发明气动肌肉通过前后端的连接构件8和16安装在机器人肘关节转动关节的内外两侧。

C.通过外部气管连接口9将气管7与外部清洁气压源连接。

D.通过接线端口10将变形网与外部PWM脉冲电流C连通。

E.施加最小压力，既满足气体克服橡胶管的弹性，保持编织网和橡胶内管完全贴紧的最低压力，约为0.05MPa。

F.在不给变形网施加电流情况下，逐步增加单侧气动肌肉的内管气压，驱动肘关节旋转。

G.在气压恒定情况下，改变肘关节末端的负载，由于负载的变化会导致气动肌肉位置精度的降低。此时，通过调节编织网电流，主动使编织网变形来弥补位置精度的降低。当负载变大时，给形状记忆合金丝编织网加温，网丝缩紧。当负载减小时，形状记忆合金丝编织网降温，网丝松弛。

由于上述实施例仅用于驱动转动关节，所以没有体现本发明气动肌肉的旋转和弯曲驱动功能。可将本气动肌肉作为机器人灵巧手的一根手指来使用。前端连接件8与机器人手掌相连，后端连接件16与小型负载连接。此时在上述相同的使用方法基础上，通过调节弯曲和旋转导向合金弹簧的PWM脉冲电流大小，可实现类似人手指的灵活的弯曲变形驱动动作和旋转驱动动作。

使用中，应主要通过充气气压来实现大负载的驱动，变形网的变形起辅助驱动功能，提高驱动精度，丰富驱动动作，改善驱动性能。

使用完后，应首先切断PWM脉冲电流，而后再切断气源。

Claims (3)

1.一种基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉，其特征在于：在弹性橡胶管(4)向外依次紧密轴向安装弯曲导向合金弹簧(2)、旋转导向合金弹簧(3)和形状记忆合金编织网(1)；弹性橡胶管(4)的一端向外依次装有前端密封用外卡箍(13)、前端密封用内构件(12)和前端连接件(8)；弹性橡胶管(4)的另一端向外依次装有后端密封用外卡箍(14)、后端密封用内构件(15)和后端连接件(16)；前端密封用内构件(12)上开有气体进出口(5)，气管连接头(6)和接线端口(10)分别安装在前端密封用内构件(12)上；气管(7)的一端通过气管连接头(6)与弹性橡胶管(4)连通，气管(7)的另一端通过外部气管连接口(9)与外部清洁气压源A连接；电导线(11)的一端通电流C，电导线(11)的另一端经接线端口，分别与形状记忆合金编织网(1)、轴向安装弯曲导向合金弹簧(2)和旋转导向合金弹簧(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉，其特征在于：所述的轴向安装弯曲导向合金弹簧(2)为四根，在橡胶内管外壁开轴向槽成对在径向均布安装，通以不同的电流。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉，其特征在于：所述的旋转导向合金弹簧(3)在橡胶内管外壁开螺旋槽安装。

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