CN102152309A - 人工肌肉集结群 - Google Patents

Abstract

人工肌肉集结群，由多个肌肉单元串联而成，肌肉单元包括多个作为人工肌肉的弹簧，分别与弹簧两端固接的前连接板和后连接板，弹簧沿连接板表面均匀分布，每个弹簧中穿设导引-锁紧机构；导引-锁紧机构的两端分别与前连接板、后连接板固接，导引-锁紧机构由套筒和可滑动地套接于套筒内的活塞组成，活塞的内藏于套筒内的一端设有一圈凸环，套筒的允许活塞外露的一端设有阻止凸环脱离套筒的台阶；最前端的肌肉单元与最后端的肌肉单元分别连接一高强纤维；人工肌肉集结群中还设有能判断当前是否存在混沌行为、人工肌肉集结群的位移或张力输出是否合格的混沌特征测试模块。本发明具有输出张力或位移量大，保障输出质量的优点。

Description

人工肌肉集结群

技术领域

本发明涉及一种人工肌肉集结群。

技术背景

人工肌肉具有功率密度大、高效、直接驱动、柔顺性好、无噪等类生物骨骼肌的优秀特性，在柔顺驱动领域中具有广泛应用前景。单根人工肌肉因输出力、位移有限，运动形式单一，难以满足大输出功率、多自由度运动等应用场合，因此，由一组人工肌肉联合驱动的创新构型及控制日益引起关注。

如美国东北大学海洋生物学实验室研制了一种龙虾机器人^[1]，用于河流和沿海底部的远程自治勘探工作，该龙虾机器人有8条腿，每条腿3个关节，每个关节1个自由度，分别由一对类似于自然颉颃肌布置的形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)丝驱动，在复杂的水下地形、水流和巨涌的工作条件下具有良好的稳健性。英国SHADOW公司开发了Shadow灵巧手^[2]，摹仿成年人手掌的形状和大小，共20个自由度，分别由一对气动人工肌肉(Pneumatic Muscle Actuator，PMA)驱动，人工肌肉集结群交错在一起，实现从重物抓取到精确抓取等各种动作，在手臂截瘫患者的假肢置换具有广泛临床应用前景。国内学者也对人工肌肉及其柔顺驱动应用展开研究，如华中科技大学熊有伦、熊蔡华等研究了机器人多指抓取和操作^[3]；西北工业大学秦现生研究了仿肌肉驱动器^[4]，浙江大学陶国良、浙工大张立彬分别对气动肌肉并联关节、侧摆关节行了研究。

以上研究有力促进了人工肌肉在机器人、假肢关节柔顺驱动中的应用水平。然而，针对一组人工肌肉联合作用下，人工肌肉集结群的结构设计及其驱动力输出可裁剪控制的方法，目前还鲜见报道。人工肌肉集结群在结构、驱动和灵敏性控制方面，完全不同于单根人工肌肉，研究人工肌肉集结群构型及其驱动特性，充分发挥人工肌肉驱动的优异性能和简洁紧凑的结构，对于提升人工肌肉在柔顺驱动中的应用水平具有重要意义。

发明内容

为弥补单根人工肌肉因输出力、位移有限，运动形式单一的不足，满足机器人、假肢对大输出功率、多自由度驱动的需求，提高由一组人工肌肉联合作用下人工肌肉集结群的驱动效率和控制水平，本发明提供了一种人工肌肉集结群。

人工肌肉集结群，由多个肌肉单元串联而成，所述的肌肉单元包括多个作为人工肌肉的弹簧，分别与弹簧两端固接的前连接板和后连接板，所述的弹簧沿连接板表面均匀分布，每个弹簧中穿设导引-锁紧机构；

所述的导引-锁紧机构的两端分别与所述的前连接板、后连接板固接，所述的导引-锁紧机构由套筒和可滑动地套接于所述的套筒内的活塞组成，所述的活塞的内藏于套筒内的一端设有一圈凸环，所述的套筒的允许活塞外露的一端设有阻止所述的凸环脱离套筒的台阶；

最前端的肌肉单元与最后端的肌肉单元分别连接一高强纤维；

所述的人工肌肉集结群中还设有能判断当前是否存在混沌行为、人工肌肉集结群的位移或张力输出是否合格的混沌特征测试模块，所述的混沌特征测试模块执行以下步骤：

1)、获取当前边界条件下，人工肌肉集结群的位移或张力的时间序列信号，并将时间序列信号进行A/D转换形成时间序列数据；

2)、计算所述的时间序列数据的最大Lyapunov指数(李雅普诺夫指数)；

3)、根据最大Lyapunov指数判断人工肌肉集结群是否存在混沌行为：

若最大Lyapunov指数大于0，则存在混沌行为，进入步骤4)；

若最大Lyapunov指数等于0，初始误差不放大也不缩小，则认为人工肌肉集结群可进行进一步拉伸或压缩；

最大Lyapunov小于0，则不存在混沌行为，人工肌肉集结群可进行进一步拉伸或压缩；

4)、分别计算不同温度、负载、电压/电流边界条件下位移或张力的分形维数；

5)、判断当前分形维数是否大于预设的阈值维数，若是，则根据分形维数越大、位移或张力输出的质量越差的原则，认为当前人工肌肉集结群位移或张力的输出质量不合格，应避免采用；

若否，则认为当前肌肉集结群的位移或张力的输出质量合格。

进一步，步骤2)中，最大Lyapunov指数的计算方法为：

相空间的某点Y_j与其相邻近点Y′_k间的距离为||Y_j-Y′_k||＝δ₀，经过n个时间单位的演化后两点间的距离为δ_Δn＝||Y_j+Δn-Y′_k+Δn||。Lyapunov指数λ₁为最近邻域发散速率的平均值，所以有

$d_j\left(i\right)=C_j{e}^{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\Δ}}_t},$ C_j＝d_j(0)

Ind_j(i)＝InC_j+λ₁(iΔt)(j＝1，2，...，M)

$y\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{q\Δt}}\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{In}{d}_j\left(i\right)$

式中：Δt为样本周期；

k是常数；

d_j(i)为第j个相点与其最邻近点经过I个时间步长后的距离；

d_j(0)为第j个相点与其最邻近点的距离；

M为重构的相点数；

q为非零d_j(i)个数；

然后用最小二乘法作出回归直线，其斜率为最大Lyapunov指数。

进一步，所述的弹簧通过螺钉与连接板固接。

本发明的技术构思为：所述人工肌肉集结群构件的基本组成单元是单个人工肌肉，多个相同的人工肌肉经过一系列宏观量的串、并组合——m根并联成并联结构单元，n个并联结构单元首尾相连形成串联，构筑出n×m阵列结构的人工肌肉集结群。根据人工肌肉的工作原理激活单个人工肌肉(如电流的热效应加热SMA弹簧使之收缩)，使之产生位移和驱动力。

所述人工肌肉是集结群构件的基本组成单元，m个人工肌肉以一定的密度并联且均匀分布，两端分别通过螺钉连接到连接板上，形成一个并联结构单元；n个并联结构单元首尾相接形成串联，形成一个n×m阵列结构的人工肌肉集结群。为避免因相邻人工肌肉主动收缩而引起的被动伸长及阵列结构的振荡，在每个人工肌肉轴向设置一个导引和单向锁紧机构。人工肌肉集结群两端连接有高强纤维，作为其连接到仿生机构的媒介。

所述人工肌肉两端通过螺钉与连接板连接，人工肌肉在自然状态下无预紧力，在激活状态下收缩，产生主动收缩力；人工肌肉从激活状态到非激活状态下有回复到自然状态和保持收缩状态两种情况，其状态特征按照人工肌肉类型(目前典型人工肌肉包括SMA、PMA、各种聚合物类人工肌肉)而定，作为优选的一种方案，采用SMA丝弹簧，非激活状态下回复到自然状态。

所述高强纤维，用来连接人工肌肉集结群和仿生机构，起韧带的作用，作为优选的一种方案，采用Kelver^TM高强纤维丝。

所述导引和单向锁紧机构由套筒和活塞组成，套筒-活塞间隙配合，分别固接在相邻两连接板上。人工肌肉被激活收缩时，导引和单向锁紧机构可以自由收缩，而被动拉伸时因锁紧而不能伸长。套筒-活塞被动收缩最大行程大于人工肌肉变形量以保证人工肌肉自由收缩。初始状态下，外筒-活塞在轴向初始间隙为d₀；人工肌肉被激活收缩时，导引和单向锁紧机构被动收缩，两个圆柱副约束导引阵列结构沿轴向变形；人工肌肉被动拉伸时，套筒-活塞相对初始位置伸长d₀后人工肌肉就被锁紧，避免因相邻人工肌肉主动收缩而引起的被动伸长及阵列结构的振荡。为避免电磁感应，套筒-活塞采用绝缘体材料，同时还应保持良好的润滑以减小摩擦。

本发明的有益效果在于：人工肌肉集结群构件弥补了单根人工肌肉输出力小的限制，还可以获得比单个人工肌肉大得多的输出位移；阵列结构的人工肌肉构成方式，允许用户根据输出位移、驱动力等设计要求增减人工肌纤维的长度、数量和改变组合次序；实时测试是否出现混沌行为，保证人工肌肉集结群的输出质量。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图2是肌肉单元的分解示意图。

图3是导引-锁紧机构的剖视图。

图4是混沌特征测试模块的流程图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

人工肌肉集结群，由多个肌肉单元I串联而成，所述的肌肉单元I包括多个作为人工肌肉的弹簧2，分别与弹簧2两端固接的前连接板31和后连接板32，所述的弹簧2沿连接板31、32表面均匀分布，每个弹簧2中穿设导引-锁紧机构4；

所述的导引-锁紧机构4的两端分别与所述的前连接板31、后连接板32固接，所述的导引-锁紧机构4由套筒41和可滑动地套接于所述的套筒41内的活塞42组成，所述的活塞42的内藏于套筒内的一端设有一圈凸环421，所述的套筒41的允许活塞42外露的一端设有阻止所述的凸环421脱离套筒41的台阶411；

最前端的肌肉单元I与最后端的肌肉单元I分别连接一高强纤维1；

所述的人工肌肉集结群中还设有能判断当前是否存在混沌行为、人工肌肉集结群的位移或张力输出是否合格的混沌特征测试模块，所述的混沌特征测试模块执行以下步骤：

1)、获取当前边界条件下，人工肌肉集结群的位移或张力的时间序列信号，并将时间序列信号进行A/D转换形成时间序列数据；

2)、计算所述的时间序列数据的最大Lyapunov指数(李雅普诺夫指数)；

3)、根据最大Lyapunov指数判断人工肌肉集结群是否存在混沌行为：

若最大Lyapunov指数大于0，则存在混沌行为，进入步骤4)；

若最大Lyapunov指数等于0，初始误差不放大也不缩小，则认为人工肌肉集结群可进行进一步拉伸或压缩；

最大Lyapunov小于0，则不存在混沌行为，人工肌肉集结群可进行进一步拉伸或压缩；

4)、分别计算不同温度、负载、电压/电流边界条件下位移或张力的分形维数；

5)、判断当前分形维数是否大于预设的阈值维数，若是，则根据分形维数越大、位移或张力输出的质量越差的原则，认为当前人工肌肉集结群位移或张力的输出质量不合格，应避免采用；

若否，则认为当前肌肉集结群的位移或张力的输出质量合格。

步骤2)中，最大Lyapunov指数的计算方法为：

相空间的某点Y_j与其相邻近点Y′_k间的距离为||Y_j-Y′_k||＝δ₀，经过n个时间单位的演化后两点间的距离为δ_Δn＝||Y_j+Δn-Y′_k+Δn||。最大Lyapunov指数λ₁为最近邻域发散速率的平均值，所以有

$d_j\left(i\right)=C_j{e}^{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\Δ}}_t},$ C_j＝d_j(0)

Ind_j(i)＝InC_j+λ₁(iΔt)(j＝1，2，...，M)

$y\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{q\Δt}}\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{In}{d}_j\left(i\right)$

式中：Δt为样本周期；

k是常数；

d_j(i)为第j个相点与其最邻近点经过I个时间步长后的距离；

d_j(0)为第j个相点与其最邻近点的距离；

M为重构的相点数；

q为非零d_j(i)个数；

然后用最小二乘法作出回归直线，其斜率为最大Lyapunov指数。

所述的弹簧通过螺钉与连接板固接。

本发明的技术构思为：所述人工肌肉集结群构件的基本组成单元是单个人工肌肉，多个相同的人工肌肉经过一系列宏观量的串、并组合——m根并联成并联结构单元，n个并联结构单元首尾相连形成串联，构筑出n×m阵列结构的人工肌肉集结群。根据人工肌肉的工作原理激活单个人工肌肉(如电流的热效应加热SMA弹簧使之收缩)，使之产生位移和驱动力。

所述人工肌肉是集结群构件的基本组成单元，m个人工肌肉以一定的密度并联且均匀分布，两端分别通过螺钉连接到连接板上，形成一个并联结构单元；n个并联结构单元首尾相接形成串联，形成一个n×m阵列结构的人工肌肉集结群。为避免因相邻人工肌肉主动收缩而引起的被动伸长及阵列结构的振荡，在每个人工肌肉轴向设置一个导引和单向锁紧机构。人工肌肉集结群两端连接有高强纤维，作为其连接到仿生机构的媒介。

所述人工肌肉两端通过螺钉与连接板连接，人工肌肉在自然状态下无预紧力，在激活状态下收缩，产生主动收缩力；人工肌肉从激活状态到非激活状态下有回复到自然状态和保持收缩状态两种情况，其状态特征按照人工肌肉类型(目前典型人工肌肉包括SMA、PMA、各种聚合物类人工肌肉)而定，作为优选的一种方案，采用SMA丝弹簧，非激活状态下回复到自然状态。

所述高强纤维，用来连接人工肌肉集结群和仿生机构，起韧带的作用，作为优选的一种方案，采用Kelver^TM高强纤维丝。

所述导引和单向锁紧机构由套筒和活塞组成，套筒-活塞间隙配合，分别固接在相邻两连接板上。人工肌肉被激活收缩时，导引和单向锁紧机构可以自由收缩，而被动拉伸时因锁紧而不能伸长。套筒-活塞被动收缩最大行程大于人工肌肉变形量以保证人工肌肉自由收缩。初始状态下，外筒-活塞在轴向初始间隙为d₀；人工肌肉被激活收缩时，导引和单向锁紧机构被动收缩，两个圆柱副约束导引阵列结构沿轴向变形；人工肌肉被动拉伸时，套筒-活塞相对初始位置伸长d₀后人工肌肉就被锁紧，避免因相邻人工肌肉主动收缩而引起的被动伸长及阵列结构的振荡。为避免电磁感应，套筒-活塞采用绝缘体材料，同时还应保持良好的润滑以减小摩擦。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.人工肌肉集结群，由多个肌肉单元串联而成，所述的肌肉单元包括多个作为人工肌肉的弹簧，分别与弹簧两端固接的前连接板和后连接板，所述的弹簧沿连接板表面均匀分布，每个弹簧中穿设导引-锁紧机构；

所述的导引-锁紧机构的两端分别与所述的前连接板、后连接板固接，所述的导引-锁紧机构由套筒和可滑动地套接于所述的套筒内的活塞组成，所述的活塞的内藏于套筒内的一端设有一圈凸环，所述的套筒的允许活塞外露的一端设有阻止所述的凸环脱离套筒的台阶；

最前端的肌肉单元与最后端的肌肉单元分别连接一高强纤维；

所述的人工肌肉集结群中还设有能判断当前是否存在混沌行为、人工肌肉集结群的位移或张力输出是否合格的混沌特征测试模块，所述的混沌特征测试模块执行以下步骤：

1)、获取当前边界条件下，人工肌肉集结群的位移或张力的时间序列信号，并将时间序列信号进行A/D转换形成时间序列数据；

2)、计算所述的时间序列数据的最大Lyapunov指数(李雅普诺夫指数)；

3)、根据最大Lyapunov指数判断人工肌肉集结群是否存在混沌行为：

若最大Lyapunov指数大于0，则存在混沌行为，进入步骤4)；

若最大Lyapunov指数等于0，初始误差不放大也不缩小，则认为人工肌肉集结群可进行进一步拉伸或压缩；

最大Lyapunov小于0，则不存在混沌行为，人工肌肉集结群可进行进一步拉伸或压缩；

4)、分别计算不同温度、负载、电压/电流边界条件下位移或张力的分形维数；

5)、判断当前分形维数是否大于预设的阈值维数，若是，则根据分形维数越大、位移或张力输出的质量越差的原则，认为当前人工肌肉集结群位移或张力的输出质量不合格，应避免采用；

若否，则认为当前肌肉集结群的位移或张力的输出质量合格。

2.如权利要求1所述的人工肌肉集结群，其特征在于：步骤2)中，最大Lyapunov指数的计算方法为：

相空间的某点Y_j与其相邻近点Y′_k间的距离为||Y_j-Y′_k||＝δ₀，经过n个时间单位的演化后两点间的距离为δ_Δn＝||Y_j+Δn-Y′_k+Δn||。Lyapunov指数λ₁为最近邻域发散速率的平均值，所以有

$d_j\left(i\right)=C_j{e}^{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\Δ}}_t},$ C_j＝d_j(0)

Ind_j(i)＝InC_j+λ₁(iΔt)(j＝1，2，...，M)

$y\left(i\right)=\frac{1}{\mathrm{q\Δt}}\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{In}{d}_j\left(i\right)$

式中：Δt为样本周期；

k是常数；

d_j(i)为第j个相点与其最邻近点经过I个时间步长后的距离；

d_j(0)为第j个相点与其最邻近点的距离；

M为重构的相点数；

q为非零d_j(i)个数；

然后用最小二乘法作出回归直线，其斜率为最大Lyapunov指数。

3.如权利要求1或2所述的人工肌肉集结群，其特征在于：所述的弹簧通过螺钉与连接板固接。

Images