CN103802126A

CN103802126A - 液压仿生肌肉

Info

Publication number: CN103802126A
Application number: CN201410082243.4A
Authority: CN
Inventors: 何晓飞; 陆亚卓; 匡懋萃; 范秦沛
Original assignee: Shanghai Mocen Fluid Power Control Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Mocen Fluid Power Control Equipment Co Ltd
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-05-21

Abstract

本发明公开了一种液压仿生肌肉，它包括弹性胶囊、高压油口及安装耳环，高压油口固定连接于弹性胶囊两端，安装耳环设于高压油口上；其中：所述弹性胶囊为两端设有管口的管状体，其管壁由内层、中间层及面层复合而成，内层为弹性密闭层，中间层为各向异性的非均质材料层，面层为弹性材质编织的网格保护层。本发明用于仿生行走的机器人，相当于机器人运动骨骼之间的肌肉，提高了仿生行走机器人骨骼运动的柔韧性，易采用模糊控制完成机器人的运动过程，实现拟人化的机器人运动，具有结构简单紧凑、与系统连接方便的特点，还具有仿人体肌肉的生物力学特征。

Description

液压仿生肌肉

技术领域

本发明涉及仿生学技术领域，尤其是一种能模拟人体或动物肌肉的具有生物力学特性、以液压为驱动源、以胶囊的弹性为被动源的仿生器件即液压仿生肌肉。

背景技术

以液压源驱动的机器人其运动的执行机构主要是液压缸，由于液压缸的整体结构复杂，组成的零部件较多，在驱动过程中，液压缸是以直线往复运动驱动机器人的关节运动，而液压缸的往复运动需双向驱动源驱动，运动轨迹单一，不易随机变换，导致机器人的动作生硬，缺乏运动的柔韧性。为提高机器人的生物力学特性、提高机器人运动的柔韧性，亟待需要模仿人体肌肉的力学特性，设计出一种仿生器件取代肌肉，使仿生器件的主动驱动特性模拟肌肉的收缩、被动弹性特性模拟肌肉的舒张，易于采用模糊控制完成机器人的运动过程，实现拟人化的机器人运动。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种液压仿生肌肉，本发明用于取代液压缸驱动机器人的关节运动，使机器人的动作自然，关节运动的柔韧性增强，易于采用模糊控制完成机器人的运动过程，实现拟人化的机器人运动。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种液压仿生肌肉，特点是它包括弹性胶囊、安装耳环和高压油口，安装耳环固定连接于弹性胶囊两端，高压油口设于安装耳环上并与弹性胶囊内部连通；其中：

所述弹性胶囊为两端设有管口的管状体，其管壁由内层、中间层及面层复合而成，内层为弹性密闭层，中间层为各向异性的非均质材料层，面层为弹性材质编织的网格保护层。

所述各向异性的非均质材料层为至少有一层高强度模量纤维层的弹性复合材质层，所述高强度模量纤维层纤维的排列为并排同向且纵向与弹性胶囊的轴向相同，而非网状编织。

所述弹性胶囊中的高强度模量纤维层位于两端管口处的部分需经高温固化塑性处理。

所述弹性胶囊的管壁为沿轴向等厚或不等厚分布。

所述高强度模量纤维层为碳纤维层、高模量聚乙烯纤维层或芳纶纤维层。

本发明用于取代液压缸驱动机器人的关节运动，使机器人的动作自然，关节运动的柔韧性增强，易于采用模糊控制完成机器人的运动过程，实现拟人化的机器人运动，具有结构简单紧凑、与系统连接方便的特点，还具有仿人体肌肉的生物力学特征。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明图1的A—A截面局部放大示意图；

图3、图4及图5为本发明的使用状态示意图。

具体实施方式

参阅图1-2，本发明包括弹性胶囊1、高压油口2及安装耳环3，所述弹性胶囊1为两头设有管口14的管状体，其弹性胶囊1的壁由内层11、中间层12及面层13复合而成，高压油口2固定连接于弹性胶囊1两头的管口14上，高压油口2设于安装耳环3上；所述弹性胶囊1的内层11为弹性密闭层，中间层12为各向异性的非均质材料层，面层13为弹性材质编制的网格保护层。

所述各向异性的非均质材料层为至少设有一层高强度模量纤维层121的弹性复合材质层，其中，高强度模量纤维层121的纤维并排同向排列，且纤维纵向沿弹性胶囊1的轴向布置。

所述的弹性胶囊1的高强度模量纤维层121位于两端管口14处的部分需经高温固化塑性处理。

所述的弹性胶囊1的管壁为沿轴向等厚分布或沿轴向不等厚分布。

以下对本发明的结构进一步说明：

a)、弹性胶囊1

本发明弹性胶囊1为管状体，其管壁由内层11、中间层12及面层13复合而成，弹性胶囊1的内层11为弹性密闭层，通常由高弹耐油橡胶材质制成，中间层12为各向异性的非均质材料层，采用橡胶层内夹持一层或多层高强度模量纤维层121构成的弹性复合材质层，高强度模量纤维层121具有自记忆及自恢复功能，高强度模量纤维层121的纤维并排且同向排列，并且在中间层12内同向排列，其纤维纵向沿弹性胶囊1的轴向布置，为此，高强度模量纤维层121对弹性胶囊1的轴向拉伸变形制约，对弹性胶囊1的径向膨胀变形不制约，使得中间层12材质的纵向与径向应变特性不同，成为各向异性的非均质材料层。

为满足机器人各关节部位对弹性胶囊1径向膨胀系数的不同要求，本发明对构成弹性胶囊1内层11、中间层12及面层13的管壁厚度设计为沿轴向等厚分布或沿轴向不等厚分布的结构。

b)、弹性胶囊与高压油口的连接

为使高压油口2与弹性胶囊1两头的管口14更好的固连，提高弹性胶囊1两端管口14处的塑性，本发明对弹性胶囊1中的中间层12位于两端管口14处进行高温固化塑性处理。

c)、弹性胶囊1的面层13

为控制弹性胶囊1的最大变形量，保证本发明的工作安全及防止弹性胶囊1的表面磨损，本发明采用弹性材质编织了网格保护层作为弹性胶囊1的面层13，在弹性胶囊1的变形范围内，面层13的网格能产生一定的错位移动，在弹性胶囊1的变形达到上限值，网格能制约弹性胶囊1的变形，面层13对弹性胶囊1起到限定极限变形和防损伤保护的双重作用。

本发明的具体工作过程：

参阅图3-5，将本发明弹性胶囊1的两端管口14通过安装耳环3连接在液压机器人关节的两运动臂之间，当液压控制系统向机器人加压时，弹性胶囊1的管状体在液压源的加压作用下，由于高强度模量纤维层121的存在制约了弹性胶囊1管状体的轴向伸长，管状体只能沿径向膨胀，随着管状体内压力的上升，弹性胶囊1沿径向的膨胀不断增大，从管状体向球状体变化，迫使中间层12内的纤维随弹性胶囊1的变形而发生弯曲，由于碳纤维或金属纤维对弹性胶囊1的径向变形没有约束，随着弹性胶囊1沿管径方向的膨胀及中间层12内高强度模量纤维的弯曲，使弹性胶囊1两头管口14的相对距离减小，使弹性胶囊1在液压源加压的主动驱动特性下模拟肌肉收缩，实现两运动臂收拢；反之，弹性胶囊1的管状体内液压源卸荷，在高强度模量纤维层121恢复变形的作用下，随着弹性胶囊1内压力的下降，弹性胶囊1从球状体向管状体恢复变形，使弹性胶囊1在液压源减压的被动弹性特性下模拟肌肉的舒张，实现两运动臂伸开。

本发明为一种具有主动驱动特性模拟肌肉的收缩、被动弹性特性模拟肌肉的舒张功能的仿生器件，用于仿生行走的机器人，相当于机器人运动骨骼之间的肌肉，提高了仿生行走机器人骨骼运动的柔韧性。

Claims

1.一种液压仿生肌肉，其特征在于它包括弹性胶囊（1）、高压油口（2）及安装耳环（3），高压油口（2）设于安装耳环（3）上，并与弹性胶囊（1）的内部连通，其中：

所述弹性胶囊（1）为两端设有管口（14）的管状体，其管壁由内层（11）、中间层（12）及面层（13）复合而成，内层（11）为弹性密闭层，中间层（12）为各向异性的非均质材料层，面层（13）为弹性材质编织的网格保护层。

2.根据权利要求1所述的液压仿生肌肉，其特征在于所述各向异性的非均质材料层为至少有一层高强度模量纤维层（121）的弹性复合材质层，所述高强度模量纤维层（121）纤维的排列为并排同向且纵向与弹性胶囊（1）的轴向相同。

3.根据权利要求1所述的液压仿生肌肉，其特征在于所述弹性胶囊（1）中的高强度模量纤维层（121）位于两端管口（14）处的部分经高温固化塑性处理。

4.根据权利要求1所述的液压仿生肌肉，其特征在于所述弹性胶囊（1）的管壁为沿轴向等厚或不等厚分布。

5.根据权利要求2所述的液压仿生肌肉，其特征在于所述高强度模量纤维层为碳纤维层、高模量聚乙烯纤维层或芳纶纤维层。