CN104511894B - 活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，包括：电刺激模块(1)、骨骼肌驱动模块(2)、机械手模块(3)；电刺激模块(1)通过电脉冲控制骨骼肌驱动模块(2)；电刺激模块(1)与骨骼肌驱动模块(2)之间通过导线(4)连接；骨骼肌驱动模块(2)通过液压驱动机械手模块(3)；骨骼肌驱动模块(2)与机械手模块(3)之间通过橡胶管连接。本发明使用离体骨骼肌作为动力源，解决了收缩力与行程矛盾的问题。

Description

活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手

技术领域

本发明涉及一种生机电一体化仿生装置，具体是一种活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手。

背景技术

近年来离体组织培养技术迅猛发展，目前日本东京大学的BiohybridSystem实验室可以培养出具有两天活性的立体肌肉组织。相信随着生物技术的发展，未来很可能会出现高活性的离体肌肉组织。这不禁让人想到把肌肉组织用于机器的动力源，特别是那些仿生机械，比如机械手。因为肌肉组织拥有传统动力源(比如电机)所不具有的很多优点。比如肌肉组织的低能耗，可降解性，低污染。这也会成为未来国家的新能源，绿色动力可以考虑的一个方向。另外肌肉组织还有一些特有的运动特性，比如肌肉的等长收缩，与等张收缩特性，这也拓宽了未来的机械设计的思路。但目前，由于肌肉活性和收缩行程等因素的限制，使用肌肉作为动力源的机械很少出现。因此如果想使用离体骨骼肌作为动力源就必须解决收缩力问题与行程问题。

经文献检索发现相关专利文献，其中国专利申请号为：CN201120516253.6，专利名称为：机械假手，申请日为2011年12月12日。该机械假手包括手掌和手指两大部分。但是该设备存在一定的不足：1、该假手用弹簧实现手指的弯曲，这种设计无法完成握紧力的有效控制，当所需握紧力较大时该机械手根本无法使用；2、该假手无任何驱动装置。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，使用离体骨骼肌作为动力源，并解决了收缩力与行程矛盾的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，包括：电刺激模块、骨骼肌驱动模块、机械手模块；

电刺激模块通过电脉冲控制骨骼肌驱动模块；电刺激模块与骨骼肌驱动模块之间通过导线连接；骨骼肌驱动模块通过液压驱动机械手模块；骨骼肌驱动模块与机械手模块之间通过橡胶管连接。

优选地，电刺激模块包括：电刺激仪；

电刺激仪作为控制模块，通过发送电脉冲控制驱动模块的运动。

优选地，骨骼肌驱动模块包括：骨骼肌盛装器、驱动模块支架、、驱动液压缸、微调器、驱动球；

骨骼肌盛装器包括：盛装器密封盖、橡胶管、拉绳、骨骼肌、导线；

盛装器密封盖与橡胶管通过橡胶之间的粘合达到密封的效果；拉绳与骨骼肌上的肌腱连接，拉绳从密封盖上的小洞引出；导线的一端插入骨骼肌中，从密封盖中的孔引出；

驱动模块支架作为其他几个部件的支撑安装装置，驱动液压缸通过驱动模块支架上的卡槽安装在支架上，驱动球安装在驱动模块支架的滑槽中，驱动球可以在滑槽中多自由度滑动，微调器通过螺纹与驱动模块支架连接，骨骼肌盛装器通过玻璃绳一端连接在微调器上，另一端固定在驱动球上，通过肌肉的拉力使得驱动球始终与驱动液压缸的驱动杆接触。

优选地，机械手模块包括手掌、执行液压缸、滑动杆、拇指固定器、二节指、三节指；

手掌作为机械手模块的支撑与连接结构，三节指通过销轴与手掌连接，拇指固定器通过卡槽固定在手掌上，二节指通过销轴与拇指固定器相连，执行液压缸固定在手掌背面的卡槽中，执行液压缸与驱动液压缸之间用橡胶管连接，滑动杆安装于手掌的滑槽中，滑动杆可以在滑槽中作来回的滑动，滑动杆的推动端始终与执行液压缸的一端接触。

本发明的原理如下：

当肌肉受到电刺激时会收缩，考虑肌肉的这个特性，可以用其代替传统动力源，例如电机，为机械结构提供动力。但肌肉收缩的长度非常短。通过两个底面直径不同的液压缸串联的方式实现了行程的放大。但在行程放大过程中会产生较大的阻力的，所以本发明采用了将多块骨骼肌并联的结构，实现在放大行程的同时可以提供足够的动力。多块肌肉并联时由于肌肉收缩的不同步，会产生机构中的力的偏心，本发明采用驱动球的结构解决了这个问题。在四块肌肉收缩的时候，推动球会随着肌肉的收缩量的不同在滑槽中转动，从而调节合力的方向始终沿着滑槽的轴线方向。在肌肉收缩的时候会带动驱动球在滑槽中运动，从而推动驱动液压缸的推动杆的运动，压缩驱动液压缸中的液体，驱动执行液压缸，带动滑动杆在滑槽中运动，从而带动手指的屈伸。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

1、采用离体骨骼肌作为驱动源，实现的一些电机等驱动源所不具有的特性，例如低能耗；

2、驱动液压缸串联的结构，实现了小行程的放大；

3、骨骼肌的并联，保证了行程放大的同时拥有足够的力；

4、采用驱动球的结构，使得在并联结构中可以实现合力方向的固定，避免机构中产生大的摩擦；

5、采用液压传动，行成了良好的缓冲机制，在机械手抓取过程中避免拉伤骨骼肌。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明结构等轴侧图；

图2为电刺激模块与骨骼肌盛装器等轴侧图；

图3为骨骼肌盛装器剖面图；

图4为骨骼肌提取位置示意图；

图5为骨骼肌驱动模块等轴测图；

图6为机械手模块等轴侧图；

图7为驱动球等轴侧图；

图8为驱动模块支架等轴侧图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明包括：电刺激模块1、骨骼肌驱动模块2、机械手执行模块3。

如图2所示，电刺激模块1上有5个通道，分别控制5个骨骼肌驱动模块。电刺激仪1可以与PC机连接，将PC机上的程序下载到刺激仪1上可以实现不同的脉冲模式。电刺激仪上可以调节脉冲的频率与大小，实现不同的伸缩力与伸缩量。电刺激仪1通过导线与骨骼肌驱动模块2连接。

如图3所示，骨骼肌盛装器5中的骨骼肌9由于拉绳8的作用处于拉伸状态。当肌肉收缩时，拉绳会拉动驱动球14。

如图4所示，为骨骼肌9提取位置，本发明采用的活体骨骼肌为蛙腿部股后三头肌。股后三头肌为大腿外侧最大的肌肉组织，具有易制备、体积大、电刺激后收缩明显的优点。骨骼肌驱动部分制备过程如下：将死亡的蛙按图4所示背部朝上使用大头针将其四肢钉于解剖盘上固定。使用解剖刀与解剖镊隔开腿部皮肤，找到股后三头肌后沿着骨骼将肌肉剥离，在两端肌腱处切断。将剥离下的肌肉组织两端缠绕上棉线放入骨骼肌盛装器5中并倒入生理盐水。最后将骨骼肌盛装器5两端的针式电极10插入肌肉内部，确保与液体隔绝。

如图5所示，骨骼肌驱动模块2包括：驱动模块支架11、骨骼肌盛装器5、驱动液压缸12、微调器13、驱动球14。

图8所示，驱动模块支架11作为其它结构的支架，其上包括安装驱动液压缸12的卡槽，包括安装驱动球14的滑道，包括安装微调器13的螺纹孔。骨骼肌盛装器5中装有离体骨骼肌，离体骨骼肌的两端分别连接一根玻璃绳，拉绳8由盛装器5的两端引出。引出的拉绳8一端固定在微调器上，另一端固定在驱动球14上。当骨骼肌受到电脉冲刺激时会收缩。而固定在微调器13的一端的拉绳8不运动，固定在驱动球的一端的拉绳8拉动驱动球14运动，从而推动驱动液压缸12。微调器13的功能是在安装过程中调节拉绳8中的张力，使得驱动球14可以紧贴在液压缸的推动杆上；四块骨骼肌分别对称安装于骨骼肌驱动模块11上，实现力的合成。驱动球14的结构如图7所示，其上的四个外伸臂用于与四块骨骼肌连接，球状结构用于与滑道配合。驱动球14在肌肉的拉动过程中，会随着四块肌肉不同的收缩而产生转动，随时调节力的方向，避免对机械结构的损伤。

如图6所示，机械手模块3包括手掌20、执行液压缸19、滑动杆18、拇指固定器17、二节指16、三节指15；

手掌20作为其它结构的支架，其上包括用于固定执行液压缸19的卡槽，包括用于安装滑动杆18的滑槽，包括用于安装二节指16的销轴孔。整个机械手模块作为整个发明的执行机构，通过滑动杆18的牵引力带动手指运动。三指节15和二指节16的各个关节装有弹簧，可以在弯曲后恢复伸直的状态。三指节15和二指节16的指腹中有孔，可以将细线从中穿过，当拉动细线时可以让手指实现弯曲，释放时恢复。而滑动杆的运动是由执行液压缸驱动19的。滑动杆18的一端栓有由手指引出的细线，使得滑动杆18的一端紧贴在执行液压缸的推杆上。当执行液压缸被驱动时，驱动杆就被推动，从而带动三指节15和二指节16的运动。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，其特征在于，包括：电刺激模块(1)、骨骼肌驱动模块(2)、机械手模块(3)；

电刺激模块(1)通过电脉冲控制骨骼肌驱动模块(2)；电刺激模块(1)与骨骼肌驱动模块(2)之间通过导线(4)连接；骨骼肌驱动模块(2)通过液压驱动机械手模块(3)；骨骼肌驱动模块(2)与机械手模块(3)之间通过橡胶管连接。

2.根据权利要求1所述的活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，其特征在于，电刺激模块(1)包括：电刺激仪(1)；

电刺激仪(1)作为控制模块，通过发送电脉冲控制骨骼肌驱动模块的运动。

3.根据权利要求1所述的活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，其特征在于，骨骼肌驱动模块(2)包括：骨骼肌盛装器(5)、驱动模块支架(11)、驱动液压缸(12)、微调器(13)、驱动球(14)；

骨骼肌盛装器(5)包括：盛装器密封盖(6)、橡胶管(7)、拉绳(8)、骨骼肌(9)、导线(10)；

盛装器密封盖(6)与橡胶管(7)通过橡胶之间的粘合达到密封的效果；拉绳(8)与骨骼肌(9)上的肌腱连接，拉绳(8)从盛装器密封盖(6)上的小洞引出；导线(10)的一端插入骨骼肌(9)中，从盛装器密封盖(6)中的孔引出；

驱动模块支架(11)作为支撑安装装置，驱动液压缸(12)通过驱动模块支架(11)上的卡槽安装在支架上，驱动球(14)安装在驱动模块支架(11)的滑槽中，驱动球(14)可以在滑槽中多向滑动，微调器(13)通过螺纹与驱动模块支架(11)连接，骨骼肌盛装器(5)通过玻璃绳一端连接在微调器(13)上，另一端固定在驱动球(14)上，通过肌肉的拉力使得驱动球(14)始终与驱动液压缸(12)的驱动杆接触。

4.根据权利要求3所述的活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，其特征在于，所述驱动液压缸(12)包括串联的两个底面直径不同的液压缸，以实现行程的放大。

5.根据权利要求4所述的活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，其特征在于，包括多块并联连接的所述骨骼肌(9)，以实现在放大行程的同时提供足够的动力。

6.根据权利要求1所述的活性离体骨骼肌驱动的生机电一体化假手，其特征在于，机械手模块(3)包括手掌(20)、执行液压缸(19)、滑动杆(18)、拇指固定器(17)、二节指(16)、三节指(15)；

手掌(20)作为机械手模块(3)的支撑与连接结构，三节指(15)通过销轴与手掌(20)连接，拇指固定器(17)通过卡槽固定在手掌上，二节指(16)通过销轴与拇指固定器(17)相连，执行液压缸(19)固定在手掌(20)背面的卡槽中，执行液压缸(19)与驱动液压缸(12)之间用橡胶管连接，滑动杆(18)安装于手掌(20)的滑槽中，滑动杆(18)可以在滑槽中作来回的滑动，滑动杆(18)的推动端始终与执行液压缸(19)的一端接触。