CN104999475B - 一种人工肌肉及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种人工肌肉，其特征在于：主要由驱动体、线状体、螺旋轨道构成；线状体的最大长度大于螺旋轨道的总长；线状体一部分由螺旋轨道限制为螺旋形；螺旋轨道限制线状体的运动使线状体的螺旋部分上的质点的运动主要为沿螺旋部分的螺旋线滑动；线状体具有柔性或弹性；驱动体驱动螺旋轨道的螺旋直径伸缩。一种人工肌肉，其外部还具有伸缩管；线状体的两端分别连接在伸缩管的两端。一种人工肌肉，还具有维形弹簧；维形弹簧与伸缩管相连。一种人工肌肉，驱动体合理的包含运用本发明的人工肌肉。一种使用人工肌肉的机器，具有所述的人工肌肉。本发明的有益效果：结构简单，经济实用。
Description
技术领域
本发明属于动力领域，尤其设计一种人工肌肉。
背景技术
人工肌肉是机器人的难题，现有技术的人工肌肉伸存在缩快的力量小、力量大的伸缩慢、伸缩百分比不足等诸多问题，难以实际应用，本发明提出一种实用的一种人工肌肉，实现微动叠加，可以顺利的和现有技术对接，可快速普及。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提出一种人工肌肉，本发明实现了行程放大。
本发明具有以下技术内容。
1、一种人工肌肉，其特征在于：主要由驱动体、线状体、螺旋轨道构成；线状体的最大长度大于螺旋轨道的总长；线状体一部分由螺旋轨道限制为螺旋形；螺旋轨道限制线状体的运动使线状体的螺旋部分上的质点的运动主要为沿螺旋部分的螺旋线滑动；线状体具有柔性或弹性；驱动体驱动螺旋轨道的螺旋直径伸缩。
2、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述的驱动体为流体压力致动、电致动、热致动、磁致动、光致动、电磁致动、化学致动。
3、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述螺旋轨道在轴向上至少有2圈。
4、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述螺旋轨道在径向上至少有2圈。
5、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：螺旋管在驱动体驱动下的螺旋总长变化大于螺距总长变化。
6、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述的螺旋轨道由一个变径均匀的双层圆筒构成；双层圆筒的两个层的距离大于线状体直径小于线状体直径的二倍；双层圆筒的两个层之间的连接物的至少一段具有线状体可在其中滑动的通道。
7、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述的螺旋轨道由一个变径均匀的圆柱和至少1个限位环构成；限位环位于圆柱一端的柱面上，限位环的直径线垂直圆柱轴线；线状体环绕在圆柱上，线状体一端与圆柱体固定连接，线状体另一端穿过限位环；线状体在线状体与圆柱固定连接点和限位环之间具有至少一圈螺旋。
8、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述的螺旋轨道由一个变径均匀的圆柱和至少2个限位环构成；限位环位于圆柱两端的柱面上，限位环的直径线垂直圆柱轴线；线状体环绕在圆柱上，线状体的两端分别从限位环穿出；线状体在两个限位环之间具有至少一圈螺旋。
9、如技术内容1所述的一种人工肌肉，其特征在于：其外部还具有伸缩管；线状体的两端分别连接在伸缩管的两端。
10、如技术内容6所述的一种人工肌肉，其特征在于：还具有维形弹簧；维形弹簧与伸缩管相连。
11、一种人工肌肉，其特征在于：驱动体合理的包含运用技术内容1-7所述的人工肌肉。
12、一种使用人工肌肉的机器，其特征在于：具有技术内容1-7中任意一条所述的人工肌肉。
技术内容说明及其有益效果：
本发明的主要原理：改变线状体的螺旋直径来改变线状体的致动长度，由于螺旋物直径的改变会导致螺旋部分周长的改变，同一螺旋线的各圈周长的改变会叠加，因此可达成使细微伸缩动作叠加放大的技术效果，这对于克服电磁致动磁作用力随距离增大急剧变小、流体压力致动（气压、液压）空间越大动作越慢、逆压电效应致动（电致动的一种）行程小的等等现有技术的缺陷具有很大的意义；
设螺旋圈数为N；设单圈螺旋半径变化前周长为T1、半径为r1、直径为R1、螺旋总长为L1；设单圈螺旋半径变化前周长为T2、半径为r2、直径为R2、螺旋总长为L2；
则有公式：（1）、ΔL=L2-L1=ΔT*N=（T2-T1）*N=2πΔr *N；
由上式可知，螺旋变径的位移放大方式主要与圈数有关与数量无关，故而可以通过调整圈数N来调整放大比例；
假设使用本发明的人工肌肉用于本发明的驱动体，并设人工肌肉（非用于驱动体的）的螺旋轨道的圈数M、设螺旋总长变化为ΔL'，半径变化为Δr'；
则有ΔL'=2πΔr'*M；
使用至少一条人工肌肉作为驱动体，由于螺旋为圈状，故可以粗略的认定安装在驱动体内的人工肌肉的位移ΔL理想效果下会导致的人工肌肉的螺旋的半径变化尺寸Δr'= ΔL/2（采用多条本发明的人工肌肉作为本发明的人工肌肉的驱动体可能有Δr'= ΔL，为了问题简化不做过多描述；）
则有最：ΔL'=2πΔL/2*M；
上式代入公式（1）则有：ΔL'=2πΔL/2*M = π*（2πΔr *N）*M= 2π2*Δr*N*M；
由上可知在本发明的人工肌肉中使用本发明的人工肌肉作为驱动体，调节参数N、M可以获得非常大的位移放大倍数；
由上可知本发明的在结构上是可以递归结构（递归结构一词为本发明人自己定义的，主要指重复非线性的叠加设计结构，在本发明中递归结构是指多层次（大于等于3层）的重复‘使用低层次人工肌肉的线状体的伸缩来驱动更高层次的人工肌肉的螺旋轨道的变径’的设计，构成一条位移放大链），从而跳跃式的提高位移放大倍数（假设第三层螺旋轨道圈数为B圈，则有ΔL'' = 2π3*Δr*N*M*B，调节参数N、M、B可以获得非常大的位移放大倍数）；
以上的运算是为了说明本发明的放大倍数主要和螺旋轨道圈数、递归设计层数相关，即使计算出现少量谬误也不会对阅读者的理解造成影响。
词汇说明。
‘驱动体’是指驱动螺旋轨道螺旋直径变化的实体，驱动体可以是元件、装置，也可以是功能模块，驱动体可能和其他装置或元件共用元件或结构，这在机械中是常见情况；驱动体例如：在一个柱状基体表面装大量压电陶瓷，操控压电陶瓷在基体的径向上伸缩；空心可充气的弹性球等等。
‘线状体’是指线状物，比如铁环链、钢绳、弹簧等，使用不同性质的线状体时应结合‘公知常识’、‘现有技术’、‘基础知识’采用不同的设计，不要违背‘设计一个可正常良性运行的人工肌肉‘的技术目的故意将其设置为不能运行的，比如：采用柔性线状体时应该采用致动时增大螺旋轨道螺旋直径的方式，且柔性线状体的松弛部分的长度不能大于致动时收缩长度，又比如：采用弹性线状体时，应注意线状体弹力和伸展跨度关系，尽量避免采用弹力很小伸展跨度却很大弹性线状体，又比如：应注意驱动体变径的力量应足够克服线状体的内应力，以免出现因为线状体强度太大而导致线状体螺旋部分无法变径的情况，等等。
‘螺旋轨道’是指可将线状体限制为变径时圈数不变的螺旋形的实体或被实体所限制的空间路径；螺旋轨道可以是元件、装置、具有螺旋形状的腔体或槽，构成螺旋轨道的元件、装置可能和其他装置或元件共用元件或结构，这在机械领域是常见情况；螺旋轨道比如：螺旋管、圆柱体表面的螺旋槽、多个具有槽的元件将槽排列成的螺旋形状、圆柱体内的螺旋孔等等，螺旋轨道可以是多次螺旋，螺旋轨道整体上可以是弯曲的，应用设计时因尽量避免使用柔性太强的材料制造螺旋轨道；值得注意的是某些技术人员可能会试图设计一些奇怪的轨道来规避本申请，但只要其设计的轨道包含了螺旋轨道，且线状体配合其轨道形成了螺旋则应视其轨道为本申请所述的螺旋轨道；由于螺距的变化会影响螺旋总长故本发明的螺旋轨道设计时应该尽量避免因螺距变化产生的螺旋总长变化削弱螺旋直径变化产生的螺旋总长变化的情况；本发明的螺旋轨道在完全忽略线状体的情况下，视觉上去判断去可能不是螺旋形（比如技术内容6-8所述的情况是在配合线状体的缠绕后才能从视觉上得出螺旋形），本发明的螺旋轨道设计时应考虑螺旋轨道或线状体的螺旋圈在螺旋轴向上的滑动问题，并通过合理设计进行限定防止出现因螺旋圈的滑动而导致设计出的产品不能伸缩的情况。
‘螺旋轨道限制线状体的运动使线状体的螺旋部分上的质点的运动主要为沿螺旋部分的螺旋线滑动’由于线状体的螺旋部分上的质点的运动会存在微量的旋动与径向运动，所以使用‘主要’一词是符合人类语言习惯的，本申请的阅读者不应将‘主要’一词视为模糊词汇。
‘线状体一部分由螺旋轨道限制为螺旋形’包含了线状体在螺旋轨道空间内部、线状体可滑动的包覆在轨道实体外部等会使线状体受到螺旋轨道约束的连接关系。
‘驱动体驱动螺旋轨道的螺旋直径伸缩’即驱动体驱动螺旋直径的变化。
‘伸缩管’指长度可以被动变化的管。
‘维形弹簧’指用于维护伸缩管外形的弹簧，其弹力不能太大。
‘线状体的最大长度’指线状体能够正常使用时的最大长度，因为有些线状体是长短可变的，故有此限定。
‘螺旋总长’即螺旋部分展开为直线后直线的长度，也即螺旋轨道各圈周长的总和。
‘螺旋’，人类对螺旋没有完美精准的定义，人们甚至把多条辐射状排列的弧线称为螺旋，为了保证定义的清晰，本发明的螺旋限定于：至少具有一个完整不自交回旋的连续点集或线段集的路径，其中‘完整’是指回旋大于或等于360度，比如弹簧、阿基米德螺线、电磁铁的螺线管等，螺旋轴可以是直线（螺旋管直时）、曲线（螺旋管弯曲时）、螺旋曲线（螺旋管再次螺旋时是螺旋线），本发明中的螺旋包括了螺旋线（轴向多圈）路径、涡线（径向多圈）路径、锥形螺线路径、变距螺旋路径、变径螺线路径、多层螺线路径以及其他螺旋线形式的路径以及它们的组合，本发明的螺旋上可以存在棱角。
本发明的有益效果：结构简单，经济实用。
附图说明
图1是本发明一个实施实例示意图。
图2是本发明一个实施实例示意图。
图3是本发明一个实施实例示意图。
图4是本发明一个实施实例示意图。
图5是本发明一个实施实例示意图。
图6是本发明一个实施实例示意图；图7是本发明的一个实施实例的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施实例对本发明的实施方式进行说明。
实施实例1、如图1所示， 一种人工肌肉，由层状电极A1、压电陶瓷A11、导电圆柱A10、弹簧A3、多个弹簧扣A2构成；弹簧扣A2螺旋排列构成螺旋轨道；弹簧A3缠绕A2构成的螺旋轨道内；压电陶瓷A11覆盖在导电圆柱A10表面；层状电极A1覆盖压电陶瓷A11表面；导电圆柱A10与导线A50连接；层状电极A1与导线A5连接；层状电极A1具有延展能力；给A5、A50通电后压电陶瓷膨胀，是螺旋轨道螺旋直径（X）增加，使弹簧A3在螺旋轨道的轴向上（Y）收缩。
实施实例2、如图2所示， 一种人工肌肉，由橡胶球B1、限向块B4、钢丝B3构成；橡胶球B1内部有空腔B10,空腔B10有进气通道B100；橡胶球B1的壁中有螺旋孔腔作为螺旋轨道B2；钢丝B3缠绕螺旋轨道B2内；限向块B4具有很强的刚性限制橡胶球B1的膨胀方向为螺旋轨道B2径向方向；通过B100增加B10内的气压后；橡胶球B1在螺旋轨道B2径向（X）方向上膨胀，导致螺旋轨道B2的螺旋直径增大；进而导致钢丝B3在螺旋轨道的轴向上（Y）收缩；使用时可以将钢丝B3的两端连接在需要致动的机械关节两端。
实施实例3、如图3所示， 一种人工肌肉，由导电圆筒C1、弹簧C3、多个压电陶瓷C2、C20、多个弧形导电板C4、C40，多个圆环C6构成；圆环C6呈螺旋排列构成螺旋轨道；将导线C51与C50短接，给导线C50、C5之间通电，压电陶瓷C20 伸长使弹簧的螺旋直径缩小，进而使弹簧在伸展；基体为导电圆筒C1，致动体为导电圆筒C1、压电陶瓷C2、弧形导电板C4、C40；在机械领域各零件功能模块之间共用元件、结构是常见情况。
实施实例4、在实施实例3的基础上修改将压电陶瓷修改为气动伸缩体。
实施实例5、在实施实例3的基础上修改将压电陶瓷修改为气动伸缩体，把弹簧修改为钢绳。
实施实例6、在实施实例3的基础上修改将基体改为可被动伸长缩短的实体，把线状体全部安装在基体内。
实施实例7、在实施实例2的基础上修改将增加橡胶球B1壁中螺旋轨道数量，并使螺旋轨道共轴平行（螺旋线平行的概念参照曲线平行概念），每个螺旋轨道内穿入一根或多根钢绳，增加载荷能力和冗余能力。
实施实例8、设计一条具有韧性的涡状管，在涡状管的管壁之间安装伸缩体，将线状体穿在涡状管中。
实施实例9、如图4在实施实例2的外部增加一个伸缩管D1，将钢丝连接在伸缩管的两端，通过进气通道B100提高橡胶球B1内部的气压，伸缩管D1就在钢丝的带动下收缩，相对实施实例2具有防尘的好处。
实施实例10、如图5在实施实例9的的伸缩管内壁上伸缩管D1和螺旋轨道之间轴向安装一个弹力很小的弹簧D2，弹簧D2的两端和伸缩管D1的两端相连。
实施实例11、如图6在实施实例10的基础上增加收缩单元。
实施实例12、实施实例9的基础上修改使限向块B4与伸缩管D1的一端固定相连。
实施实例13、将实施实例2改为液压控制。
实施实例14、将实施实例2改为化学控制控制，使用多种反应物产生气体来提高腔体内压使橡胶球B1膨胀，并增加一个排泄通道。
实施实例15、将实施实例3压电陶瓷改为互斥线圈，在互斥线圈间增加导向杆，使互斥线圈间磁力不会导致旋转运动，通电后只进行距离变化的运动。
实施实例16、将实施实例3压电陶瓷改为黑色的金属弹片，使用激光加热金属弹片使其因热力而伸缩。
实施实例17、将实施实例3压电陶瓷改为黑色的金属弹片，通入不同温度的流体使金属弹片产生尺寸变化。
实施实例18、如图7所示， 一种人工肌肉，由层状电极E1、压电陶瓷管E11、层状电极E10、钢丝E3、2个环E2构成；2弹簧扣E2位于压电陶瓷管E11的两端；钢丝E3缠绕压电陶瓷管E11，钢丝E3两端从分别从两个环穿出；层状电极E1覆盖压电陶瓷管E11外表面；层状电极E10覆盖压电陶瓷管E11内表面；层状电极E10与导线E50连接；层状电极E1与导线E5连接；层状电极E1具有延展能力；给导线E5、导线E50通电后压电陶瓷管E11膨胀，使钢丝E3的螺旋直径增加，使钢丝E3在钢丝E3的螺旋的轴向上收缩。
实施实例19、在实施实例10的基础上改进，在伸缩管内加入一定量的润滑油，用于减小钢丝的摩擦阻力。
以上为本发明的可行方案；由于本发明的人工肌肉是伸缩体，伸缩体可以改变螺旋轨道螺旋半径的原理在发明内容以上实施实例中已经体现，故不赘述；本发明包含很多种方案，但其原理都是改变螺旋轨道螺旋直径来改变螺旋周长进而改变线状体的致动长度，本领域技术人员明白这个核心原理后可以结合‘公知常识’、‘现有技术’对本发明进行实施设计，故不一一赘述。
Claims (8)
1.一种人工肌肉，其特征在于：主要由驱动体、线状体、螺旋轨道构成；线状体的最大长度大于螺旋轨道的总长；线状体一部分由螺旋轨道限制为螺旋形；螺旋轨道限制线状体的运动使线状体的螺旋部分上的质点的运动主要为沿螺旋部分的螺旋线滑动；线状体具有柔性或弹性；驱动体驱动螺旋轨道的螺旋直径伸缩。
2.如权利要求1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述的驱动体为流体压力致动、电致动、热致动、磁致动、光致动、电磁致动、化学致动。
3.如权利要求1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述螺旋轨道在轴向上至少有2圈。
4.如权利要求1所述的一种人工肌肉，其特征在于：所述螺旋轨道在径向上至少有2圈。
5.如权利要求1所述的一种人工肌肉，其特征在于：螺旋轨道在驱动体驱动下的螺旋总长变化大于螺距总长变化。
6.如权利要求1所述的一种人工肌肉，其特征在于：其外部还具有伸缩管；线状体的两端分别连接在伸缩管的两端。
7.如权利要求6所述的一种人工肌肉，其特征在于：还具有维形弹簧；维形弹簧与伸缩管相连。
8.一种使用人工肌肉的机器，其特征在于：具有权利要求1-7中任意一项所述的人工肌肉。
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