CN106002994A - 一种单开口直纤维型软接头人工肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单开口直纤维型软接头人工肌肉，包括封闭端固定线、直纤维、内层胶管、导液端压紧线、外部承压紧密线、封闭端压紧线、外层胶管、导液端固定线、防变形线。工作时，在液压或气压的作用下，弹性胶管与高强度直纤维发生变形，使单开口直纤维型软接头人工肌肉的直径增大，长度缩短，进而对两端固定线连接的驱动对象产生拉力作用。防变形线用来防止肌肉在径向发生过大变形。直纤维能径向膨胀，外部承压紧密线部分不能够膨胀。中间层的直纤维、固定线、导液端压紧线以及外部承压紧密线是一个整体，因此构成单开口直纤维型软接头人工肌肉。两端的固定线、两端压紧线以及直纤维构成软接头，与外部驱动对象相连接。

Description

一种单开口直纤维型软接头人工肌肉

技术领域

本发明涉及机器人、康复医疗器械、特种作业机械手以及自动化生产线等领域应用的驱动人工肌肉，特别是一种全软的单开口直纤维型软接头人工肌肉。

背景技术

在医疗康复器械以及机器人关节驱动中，流体驱动的人工肌肉是一种新型的驱动器，可以分为有硬连接人工肌肉和软连接人工肌肉。硬连接人工肌肉主要是指金属接头人工肌肉，该种人工肌肉发展较为成熟，金属接头安装方式不同，主要分为高压扣件式与螺纹压紧式。金属接头人工肌肉已经在机器人、康复医疗器械等领域中应用，具有结构简单，动作平滑，输出力/重量比大等优点。单开口直纤维型软接头人工肌肉不但具有结构简单，有利于实现小型化和轻型化的优势，相比同规格的金属接头人工肌肉重量减轻了近40％。

随着可穿戴式医疗器械的发展，软体医疗器械已成为一个热门。人工肌肉是医疗器械上的驱动单元。人工肌肉受自身的金属接头限制，从驱动单元开始就不能实现全软结构。

发明内容

技术问题：本发明提供一种连接更加柔顺、不易损坏，可实现肌肉与驱动对象柔性连接的单开口直纤维型软接头人工肌肉。

技术方案：本发明的单开口直纤维型软接头人工肌肉，包括一端封闭的单开口内层胶管、沿轴向设置在所述内层胶管外侧的多根直纤维、在中部横向约束直纤维的防变形线、位于内层胶管封闭一端并与直纤维一体的封闭端固定线、位于内层胶管导液一端并与直纤维一体的导液端固定线，所述的直纤维包裹内层胶管位于封闭一端和导液一端之间的部分，内层胶管没有被直纤维包裹的部分，则用外部承压紧密线紧密缠绕，组成导液管，内层胶管上临近封闭端固定线一端的外部缠绕有密封端压紧线，内层胶管上临近导液端固定线一端的外侧缠绕有导液端压紧线。

进一步的，本发明中所述直纤维为硬质材料制成。

进一步的，本发明中所述直纤维为软质材料制成，内层胶管外侧设置有外层胶管，直纤维布设在内层胶管与外层胶管之间。

进一步的，本发明中所述外层胶管与内层胶管为整体制作而成，直纤维嵌入到其中。

进一步的，本发明中所述外层胶管的两端分别与直纤维的两端对齐。

进一步的，本发明中所述内层胶管的管壁厚度小于其封闭端的轴向厚度。

进一步的，本发明中所有直纤维、导液端固定线和封闭端固定线由一根线编织而成。

进一步的，本发明中所述封闭端固定线和导液端固定线均是由纤维折返形成的U形线，每根U形线的两个端部分别对应连接一根直纤维。

进一步的，本发明中所述直纤维与所对应连接的导液端固定线和封闭端固定线由一根纤维编织为一体。

进一步的，本发明中所述封闭端固定线中的径向相对的两个U形线在端部相互结扣，连为一体。即在径向两两相对位置，一根U形线绕另一根U形线旋转一周，然后同时拉紧两根U形线形成一个节扣。

本发明的优选方案中，一端封闭的单开口内层胶管、部分包裹所述内层胶管外侧的直纤维。设置所述直纤维的外层胶管的两端分别于直纤维的两端对齐。所述封闭端固定线和导液端固定线以及直纤维是有一根纤维或者多根纤维编织而成，封闭端固定线和导液端固定线分别从外层胶管端部起始，位于内层胶管封闭一端并与直纤维一体的封闭端固定线是由直纤维的纤维折返形成的U形线。位于内层胶管导液一端并与直纤维一体的导液端固定线同样是由直纤维的纤维折返形成的U形线。所述直纤维从内层胶管封闭一端起始，包裹在内层胶管外侧，内层胶管没有被直纤维包裹的部分，则用外部承压紧密线紧密缠绕，位于内层胶管封闭一端并缠绕在外层胶管外侧的密封端压紧线是从外层胶管端部起往外层胶管中部方向紧密缠绕，位于内层胶管导液一端并缠绕在外层胶管外侧的导液端压紧线同样是从外层胶管端部起往外层胶管中部方向紧密缠绕。

直纤维在位于内层胶管封闭一端长于外层胶管的部分构成封闭端固定线，直纤维在位于内层胶管导液一端长于外层胶管的部分构成导液端固定线。缠绕在外层胶管外侧，并且在外层胶管中部有防变形线。所述的内层胶管开口端有一定的伸出量，这部分外侧用外部承压紧密线紧密缠绕，组成导液管。由内层胶管、直纤维和外层胶管在导液端压紧线与密封端压紧线之间组成可膨胀部分。由内层胶管与其外部的承压紧密线在导液端压紧线远离直纤维的部分组成可膨胀部分。这样，当从导液管通入一定压力的液体或者气体时，承压管不会发生变形，可作为导液管或导气管，输送液体或者气体进入到肌肉的直纤维部分，在内部压力的作用下，在径向发生膨胀，轴向缩短。防变形线用来防止肌肉的过大。

本发明的单开口直纤维型软接头人工肌肉是将传统的螺纹压紧或者扣压压紧的外加金属接头，设计成由直纤维以及压紧线组成的单开口直纤维型软接头软接头结构，该结构只包含直纤维和胶管，不需要添加其他材料，可以得到了真正的软体驱动单元。

本发明工作时，封闭端固定线与导液端固定线用于连接驱动对象，外部承压紧密线压紧导液管，与外部压力源相连接。当单开口直纤维型软接头人工肌肉通入一定压力的气体或者液体后，在压力作用下，弹性胶管与高强度直纤维发生变形，使单开口直纤维型软接头人工肌肉的直径增大，长度方向缩短，进而对两端的固定线连接的驱动对象产生拉力作用。直纤维夹在内层胶管与外层胶管之间，与内层胶管以及外层胶管同步变形。防变形线用来防止肌肉在径向位置发生过大变形，将一个大变形改变为多个小变形。内层胶管把一定压力的液体或者气体封闭在内部。中间层的直纤维、两端的固定线、导液端压紧线以及外部承压紧密线是一个整体。两端的固定线与直纤维构成单开口直纤维型软接头，与外部驱动对象相连接。直纤维与外部承压紧密线构成径向刚度不同的两部分，直纤维能径向膨胀，外部承压紧密线部分不能够膨胀，由于单开口内层胶管的封闭端厚度比管壁厚度要厚，并且封闭端固定线形成的U形线，在径向两两相对位置，一根U形线绕另一根U形线旋转一周，然后同时拉紧两根U形线形成一个节扣，因此封闭端端部不会沿径向伸出膨胀。

具体原理与作用是：导液端压紧线与封闭端压紧线作为胶管与直纤维的固定端，封闭端固定线与导液端固定线以及直纤维是由一整体，当通入一定压力的液体或者气体时，直纤维膨胀，产生拉力，传递到封闭端固定线与导液端固定线上来，对驱动对象产生拉力。因此，两端固定线、两端压紧线以及直纤维构成了软接头，替代了传统的金属接头。内层胶管一端自然封堵，这样只需将封堵端用封闭端压紧线缠绕，阻止端头膨胀即可，内层胶管的另一端伸出，并在伸出部分的外层紧密缠绕高强度线，用于承载导液管或导气管内部的压力，该部分最终连接到压力源上。外层胶管用于支撑并保护直纤维，防止其脱落。防变形线用来防止肌肉发生过大的变形。通过添加防变形线，将一个大的变形改变为多个小的变形。单开口直纤维型软接头人工肌肉避免了运动过程中与人体的磕碰，因此，能够与人体更好的契合。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、相对于传统直纤维人工肌肉，连接部分主要是采用外加金属或者非金属的连接接头，与胶管直纤维组成人工肌肉单元，再与外部导液管或者导气管相连。因此，传统人工肌肉不仅需要添加接头部件，还要额外配备导液管或者导气管。本发明中，采用的是将直纤维与外部固定线用一根纤维或者多根纤维编制，与胶管做成一体，组成单开口直纤维型软接头人工肌肉，通过外部固定线与驱动对象相连，压紧线与胶管组合达到密封效果，很好的替代了外部接头结构，单开口直纤维型软接头人工肌肉还自带导液管或者导气管，而且可根据压力源的要求改变该部分的直径，真正实现了肌肉的一体化。

2、传统直纤维人工肌肉接头部位是靠高压扣件扣压或者螺纹压紧方式，力通过接头作用在编织网和胶管上，而本发明中，将中间层编织网两端引出，直接用来承载外部力。

2、相对于胶管和直纤维，添加的外部接头重量占整根肌肉的40％甚至到60％，由于采用优点1中胶管与纤维线组成的单开口直纤维型软接头结构，省掉了外部的密封固定结构，而且同时可以省掉导液管或者导气管与接头相应的连接构件，整体重量大大减轻。

3、传统直纤维人工肌肉直纤维部分是一个单独构件或者是内嵌在胶管中，但最终都要通过接头压紧，柔软的胶管在与刚性的接头压紧时，易产生瑕疵，肌肉重复动作，放大的该瑕疵，产生损坏，导致泄漏，影响使用寿命，采用优点1中的单开口直纤维型软接头结构，整根肌肉都是柔软结构，不存在安装中的瑕疵问题。

4、传统直纤维人工肌肉采用两个金属接头，即用来作为连接构件又作为密封装置，本结构采用一端自然封堵的胶管替代以往采用两端开口的胶管，可省掉一端的密封装置。

5、传统的直纤维人工肌肉包含接头构件，在应用到穿戴设备中，难免会与人体发生磕碰，给人带来不适。由于采用优点1中单开口直纤维型软接头结构，整根肌肉都是柔软体，在柔性穿戴设备中，可以作为全柔性驱动单元，避免了与人体发生磕碰。

附图说明

图1a是单开口直纤维型软接头人工肌肉收缩状态示意图，图1b自然状态示意图，图1c拉伸状态示意图。

图中有：1.封闭端固定线、2.直纤维、3.内层胶管、4.导液端压紧线、5.外部承压紧密线、6.封闭端压紧线、7.外层胶管、8.导液端固定线、9.防变形线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步的描述。

如图1所示，一种单开口直纤维型软接头人工肌肉，包括封闭端固定线1、直纤维2、内层胶管3、导液端压紧线4、外部承压紧密线5、封闭端压紧线6、外层胶管7、导液端固定线8，对于竖直纤维肌肉，还包含防变形线9；所述的内层胶管3是一端封闭的单开口胶管；所述的直纤维2夹在内层胶管3与外层胶管7之间，直纤维2是由一整根线编织而成，直纤维2两端比肌肉本体长，长出的部分作为封闭端固定线1与导液端固定线8，前后两端留出余量作为封闭端固定线1和导液端固定线8；与以往人工肌肉采用的高压扣压或者螺纹压紧的接头相比，本结构中间层的直纤维2和封闭端固定线1、导液端固定线8以及导液端压紧线4、封闭端压紧线6构成软接头，实现全软接头。所述的内层胶管3开口端有一定的伸出量，这部分外侧用外部承压紧密线5紧密缠绕，组成承压管。直纤维与外部承压紧密线构成的承压管的径向刚度不同，直纤维能径向膨胀，外部承压紧密线部分不能够膨胀。这样，当通入一定压力的液体或者气体时，承压管不会发生变形，可作为导液管或导气管，输送液体或者气体进入到肌肉的直纤维部分，在内部压力的作用下，肌肉径向发生膨胀，轴向缩短。对于竖直纤维肌肉，防变形线9用来防止肌肉的过大变形量。图1a所示是单开口直纤维型软接头人工肌肉收缩状态示意图，图1b自然状态示意图，图1c拉伸状态示意图。

本发明的软接头人工肌肉，封闭端固定线1、直纤维2、导液端压紧线4、外部承压紧密线5、封闭端压紧线6、导液端固定线8以及防变形线9使用的都是高强度线。与以往人工肌肉采用的高压扣压或者螺纹压紧的接头相比，本发明中间层的直纤维2和封闭端固定线1、导液端固定线8以及导液端压紧线4、封闭端压紧线6构成软接头，实现全软接头。

本发明人工肌肉工作时，封闭端固定线与导液端固定线用于连接驱动对象，外部承压紧密线压紧导液管，与外部压力源相连接。当软接头人工肌肉通入一定压力的气体或者液体后，在压力作用下，弹性胶管与高强度直纤维或者直纤维发生变形，使软接头人工肌肉的直径增大，长度方向缩短，进而对两端的固定线连接的驱动对象产生拉力作用。直纤维夹在内层胶管与外层胶管之间，与内层胶管以及外层胶管同步变形。防变形线用来防止肌肉在径向位置发生过大变形，将一个大变形改变为多个小变形。内层胶管把一定压力的液体或者气体封闭在内部。中间层的直纤维、两端的固定线、导液端压紧线以及外部承压紧密线是一个整体。两端的固定线与直纤维构成软接头，与外部驱动对象相连接。直纤维与外部承压紧密线构成径向刚度不同的两部分，直纤维能径向膨胀，外部承压紧密线部分不能够膨胀，由于单开口内层胶管的封闭端厚度比管壁厚度要厚，并且封闭端固定线形成的U形线，在径向两两相对位置，一根U形线绕另一根U形线旋转一周，然后同时拉紧两根U形线形成一个节扣，因此封闭端端部不会沿径向伸出膨胀。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于，该人工肌肉包括一端封闭的单开口内层胶管(3)、沿轴向设置在所述内层胶管(3)外侧的多根直纤维(2)、在中部横向约束直纤维(2)的防变形线(9)、位于内层胶管(3)封闭一端并与直纤维(2)一体的封闭端固定线(1)、位于内层胶管(3)导液一端并与直纤维(2)一体的导液端固定线(8)，所述的直纤维(2)包裹内层胶管(3)位于封闭一端和导液一端之间的部分，内层胶管(3)没有被直纤维(2)包裹的部分，则用外部承压紧密线(5)紧密缠绕，组成导液管，内层胶管(3)上临近封闭端固定线(1)一端的外部缠绕有密封端压紧线(6)，内层胶管(3)上临近导液端固定线(8)一端的外侧缠绕有导液端压紧线(4)。

2.根据权利要求1所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述直纤维(2)为硬质材料制成。

3.根据权利要求1所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述直纤维(2)为软质材料制成，内层胶管(3)外侧设置有外层胶管(7)，直纤维(2)布设在内层胶管(3)与外层胶管(7)之间。

4.根据权利要求3所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述外层胶管(7)与内层胶管(3)为整体制作而成，直纤维(2)嵌入到其中。

5.根据权利要求3所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述外层胶管(7)的两端分别与直纤维(2)的两端对齐。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述内层胶管(3)的管壁厚度小于其封闭端的轴向厚度。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所有直纤维(2)、导液端固定线(8)和封闭端固定线(1)由一根线编织而成。

8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述封闭端固定线(1)和导液端固定线(8)均是由纤维折返形成的U形线，每根U形线的两个端部分别对应连接一根直纤维(2)。

9.根据权利要求8所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述直纤维(2)与所对应连接的导液端固定线(8)和封闭端固定线(1)由一根纤维编织为一体。

10.根据权利要求8所述的单开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于：所述封闭端固定线(1)中的径向相对的两个U形线在端部相互结扣，连为一体。