CN106037991A - 一种单开口编织网型软接头人工肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单开口编织网型软接头人工肌肉，包括封闭端固定线、编织网、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。工作时，在液压或气压的作用下，弹性胶管与高强度编织网发生变形，使单开口编织网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。编织网能径向膨胀，外部承压紧密线部分不能够膨胀。中间层的编织网、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、两端压紧线以及编织网构成软接头，与外部驱动对象相连接。

Description

一种单开口编织网型软接头人工肌肉

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。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软接头人工肌肉。

技术方案：本发明的单开口编织网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编织网、位于内层胶管封闭一端并与编织网一体的封闭端固定线、位于内层胶管导液一端并与编织网一体的导液端固定线，所述的编织网包裹内层胶管位于封闭一端和导液一端之间的部分，内层胶管没有被编织网包裹的部分，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，本发明中所述编织网为硬质材料制成。

进一步的，本发明中所述编织网为软质材料制成，内层胶管外侧设置有外层胶管，编织网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，编织网嵌入到其中。

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，本发明中所述封闭端固定线、导液端固定线和编织网由一根纤维编织为一体。

进一步，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。

进一步，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编织网。设置所述编织网部的外层胶管的两端分别于编织网的两端对齐。所述封闭端固定线和导液端固定线以及编织网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编织网一体的封闭端固定线是由编织网的纤维折返形成的U形线。位于内层胶管导液一端并与编织网一体的导液端固定线同样是由编织网的纤维折返形成的U形线。所述编织网从内层胶管封闭一端起始，包裹在内层胶管外侧，内层胶管没有被编织网包裹的部分，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。

本发明的单开口编织网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，设计成由编织网纤维以及压紧线组成的一体式软接头结构，该结构只包含编织网纤维和胶管，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，弹性胶管与高强度编织网发生变形，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。编织网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。内层胶管把一定压力的液体或者气体封闭在内部。中间层的编织网、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。两端的固定线与编织网构成软接头，与外部驱动对象相连接。编织网与外部承压紧密线构成径向刚度不同的两部分，编织网能径向膨胀，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编织网的固定端，封闭端固定线与导液端固定线以及编织网是由一整体，当通入一定压力的液体或者气体时，编织网膨胀，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、两端压紧线以及编织网构成了软接头，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编织网，防止其脱落。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McKibben人工肌肉，接头部分采用高压扣件扣压或者螺纹压紧方式，采用的是刚性金属构件与驱动对象相连接，金属接头占据了人工肌肉的接近一半的重量，而且应用到穿戴设备中时，金属接头人工肌肉容易与人体发生磕碰，另外携带该种设备过安检时容易导致误判，同样在有高磁场的场合，金属接头人工肌肉的性能就会受到影响。为了实现人工肌肉的柔顺性以及对于人工肌肉在可穿戴式医疗设备中应用，非常有必要采用非刚性连接件。因此，在本发明中，两端固定线、两端压紧线与编织网构成的软连接部分就达到了非刚性要求，连接更加柔顺，可实现肌肉与驱动对象的柔性连接。

2、传统McKibben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，将编织网两端引出，直接用来承载外部力。

3、传统McKibben人工肌肉接头部位在未收缩状态时，与胶管相比突起大，本发明中，软连接部分很好的改善掉了这个缺点。

4、传统McKibben人工肌肉是一个单独的肌肉单元，需要额外配备导液，这是由于人工肌肉金属接头的原因，由于采用优点1中的软连接部分，可将人工肌肉与导液管做成一个整体，即在内胶管伸出部分紧密缠绕高强度线组成承压管，改变了内层胶管的径向刚度，作为导液管，将人工肌肉与导液管构成一个整体。

5、传统McKibben人工肌肉编织网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，柔软的胶管在于刚性的接头压紧时，易产生损坏，本发明中编织网与两端固定线是由一根纤维或者多根纤维编织而成，并嵌入到胶管中，这样将胶管、编织网、固定部分组成一个整体，不会产生损坏。

6、传统McKibben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。

7、传统McKibben人工肌肉主要应用在工业设备或者机器人中，材料多采用的是工业级，为了更好的应用于医疗器械设备中，本发明采用的是食品级，无毒无味，通过FDA食品级认证的材料。

附图说明

图1a是单开口编织网型软接头人工肌肉结构的收缩状态示意图，图1b是自然状态示意图，图1c是拉伸状态示意图。

图中有：1.封闭端固定线、2.编织网、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。

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，一种单开口编织网型软接头人工肌肉，包括封闭端固定线1、编织网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；所述的内层胶管3是一端封闭的单开口胶管；所述的编织网2夹在内层胶管3与外层胶管7之间，编织网2是由一整根线编织而成，编织网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，本结构中间层的编织网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。编织网与外部承压紧密线构成的承压管的径向刚度不同，编织网能径向膨胀，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编织网部分，在内部压力的作用下，肌肉径向发生膨胀，轴向缩短。图1a是软接头人工肌肉结构的收缩状态示意图，图1b是自然状态示意图，图1c是拉伸状态示意图。

本发明的单开口编织网型软接头人工肌肉，封闭端固定线1、编织网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，本发明中间层的编织网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，弹性胶管与高强度编织网发生变形，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。编织网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。内层胶管把一定压力的液体或者气体封闭在内部。中间层的编织网、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。两端的固定线与编织网构成软接头，与外部驱动对象相连接。编织网与外部承压紧密线构成径向刚度不同的两部分，编织网能径向膨胀，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 (8)

1.一种单开口编织网型软接头人工肌肉，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)外侧的编织网(2)、位于内层胶管(3)封闭一端并与编织网(2)一体的封闭端固定线(1)、位于内层胶管(3)导液一端并与编织网(2)一体的导液端固定线(8)，所述的编织网(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)没有被编织网(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所述的单开口编织网型软接头人工肌肉，其特征在于：所述编织网(2)为硬质材料制成。

3.根据权利要求1所述的单开口编织网型软接头人工肌肉，其特征在于：所述编织网(2)为软质材料制成，内层胶管(3)外侧设置有外层胶管(7)，编织网(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所述的单开口编织网型软接头人工肌肉，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，编织网(2)嵌入到其中。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的单开口编织网型软接头人工肌肉，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。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的单开口编织网型软接头人工肌肉，其特征在于：所述封闭端固定线(1)、导液端固定线(8)和编织网(2)由一根纤维编织为一体。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的单开口编织网型软接头人工肌肉，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。

8.根据权利要求7所述的单开口编织网型软接头人工肌肉，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。