CN106514645B - 嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉。本发明包括上固定盘、固定杆、轴向SMA丝、滑动盘、气动肌肉、PM下安装盘、下固定盘、滑动方轴、转轴、PM上安装盘、弹簧、径向SMA丝、驱动电路、上固定盘穿丝孔、转轴孔、滑动盘穿杆孔、滑动盘穿丝孔、下固定盘穿丝孔、方孔；通过气动肌肉嵌套在固定架内部，实现装置结构紧凑；轴向SMA丝通过多次缠绕，增加有效长度，产生大的形变，拉动肌肉束，增加其收缩量，并且丝在超弹性时的迟滞循环效应，可缓解负载振动产生的影响；通过径向SMA丝的收缩，实现肌肉束转动，改变气动肌肉刚度；与市面上同型号的气动肌肉相比，该气动肌肉结构紧凑、收缩量大、刚度可变范围广。

Description

嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉

技术领域

本发明属于气动肌肉技术领域，具体涉及一种嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉。

背景技术

近年来，随着仿生技术的研究和发展，气动肌肉越来越得到人们的重视，国内外大批专家和学者在广泛的研究与应用气动肌肉。气动肌肉( Pneumatic Muscle, PM ) 是根据人类肌肉运动原理而设计的一款新型的柔性驱动器，主要由外层编织网、橡胶管和卡箍三部分组成。通入压缩空气时，橡胶管膨胀后和编织网紧紧贴住, 将气体的作用力传递到编织网上, 使得膨胀转变成轴向收缩力。与传统驱动装置相比，气动肌肉具有柔性高、功重比大、易于小型化、使用方便、成本低廉等优点，被广泛的应用于各种仿生机械的驱动领域。

然而，目前市面上成熟的气动肌肉，如FESTO公司和SHADOW公司生产的气动肌肉，存在收缩率小的问题。气动肌肉均有轴向主动收缩来改变刚度功能，但不具备绕轴向的主动旋转来改变刚度的功能，改变刚度的形式单一；同时，气动肌肉结构参数一定的情况下，其刚度随充气压力大小、气动肌肉实际工作长度的变化而变化，由于气动肌肉本身的材料限制，刚度变化范围有限。气动肌肉在使用时，通常采用固接的方式来驱动负载，当负载发生振动时，这种固接方式不能很好的缓解振动带来的影响，对连接装置会造成一定的损坏。

现在也有使用辅助装置或新型材料来辅助气动肌肉工作、改变其收缩量、驱动力和刚度等性能的设计方案。如中国专利文献[申请号：201610385406.5]公开了一种具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉，包括纤维丝、弹性软管、集丝卡箍、压电体、圆柱套管、气管接头、卡箍、电极、驱动电路、感知电路和集丝孔，在气动肌肉正常工作时，通过驱动电路的压电体的逆压电效应，压电体可带动纤维丝收缩，能够提高气动肌肉收缩量及刚度调节范围。上述发明中的压电体逆压电效应产生的形变较小，如果增加压电体的尺寸，整个气动肌肉的尺寸也会随之增加。

形状记忆合金（Shape Memory Alloy, 简称SMA）作为一种新型的智能材料，其主要是利用形状记忆效应，通过温度变化来发生形状变化产生收缩力，对连接件进行驱动，是应用很广的一种驱动元件。将形状记忆合金与气动肌肉结合可很好的改善气动肌肉性能，从而促进康复医疗和仿生机器人等领域的发展。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的缺陷和不足，提出了一种嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉。

为解决上述问题，本发明采用了以下技术方案：

它包括上固定盘、固定杆、轴向SMA丝、滑动盘、气动肌肉、PM下安装盘、下固定盘、滑动方轴、转轴、PM上安装盘、弹簧、径向SMA丝、驱动电路。所述固定杆外表面光滑，两端带有螺纹，一端连接上固定盘，另一端连接下固定盘，四根固定杆和上固定盘、下固定盘组成外固定结构；滑动盘具有穿杆孔，可在固定杆上滑动；轴向SMA丝通过上固定盘穿丝孔、下固定盘穿丝孔、滑动盘穿丝孔，在上、下固定盘之间多次“S”型缠绕，一端固定在下固定盘，另一端固定在滑动盘，并通过外接驱动电路进行驱动；多根气动肌肉围成圆周状气动肌肉束，且每根气动肌肉之间存在一定间隙，气动肌肉束一端固定在PM上安装盘，另一端固定在PM下安装盘，整个气动肌肉束结构置于外固定结构内部；滑动方轴通过下固定盘上的方孔，可沿轴向滑动，滑动方轴一端与PM下安装盘连接，另一端与负载连接；转轴穿过滑动盘上的转轴孔，且一端的直径大于转轴孔的直径，另一端固定在PM上安装盘，可带动PM上安装盘转动；一对弹簧采用在转轴侧面反向平行的安装方式，一端固定在滑动盘上，另一端固定在转轴侧面，两个安装点的连线是转轴侧面所在安装点的切线；一对径向SMA丝安装方式与弹簧相同，且径向SMA丝与弹簧在滑动盘平面上的投影相互垂直。

优选地，所述上固定盘、下固定盘和滑动盘用绝缘、耐磨、光滑的聚合物制备而成或用聚合物进行内涂覆，如聚四氟乙烯。

本发明采用新型智能材料和常规仿生机构的结合设计方案，保留常规气动肌肉优点的同时，用新型智能材料改善其性能；本发明中的新型智能材料采用形状记忆合金丝，功重比高、使用简单、无污染；气动肌肉束嵌套在固定架的内部，结构更为紧凑，同时多根气动肌肉的驱动力大，刚度可变范围广；轴向SMA丝在上、下固定盘之间多次“S”型缠绕，增加工作时丝的长度，达到产生大的形变量的目的；轴向SMA丝在被激活后产生形状记忆效应，将会缩短，带动滑动盘往上固定盘方向运动，增加气动肌肉束收缩量；轴向SMA丝在超弹性变形时，加、卸载过程中会出现迟滞循环效应，可吸收大量能量，有效缓解负载振动时对连接装置造成的损坏；径向SMA丝在弹簧的作用下产生预拉伸，被激活后产生形状记忆效应，将会缩短，带动气动肌肉束转动，改变其刚度和收缩量。与常规气动肌肉相比，本发明改进和丰富了气动肌肉的性能，值得应用。

附图说明

图1为嵌套式形状记忆合金气动肌肉的结构示意图；

图2为轴向SMA丝多次“S”型缠绕方式图；

图3为转轴、滑动盘和PM上安装盘连接方式放大图；

图4为弹簧与径向SMA丝安装方式放大图；

图5为轴向SMA丝外接驱动方式图；

图中，1、上固定盘；2、固定杆；3、轴向SMA丝；4、滑动盘；5、气动肌肉；6、PM下安装盘；7、下固定盘；8、滑动方轴；9、转轴；10、PM上安装盘；11、弹簧；12、径向SMA丝；13、驱动电路；101、上固定盘穿丝孔；401、转轴孔；402、滑动盘穿杆孔；403、滑动盘穿丝孔；701、下固定盘穿丝孔；702、方孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~5所示，本实施例包括上固定盘1、固定杆2、轴向SMA丝3、滑动盘4、气动肌肉5、PM下安装盘6、下固定盘7、滑动方轴8、转轴9、PM上安装盘10、弹簧11、径向SMA丝12、驱动电路13、上固定盘穿丝孔101、转轴孔401、滑动盘穿杆孔402、滑动盘穿丝孔403、下固定盘穿丝孔701、方孔702；本实施例中，所述气动肌肉5为市面上已有气动肌肉，所述上固定盘1、下固定盘7、滑动盘4均为聚四氟乙烯材料制成；固定杆2外表面光滑，两端带有螺纹，一端连接上固定盘1，另一端连接下固定盘7，四根固定杆2和固定盘1、7组成外固定结构；滑动盘4具有穿杆孔402，可在固定杆2上滑动；轴向SMA丝3通过上固定盘穿丝孔101、下固定盘穿丝孔701、滑动盘穿丝孔403，在上、下固定盘之间多次“S”型缠绕，一端固定在下固定盘7，另一端固定在滑动盘4，并通过外接驱动电路13进行驱动；九根气动肌肉5围成圆周状气动肌肉束，且每根气动肌肉之间存在一定间隙，气动肌肉束一端固定在PM上安装盘10，另一端固定在PM下安装盘6，整个气动肌肉束结构置于固定杆2与固定盘1、7组成的外固定结构内部；滑动方轴8通过下固定盘7上的方孔702，可沿轴向滑动，一端与PM下安装盘6连接，另一端与负载连接；转轴9穿过滑动盘上的转轴孔401，且一端的直径大于转轴孔401的直径，另一端固定在PM上安装盘10，可带动PM上安装盘10转动；一对弹簧11采用在转轴侧面反向平行的安装方式，一端固定在滑动盘4上，另一端固定在转轴9侧面，两个安装点的连线是转轴9侧面所在安装点的切线；一对径向SMA丝12安装方式与弹簧11相同，且径向SMA丝12与弹簧11在滑动盘4平面上的投影相互垂直。

嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉工作时，根据轴向SMA丝3和径向SMA丝12的工作方式不同，分别简述该装置轴向驱动特性和气动肌肉束转动特性。

装置轴向驱动特性：通过气孔对气动肌肉5组成的肌肉束进行充气，肌肉束将会正常工作，对负载产生驱动特性。轴向SMA丝3通过上固定盘穿丝孔101、下固定盘穿丝孔701、滑动盘穿丝孔403，在上、下固定盘之间多次“S”型缠绕，一端固定在下固定盘7，另一端固定在滑动盘4，大大增加了工作中丝的长度；在驱动电路13的作用下，轴向SMA丝3的温度升高，达到相变温度时产生形状记忆效应，长度收缩，带动滑动盘4运动，增加肌肉束的收缩量。当负载发生振动时，可以通过驱动电路13使轴向SMA丝3的温度高于马氏体到奥氏体转变的结束温度，轴向SMA丝3产生超弹性效应，此时加载，将产生超弹性应变，卸载到应力为零时应变也恢复到零，并在加、卸载过程中应变出现迟滞循环效应，可吸收大量能量，基于此特性来减少外部负载的振动产生的影响。

气动肌肉束转动特性：径向SMA丝12在弹簧11处于压缩的状态下进行安装，安装完成后，径向SMA丝12在弹簧11的胡克力作用下产生预拉伸。当气动肌肉束在气压和轴向SMA丝3的作用下，轴向收缩量最大或处于平衡状态时，通过外接驱动电路13对径向SMA丝12加热，使其温度上升到相变温度，产生形状记忆效应，长度恢复，压缩弹簧，并带动转轴9旋转。由于下侧的滑动方轴8不能转动，上侧的转轴9可以转动，气动肌肉束在力的作用下产生扭转，气动肌肉5的刚度将会改变。扭转力的作用下，气动肌肉束在轴向也会进一步收缩。

以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，凡是在不脱离本发明精神和范围的前提下对本发明所做的各种改变和改进，都不会超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉，包括上固定盘、固定杆、轴向形状记忆合金丝、滑动盘、气动肌肉、气动肌肉下安装盘、下固定盘、滑动方轴、转轴、气动肌肉上安装盘、弹簧、径向形状记忆合金丝、驱动电路，其特征在于：所述固定杆外表面光滑，两端带有螺纹，一端连接上固定盘，另一端连接下固定盘，四根固定杆和上固定盘、下固定盘组成外固定结构；滑动盘具有穿杆孔，可在固定杆上滑动；轴向形状记忆合金丝通过上固定盘穿丝孔、下固定盘穿丝孔、滑动盘穿丝孔，在上、下固定盘之间多次“S”型缠绕，一端固定在下固定盘，另一端固定在滑动盘，并通过外接驱动电路进行驱动；多根气动肌肉围成圆周状气动肌肉束，且各根气动肌肉之间存在一定间隙，气动肌肉束一端固定在气动肌肉上安装盘，另一端固定在气动肌肉下安装盘，整个气动肌肉束结构置于外固定结构内部；滑动方轴通过下固定盘上的方孔，可沿轴向滑动，滑动方轴一端与气动肌肉下安装盘连接，另一端与负载连接；转轴穿过滑动盘上的转轴孔，且一端的直径大于转轴孔的直径，另一端固定在气动肌肉上安装盘，可带动气动肌肉上安装盘转动；一对弹簧采用在转轴侧面反向平行的安装方式，一端固定在滑动盘上，另一端固定在转轴侧面，两个安装点的连线是转轴侧面所在安装点的切线；一对径向形状记忆合金丝安装方式与弹簧相同，且径向形状记忆合金丝与弹簧在滑动盘平面上的投影相互垂直。

2.根据权利要求1所述的嵌套式形状记忆合金气动人工肌肉，其特征在于：上固定盘、下固定盘和滑动盘用绝缘、耐磨、光滑的聚合物制备而成或用聚合物进行内涂覆。