CN106956254A - 多自由度混合驱动人工肌肉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度混合驱动人工肌肉。在弹性橡胶管外安装聚对苯二甲酸乙二酯编织网，弹性橡胶管两端用外卡箍和内堵头进行密封，在前端内堵头上安装有前端固定架和气动接头，在后端内堵头上安装有后端固定架，在两固定架之间纵向等距置有三个导向架，在两个固定架之间沿圆周方向均布有四根形状记忆合金-尼龙鱼线肌肉纤维。布置弹性橡胶管外侧编织网初始编织角大于54°，橡胶管内部受气压时，产生轴向位移和轴向推动力。采用脉冲电流加热形状记忆合金-尼龙鱼线肌肉纤维实现混合人工肌肉的弯曲变形。本发明的积极效应体现在改善了伸长型气动肌肉的驱动特性，增加了伸长型气动肌肉的自由度，可用于需要高精度柔顺驱动的仿生机器人领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种多自由度混合驱动人工肌肉，其属于气动肌肉技术领域、智能材料领域及仿生学领域。
背景技术
气动人工肌肉作为一种新型仿生驱动器，最早是由前苏联人S.Garasiev在1930年提出的，之后出现了各种类似的发明。如美国发明了Mckibben型气动肌肉，日本研制了Rubbertuator气动肌肉，英国制作了Air Muscle气动肌肉。随着气动肌肉的不断使用发展，目前已经实现商业化生产，比较大的气动肌肉生产厂家有英国的Shadow公司和德国的Festo公司。这种传统型的气动肌肉主要由弹性橡胶管、起约束橡胶管径向膨胀的外部编织网、以及两端起密封作用的堵头和紧固卡箍构成。气动肌肉在工作方式、响应时间、伸缩范围方面，与生物肌肉较为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近，并且具备传统刚性驱动器不具备的柔顺性。而且气动肌肉作为一种新型驱动器具有功率重量比大，清洁干净、易于实现小型化等特点。在其内部承受较大压力时，能够产生足够大的驱动力，同时具有较好的柔顺性，可以被广泛的应用于人体假肢、仿生机器人、以及人体康复训练设备等行业。
按照工作原理不同，气动肌肉可以分为收缩性气动肌肉和伸长型气动肌肉。收缩性气动肌肉橡胶管外部编织网的初始编制角小于54°，当橡胶管内部受气压时，由于橡胶管外部的编织网具有很低的延展性，进而产生径向膨胀，轴向收缩，对所连接负载产生驱动力。伸长型气动肌肉橡胶管外部编织网的初始编制角大于54°，当橡胶管内部受气压时，会轴向伸长，产生轴向推动力。由于气动肌肉本身属性的原因，其工作方式都是单自由度的直线驱动，不能满足多自由度的应用需求，这点不足也是影响气动肌肉发展和应用的关键问题。解决这个问题可以使气动肌肉具有多自由度特性，以及更加灵活的刚度特性，促进气动肌肉在柔顺驱动领域的应用，从而促进人体康复医疗、仿生机器人等领域的发展，尤其有助于变刚度连续机器人手臂的开发与应用。
形状记忆合金（简称SMA）作为一种新型智能材料，主要利用形状记忆效应，通过外部温度变化，使其内部组织结构发生变化，宏观效果表现为产生长度的变化，从而产生驱动力，对所连接负载进行驱动，是功能材料中应用很广的一种驱动元件。目前较为常用的形状记忆合金驱动器形式有形状记忆合金丝和形状记忆合金弹簧，然而形状记忆合金丝收缩率最大仅为5.3%，有限长度的形状记忆合金丝输出位移较小，而形状记忆合金弹簧虽然有较大的输出位移，但是结构尺寸较大。因此需要一种新的应用形式来克服形状记忆合金驱动器上述的不足之处。
鱼线人工肌肉（又称温度感应驱动器）是一种被称为第三代人工肌肉的新型人工肌肉。尼龙鱼线是一种高强度聚合物纤维，具有较好的柔韧性。将尼龙鱼线一端挂上适当重量的砝码，另一端连接在电机的机刷上，悬挂砝码的一端限制其旋转，使其沿轴向可以自由运动，对电机通电，带动尼龙鱼线高速旋转，通过对尼龙鱼线的这种高速加捻，使其卷曲形成鱼线人工肌肉。然而单纯的细鱼线丝形成的鱼线肌肉强度不足，加热麻烦。
对比形状记忆合金丝驱动器和鱼线人工肌肉驱动器工作原理，可以发现它们有一个共同的特点：都是通过加热使其长度缩短，产生驱动力。故将形状记忆合金丝与尼龙鱼线结合制作形状记忆合金-尼龙鱼线肌肉纤维，不仅具有较好的韧性和强度，驱动力也得到了改善。将这种新制作的SMA-NFL肌肉纤维和伸长型PAM单元结合，能够得到一种创新性的技术产品，即多自由度混合驱动人工肌肉。通过主动调节SMA-NFL肌肉纤维的加热温度，可使混合人工肌肉实现径向弯曲；通过改变橡胶管的内部气压，调节伸长型PAM单元的刚度特性，可使混合人工肌肉实现轴向伸缩。故该混合驱动人工肌肉可应用在变刚度连续机器人手臂、人形机器人、外骨骼等仿生机器人领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多自由度混合驱动人工肌肉。能够实现伸缩、弯曲等多个自由度，并且可以根据负载变化，对其驱动特性做进一步调节，实现各个自由度方向的微调控制，以及改变其刚度特性，扩大其应用领域。
本发明所采用的技术方案：
在弹性橡胶管外安装有PET编织网；在弹性橡胶管前端安装有紧固用外卡箍和密封用内堵头构件，在前端内堵头构件上安装有前端固定架和气动接头，在气动接头上安装有外部气管，外部气管与清洁压缩空气源相连；在弹性橡胶管后端安装有紧固用外卡箍和密封用内堵头构件，在后端内堵头构件上安装有后端固定架和固定螺钉；在前端固定架和后端固定架之间纵向等距置有三个导向架，在前端固定架和后端固定架之间沿圆周方向均布有四根SMA-NFL肌肉纤维；SMA-NFL肌肉纤维前端连接有电导线，电导线连接电源正极，SMA-NFL肌肉纤维后端连接有电导线，电导线连接电源负极。
布置弹性橡胶管外侧编织网初始编织角大于54°，在橡胶管内部受气压时，可以产生径向膨胀，轴向伸长，三个导向架中间圆孔的直径与伸长型PAM单元充气1bar状态下的直径相等，橡胶管径向膨胀后会紧密贴合导向架，防止导向架轴向串动，橡胶管轴向伸长会产生轴向位移和轴向推动力，对SMA-NFL肌肉纤维产生轴向预紧。三个导向架和两端支撑架圆周均布四个导向孔，孔直径与SMA-NFL肌肉纤维直径相等。
四根轴向均布的SMA-NFL肌肉纤维是由形状记忆合金丝与尼龙鱼线合并在一起，通过高速加捻，构筑类螺旋的卷曲结构，形成形状记忆合金-尼龙鱼线肌肉纤维。通过脉冲电流对SMA-NFL肌肉纤维进行加热，使SMA-NFL肌肉纤维轴向收缩，产生驱动力。
本发明可以通过对SMA-NFL肌肉纤维两端通入脉冲电流，使其温度升高，产生形变和驱动力，带动伸长型PAM单元弯曲，增加混合人工肌肉的弯曲自由度，通过主动微调控制来适应不同的驱动负载要求，具有一定的智能性。通过改变伸长型PAM单元内部气压来实现混合人工肌肉的伸缩自由度，以及调节混合人工肌肉的刚度特性。本发明可广泛应用于变刚度连续机器人手臂、人形机器人、外骨骼等仿生机器人领域，具有较好的柔顺性，安全性，高功率重量比，以及多自由度等特点。
附图说明
下面结合附图说明书对本专利进行说明：
图1为多自由度混合驱动人工肌肉结构示意图；
图2为图1的D-D剖视图；
图3为SMA-NFL肌肉纤维实物图；
图中：1、外部气管连接头；2、气管；3、气动接头；4、前端固定架；5、前端内堵头构件；6、前端外卡箍；7、前端导向架；8弹性橡胶管；9、PET编织网；10、中部导向架；11、后端导向架；12、后端外卡箍；13、后端内堵头构件；14、固定螺钉；15、电导线；16、后端固定架；17、SMA-NFL肌肉纤维；18、电导线；A、外部气源；B、电源正极；C电源负极。
具体实施方式
图1为一种多自由度混合驱动人工肌肉结构示意图。下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。
A．在弹性橡胶管外部安装一层PET编织网，两端采用内堵头构件和外卡箍进行密封和紧固。并且前端密封用内堵头构件中间开有螺纹通孔，通过螺纹连接方式连接气动接头，气动接头连接外部气管，对橡胶管进行充放气。后端密封用内堵头构件上开有一定深度的螺纹孔，通过旋入螺钉进行固定后端固定架。
B．弹性橡胶管外侧编织网的初始编织角布置为大于54°，满足橡胶管内部充入一定气压时，整个多自由度混合驱动人工肌肉能够轴向伸长，在轴向伸长的过程中不仅可以产生轴向位移和推动力，而且可以对SMA-NFL肌肉纤维进行预紧。外层编织网主要是限制橡胶管径向的持续膨胀，并且承受外力。
C．三个导向架中间圆孔的直径与伸长型PAM单元充气1bar状态下的直径相等，橡胶管径向膨胀后会紧密贴合导向架，防止导向架轴向串动。三个导向架和两端支撑架圆周均布四个导向孔，对四根SMA-NFL肌肉纤维进行导向，使其在轴向移动，防止在橡胶管内部充入气压时，左右方向串动。
D．将形状记忆合金丝与尼龙鱼线合并在一起，将其一端挂上适当重量的砝码，另一端连接在电机的机刷上，悬挂砝码的一端限制其旋转，使其沿轴向可以自由运动，对电机通电，带动两者高速旋转，通过对形状记忆合金丝和尼龙鱼线的这种高速加捻，使其卷曲形成SMA-NFL肌肉纤维。
E.分别对四根SMA-NFL肌肉纤维施加PWM脉冲电流进行加热和自然冷却，从而改变合金丝的相变结构，致使SMA-NFL肌肉纤维长度发生变化，使其产生驱动力，带动伸长型PAM单元实现两个方向的弯曲自由度，对末端连接负载实现位置的主动微调控制。
Claims (5)
1.一种多自由度混合驱动人工肌肉，其特点是：在弹性橡胶管（8）外安装有聚对苯二甲酸乙二酯编织网（简称为PET编织网）（9）；在弹性橡胶管（8）前端有紧固用外卡箍（6）和密封用内堵头构件（5），在前端内堵头构件（5）上安装有前端固定架（4）和气动接头（3），气动接头（3）上安装有外部气管（2），外部气管（2）与清洁压缩空气源A相连；在弹性橡胶管（8）后端有紧固用外卡箍（12）和密封用内堵头构件（13），在后端内堵头构件（13）上安装有后端固定架（16）和固定螺钉（14）；在前端固定架（4）和后端固定架（16）之间纵向等距置有三个导向架（7）、（10）、（11），在前端固定架（4）和后端固定架（16）之间沿圆周方向均布有四根形状记忆合金-尼龙鱼线肌肉纤维（简称SMA-NFL肌肉纤维）（17）；SMA-NFL肌肉纤维（17）前端连接有电导线（18），电导线（18）连接电源正极B，SMA-NFL肌肉纤维（17）后端连接有电导线（15），电导线（15）连接电源负极C。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度混合驱动人工肌肉，其特点是：布置弹性橡胶管外侧PET编织网初始编织角大于54°，橡胶管内部受气压时，产生径向膨胀，轴向伸长。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度混合驱动人工肌肉，其特点是：三个导向架中间圆孔的直径与气动人工肌肉单元（简称PAM单元）充气1bar状态下的直径相等，三个导向架和两端支撑架圆周均布四个导向孔，孔直径与SMA-NFL肌肉纤维直径相等。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度混合驱动人工肌肉，其特点是：四根轴向均布的SMA-NFL肌肉纤维是由形状记忆合金丝与尼龙鱼线合并在一起，通过高速加捻，构筑类螺旋的卷曲结构，形成形状记忆合金-尼龙鱼线肌肉纤维。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度混合驱动人工肌肉，其特点是：通过脉冲电流对SMA-NFL肌肉纤维进行加热，使SMA-NFL肌肉纤维产生驱动力，进而让混合驱动人工肌肉实现弯曲运动。
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