CN107984467B - 一种变刚度并联人工肌肉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变刚度并联人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。它解决了现有人工肌肉输出力小、刚度不可调整的问题。本发明包括m个收缩纤维、n个伸长纤维、2个励磁器、柔性膜和磁流变液；所述m个收缩纤维的两端分别与2个励磁器连接，伸长纤维与收缩纤维相互交错连接形成框架，柔性膜覆盖于框架外侧并与2个励磁器形成密闭容腔，磁流变液置于密闭容腔内。本发明通过采用多根纤维卷绕型人工肌肉并联，实现了输出力的放大；综合利用伸长型和收缩型人工肌肉，通过几何关系放大了人工肌肉的输出位移；采用磁流变液与人工肌肉结合，实现了其主动刚度变化；多根人工肌肉纤维可单独驱动，通过不同的驱动形式可实现其多方向运动。

Description

一种变刚度并联人工肌肉
技术领域
本发明涉及一种变刚度并联人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。
背景技术
柔性驱动器一直以来都是机器人领域的重要分支，由于传统刚性驱动器体积、重量大，动作刚度高，在一些应用上存在某些局限性。柔性驱动器具有灵活性高、容易变形等特点，易于布置在柔性机器人或狭小的结构中，又因其具有很强的动作柔顺性，易于实现机器人、环境和人的安全交互，具有广阔的应用前景。
目前常见的柔性驱动器包括电活性聚合物、形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料等。这些柔性驱动器价格昂贵，输出力与位移有限，迟滞现象明显，疲劳寿命短，难以满足柔性机器人的需求。
发明内容
本发明为了解决现有人工肌肉输出力小，刚度不可调整的问题，提出了一种变刚度并联人工肌肉，所采取的技术方案如下：
一种变刚度并联人工肌肉，所述人工肌肉包括m个收缩纤维1、n个伸长纤维2、2个励磁器3、柔性膜4和磁流变液5，其中，m为大于等于3的整数，n为大于等于1的整数；所述m个收缩纤维1的两端分别与2个励磁器3连接，所述伸长纤维2与收缩纤维1相互交错连接形成框架；所述柔性膜4覆盖于所述框架的外侧，并且所述柔性膜4与2个励磁器3密闭相连形成密闭容腔；所述磁流变液5置于密闭容腔内；所述磁流变液在弱磁场下呈现低粘度，高流动性；在强磁场下呈现高刚度的类固体性。它在弱磁场下的流动性及其变刚度特性使其适合与柔性驱动器结合，实现其变刚度功能。
进一步地，所述收缩纤维1和伸长纤维2采用聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维。
进一步地，当给收缩纤维1和伸长纤维2通电使收缩纤维1和伸长纤维2温度升高时，所述收缩纤维1缩短，伸长纤维2伸长。
进一步地，所述m个收缩纤维1的初始长度相等。
进一步地，所述m个收缩纤维1的变形独立可控。
进一步地，所述伸长纤维2采用首尾闭合的圆环形、椭圆环形或多边环形结构。
进一步地，所述n个伸长纤维2形成的环形结构所在平面相互平行。
本发明有益效果：
本发明人工肌肉采用多根纤维卷绕型人工肌肉并联，实现了输出力的放大；综合利用伸长型人工肌肉和收缩型人工肌肉，利用几何关系(即多个收缩纤维和伸长纤维之间的组合以及位置结构)放大了人工肌肉的输出位移；采用磁流变液与人工肌肉结合，实现了其主动刚度变化，实现了人工肌肉的刚度实时可调；多根人工肌肉纤维可实现单独驱动，通过不同的驱动形式可实现其多方向运动，满足机器人的实用需求。
附图说明
图1是本发明所述一种变刚度并联人工肌肉的结构示意图。
图2是本发明所述收缩纤维的结构形式及其变形状态示意图。
图3是本发明所述伸长纤维自身形成环状结构后的结构形式及其变形状态示意图。
图4是本发明所述人工肌肉收缩运动变形示意图。
图5是本发明所述人工肌肉的弯曲运动变形示意图。
图6是本发明所述励磁器通电时人工肌肉刚度变化示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
结合图1至图6说明本实施例，本实施例提出的变刚度并联人工肌肉包括包含6个收缩纤维1和3个伸长纤维2的一种变刚度并联人工肌肉，包括6个收缩纤维1、3个伸长纤维2、2个励磁器3、柔性膜4和磁流变液5。
所述6个收缩纤维1的两端在对应固定的励磁器3的连接端面上成圆周型排列；所述3个伸长纤维2沿与收缩纤维1垂直方向环抱于6个收缩纤维1上，并与6个收缩纤维1形成框架；所述柔性膜4覆盖于所述框架的外侧，将所述框架包裹于柔性膜4内；所述柔性膜4与2个励磁器3密闭相连形成密闭容腔；所述磁流变液5置于密闭容腔内。
如图2所示，所述收缩纤维1采用聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维。对其通电后其温度增加且长度收缩，断电后长度恢复原状。
如图3所示，所述伸长纤维2采用聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维。将其首尾相连后形成环状结构、椭圆环状结构或多边形环状结构(四边形环状结构，六边形环状结构或八边形环状结构)，对伸长纤维2通电后其温度增加且直径扩大，断电后直径恢复原状。
如图4所示，当对全部收缩纤维1与伸长纤维2上缠绕的金属丝通电，金属丝产生热量，温度升高，并联人工肌肉长度收缩，直径增大。由于多根人工肌肉同时进行驱动，可获得较单根人工肌肉更大的驱动力；由于直径增大可引起长度方向的收缩，并联人工肌肉可获得较单根收缩纤维1更大的变形量。
所述每根收缩纤维1也可进行单独驱动，当对部分收缩纤维1通电，其余收缩纤维1和伸长纤维2不通电时，并联人工肌肉产生弯曲变形，如图5所示。通过多根人工肌肉的组合驱动，使人工肌肉产生一定范围内的任意弯曲角度。
如图6所示，所述励磁器3通电时可产生磁场。在磁场作用下，磁流变液5刚度变大，从而使变刚度并联人工肌肉整体刚度变大，实现主动变刚度功能。
本发明提出的人工肌肉采用多根纤维卷绕型人工肌肉并联，实现了输出力的放大；综合利用伸长型人工肌肉和收缩型人工肌肉，利用几何关系(即多个收缩纤维和伸长纤维之间的组合以及位置结构)放大了人工肌肉的输出位移；采用磁流变液与人工肌肉结合，实现了其主动刚度变化，实现了人工肌肉的刚度实时可调；多根人工肌肉纤维可实现单独驱动，通过不同的驱动形式可实现其多方向运动，满足机器人的实用需求。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种变刚度并联人工肌肉，所述人工肌肉包括m个收缩纤维(1)和n个伸长纤维(2)，其特征在于，所述人工肌肉还包括2个励磁器(3)、柔性膜(4)和磁流变液(5)，其中，m为大于等于3的整数，n为大于等于1的整数；所述m个收缩纤维(1)的两端分别与2个励磁器(3)连接，所述伸长纤维(2)与收缩纤维(1)相互交错连接形成框架；所述柔性膜(4)覆盖于所述框架的外侧，并且所述柔性膜(4)与2个励磁器(3)密闭相连形成密闭容腔；所述磁流变液(5)置于密闭容腔内。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度并联人工肌肉，其特征在于，所述收缩纤维(1)和伸长纤维(2)采用聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度并联人工肌肉，其特征在于，当对收缩纤维(1)和伸长纤维(2)中的金属丝通电，使收缩纤维(1)和伸长纤维(2)温度升高时，所述收缩纤维(1)缩短，伸长纤维(2)伸长。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度并联人工肌肉，其特征在于，所述m个收缩纤维(1)的初始长度相等。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度并联人工肌肉，其特征在于，所述m个收缩纤维(1)的变形独立可控。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度并联人工肌肉，其特征在于，所述伸长纤维(2)采用首尾闭合的圆环形、椭圆环形或多边环形结构。
7.根据权利要求1所述的一种变刚度并联人工肌肉，其特征在于，所述n个伸长纤维(2)形成的环形结构所在平面相互平行。
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