CN108161929A - 一种负压驱动的气动人工肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负压驱动的气动人工肌肉，包括负压驱动弹性体、气管等。负压驱动的气动人工肌肉采用对称结构，气室单元采用六面体结构形式，通过每个气室单元横向和纵向壁厚差异化的设计，在外界负压作用时形成单向线性位移和弹性作用力；当外界负压作用消失时，亦可形成恢复到自然状态的弹性回复力和线性位移，通过对输入负压的控制可以实现对负压驱动的气动人工肌肉线性位移量和弹性力的控制。所述负压驱动的气动人工肌肉可使用微型负压泵作为负压输入源，采用不同硬度的橡胶材料或者硅胶材料匹配不同负压输入可以实现不同行程的线性位移输出，且易实现精确控制；大于0.12MP的负压输入即可形成稳定的线性位移输出和力输出，易于实现装备的便携化。

Description

一种负压驱动的气动人工肌肉

技术领域

本发明属于气动人工肌肉以及柔性执行器技术领域，特别涉及一种负压驱动的气动人工肌肉。

背景技术

传统的液压驱动、电机驱动都存在如噪声、功率密度低等缺点。随着气动技术的不断发展，新型气动元件及应用不断涌现，气动人工肌肉(Pneumaticartificial muscle，PAM)就是典型的代表之一，如为McKibben型气动人工肌肉，日本Bridgestone公司推出的Rubbertuator驱动器，以及德国Festo公司发明了适合工业应用的气动肌腱Fluidicmuscle等。气动人工肌肉的结构虽然很多，但原理上基本类似。其核心是个可膨胀的薄壁囊，外部为限制变形的支撑材料，两端使用连接件固定，如最常见的内部橡胶筒套及外部纤维编织网结构。加压时产生收缩，收缩力的大小与元件的几何尺寸、制造材料和充气压力有关，且会随收缩率的增大而减小，在最大收缩率时，输出力为零。由于只能单向收缩，因此常成对使用，以产生双向的力或运动。

除具有气压传动技术所具有的低成本、清洁安全、安装简便等优点之外，高功率/质量比和高功率/体积比是气动肌肉相比较于传统驱动器最明显的优点，其次它具有柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，在工业自动化、移动机器人、医疗康复、远程控制等多个领域具有十分良好的应用前景。但是气动肌肉也存在着一些局限性，如与传统液压驱动、电机驱动元件相比其充气变形为强非线性环节，且具有时变性，精密建模难，难以实现精确控制。此外，气动人工肌肉通常需要较大的气压输入，比如通过气缸输入，难以实现便携化等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种负压驱动的气动人工肌肉，可形成稳定的线性位移输出和力输出，易于实现装备的便携化，在工业自动化、移动机器人、外骨骼机器人、医疗康复、远程控制等多个领域具有十分良好的应用前景。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种负压驱动的气动人工肌肉，包括：负压驱动弹性体、气管，其中：

所述气管用于向所述负压驱动的气动人工肌肉输入所需的负压；

所述负压驱动弹性体内部包括六棱柱或圆柱结构的气室，每个气室留有凹槽，形成负压驱动的气动人工肌肉的气流通道；所述负压驱动弹性体还包括与外界的通气孔，用于连接所述气管，实现对整个负压驱动的气动人工肌肉的负压输入或者大气压输入；

所述负压驱动弹性体在所述负压作用下沿X方向形成单向线性位移和弹性作用力，沿Y方向的尺寸基本保持不变。

优选地，所述气室为六棱柱结构，所述气室包括四个和气动人工肌肉收缩方向不平行的第一气室壁，以及两个和气动人工肌肉收缩方向平行的第二气室壁。

优选地，所述第二气室壁的厚度是所述第一气室壁厚度的三倍。

优选地，所述第一气室壁在所述气室为负压时能够受负压作用力变形，并沿X方向收缩，形成水平位移；所述第二气室壁在所述气室为负压时不变形，Y方向没有收缩位移。

优选地，所述第一气室壁在外界负压作用消失时，能够沿X轴反方向伸展，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成线性位移；所述第二气室壁在上述过程中不变形，Y方向没有收缩或者伸展位移。

优选地，所述气动人工肌肉包括两组负压驱动弹性体。

优选地，所述两组负压驱动弹性体通过热粘结工艺热合焊接，或采用与负压驱动弹性体同性粘接材料粘接密封，或采用3D打印一次成型结构。

优选地，所述负压驱动的气动人工肌肉的负压驱动弹性体接收的负压输入大于0.12MP。

优选地，所述负压驱动弹性体采用橡胶材料，或者硅胶材料。

优选地，所述气管采用PVC软管或者硅胶管。

所述负压驱动的气动人工肌肉可使用微型负压泵作为负压输入源，根据负压驱动弹性体所采用橡胶材料或者硅胶材料选择适当的压力输入，通常大于0.12MP的负压输入即可形成稳定的线性位移输出和力输出，易于实现装备的轻量化、小型化和便携化。

本发明优异的效果是：

传统的液压驱动、电机驱动都存在如噪声、功率密度低等缺点。气动人工肌肉虽然具有高功率/质量比和高功率/体积比等优点，但也存在着一些局限性，如与传统液压驱动、电机驱动元件相比其充气变形为强非线性环节，且具有时变性，精密建模难，难以实现精确控制。本发明负压驱动的气动人工肌肉采用负压输入，通过组成气室单元气室壁横向和纵向厚度的差异和比例关系，实现单方向的线性位移输出和力输出，具有较高的功率密度比、功率体积比，并且具有线性变形等特点，容易实现精确控制。

此外，目前气动肌肉通常需要气缸提供较强气压输入，难以实现便携化等缺点，本发明负压驱动的气动人工肌肉采用负压输入，根据负压驱动弹性体所采用橡胶材料或者硅胶材料选择适当的压力输入，常见的负压输出大于0.12MP微型负压真空泵即可为本发明负压驱动的气动人工肌肉提供负压输入，即可形成稳定的线性位移输出和力输出，可以实现装备的轻量化、小型化和便携化。

因此，本发明一种负压驱动的气动人工肌肉，通过每个气室单元横向和纵向气室壁厚差异化的设计，在负压作用时形成单向线性位移和弹性作用力；当外界负压作用消失时，亦可形成恢复到自然状态的弹性回复力和线性位移，通过对输入负压的控制可以实现对负压驱动的气动人工肌肉线性位移量和弹性力的控制。负压驱动的气动人工肌肉具有高功率/质量比和高功率/体积比,线性输出特性，容易实现精确控制，在工业自动化、移动机器人、外骨骼机器人、医疗康复、远程控制等多个领域具有十分良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的负压驱动的气动人工肌肉主要组成部分和外形图；

图2是图1中的负压驱动弹性体结构图；

图3是图1中的负压驱动弹性体相邻两个气室单元的结构示意图；

图4是图1中的负压驱动弹性体相邻两个气室单元在负压作用时的机理图。

图5是气室单元为矩形的负压驱动弹性体。

其中各附图标记含义如下：

1.负压驱动弹性体；2.气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种负压驱动的气动人工肌肉，主要由负压驱动弹性体1和气管2等组成。所述负压驱动弹性体1是所述负压驱动的气动人工肌肉线性位移输出和力输出的部分，气管2是所述负压驱动的气动人工肌肉所需负压输入的通道。

如图2-4所示，负压驱动弹性体1，其内部气室采用六棱柱结构形式，每个气室留有凹槽，是所述负压驱动的气动人工肌肉的内部的气流通道。两组负压驱动弹性体1通过热粘结工艺热合焊接形成所述负压驱动的气动人工肌肉。负压驱动弹性体1每个气室的六个气室壁厚度有差异，其中第二气室壁的厚度是第一气室壁的三倍。上下相邻两个气室的四个相邻第一气室壁留有凹槽，形成负压驱动的气动人工肌肉的气流通道，另外四个不相邻的第一气室壁上没有凹槽，且第二气室壁上没有凹槽，保证气密性。当气室为负压时，第一气室壁受负压作用力变形，并沿X方向收缩，形成水平位移；第二气室壁由于壁较厚，负压作用时不变形，Y方向没有收缩位移，从而当负压作用时，所述负压驱动的气动人工肌肉可形成收缩的线性位移和拉力。所以，当负压作用时，所述负压驱动的气动人工肌肉可形成自然状态到压缩状态的线性位移和拉力。

当外界负压作用消失时，第一气室壁受负压作用力消失，并沿X轴反方向伸展，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成线性位移，过程可控；第二气室壁由于壁较厚，上述过程中不变形，Y方向没有收缩或者伸展位移。所以，当外界负压作用消失过程中(或者说正压输入)，所述负压驱动的气动人工肌肉可形成压缩状态恢复到自然状态的线性位移和弹性回复力，过程可控。

综上所述，通过对输入负压和输入正压的控制可以实现对所述负压驱动的气动人工肌肉线性位移输出和力的控制。

所述负压驱动弹性体1上的通气孔用于连接气管2，实现对整个负压驱动的气动人工肌肉的负压输入或者正压输入。如果负压驱动的气动人工肌肉使用单气管，可采用气塞对负压驱动弹性体的通气孔进行密封。

所述两组负压驱动弹性体1通过热粘结工艺热合焊接在一起保证结合部位的气密性，也可采用与负压驱动弹性体1同性粘接材料粘接密封，还可以采用3D打印一次成型结构。

所述负压驱动弹性体1采用橡胶材料，或者硅胶材料，采用不同硬度的材料匹配不同负压输入可以实现不同拉力的输出。

所述负压驱动的气动人工肌肉可使用微型负压泵作为负压输入源，根据负压驱动弹性体1所采用橡胶材料或者硅胶材料选择适当的压力输入，通常大于0.12MP的负压输入即可形成稳定的线性位移输出和力输出。

所述气管2采用PVC软管或者硅胶管。

图4为气室单元为矩形的负压驱动弹性体。所述负压驱动弹性体1除可采用六棱柱结构形式，也可以采用如图5所示的矩形截面的棱柱结构形式。此外，所述负压驱动弹性体1气室单元还可采用四边形、椭圆形等几何形式的截面，通过控制横向和纵向气室壁的厚度比例实现单方向的线性位移输出和力输出。对比图3和图4可以看出，图3-4中的气室在压缩前为正六边形，压缩后为凹六边形，其垂直于压缩方向(即Y方向)的尺寸基本保持不变。

本发明一种负压驱动的气动人工肌肉，通过每个气室单元横向和纵向气室壁厚差异化的设计，在外界负压输入作用时形成单向线性位移和弹性作用力；当外界负压作用消失时，亦可形成恢复到自然状态的弹性回复力和线性位移，通过对输入负压的控制可以实现对负压驱动的气动人工肌肉线性位移量和弹性力的控制。负压驱动的气动人工肌肉具有高功率/质量比和高功率/体积比,线性输出特性，容易实现精确控制。所述负压驱动的气动人工肌肉可使用微型负压泵作为负压输入源，采用不同硬度的材料匹配不同负压输入可以实现不同拉力的输出，通常大于0.12MP的负压输入即可形成稳定的线性位移输出和力输出，可以实现装备的轻量化、小型化和便携化。所述负压驱动的气动人工肌肉在工业自动化、移动机器人、外骨骼机器人、医疗康复、远程控制等多个领域具有十分良好的应用前景。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种负压驱动的气动人工肌肉，包括：负压驱动弹性体、气管，其中：

所述气管用于向所述负压驱动的气动人工肌肉输入所需的负压；

所述负压驱动弹性体内部包括六棱柱或椭圆柱结构的气室，每个气室留有凹槽，形成负压驱动的气动人工肌肉的气流通道；所述负压驱动弹性体还包括与外界的通气孔，用于连接所述气管，实现对整个负压驱动的气动人工肌肉的负压输入或者大气压输入；

所述负压驱动弹性体在所述负压作用下沿X方向形成单向线性位移和弹性作用力，沿Y方向的尺寸基本保持不变。

2.根据权利要求1所述的气动人工肌肉，其特征在于，所述气室为六棱柱结构，所述气室的侧面包括四个和气动人工肌肉收缩方向不平行的第一气室壁，以及两个和气动人工肌肉收缩方向平行的第二气室壁。

3.根据权利要求2所述的气动人工肌肉，其特征在于，所述第二气室壁的厚度是所述第一气室壁厚度的三倍。

4.根据权利要求2所述的气动人工肌肉，其特征在于，所述第一气室壁在所述气室为负压时能够受负压作用力变形，并沿X方向收缩，形成水平位移；所述第二气室壁在所述气室为负压时不变形，Y方向没有收缩位移。

5.根据权利要求2所述的气动人工肌肉，其特征在于，所述第一气室壁在外界负压作用消失时，能够沿X轴反方向伸展，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成线性位移；所述第二气室壁在上述过程中不变形，Y方向没有收缩或者伸展位移。

6.根据权利要求1或2所述的负压驱动的气动人工肌肉，其特征在于，所述气动人工肌肉包括两组负压驱动弹性体。

7.根据权利要求6所述的气动人工肌肉，其特征在于，所述两组负压驱动弹性体通过热粘结工艺热合焊接，或采用与负压驱动弹性体同性粘接材料粘接密封，或采用3D打印一次成型结构。

8.根据权利要求1所述的负压驱动的气动人工肌肉，其特征在于，所述负压驱动的气动人工肌肉的负压驱动弹性体接收的负压输入大于0.12MP。

9.根据权利要求1-8之一所述的负压驱动的气动人工肌肉，其特征在于，所述负压驱动弹性体采用橡胶材料，或者硅胶材料。

10.根据权利要求1-8之一所述的负压驱动的气动人工肌肉，其特征在于，所述气管采用PVC软管或者硅胶管。