CN108582058A - 一种负压旋转型人工肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负压旋转型人工肌肉。负压旋转型人工肌肉由弹性材料制成，整体为扇形结构，内部气室与支柱交错排列，越远离圆心气室尺寸越大。当使其内部形成真空时，气动人工肌肉的周向支柱将会插入到相邻气室中，最终使整个人工肌肉沿圆心产生“合扇”运动，提供旋转力矩。本发明可以应用到需要柔性驱动的领域，例如医疗康复、软体机器人、仿生机器人等。

Description

一种负压旋转型人工肌肉

技术领域

本发明属于气动肌肉技术领域，特别涉及一种负压旋转型人工肌肉。

背景技术

气动人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscle，简称PAM)是一种柔性的驱动器，具有重量轻、柔性高、使用方便、无污染等优点。近年来，随着仿生技术的进一步发展，人们对气动肌肉的研究越来越重视。早在20世纪50年代，美国医生Joseph.L.Mckibben就发明了一种名为Mckibben的气动人工肌肉，这是气动人工肌肉的首次发明。此后，世界上各国研究人员开始了对气动人工肌肉的研究工作，例如日本Bridgestone公司生产的Rubbertuator，德国Festo公司生产的FiuidicMuscies，英国Shadow公司生产的air muscies等等。

虽然气动人工肌肉的种类很多，但是目前大量生产和应用的气动人工肌肉只有德国Festo和英国Shadow生产的人工肌肉。这些人工肌肉都属于Mckibben型气动人工肌肉，该类型人工肌肉主要由弹性橡胶管、编织网和卡箍组成。当对人工肌肉充气后，内部弹性橡胶管开始膨胀，在外面编织网的约束下，人工肌肉径向膨胀，纵向收缩，使人工肌肉整体长度变短，提供收缩力。

随着对气动人工肌肉研究的日益成熟，气动人工肌肉越来越多的被应用到生活中，例如医疗康复领域(如假肢、外骨骼)、仿生机器人领域、软体机器人领域等。

国内很多研究人员和学者也对气动人工肌肉展开了深入研究，如中国发明专利CN105856219A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、圆柱套管、压电体、电极、感知电路、驱动电路等。该气动人工肌肉能够检测到外部负载的驱动力，并且感知碰撞，通过压电体的逆压电效应，带动纤维丝收缩，提高气动肌肉的收缩量。中国发明专利CN106514645A和CN105030389A都在传统气动人工肌肉的基础上，引进了形状记忆合金技术，通过改变形状记忆合金的温度产生形变，从而增加人工肌肉的收缩量。

传统的充气缩短型人工肌肉具有以下缺点：这类气动人工肌肉主要由内部弹性橡胶管和外部编织网组成，他们之间的干摩擦和编织网的非弹性变形将会产生迟滞现象，使人工肌肉的精确控制非常困难；传统人工肌肉通常都具有“阈值压力”，当人工肌肉内部气压小于“阈值压力”时，人工肌肉无法执行；传统人工肌肉所需工作压力很高，这将有可能使橡胶管沿编制网眼突出或者在某一点处破坏，甚至有发生爆破的危险。

目前有研发人员研制出了充气后可以实现弯曲运动的气动人工肌肉。例如专利US20170097021A1公开了一种柔软机器人执行器，该执行器由弹性材料制成，内部有多个气室，在充气加压后每个气室被胀大发生变形，最终实现弯曲运动。该执行器可以用于制作成章鱼手爪抓取物体，也可以制作成软体机器人实现爬行运动。但是，该执行器在充气后体积膨胀很大，存在一定风险，在与环境接触后容易破损或发生爆炸，而且无法应用在使用空间狭小的场合。专利US20180031010A1公开了一种柔软执行器和柔软执行装置，该执行器由硅胶材料制成，在对其内部抽气形成真空时执行器实现直线收缩运动，可以用作人工肌肉带动外界负载运动，也可以制作成软体机器人实现爬行运动。但是，该执行器执行的运动为直线收缩运动，当应用到需要旋转运动的场合，就需要借用其他零部件将直线缩短运动转化为旋转运动或者选择远离旋转中心的位置作为连接点使形成旋转力矩。这样使用起来非常不方便，而且效率不高，引入了其他的刚性零部件，增加了执行器的占用空间。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种负压旋转型人工肌肉。

本发明的技术方案如下。

一方面，本发明提供了一种负压旋转型人工肌肉，其中：

所述人工肌肉包括由弹性材料制成的沿一圆弧轴线延伸的主体，所述主体的端部上设置有用于与外部负压源流体连通的进气孔；

所述主体包括多个沿所述圆弧周向排列的扇形模块单元；

所述扇形模块单元包括多个沿所述圆弧轴线排列的气室，相邻的所述气室之间被柔性材料制成的支柱隔开，并且具有流体连通的气道通路；

当所述负压源向所述气室提供负压时，所述主体能够沿所述圆弧轴线收缩，使得所述主体的端部围绕所述圆弧轴线的圆心做圆周运动。

优选地，所述主体具有朝向所述圆弧轴线圆心的第一侧，以及远离所述圆弧轴线圆心的第二侧，在初始状态下，所述主体的第一侧的长度小于所述主体的第二侧的长度。

优选地，所述第一侧为凸起和凹槽交替的结构

优选地，所述气室具有朝向所述圆弧轴线圆心的第一侧，以及远离所述圆弧轴线圆心的第二侧，在初始状态下，所述气室的第一侧的尺寸小于所述气室的第二侧的尺寸。

优选地，所述支柱包括周向支柱和径向支柱。

优选地，所述周向支柱的厚度大于所述径向支柱的厚度。

优选地，在所述圆弧周向方向上，所述气室与所述周向支柱交错排列，当内部形成真空时，所述周向支柱插入到相邻的气室中。

优选地，所述弹性材料为橡胶材料。

优选地，所述橡胶材料为硅胶、乳胶、乙丙橡胶和/或丁晴橡胶。

另一方面，本发明还提供了一种制造根据以上技术方案中任一项所述的负压旋转型人工肌肉的方法，包括如下步骤：

使用橡胶材料分别浇注所述主体位于与所述圆弧轴线垂直的平面两侧的对称部分；

使用粘合剂将两侧的部分粘合在一起。

本发明的负压型人工肌肉有以下优点：人工肌肉的执行方式是对其抽气形成真空，所以人工肌肉即使收缩到最小体积也不会发生爆炸现象；当对人工肌肉抽气时，人工肌肉的体积将会减小，这将使其能够被应用到空间有限的环境中去，而不用担心由于体积膨胀而与周边环境发生接触；该人工肌肉在内部形成真空后可以直接实现旋转运动。

在结构和材料固定的情况下，本发明的负压旋转型人工肌肉的特性由真空度、旋转角度和旋转力矩决定。当外界负载一定的情况下，可以通过控制人工肌肉内部真空度来控制其旋转角度。由于本发明的负压旋转型人工肌肉采用硅胶这种弹性材料制成，其自身具有回弹的能力，当使其内部与大气相通时，气室内部真空度下降，人工肌肉将会由于自身的弹性返回到初始状态，并且提供一个伸直力矩。

由于本发明的负压旋转型人工肌肉在内部形成真空时，可以产生旋转运动，故可以作为旋转执行器，应用到任何需要实现旋转运动的地方。例如可将其作为外骨骼机器人关节处的执行器，辅助各关节的旋转运动。由于其自身采用弹性材料制成，亦可以将其作为软体机器人的驱动器，驱动软体机器人的运动，例如章鱼机器人，蠕动机器人等。在应用本发明的负压旋转型人工肌肉时，只需要适当改变硅胶材料处的连接结构，使其能够与其他装置连接即可。

附图说明

图1是根据本发明的负压旋转型人工肌肉整体外形图。

图2是根据本发明的负压旋转型人工肌肉扇形模块单元示意图。

图3是根据本发明的负压旋转型人工肌肉径向剖面示意图。

图4是根据本发明的负压旋转型人工肌肉内部形成真空时旋转示意图。

图5是制作根据本发明的负压旋转型人工肌肉的模具示意图。

图6是根据本发明的负压旋转型人工肌肉模具制作的对称部分示意图。

图中各附图标记含义如下：1、进气孔，2、气室a，3、气室b，4、气室c，5、气室d，6、气室e，7、扇形模块单元，8、周向支柱，9、气道通路，10、径向支柱，11、人工肌肉上半部分，12、人工肌肉下半部分

具体实施方式

下面将对本发明的负压旋转型人工肌肉进行进一步的详细描述，所描述的实施例只是本发明所有实施例中的一种，而非所有实施例。其他任何与本发明实施例密切相关的实施例都属于本发明的保护范围。

根据本发明的人工肌肉包括由弹性材料制成的沿一圆弧轴线延伸的主体，所述主体的端部上设置有用于与外部负压源流体连通的进气孔1。

如图1-3所示，本发明的负压旋转型人工肌肉的主体为扇形结构，可以将其通过沿过圆心的直线划分为多个扇形模块单元7，每个扇形模块单元7由三气室2-4结构和相邻气室位置交叉的两气室5和6结构组成。这五个气室2-6的体积大小规律为越靠近中心体积越小，越靠近外侧体积越大，具体为气室2＜气室6＜气室3＜气室5＜气室4。每个气室2-6之间被硅胶支柱隔开，并且具有流体连通的气道通路9，靠近主体端部的气室2-6与端部的进气孔1相通。气室2-6之间的支柱包括周向支柱8和径向支柱10，周向支柱8的厚度厚一些，需要其保持原有的固定形状，而径向支柱10的厚度薄一些，使其能够发生形变。人工肌肉靠近和远离圆心的两个末端不是完全的圆面结构，而是凸起和凹槽交替的结构。

当使负压旋转型人工肌肉内部形成真空时，周向支柱8将会沿周向挤压径向支柱10使其发生变形，每个周向支柱8将会插入到隔壁相邻气室2-6内部，使气室2-6体积变小。这样使得每个扇形模块单元7产生一个旋转角度，在多个扇形模块单元7的共同作用下，最终使得整个人工肌肉产生“合扇”运动。

本发明的负压旋转型人工肌肉的最大旋转角度并非为固定值，而是受到多个因素的影响。改变扇形模块单元7气室2-6的体积、径向尺寸和周向尺寸，将会改变扇形模块单元7能够达到的旋转角度，最终改变人工肌肉的最大旋转角度。根据使用用途的不同选择合适数量的扇形模块单元7，可以调整人工肌肉旋转角度的范围，改变可以达到的最大旋转角度。硅胶材料是一种弹性材料，其弹性的大小可以通过调整材料参数来改变。不同弹性的硅胶材料制成的人工肌肉能够实现的最大旋转角度也是不同的。

下面介绍本发明的负压旋转型人工肌肉制作过程：

由于本发明的负压旋转型人工肌肉内部结构复杂，腔体内气室2-6之间通道交错相通，所以传统加工方法无法将其一体成型制作出来。考虑到该人工肌肉沿与圆弧轴线垂直的平面为对称结构，所以将其分为上下两部分11和12分别采用模具进行制作，然后采用硅胶粘合剂将其粘合到一起。首先通过三维软件Proe设计模具，然后通过机加工方式将其加工出来，如图5所示。然后将液态硅胶分别浇注到两个模具中，使其在室温下固化。最后用硅胶粘合剂将两个一半的负压旋转型人工肌肉粘合在一起。

本发明的负压旋转型人工肌肉通过使内部形成真空的方式实现旋转运动，所以所选材料必须为弹性材料，而橡胶材料为最常用的弹性材料。橡胶材料的种类很多，例如硅胶、乳胶、乙丙橡胶和丁晴橡胶等等。本发明的负压旋转型人工肌肉可以采用多种材料制成，而并非只有硅胶可以，此处仅以硅胶材料为例加以说明。

如图1-3所示，本发明的负压旋转型人工肌肉，每个扇形模块单元7可以产生最大5°的旋转角度，图中人工肌肉可以达到的最大旋转角度为85°。此值并非为固定值，可以根据使用要求达到的最大角度选择合适数量的扇形模块单元7，使其实现预期的最大旋转角度，最多可以选择18个扇形模块单元7，此时人工肌肉最大旋转角度可以达到170°。

硬度是决定硅胶材料弹性大小的一个重要参数，由不同弹性的硅胶材料制成的本发明的负压旋转型人工肌肉的性能是不同的，其可以实现的最大旋转角度也是不同的。本发明分别采用硬度为30°、35°、40°、45°和50°的硅胶材料制作人工肌肉，实验发现随着硬度的增加，人工肌肉可以承受负载的能力增加，但是可以达到的最大旋转角度减小。

在尺寸和材料固定的情况下，本发明的负压旋转型人工肌肉的特性由真空度、旋转角度和旋转力矩决定。当人工肌肉内部真空度一定的情况下，旋转角度越大，其能够提供的旋转力矩越小；当人工肌肉旋转角度一定的情况下，真空度越大，其能够提供的旋转力矩越大；当人工肌肉旋转力矩一定的情况下，真空度越大，其旋转角度越大。

本发明的负压旋转型人工肌肉通过在具有复杂结构的模具中使液态硅胶冷却制作而成，所以具有很高的弹性和韧性，可以随意折叠和挤压。该气动人工肌肉与现有传统人工肌肉工作方式不同，使其气室2-6内部形成真空时，该人工肌肉将会产生沿圆弧轴线旋转的现象，随着人工肌肉内部真空度的增加，人工肌肉的旋转角度将会增加。为了能够使人工肌肉内部形成真空，可以采用真空泵对其内部进行抽气来实现。

以上所述只是本发明优选实施例，所有在不脱离本发明精神和范围的情况下对本发明做出的改变和改进，都仍然属于本发明权利要求书的保护范围。

根据本发明的负压旋转型人工肌肉具有负压旋转的特性，可以应用于需要使用柔性驱动器的各种领域，例如机器人领域等。在应用本发明的负压旋转型人工肌肉时，只需根据需要在不影响气室2-6的情况下在人工肌肉实心材料处设计连接结构即可。

Claims (10)

1.一种负压旋转型人工肌肉，其特征在于：

所述人工肌肉包括由弹性材料制成的沿一圆弧轴线延伸的主体，所述主体的端部上设置有用于与外部负压源流体连通的进气孔(1)；

所述主体包括多个沿所述圆弧周向排列的扇形模块单元(7)；

所述扇形模块单元(7)包括多个沿所述圆弧轴线排列的气室(2-6)，相邻的所述气室(2-6)之间被柔性材料制成的支柱隔开，并且具有流体连通的气道通路(9)；

当所述负压源向所述气室(2-6)提供负压时，所述主体能够沿所述圆弧轴线收缩，使得所述主体的端部围绕所述圆弧轴线的圆心做圆周运动。

2.根据权利要求1所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，所述主体具有朝向所述圆弧轴线圆心的第一侧，以及远离所述圆弧轴线圆心的第二侧，在初始状态下，所述主体的第一侧的长度小于所述主体的第二侧的长度。

3.根据权利要求2所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，所述第一侧为凸起和凹槽交替的结构。

4.根据权利要求1所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，所述气室(2-6)具有朝向所述圆弧轴线圆心的第一侧，以及远离所述圆弧轴线圆心的第二侧，在初始状态下，所述气室(2)的第一侧的尺寸小于所述气室(4)的第二侧的尺寸。

5.根据权利要求1所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，所述支柱包括周向支柱(8)和径向支柱(10)。

6.根据权利要求5所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，所述周向支柱(8)的厚度大于所述径向支柱(10)的厚度。

7.根据权利要求5或6所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，在所述圆弧周向方向上，所述气室(2-6)与所述周向支柱(8)交错排列，当内部形成真空时，所述周向支柱(8)插入到相邻的气室(2-6)中。

8.根据权利要求1-6之一所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，所述弹性材料为橡胶材料。

9.根据权利要求8所述的负压旋转型人工肌肉，其特征在于，所述橡胶材料为硅胶、乳胶、乙丙橡胶和/或丁晴橡胶。

10.一种制造根据权利要求1-9中任一项所述的负压旋转型人工肌肉的方法，包括如下步骤：

使用橡胶材料分别浇注所述主体位于与所述圆弧轴线垂直的平面两侧的对称部分(11)和(12)；

使用粘合剂将两侧的部分粘合在一起。