CN110877331A - 一种扭转收缩人工肌肉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及软体驱动器，特别涉及一种扭转收缩人工肌肉。包括外封装层、纤维绕组及弹性体；弹性体为中空结构，通过中空腔体内部充入驱动介质实现径向膨胀和轴向收缩；纤维绕组设置于弹性体的外表面上，纤维绕组为螺旋结构，通过螺旋扭力驱动弹性体扭动；外封装层套设于弹性体的外侧，用于限制弹性体轴向伸出，并且可随弹性体进行轴向收缩及径向膨胀。本发明结构简单，制备成本低，不仅适用于液压驱动，而且适用于气压驱动，能提供扭转运动及收缩运动，可以运用到不同的领域中，如管道机器人、康复装置等方面。
Description
技术领域
本发明涉及软体驱动器，特别涉及一种扭转收缩人工肌肉。
背景技术
近年来，人工肌肉应用领域越来越广泛，包括医疗器械、救援装置及辅助装置等方面，这是由于人工肌肉的优点：结构简单、与液压缸、气缸和滚珠丝杠相比：力重比高、柔软度高、重量轻，机械零件少及成本低等。
参考自然界中的软体动物，其中部分的蠕虫具有纤维结构，这些纤维结构促使蠕虫的身体进行扭转伸长及收缩的运动。依照现有的纤维增强型的人工肌肉变形形式有：收缩、伸长、弯曲及扭转伸长等。然而，扭转运动作为自然界中常见的一种运动形式，目前出现的人工肌肉设计中还没有出现扭转收缩这一运动形式，扭转伸长与扭转收缩两者的运动可以相互弥补，两者绑定在一起时，可以实现类似于蠕虫爬行的运动。因此，急需一种收缩力比伸长产生的推力更大、更实用的扭转收缩人工肌肉。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种扭转收缩人工肌肉，该扭转收缩人工肌肉能够提供扭转运动及收缩运动，可以运用到不同的领域中。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种扭转收缩人工肌肉，包括：外封装层、纤维绕组及弹性体；
所述弹性体为中空结构，通过中空腔体内部充入驱动介质实现径向膨胀和轴向收缩；
所述纤维绕组设置于所述弹性体的外表面上，所述纤维绕组为螺旋结构；当所述弹性体内充入驱动介质时，所述纤维绕组引导所述弹性体扭动；
所述外封装层套设于所述纤维绕组与弹性体的外侧，用于限制所述弹性体轴向伸出，并且引导所述弹性体进行轴向收缩及径向膨胀。
所述纤维绕组与所述弹性体固定连接为一体式结构。
所述纤维绕组由多根纤维绳螺旋缠绕在所述弹性体上而形成，并且通过粘接方式与弹性体连接。
所述多根纤维绳等间距并行缠绕。
所述外封装层为编织套管。
所述弹性体的一端设有堵头，另一端设有接头，所述接头用于与外部驱动介质连接。
所述接头和堵头分别插接于所述弹性体的两端，并且通过卡箍与所述弹性体固定连接。
所述弹性体为乳胶管。
本发明的优点及有益效果是：
本发明应用前景广泛：本发明的扭转收缩人工肌肉是一种新型的软体驱动器，能提供扭转运动及收缩运动，可以运用到不同的领域中，如管道机器人、康复装置等方面。
本发明的结构简单，制备成本低，大部分零件都采用商用材料。
本发明的扭转收缩人工肌肉的制备工艺简单，内部的弹性体采用医用乳胶管，外部的编织套管也是商用的，只需要准确缠绕纤维绕组即可实现扭转收缩人工肌肉的制备。
本发明的扭转收缩人工肌肉在液压驱动下的扭转角度大，可以达到180°，收缩位移可以达到50mm(收缩率25％)。
本发明的扭转收缩人工肌肉不仅适用于液压驱动，而且适用于气压驱动，可以根据不同工况选择相应的驱动类型。
附图说明
图1为本发明扭转收缩人工肌肉的结构示意图；
图2为本发明中接头安装示意图；
图3为本发明中堵头安装示意图；
图4为本发明中弹性体上缠绕纤维绕组的示意图；
图5为本发明中编织套管的结构示意图；
图6为本发明中编织套管变形前的结构示意图；
图7为本发明中编织套管变形后的结构示意图；
图8为本发明扭转收缩人工肌肉的变形原理图。
其中：1为接头，2为卡箍，3为编织套管，4为堵头，5为纤维绕组，6为弹性体，7为支撑杆，A为变形前状态，B为变形后状态。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示，为本发明提供的一种扭转收缩人工肌肉，包括外封装层、纤维绕组5及弹性体6；弹性体6为中空结构，通过中空腔体内部充入驱动介质实现径向膨胀和轴向收缩；纤维绕组5设置于弹性体6的外表面上，纤维绕组5为螺旋结构，通过螺旋扭力驱动弹性体6扭动；外封装层套设于弹性体6的外侧，用于限制弹性体6轴向伸出，并且可随弹性体6进行轴向收缩及径向膨胀。
弹性体6的一端设有堵头4，另一端设有接头1，使弹性体6内部为封闭的腔体，接头1用于与外部驱动介质连接。本发明的实施例中，弹性体6为乳胶管。
如图2-3所示，接头1和堵头4分别插接于弹性体6的两端，并且通过卡箍2与弹性体6固定连接。
如图4所示，纤维绕组5由多根纤维绳螺旋缠绕在弹性体6上而形成，纤维绕组5与弹性体6固定连接为一体式结构。进一步地，多根纤维绳相互平行，且间距相等。
本发明的实施例中，纤维绕组5由8-12根纤维绳螺旋缠绕在弹性体6上，并且通过粘接方式与弹性体6固定连接。纤维绳为市购产品，采用美国杜邦(DuPont)公司研制的Kevlar(凯夫拉)纤维。
本发明的实施例中，外封装层为编织套管3，编织套管3的材料刚度较大限制了人工肌肉的轴向方向的运动，但径向方向未受到限制。编织套管3的编织纤维在径向方向交叉，具有一定的交叉角度。如图6所示，在非工作状态下，编织套管3的编织纤维之间的交叉角度为60度；如图7所示，当编织套管3随弹性体6进行径向膨胀、轴向收缩时，编织纤维之间的交叉角度变为45度。
本发明的实施例中，编织套管3采用Kevlar纤维绳或尼龙绳编织而成。
本发明扭转收缩人工肌肉的变形原理：由于扭转收缩人工肌肉是结合Mckibben人工肌肉及扭转伸长人工肌肉的变形原理。因此，扭转收缩人工肌肉的变形原理可以理解为：在内部压力作用下，由于内层的并行缠绕的8-12根纤维绕组5与弹性体6是绑定的关系(纤维绕组与弹性体不存在相对位移)，因此纤维绕组5可以引导弹性体6进行扭转运动以及具有膨胀趋势。然而，外封装层的材料由于刚度大、长度固定等原因限制了人工肌肉的轴向方向的伸长运动，因此，类似于一根没有弹性的固定长度绳子不能伸长，但反向是自由运动的。同时，如图5所示，由于编织套管3是通过编织纤维编织成的在径向方向交叉且具有一定的交叉角度编织结构，因此径向方向未受到限制，编织套管3可以引导弹性体的收缩变形。因此，当弹性体6与外层编织套管3接触时，表现出径向膨胀及轴向收缩的现象，这一过程与Mckibben肌肉的变形相似，从而实现人工肌肉的扭转收缩现象。
如图8所示，A为变形前状态，B为变形后状态；扭转收缩人工肌肉通过液压或气压驱动，在内部压力作用下，收缩长度为ΔL。
本发明的扭转收缩人工肌肉的具体制备工艺如下：
将支撑杆7放入弹性体6的内部同时与定位器配合，如图4所示。在弹性体6的表面上标识定位点，标识定位点的方法有多种，为了加快制备人工肌肉的过程，在得到上述装配体后通过喷涂的方法实现标准的螺旋标记；在得到标准的螺旋标记后，使用复数根Kevlar纤维并行沿着弹性体6上的定位标识螺旋线缠绕，每根Kevlar纤维在圆周方向上距离是等距的。Kevlar纤维缠绕完成后，将支撑杆7去除并使用柔性胶水将Kevlar纤维与弹性体6粘接在一起，使之关系为绑定约束。根据扭转伸长人工肌肉的变形原理，此时，在没有外围编织套管3的情况下，此时的人工肌肉在通入压力时，表现出扭转伸长的现象，并可能伴有局部起泡的现象。因此，在得到扭转伸长的人工肌肉后进一步增加外围的编织套管3来封装人工肌肉，不仅可以实现扭转的特性，而且能使人工肌肉运动方向由伸长运动变为收缩运动。最后，通过接头1和堵头4封堵弹性体6的两端，编织套管3通过卡箍2与弹性体6绑定在一起实现封装。
本发明的扭转收缩人工肌肉不仅适用于液压驱动，而且适用于气压驱动，可以根据不同工况选择相应的驱动类型。在液压驱动下的扭转角度大，可以达到180°，收缩位移可以达到50mm(收缩率25％)。
本发明的扭转收缩人工肌肉是一种新型的软体驱动器，能提供扭转运动及收缩运动，可以运用到不同的领域中，如管道机器人、康复装置等方面。在应用到管道机器人上时，扭转收缩人工肌肉与扭转伸长人工肌肉协同作用，两者的运动可以相互弥补，两者绑定在一起时，可以实现类似于蠕虫爬行的运动。而且，相对于扭转伸长的运动，扭转收缩的运动能提供扭转运动的同时，收缩的产生的收缩力比伸长产生的推力更大、更实用。
本发明的扭转收缩人工肌肉的制备工艺简单，内部的弹性体采用医用乳胶管，外部的编织套管也是商用的，只需要准确缠绕纤维绕组即可实现扭转收缩人工肌肉的制备。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种扭转收缩人工肌肉，其特征在于，包括：外封装层、纤维绕组(5)及弹性体(6)；
所述弹性体(6)为中空结构，通过中空腔体内部充入驱动介质实现径向膨胀和轴向收缩；
所述纤维绕组(5)设置于所述弹性体(6)的外表面上，所述纤维绕组(5)为螺旋结构；当所述弹性体(6)内充入驱动介质时，所述纤维绕组(5)引导所述弹性体(6)扭动；
所述外封装层套设于所述纤维绕组(5)与弹性体(6)的外侧，用于限制所述弹性体(6)轴向伸出，并且引导所述弹性体(6)进行轴向收缩及径向膨胀。
2.根据权利要求1所述的扭转收缩人工肌肉，其特征在于，所述纤维绕组(5)与所述弹性体(6)固定连接为一体式结构。
3.根据权利要1或2所述的扭转收缩人工肌肉，其特征在于，所述纤维绕组(5)由多根纤维绳螺旋缠绕在所述弹性体(6)上而形成，并且通过粘接方式与弹性体(6)连接。
4.根据权利要求3所述的扭转收缩人工肌肉，其特征在于，所述多根纤维绳等间距并行缠绕。
5.根据权利要求1所述的扭转收缩人工肌肉，其特征在于，所述外封装层为编织套管(3)。
6.根据权利要求1所述的扭转收缩人工肌肉，其特征在于，所述弹性体(6)的一端设有堵头(4)，另一端设有接头(1)，所述接头(1)用于与外部驱动介质连接。
7.根据权利要求6所述的扭转收缩人工肌肉，其特征在于，所述接头(1)和堵头(4)分别插接于所述弹性体(6)的两端，并且通过卡箍(2)与所述弹性体(6)固定连接。
8.根据权利要求1所述的扭转收缩人工肌肉，其特征在于，所述弹性体(6)为乳胶管。
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