CN112757276B - 一种负压驱动的气动人工肌肉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负压驱动的气动人工肌肉及其制备方法，气动人工肌肉包括气动肌肉本体，所述气动肌肉本体包括内部骨架、外部包覆膜和密封装置；所述内部骨架为采用弹性材料制备的沿轴向可压缩并回弹的形变结构，内部骨架两端均设置有端杆，所述外部包覆膜包裹在内部骨架外周，所述密封装置设置在内部骨架端杆上用于密封外部包覆膜和内部骨架的端部形成密封结构；所述气动肌肉本体采用负压驱动，当改变气动肌肉本体内部的负压值，能够控制气动肌肉本体的收缩长度。本发明提出的负压驱动的气动人工肌肉具有安全性高、体积小、质量轻、收缩范围大、制作简单和成本低廉等优势，可广泛应用于各中小型机械装置。

Description

一种负压驱动的气动人工肌肉及其制备方法

技术领域

本发明属于由流体驱动的柔性驱动器领域；特别涉及一种负压驱动的气动人工肌肉及其制备方法。

背景技术

常用的气动人工肌肉由外部提供的压缩空气驱动，作推拉动作，其作用过程就像人体肌肉的运动，气动人工肌肉可以提供较大的作用力，同时气动人工肌肉的自身重量很小。气动人工肌肉会在推拉力达到极限时自动制动，不会突破预定的范围，且多个气动人工肌肉可按照任意方向任意位置组合，不需要整齐的排列。气动人工肌肉主要用于机器人关节驱动，各型机械设备的驱动等。

然而现有的气动人工肌肉结构复杂，制作困难，相应的成本也较高。

发明内容

针对现有气动人工肌肉结构复杂的问题，本发明提出一种负压驱动的气动人工肌肉及其制备方法，简化气动人工肌肉的制作难度，提高气动人工肌肉的性能，降低气动人工肌肉的外设质量和体积，节约气动人工肌肉的制作成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种负压驱动的气动人工肌肉，包括气动肌肉本体，所述气动肌肉本体包括内部骨架、外部包覆膜和密封装置；所述内部骨架为采用弹性材料制备的沿轴向可压缩并回弹的形变结构，内部骨架两端均设置有端杆，所述外部包覆膜包裹在内部骨架外周，所述密封装置设置在内部骨架端杆上用于密封外部包覆膜和内部骨架的端部形成密封结构；

所述气动肌肉本体采用负压驱动，当改变气动肌肉本体内部的负压值，能够控制气动肌肉本体的收缩长度。

作为本发明的进一步改进，所述内部骨架材料为尼龙、ABS或TPU。

作为本发明的进一步改进，所述外部包覆膜的材料为聚乙烯。

作为本发明的进一步改进，所述密封装置包括密封橡胶垫圈、密封螺母和密封胶水；密封橡胶垫圈和密封螺母设置在端杆上，并通过密封胶水密封。

作为本发明的进一步改进，所述气动肌肉本体连接于机械装置活动关节的两端，并与外部设备为气动肌肉本体内部提供负压环境，且通过调节外部设备中的电气比例控制阀的开度控制气动肌肉本体内部的负压值，控制气动肌肉本体的收缩长度带动活动关节的运动。

作为本发明的进一步改进，所述外部设备包括真空储气罐、真空发生器和电气比例控制阀；

所述气动肌肉本体的进气端通过和电气比例控制阀的一端连接，电气比例控制阀另一端和真空储气罐连接，真空储气罐的另一端连接真空发生器。

作为本发明的进一步改进，还包括空气过滤器，空气过滤器连接在电气比例控制阀的真空端口。

作为本发明的进一步改进，还包括控制柜台，真空储气罐和真空发生器设置在控制柜台外部，电气比例控制阀设置在控制柜台顶部，所述气动肌肉本体设置在控制柜台内部。

一种负压驱动的气动人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：

选择弹性材料，按照螺旋状构型，使用激光D打印制作内部骨架；

使用激光D打印制作密封螺母；参照内部骨架的尺寸裁剪出密封垫片；

根据内部骨架的实际尺寸，裁剪外部包覆膜；

将外部包覆膜包覆在内部骨架的表面，使用切割封口器进行密封切割，然后在内部骨架的两端装配密封垫片和密封螺母确保气密性，通过软管将气动肌肉本体的进气端和电气比例控制阀的一端连接，电气比例控制阀另一端和真空储气罐连接，真空储气罐的另一端连接真空发生器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

传统的正压式气动人工肌肉工作时需要一个稳定的高压环境，通常由空气压缩机和储气罐组成，本发明所需的负压环境由真空发生器和储气罐组成，相比于正压式的环境，负压环境在使用过程中安全性更高，同时外部设备体积更小质量更轻；传统的正压式气动人工肌肉收缩极限长度较小，不及原长的一半，负压式气动人工肌肉的最大收缩长度为气动人工肌肉原长的80％；正压式气动人工肌肉需要特定的编织网进行包覆，制作过程复杂成本高，负压式气动人工肌肉只需要将PE薄膜包覆在内部骨架上即可，制作简单成本低。

本发明制备时本气动人工肌肉所使用的材料均为常规材料，主要解决的技术问题是负压式气动人工肌肉的内部机构设计，主要考虑内部骨架和外部包覆膜的几何外形和材料选择；负压式气动人工肌肉的驱动机制，如何设计外部设备，让负压式气动肌肉可以正常工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为负压驱动的气动人工肌肉三维图；

图2为负压驱动的气动人工肌肉二维图；

图3为外部设备示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对现有气动人工肌肉的不足，提出一种气动人工肌肉，简化气动人工肌肉的制作难度，提高气动人工肌肉的性能，降低气动人工肌肉的外设质量和体积，节约气动人工肌肉的制作成本。

本发明所要解决的技术问题：本气动人工肌肉所使用的材料均为常规材料，主要解决的技术问题是负压式气动人工肌肉的内部机构设计，主要考虑内部骨架和外部包覆膜的几何外形和材料选择；负压式气动人工肌肉的驱动机制，如何设计外部设备，让负压式气动肌肉可以正常工作。

本发明的技术方案为：负压式气动人工肌肉主要由四部分组成，其中包括内部骨架3、外部包覆膜4、密封装置和外部设备。内部骨架的设计基于折纸原理，可根据实际情况设计不同的骨架构型，内部骨架的材料为尼龙，可通过3D打印等方式制成；外部包覆膜的材料为聚乙烯(PE)，薄膜的厚度由气动人工肌肉的受力范围决定；密封装置主要包括密封橡胶垫圈、密封螺母和密封胶水；外部设备主要是真空储气罐、真空发生器、电气比例控制阀。

基于上述原理，本发明的一种负压驱动的气动人工肌肉，包括以下内容：

1)基于折纸原理设计的可压缩变形的内部骨架

由于外部设备的作用，气动肌肉在工作过程中内部相对于外部为负压状态，为了约束气动肌肉的收缩方向为轴向，设计可压缩的内部骨架3，该骨架的形状不唯一，骨架应该具有两方面的性质，一方面是可压缩的，且具有一定的回弹力和耐久性；另一方面是骨架只能沿轴向压缩，径向不可压缩。内部骨架的制作方式有多种，3D打印、开模注塑等方式均可，材料为可以选择尼龙、ABS、TPU等弹性材料。

2)由内部骨架3、外部包覆膜4、密封装置和外部设备组成的负压驱动的气动人工肌肉

气动人工肌肉采用负压驱动，包括气动肌肉本体和外部设备。气动肌肉本体连接于机械装置活动关节的两端，外部设备为气动肌肉本体内部提供负压环境，且通过调节外部设备中的电气比例控制阀的开度控制气动肌肉本体内部的负压值，以此控制气动肌肉本体的收缩长度，通过气动肌肉本体的收缩运动带动活动关节的运动，以实现对实际活动关节的运动控制。

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

结合图1-图3详细介绍本申请的具体实施方法：

如图1为负压式气动人工肌肉三维图；图1中1为密封螺母，给密封垫片加压，保证密封性；2为密封垫片，保证气动人工肌肉的气密性；3为内部骨架，负压式气动人工肌肉的主体，限定气动人工肌肉的运动方向，提供一定的回弹力；4为PE包覆膜，形成密闭的气动人工肌肉环境，收缩产生驱动内部骨架收缩的压力；

如图2为负压式气动人工肌肉的二维图；图3为负压式气动人工肌肉外部设备示意图；5为电气比例控制阀，控制气动肌肉内部的真空度；6为控制柜台，放置控制计算机等硬件设备；7为空气过滤器，过滤进入负压式气动人工肌肉内部的空气；8为真空发生器，创造负压式气动人工肌肉工作所需的真空环境；9为真空储气罐，保证负压环境的稳定性，降低外部扰动对负压源的干扰。

本发明还提供一种负压驱动的气动人工肌肉的制备方法，包括以下步骤：

1)内部骨架3的制作：选择尼龙材料，估计的构型根据实际需要建模，本实施例所给出的结构为螺旋状构型，使用激光3D打印制作；

2)密封螺母1的制作：采用尼龙材料，使用激光3D打印制作；

3)密封垫片2的制作：采用橡胶材料，参照气动肌肉骨架的尺寸裁剪出合适的密封垫片；

4)PE包覆膜4制作：根据内部骨架的实际尺寸，裁剪合适面积的PE薄膜；

5)其他外部设备的选择：根据气动肌肉的实际使用场景选择合适的外部设备；

6)负压式气动肌肉的装配：首先将PE薄膜包覆在内部骨架的表面，使用切割封口器进行密封切割，然后在内部骨架的两端螺纹处装配密封垫片2和密封螺母1，保证气动肌肉内部的气密性，通过软管将负压式气动人工肌肉的进气端和电气比例控制阀5的一端连接，电气比例控制阀5另一端和真空储气罐9连接，真空储气罐9的另一端连接真空发生器8。空气过滤器7可根据实际使用环境选择连接与否，其连接在电气比例控制阀5的真空破坏端口。

综上所述，本发明一种负压驱动的气动人工肌肉，针对现有气动人工肌肉的不足，设计一种新型负压驱动的气动人工肌肉；负压式气动人工肌肉主要由四部分组成，其中包括内部骨架3、外部包覆膜4、密封装置和外部设备(图3)；内部骨架3为尼龙材料，可通过3D打印等方式制作；外部包覆膜4为聚乙烯(PE)材料，包覆膜的厚度可根据气动人工肌肉的所需产生的力的大小决定；密封装置主要为密封橡胶垫片2、密封螺母1和密封胶水，保证气动人工肌肉的气密性；外部设备为真空发生器8、真空储气罐9、电气比例控制阀5、空气过滤器7和所需控制柜台6及管件，外部设备提供气动人工肌肉工作所需的负压环境和控制接口。本发明提出的负压驱动的气动人工肌肉具有安全性高、体积小、质量轻、收缩范围大、制作简单和成本低廉等优势，可广泛应用于各中小型机械装置。

本发明未详细说明部分属于领域技术人员公知常识。

以上披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的实施例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (2)

1.一种负压驱动的气动人工肌肉，其特征在于，包括气动肌肉本体，所述气动肌肉本体包括内部骨架（3）、外部包覆膜（4）和密封装置；所述内部骨架（3）为基于折纸原理设计的采用弹性材料制备的沿轴向可压缩并回弹的形变结构，内部骨架（3）两端均设置有端杆，所述外部包覆膜（4）包裹在内部骨架（3）外周，所述密封装置设置在内部骨架（3）端杆上用于密封外部包覆膜（4）和内部骨架（3）的端部形成密封结构；

所述内部骨架（3）的结构为螺旋状构型，使用激光3D打印制作，只能沿轴向压缩，径向不可压缩；

所述气动肌肉本体采用负压驱动，当改变气动肌肉本体内部的负压值，能够控制气动肌肉本体的收缩长度；

所述内部骨架（3）材料为尼龙、ABS或TPU；

所述外部包覆膜（4）的材料为聚乙烯；

所述密封装置包括密封橡胶垫圈（2）、密封螺母（1）和密封胶水；密封橡胶垫圈（2）和密封螺母（1）设置在端杆上，并通过密封胶水密封；

所述气动肌肉本体连接于机械装置活动关节的两端，并由外部设备为气动肌肉本体内部提供负压环境，且通过调节外部设备中的电气比例控制阀的开度控制气动肌肉本体内部的负压值，控制气动肌肉本体的收缩长度带动活动关节的运动；

所述外部设备包括真空储气罐（9）、真空发生器（8）和电气比例控制阀（5）；

所述气动肌肉本体的进气端和电气比例控制阀（5）的一端连接，电气比例控制阀（5）另一端和真空储气罐（9）连接，真空储气罐（9）的另一端连接真空发生器（8）；

还包括空气过滤器（7），空气过滤器（7）连接在电气比例控制阀（5）的真空端口；

还包括控制柜台（6），真空储气罐（9）和真空发生器（8）设置在控制柜台（6）外部，电气比例控制阀（5）设置在控制柜台（6）顶部，所述气动肌肉本体设置在控制柜台（6）内部。

2.一种基于权利要求1所述的负压驱动的气动人工肌肉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择弹性材料，按照螺旋状构型，使用激光3D打印制作内部骨架（3）；

使用激光3D打印制作密封螺母（1）；参照内部骨架（3）的尺寸裁剪出密封垫片（2）；

根据内部骨架（3）的实际尺寸，裁剪外部包覆膜（4）；

将外部包覆膜（4）包覆在内部骨架（3）的表面，使用切割封口器进行密封切割，然后在内部骨架（3）的两端装配密封垫片（2）和密封螺母（1）确保气密性，通过软管将气动肌肉本体的进气端和电气比例控制阀（5）的一端连接，电气比例控制阀（5）另一端和真空储气罐（9）连接，真空储气罐（9）的另一端连接真空发生器（8）。

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