CN113771022B - 一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，包括至少一段TPU管，TPU管外壁上通过管壁内折形成内折槽，内折槽沿轴向方向由TPU管一端延伸至另一端，TPU管内部填充磁性发泡材料，磁性发泡材料内从一端至另一端沿TPU管的轴向方向形成一气道，该气道两端与气嘴连接；TPU管上布置多根尼龙线，相邻两根尼龙线绕线方式相反；尼龙线的两端与绑带连接单元连接，TPU管通过两端气嘴与充气管连接，在TPU管的一端黏附霍尔传感器以监测磁感应强度的变化。本发明达到提高膨胀率同时，减小径向膨胀对人体挤压和减小迟滞现象；本体集成传感器，具有自传感性，使设备体积更紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及人工肌肉技术领域，特别是涉及一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉。
背景技术
气动人工肌肉是一种由外部气压源供能向外输出推拉作用力的执行器。在仿生机器人，医疗机器人，外骨骼，工业等场景应用广泛。具有高顺应性、高功率质量比、高人机兼容性等特点。
然而现有正压驱动的人工肌肉收缩率一般在百分之三十左右，且工作时厚度和径向半径会剧烈变化使其在高紧凑性的应用中无法使用，以主流人工肌肉McKibben肌肉为例，若要提高其收缩率，则需要进一步增大径向膨胀率，这将导致对人体肌肤的进一步挤压，带来不适感。同时由于现有人工肌肉的控制一般依靠外置传感器，一般为测力计，位移传感器等，这造成了设备臃肿，且给人工肌肉带来了不必要的刚性元件，导致人工肌肉的顺应性下降，造成用户舒适性下降。
发明内容
本发明的目的是为了提高收缩率，并降低径向膨胀对人体肌肤的压力同时减小充气时由于TPU管体积过大带来的迟滞现象，而提供一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，其达到提高膨胀率的同时，减小径向膨胀对人体挤压和减小迟滞现象的效果；且在气动人工肌肉本体集成有传感器，具有自传感性，使得设备体积更加紧凑。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，包括至少一段TPU管，所述TPU管的外壁上通过管壁内折形成有内折槽，该内折槽沿轴向方向由TPU管的一端延伸至另一端，所述TPU管的内部填充磁性发泡材料，所述磁性发泡材料内部从一端至另一端沿所述TPU管的轴向方向形成一个气道，该气道的两端与气嘴连接；所述TPU管上布置多根绕线，相邻两根绕线的绕线方式相反以抵消力矩，使人工肌肉整体处于力矩平衡状态；所述绕线的两端与绑带连接单元相连接，所述TPU管通过两端的气嘴与充气管相连接，同时在所述TPU管一端外侧黏附霍尔传感器，以监控磁感应强度变化。
本发明的自传感的气动人工肌肉，通过使用带有一定角度内折的圆形TPU异形管，气动肌肉初始空腔体积小，响应速度提升，使得正压人工肌肉收缩率大幅度提高；由于采用邻近两根绕线进行相反绕线的方式，使得整个气动人工肌肉能够达到力矩平衡。
本发明的气动肌肉TPU管内部由于填充磁性发泡沫材料，可通过磁感应强度的变化来反馈位移，具有自传感性，使整体控制系统进一步紧凑；在橡胶管内设置气道改善了磁性发泡材料对进排气的影响。
本发明的气动肌肉，由于采用水平布置和内折结构，打开后为一接近平面结构，使得作用方向一面为平面，可贴合皮肤使用，大大减小对人体皮肤压迫。
本发明的自传感气动人工肌肉，提高了正压人工肌肉的收缩率，减轻正压人工肌肉应用于可穿戴辅助设备时由于径向膨胀导致的对人体肌肤的挤压问题和充气时造成的迟滞问题，同时解决了现有人工肌肉无合适的位移传感器问题，相较于传统气动肌肉，具有高收缩率，高集成性，自传感的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的人工肌肉三维工作示意图；
图2为本发明实施例的人工肌肉单元截面图；
图3为本发明实施例的人工肌肉的单元三维图；
图4为本发明实施例的人工肌肉驱动原理示意图；
图5为本发明实施例的人工肌肉绕线图；
图6为本发明实施例的人工肌肉自传感原理图。
图7为本发明实施例的人工肌肉霍尔传感器总体布置及连线示意图。
图8为本发明实施例的人工肌肉单元与霍尔传感器布置示意图。
图中：1-尼龙线；2-TPU管；3-气管；4-磁性发泡材料；5-绑带连接单元；6-气嘴；7-气道；8-霍尔传感器；9-导线；10-电源；11-数据采集卡。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的所述人工肌肉可以用于柔性外骨骼系统，仿生机器人系统，等应用场景。
如图1所示，本发明实施例的基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，包括至少一段TPU管2，所述TPU管的外壁上通过管壁内折形成有内折槽，该内折槽沿轴向方向由TPU管的一端延伸至另一端，所述TPU管的内部填充磁性发泡材料4，所述磁性发泡材料内部从一端至另一端沿所述TPU管的轴向方向形成一个气道7，该气道的两端与气嘴6连接；所述TPU管上紧密排列布置多根尼龙线1，相邻两根尼龙线的绕线方式相反以抵消力矩，使人工肌肉整体处于力矩平衡状态；所述尼龙线1的两端与绑带连接单元5相连接，所述TPU管2通过两端的气嘴与充气管3相连接，所述每一个TPU管2的一端都通过双面胶或者其他软胶将霍尔传感器贴在其表面，以监控磁感应强度变化。
通过设置有气道，可以改善磁性泡沫对进气的影响，可以是在进行发泡静置时插入了一根金属棒在磁性泡沫中，从而形成一个气道，通过该气道能够减小内部填充物对进排气的阻力，使得进排气更通畅。
图1为人工肌肉的三维工作示意图，展示了人工肌肉整个工作过程，其中，所述绑带连接单元5用于固定人工肌肉与人体，将人工肌肉与人体固定。左侧图为人工肌肉未充气状态，中间图为充气打开状态，右侧图为继续充气后达到收缩极限后的状态图。
所述气动人工肌肉的TPU管是一带有一定预开角度的向内折叠的圆管结构，TPU管充气时，空气通过在磁性泡沫材料4中的气道7进入，在充入加压气体后，充入橡胶管中实现径向膨胀，可以在竖直方向收缩，参见图2所示；由于存在向内折叠的部分，圆管内部体积减小，使得前期充入加压气体后，圆管内部能够快速被填充满，从而减轻迟滞现象，使得响应时间减小。
另外，由于存在向内折叠的结构，在加压充气过程中，内部折叠结构打开从而使得膨胀率进一步扩大，相较于传统纯圆管结构，进一步提高了该新型气动人工肌肉的收缩率。
参见图3所示，TPU管2内部的气道7是通过气嘴6与外部气管2相连实现对内部充气，为了更好贴合人的手臂等部位，采用带有一定角度的弯管。
图4为人工肌肉驱动原理图。整个驱动过程分为三步：初始状态时，此时TPU管部分内折，随着气体充入，TPU管2膨胀，内折部分开始打开如中间状态图所示，此时TPU管径向扩张，绕在TPU管上的绕线1长度变长，人工肌肉收缩。随着气体完全充入，此时达到最大充气状态，内折完全打开，TPU管径向扩张到极限，绕在管上的长度达到极限，在外部绕线的作用下，人工肌肉达到最大收缩，最大收缩率可达38％。
图5表示了本发明的气动人工肌肉采用新型编织绕线方式，本发明人工肌肉采用水平布置的方式，然后通过垂直于每个TPU管的方式进行布置，同时相邻两根尼龙线采用相反的绕线方式，能够抵消力矩，来实现气动人工肌肉的力矩平衡，即而使整个人工肌肉都处于力矩平衡状态；并将膨胀的一侧放在手臂的另一边，同时通过此绕线方式，使得TPU管充气膨胀主要向手臂另一侧膨胀，能够减轻对人手臂人体肌肤的挤压，使穿戴更舒适。此外，由于TPU管的折叠结构在充入加压气体展开后是接近一个平面，且此面始终与皮肤接触，这也使得充气时对人体肌肤的挤压减小。
图6为人工肌肉自传感原理示意图，通过制作TPU管时加入磁铁发泡材料，使得整个管内充满磁性，每根TPU管都带有磁性，随着TPU管内部充入加压空气，使TPU管充气扩张膨胀，导致截面面积变大，从而导致磁感应强度减小，因此磁感应强度大小与行程成反比关系，同时由于霍尔效应，霍尔传感器两端会产生一个电势差，其随着磁感应强度减小而减小，因此可通过测量每根TPU管一端的霍尔传感器两端电压来反映行程，实现自传感。
图7为整个人工肌肉霍尔传感器布置及连线图，在每个TPU管的一端外侧用胶粘附设置有霍尔传感器8，霍尔传感器通过导线9连接电源10由电源为其供电。霍尔传感器可以是采用三线式霍尔传感器(见图8)，并用数据采集卡11(如NI USB-6009)通过与霍尔传感器连接的导线来进行数据采集。
所述带有磁性发泡材料的TPU管可通过增材制造技术制造形成，如3D打印技术等制作而成，使用打印材料可用热塑性软材料例如TPU、PE制作而成。
其具体流程如下：
先通过CAD技术完成对TPU管外壳形状建模，然后通过3D打印技术打出基本TPU管的外形，此时TPU管内部为中空，再将发泡剂(Dragon Skin)与钕铁硼磁铁颗粒按照一定质量比混合，然后通过注射器，将混合溶液注射进入TPU管中，并插入一根细小的金属棒，等待两小时以后，带有钕铁硼磁铁颗粒的泡沫充满整个TPU管空腔，取出之前的金属棒，最后进行粘胶密封，并连接气管，得到TPU管。最后在TPU管的一侧通过双面胶或者其他软胶将霍尔传感器贴与其上，请见图8所示，待粘牢固后即得到最终带有自传感功能的人工肌肉单元。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，其特征在于，包括至少一段TPU管，所述TPU管的外壁上通过管壁内折形成有内折槽，该内折槽沿轴向方向由TPU管的一端延伸至另一端，所述TPU管的内部填充磁性发泡材料，所述磁性发泡材料内部从一端至另一端沿所述TPU管的轴向方向形成一个气道，该气道的两端与气嘴连接；所述TPU管上布置多根尼龙线，相邻两根尼龙线的绕线方式相反以抵消力矩，使人工肌肉整体处于力矩平衡状态；所述绕线的两端与绑带连接单元相连接，所述TPU管通过两端的气嘴与充气管相连接，同时在所述TPU管一端外侧黏附霍尔传感器，以监控磁感应强度变化。
2.根据权利要求1所述基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，其特征在于，所述磁性发泡材料充满所述TPU管除所述气道外的空腔。
3.根据权利要求1所述基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，其特征在于，所述磁性发泡材料是由发泡剂与钕铁硼磁铁颗粒按一定质量比混合后注入所述TPU管中经发泡形成。
4.根据权利要求1所述基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，其特征在于，所述气道是通过在向所述TPU管注入磁性发泡材料时埋入一个棒体，待发泡完成后，将所述的棒体抽出后形成。
5.根据权利要求1所述基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，其特征在于，所述TPU管通过以下方式形成：
先通过CAD完成对TPU管形状建模，然后3D打印出中空的TPU管。
6.根据权利要求1所述基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉，其特征在于，填充有磁性发泡材料的所述TPU管通过气道充气完全打开后，所述内折槽所在面形成接近平面结构。
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