CN205201524U - 一种人工肌肉装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的是一种人工肌肉装置。包括机架、柔索驱动装置、拉力传感器以及编码器，所述的柔索驱动装置包括电机、第一柔性绳索、第二柔性绳索、柔索牵引轮、第一弹簧、第二弹簧，电机与拉力传感器安装在机架上，柔索牵引轮安装在电机输出轴上，第一柔性绳索的一端与柔索牵引轮固定，第一柔性绳索的另一端穿过拉力传感器连接到第二弹簧的一端，第二柔性绳索与第二弹簧的另一端连接，第一弹簧的一端固定于机架上，第一弹簧的另一端通过弹簧并联装置并联到第一柔性绳索上，光电编码器安装在电机上。本实用新型提供了一种结构简单、柔顺性好、重量轻、精度高、易于控制、响应速度快、性能稳定，对肌肉仿生程度高的人工肌肉。

Description

一种人工肌肉装置

技术领域

本实用新型涉及的是一种人工肌肉，具体的说是一种符合Hill肌肉力学模型的人工肌肉。

背景技术

肌肉是生物学上可收缩的组织，具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动及自修复功能。在受到运动神经信号的刺激后，便会收缩产生肌肉力，驱动骨骼运动，不需要减速装置和传动元件，属于单向力装置，运动形式是直线往复式。一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源，人类很早就致力于生物肌肉的研究工作。Hill肌肉模型就是人类研究工作的典型代表，Hill肌肉模型是对肌肉宏观力学性质的描述，该模型及其修正模型在生物力学及运动仿真领域被广泛应用。随着仿生学技术的发展，对于肌肉的仿生已成为学者们研究的热点，许多国家开展了人工肌肉的研究。目前常用的人工肌肉分为气动人工肌肉和智能材料人工肌肉，但这两类人工肌肉也存在着一定的缺陷：气动人工肌肉虽然具有柔顺性又可产生足够的驱动力，但其伸长量有限、本征非线性明显、控制困难、使用气流噪声大、可使用环境有限；智能材料人工肌肉具有质量轻、功率密度高、形变精度高等特点，但根据材料不同，会带来响应速度慢、形变作用力太大、形变量小、环境友好性差等问题。因此，研究一种结构简单、质量轻、体积小、柔顺性好、控制方便，并且对肌肉仿生程度高的人工肌肉极为重要。

目前国内外对于人工肌肉的研究已日趋广泛，关于人工肌肉的公开文献也很多。但基于Hill肌肉力学模型所发明的人工肌肉的公开文献不是很多。专利申请号为201410424839.8的专利文献中公开的是基于Hill二元素力学模型所建立的人工肌肉，它将一个阻尼收缩单元与一个弹性单元串联在一起用来模拟人类肌肉，但其并没有考虑并联弹性单元这一因素，因而该装置对于肌肉的仿生程度不高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、柔顺性好、重量轻、精度高、易于控制、响应速度快、对肌肉仿生程度高的人工肌肉装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

包括机架、柔索驱动装置、拉力传感器以及编码器，所述的柔索驱动装置包括电机、第一柔性绳索、第二柔性绳索、柔索牵引轮、第一弹簧、第二弹簧，电机与拉力传感器安装在机架上，柔索牵引轮安装在电机输出轴上，第一柔性绳索的一端与柔索牵引轮固定，第一柔性绳索的另一端穿过拉力传感器连接到第二弹簧的一端，第二柔性绳索与第二弹簧的另一端连接，第一弹簧的一端固定于机架上，第一弹簧的另一端通过弹簧并联装置并联到第一柔性绳索上，光电编码器安装在电机上。

本实用新型还可以包括：

1、在第二弹簧中设置有限位绳索，所述限位绳索的两端分别连接第二弹簧的两端。

2、还包括第一弹簧引导限位装置，所述第一弹簧引导限位装置包括导杆和限位螺母，导杆位于第一弹簧中，导杆的下端固定于机架上，限位螺母位于导杆的上端。

3、所述电机为永磁直流力矩电机。

本实用新型提供了一种结构简单、柔顺性好、重量轻、精度高、易于控制、响应速度快、性能稳定，对肌肉仿生程度高的人工肌肉。

本实用新型的人工肌肉包括机架、柔索驱动装置、第一弹簧、第二弹簧、限位装置、拉力传感器以及编码器。力矩电机以及拉力传感器均安装固定在机架上。

柔索驱动装置包括永磁直流力矩电机、柔索牵引轮、光电编码器、拉力传感器，永磁直流力矩电机与拉力传感器安装在机架上，力矩电机的输出轴带动柔索牵引轮转动，驱动与牵引轮固连的第一柔性绳索运动，柔索的另一端穿过拉力传感器连接到第二弹簧上。光电编码器安装在永磁直流力矩电机上。

第二弹簧中含有一个起到限位作用的限位绳索。两端分别连接在变刚度弹簧两端。

第一弹簧一端固定于机架上，另一端通过弹簧并联装置并联到第一柔性绳索上。

限位装置包括一个对并联的第一弹簧起到引导限位作用的引导限位装置。

本实用新型的优势在于：人工肌肉依附于框架结构，结构整体简单、质量轻、对工作环境的要求相对较低，调节起来更加方便快捷且稳定性高。基于人体运动肌力线的生物启发，利用柔性绳索来传递力和运动，更加接近于生物通过肌肉传递力和运动的方式。通过改变弹簧刚度，可以解决肌肉在不同运动状态下硬度的平顺性变化的问题。整个肌肉系统完全符合Hill三元素肌肉模型。通过调整各元件的参数，能够较好的反映出肌肉受力变形后的弹性收缩特性。在传递力较大的同时，可以获得良好的传动柔顺性与安全性，满足目前康复机器人领域对实用人工肌肉的广泛需求。

附图说明

图1为本实用新型人工肌肉结构示意图；

图2为本实用新型机构的主视图；

图3为本实用新型机构的侧视图。

具体实施方式

下面举例对本实用新型做更详细的描述。

结合图1，本实用新型人工肌肉的结构形式为：一个并联弹性单元PE与一个收缩单元CE组成并联结构，并且与一个串联弹性单元SE相结合，组成了由Hill三元素构成的人工肌肉装置，人工肌肉的长度l_mt为串联弹性单元长度l_t与收缩原长度l_m在肌肉长度方向投影的和，即l_mt＝l_t+l_mcosψ，其中ψ为肌肉羽状角。在本实用新型中考虑ψ＝0°。所以肌肉长度为l_mt＝l_t+l_m。

结合图2～3，本实用新型人工肌肉系统组成包括：作为支撑系统的机架1、柔索驱动装置、刚度可选择的第一弹簧、刚度可选择的第二弹簧、引导限位装置、检测装置。作为支撑系统的机架1由型材搭建而成，可根据需要任意移动。柔索驱动装置由永磁直流力矩电机12、柔索牵引轮18、第一柔性绳索2、拉力传感器7、光电编码器11组成。光电编码器11安装在永磁直流力矩电机12上，永磁直流力矩电机12驱动柔索牵引轮18转动，实现第一柔性绳索2的牵引。通过第一柔性绳索2带动与之串联的第二弹簧8、第二柔性绳索10实现运动。人工肌肉的长度变化量即为第一柔性绳索2的伸长量与第二弹簧8型变量的和。第一弹簧3一端固定于机架上，另一端通过弹簧并联装置5并联到第一柔性绳索2上。引导限位装置包括两个部分：第一部分是对第一弹簧3起到引导限位作用的限位导杆，由引导杆4和限位螺栓6组成，该结构既可以起到限位作用又可以限制弹簧3只能沿着轴向移动；第二部分是只对第二弹簧8起到限位作用的限位绳索9，绳索9的两端连接在第二弹簧8的两端，当弹簧8拉伸达到极限时，限位绳索9拉直，对弹簧起到保护作用。检测装置包括装在永磁直流力矩电机12上的光电编码器11和装在柔性绳索2上的拉力传感器10，通过该装置可以检测整个人工肌肉的伸长量以及肌肉的收缩力。

由于人工肌肉只能承受拉力，在工作初应该设定一定的预紧力，保证整个系统处于收缩状态。在具体应用时将人体骨骼看作是人工肌肉装置的机架1，可将柔索驱动装置固定于骨骼上，在这里，过轮15相当于人体关节，绳索10可通过人体关节连接到另一块骨骼上，通过驱动装置的驱动实现骨骼绕关节的转动。从而实现肌肉牵引骨骼完成动作的功能。

Claims (5)

1.一种人工肌肉装置，包括机架、柔索驱动装置、拉力传感器以及编码器，其特征是：所述的柔索驱动装置包括电机、第一柔性绳索、第二柔性绳索、柔索牵引轮、第一弹簧、第二弹簧，电机与拉力传感器安装在机架上，柔索牵引轮安装在电机输出轴上，第一柔性绳索的一端与柔索牵引轮固定，第一柔性绳索的另一端穿过拉力传感器连接到第二弹簧的一端，第二柔性绳索与第二弹簧的另一端连接，第一弹簧的一端固定于机架上，第一弹簧的另一端通过弹簧并联装置并联到第一柔性绳索上，光电编码器安装在电机上。

2.根据权利要求1所述的一种人工肌肉装置，其特征是：在第二弹簧中设置有限位绳索，所述限位绳索的两端分别连接第二弹簧的两端。

3.根据权利要求1或2所述的一种人工肌肉装置，其特征是：还包括第一弹簧引导限位装置，所述第一弹簧引导限位装置包括导杆和限位螺母，导杆位于第一弹簧中，导杆的下端固定于机架上，限位螺母位于导杆的上端。

4.根据权利要求1或2所述的一种人工肌肉装置，其特征是：所述电机为永磁直流力矩电机。

5.根据权利要求3所述的一种人工肌肉装置，其特征是：所述电机为永磁直流力矩电机。