專利名稱：改進(jìn)的人工管狀肌肉及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工肌肉，尤其是一種管狀人工肌肉的改進(jìn)及應(yīng)用。
目前處于研制階段的人工肌肉，一般是利用凝膠體的電化學(xué)特性， 尚未達(dá)到實(shí)用階段。97年5月申請(qǐng)的“一種人工管狀肌肉及其應(yīng)用”(專利申請(qǐng)?zhí)?7110134.5)發(fā)明了一種實(shí)用的人工肌肉“一種人工管狀肌肉是由高分子彈性材料和纖維制成的管狀結(jié)構(gòu)，纖維均勻分布在管壁中，管狀結(jié)構(gòu)一端封閉，另一端通過(guò)接口、軟管、控制閥與泵連接，管狀肌肉在泵的驅(qū)動(dòng)下沿管軸軸向伸縮，而不產(chǎn)生橫向擴(kuò)張，其不僅具有肌肉的柔韌性和收縮功能，而且具備獨(dú)特的強(qiáng)力伸張功能?！北景l(fā)明的目的就是改進(jìn)這種人工管狀肌肉并拓展其應(yīng)用范圍。
本發(fā)明，改進(jìn)的人工管狀肌肉，也是由橡膠或其他高分子彈性材料和高強(qiáng)度纖維(包括纖維絞合成的纖維索)制成的管狀結(jié)構(gòu)。原發(fā)明的管狀肌肉“纖維相對(duì)于管軸橫向地均勻分布在管壁中”，本發(fā)明的管狀肌肉，纖維不僅可以分布在管壁中，也可用纖維，纖維絞成的索或金屬絲緊密地平繞在膠管外部。在膠管受到內(nèi)部壓力伸張時(shí)，被緊密的纏繞物所束縛不能橫向擴(kuò)張， 只能縱向伸長(zhǎng)，緊匝在膠管上的纏繞物也隨之伸張。將纖維索或金屬絲緊密地纏繞在膠管外部，可以避免在高壓下管壁內(nèi)部的纖維與膠體剝離。
原發(fā)明中提出的管狀肌肉“一端封閉，另一端通過(guò)接口、軟管、控制閥與泵連接”，如果幾段管狀肌肉串接起來(lái)就要利用“連接器”，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。本發(fā)明將一根管狀人工肌肉分隔成幾段，每段形成一個(gè)獨(dú)立的腔體，每個(gè)腔體都有一根能夠承受足夠壓力的軟管，軟管分布于膠管內(nèi)，穿過(guò)各個(gè)腔體與外面各自的控制閥連接，這些軟管呈螺旋形彎曲，使其能夠隨著管狀肌肉伸縮。這樣就形成了一體化的，各段都能獨(dú)立伸縮的多節(jié)管狀人工肌肉，工藝性和密封性都得以改進(jìn)，可以很方便地組合成柔性臂和柔性機(jī)械手。
幾根平行的膠管可以編織在一個(gè)高強(qiáng)度纖維織成的網(wǎng)絡(luò)中，纖維的走向與管子的軸向接近垂直，這樣的網(wǎng)絡(luò)只能沿軸向伸縮，而不能橫向擴(kuò)張，起到了束縛膠管的作用。這些平行膠管通過(guò)接口、軟管和控制閥與泵連接，同樣可構(gòu)成柔性臂。
直徑小于1毫米的管狀人工肌肉可以不用接口，直接與輸氣或輸液軟管相連，軟管可以采用空心纖維，空心纖維插入細(xì)膠管的腔體，并與膠管密封連接。這種細(xì)的管狀人工肌肉直徑可以達(dá)到0.3毫米以下，適合模擬肌纖維的形態(tài)和功能，稱為人工肌纖維。人工肌纖維的兩端可以植入人工骨骼的內(nèi)部。人工骨骼內(nèi)有多個(gè)獨(dú)立的空腔，各空腔分別與控制閥相連。許多根并聯(lián)的人工肌纖維形成肌纖維束，其端部都植入人工骨骼內(nèi)，空心纖維與骨骼空腔密封連接，象肌腱連接于骨骼一樣。骨骼內(nèi)各自獨(dú)立的腔體分別連接幾束不同的人工肌纖維，按動(dòng)物或人的肌肉與骨骼的連接方式，將人工肌纖維與人工骨骼連接組合起來(lái)，就可制造仿生肢體或仿生動(dòng)物和人。
三根或三根以上的人工管狀肌肉并聯(lián)在一起，中間夾一根高強(qiáng)度纖維編織成的索，中心纖維索與每一根管狀肌肉都用高度纖維纏繞在一起，并用彈性膠體粘結(jié)或注塑成一個(gè)整體。纖維索是不能伸長(zhǎng)的，因此并聯(lián)成的柔性臂只能彎曲，不能伸長(zhǎng)，但由于中心纖維索的存在，使柔性臂能夠產(chǎn)生極大的力矩，抗拉極限強(qiáng)度也大大提高，而且在保持同一種姿態(tài)時(shí)，柔性臂可軟可硬，只要按比例適當(dāng)調(diào)節(jié)管狀肌肉內(nèi)的壓力即可，這樣使柔性機(jī)械臂和機(jī)械手的實(shí)用性大為提高。
用于太空作業(yè)的柔性機(jī)械臂和機(jī)械手，可在其表面包裹一層彈性隔熱層，隔熱層內(nèi)設(shè)置熱循環(huán)管道(可用氣體或液體循環(huán))，保證人工肌肉在合適的溫度下工作。太空的真空環(huán)境不存在熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，與外界熱交換的唯一途徑是熱幅射，為此可在隔熱層的表面涂復(fù)反射性涂層，降低幅射造成的熱量損失，又可防止太陽(yáng)強(qiáng)烈照射造成的過(guò)度溫升和幅射對(duì)人工肌肉的損害(老化)。也可以在隔熱層表面敷設(shè)一層反射性鱗甲，取代反射性涂層的作用，同時(shí)又防護(hù)人工肌肉免受宙宇塵埃的撞擊。
太空柔性機(jī)械臂和機(jī)械手可以輔助飛船對(duì)接，施放和收取衛(wèi)星，太空工程施工如太空站的建造、拼裝等。
用太空柔性機(jī)械臂和機(jī)械手可制造多臂的太空柔性機(jī)器人——太空章魚(yú)。太空章魚(yú)由頭部和觸手所組成，頭殼是用高強(qiáng)度輕質(zhì)合金制造的高壓容器，由太空柔性機(jī)械臂和機(jī)械手制成的觸手，直接與頭部相連，管狀肌肉的腔體通過(guò)控制閥與高壓容器相通，電腦、遙控、遙信設(shè)備及溫度控制系統(tǒng)裝于高壓容器的外殼上。高壓容器上還裝有由電腦控制的噴咀，噴咀產(chǎn)生的推力可使太空章魚(yú)作機(jī)動(dòng)飛行，高壓容器充滿高壓氣體，作為人工肌肉的驅(qū)動(dòng)源和噴咀的氣源。為增加動(dòng)力的持久性，高壓容器可分隔出一定的空間，其中裝滿高壓液化氣，以補(bǔ)充消耗的高壓氣體。
太空章魚(yú)的眼睛——一對(duì)遙控?cái)z像機(jī)，可安裝于章魚(yú)的一對(duì)觸手的端部，以便于靈活地調(diào)整視野，攝取的圖象信息發(fā)往遙控監(jiān)測(cè)終端，形成立體影象，便于遙控人員的操作。
太空章魚(yú)可分為有纜型和無(wú)纜型，無(wú)纜型完全依靠自身的動(dòng)力在太空中運(yùn)動(dòng)和操作。
有纜型系一根高強(qiáng)度的細(xì)纜繩，在捕捉遠(yuǎn)處目標(biāo)時(shí)，象魚(yú)叉一樣拖著系纜被投射出去，接近目標(biāo)時(shí)再啟動(dòng)本身的機(jī)動(dòng)控制系統(tǒng)，以適宜的角度和速度接近目標(biāo)，張開(kāi)觸手俘獲目標(biāo)，并依靠纜繩拖回飛船。
管狀人工肌肉可用于制造可控柔性管用金屬絲或具有一定硬度和彈性的聚合物材料繞制成螺線管，將人工管狀肌肉并排地包裹住螺線管，管狀肌肉的走向平行于螺線管的管軸，外面用高強(qiáng)度纖維纏繞，并用彈性膠體把螺線管和人工管狀肌肉及纖維粘結(jié)或注塑為一體，形成可控柔性管，這種柔性管可用作醫(yī)用內(nèi)窺鏡的軟管。
用人工管狀肌肉可制成一種細(xì)長(zhǎng)的柔性機(jī)器人，稱之為柔性機(jī)器蟲(chóng)。蟲(chóng)身是由并聯(lián)的多節(jié)管狀肌肉構(gòu)成，蟲(chóng)身的外面安裝著吸盤(pán)，機(jī)器蟲(chóng)的頭部安裝著微型攝像機(jī)和發(fā)射機(jī)。柔性機(jī)器蟲(chóng)可分為有尾型與無(wú)尾型有尾型用拖曳的軟管通過(guò)控制閥與泵相連，泵和閥與蟲(chóng)身是分體的。無(wú)尾型的泵與閥都是微型化的，安裝于蟲(chóng)身的中部或尾部。
專用于裝道內(nèi)部探測(cè)的機(jī)器蟲(chóng)也可不安裝吸盤(pán)，而在靠近蟲(chóng)頭部和尾部各安裝一個(gè)氣囊，氣囊通過(guò)軟管、控制閥與泵相連。氣囊充氣脹大后可壓緊管壁，代替了吸盤(pán)的作用。
柔性機(jī)器蟲(chóng)可用于管道內(nèi)部，窄縫等難以達(dá)到的曲折狹小空間的探測(cè)。機(jī)器蟲(chóng)充分微型化以后還可以用于人體消化系統(tǒng)或泌尿系統(tǒng)的檢查。
用細(xì)的人工管狀肌肉或人工肌纖維作經(jīng)線和緯線還可以編織成柔性毯或柔性布，經(jīng)線和緯線用各自相連的閥來(lái)控制。用彈性膠體把這種編織物粘結(jié)或注塑成一整片，就形成一種不透水、不透氣，形狀和大小可控的柔性膜，用這種膜能制造可控的人工瓣膜和柔性活門(mén)。
本發(fā)明改進(jìn)的人工管狀肌肉不僅結(jié)構(gòu)和工藝性更為合理，也更便于組合成柔性臂或機(jī)械手。所列的各項(xiàng)應(yīng)用為管狀人工肌肉進(jìn)入實(shí)用化階段提供了具體范例。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明

圖1.為改進(jìn)的人工管狀肌肉剖面示意2.為編織在橫向纖維網(wǎng)絡(luò)中的管狀人工肌肉圖3.為人工肌纖維和人工骨骼制成的仿生肢體示意4.為管狀肌肉與中心纖維索并聯(lián)成的柔性臂示意5.為太空章魚(yú)結(jié)構(gòu)示意6.為可控柔性管剖面7.為柔性機(jī)器蟲(chóng)結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)施例1改進(jìn)的人工管狀肌肉如圖1所示，由橡膠或其他高分子彈性材料制成的膠管(1)其外面用纖維索(4)緊密地纏繞起來(lái)，并用彈性膠體(5)把纖維索(4)與管壁粘為一體，膠管的內(nèi)部用分隔塞(2)分隔成三個(gè)獨(dú)立的腔體，每個(gè)腔體都有耐壓軟管(3)穿過(guò)分隔塞與外面的控制閥相連，閥再連接到泵(圖中閥和泵未畫(huà)出)，耐壓軟管在腔體內(nèi)是螺旋形彎曲分布的。在制造時(shí)，分隔塞和耐壓軟管可以預(yù)先制成組件，整體植入膠管內(nèi)，并使分隔塞與管壁密封粘結(jié)牢固。
實(shí)施例2編織在橫向纖維網(wǎng)絡(luò)中的管狀人工肌肉如圖2所示，平行并排的膠管(7)被高強(qiáng)度纖維(6)橫向纏繞，多股纖維在并排的膠管(7)之間呈8字形回環(huán)纏繞，把所有平行的膠管都編織在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，由于纖維的走向與膠管軸向基本垂直，所以膠管在受到內(nèi)部壓力時(shí)，無(wú)法橫向擴(kuò)張，只能縱向伸長(zhǎng)。(各膠管可通過(guò)軟管、控制閥與泵連接。)用彈性膠體(5)把網(wǎng)絡(luò)和膠管粘結(jié)或注塑成一體。
實(shí)施例3人工肌纖維和人工骨骼制成的仿生肢體如圖3所示中空的人工骨骼(8)通過(guò)關(guān)節(jié)(10)互相連接，人工肌纖維并聯(lián)成的肌纖維束(11)，其端部的空心纖維束植入人工骨骼(8)內(nèi)的空腔(9)，與空腔形成密封連接，空腔(9)通過(guò)多路控制閥(12)與泵相連(泵未畫(huà)出)，肌纖維束(11)的另一端植入另一根人工骨骼，多束人工肌纖維將兩根人工骨骼在相應(yīng)部位連接起來(lái)，就象人的肌肉通過(guò)肌腱將骨骼連接起來(lái)一樣。
實(shí)施例4管狀人工肌肉與中心纖維索并聯(lián)成的柔性臂如圖4所示，三根管狀人工肌肉(14)并聯(lián)在一起，中間夾一根高強(qiáng)度纖維編織的索(13)，纖維索(13)與每一根管狀人工肌肉都分別用高強(qiáng)度纖維(6)纏繞在一起，外圍也用高強(qiáng)度纖維纏繞，并用彈性膠體(5)粘結(jié)或注塑成一個(gè)整體。各條管狀肌肉分別通接口、軟管、控制閥與泵相連。(圖中未畫(huà)出)實(shí)施例5用于太空的柔性機(jī)器人——太空章魚(yú)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，太空章魚(yú)由頭部和觸手所組成。用高強(qiáng)度輕質(zhì)合金制造的高壓容器(20)構(gòu)成頭殼，由太空柔性臂(18)和柔性機(jī)械手(19)制成的觸手直接與高壓容器(20)相連，管狀肌肉的腔體通過(guò)控制閥與高壓容器(20)相通。由電腦遙控、遙信設(shè)備及溫控裝置組成的中央控制系統(tǒng)(16)裝在高壓容器(20)的外面。高壓容器(20)后部裝有幾個(gè)由電腦控制的噴咀(15)，一對(duì)遙控?cái)z像機(jī)(17)安裝于柔性臂(18)的端部。高壓容器(20)內(nèi)部分隔成兩部分，一部分充滿高壓氣體，另一部分貯存高壓液化氣，可通過(guò)控制閥補(bǔ)充消耗的高壓氣體。
實(shí)施例6可控柔性管如圖6所示，用金屬絲或聚合物材料繞制成的螺線管(22)(所示為螺線管截面)，人工管狀肌肉(21)并排地包裹住螺線管(22)，其走向平行于螺線管的軸心，人工管狀肌肉(21)的外圍再用高強(qiáng)度纖維(6)緊密纏繞，并用彈性膠體(5)把螺線管(22)、人工管狀肌肉(21)和高強(qiáng)度纖維(6)粘結(jié)或注塑為一體，形成可控柔性管。
實(shí)施例7柔性機(jī)器蟲(chóng)如圖7.a所示，由并聯(lián)的多節(jié)管狀肌肉構(gòu)成蟲(chóng)身(25)，蟲(chóng)身外面靠近兩端安裝了吸盤(pán)(26)，機(jī)器蟲(chóng)的頭部安裝著帶發(fā)射機(jī)的微型攝像機(jī)(23)，連接管狀人工肌肉和控制閥(未畫(huà)出)的軟管并聯(lián)起來(lái)構(gòu)成了機(jī)器蟲(chóng)的尾巴(27)。
圖7.b為專用于管道內(nèi)部穿行的柔性機(jī)器蟲(chóng)，蟲(chóng)身(25)的兩端沒(méi)有安裝吸盤(pán)，而代之以彈性氣囊(24)。
將動(dòng)力源(包括電源、電動(dòng)機(jī)、泵)和控制閥充分微型化以后可以裝入蟲(chóng)身內(nèi)部，這樣就不需要拖著一條由軟管構(gòu)成的尾巴。
權(quán)利要求
1.改進(jìn)的人工管狀肌肉由橡膠或其他高分子彈性材料和纖維制成管狀結(jié)構(gòu)，其特征在于纖維不僅可以分布于管壁內(nèi)，也可以分布在管壁外，管狀肌肉的腔體沿軸向分隔成幾段獨(dú)立的腔體，每個(gè)腔體都由各自的耐壓管道連接到控制閥，這些管道彎曲地分布于管狀腔體內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工管狀肌肉，其特征在于可以用纖維，纖維絞成的索或金屬絲緊密地平繞在膠管外部，并用彈性膠體與膠管粘結(jié)或注塑成一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工管狀肌肉，其特征在于可將幾根平行并排的膠管編織在一個(gè)高強(qiáng)度纖維構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中纖維的走向與膠管的軸向基本垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工管狀肌肉，其特征在于可用空心纖維作為耐壓管道直接與直徑小于1毫米的管狀人工肌肉密封連接，形成人工肌纖維。
5.一種由人工肌纖維與人工骨骼制成的仿生肢體，其特征在于人工骨骼(8)的內(nèi)部具有多個(gè)獨(dú)立的空腔(9)，這些空腔各自通過(guò)控制閥(12)與泵相連，并聯(lián)的人工肌纖維形成肌纖維束(11)，其端部的空心纖維束植入人工骨骼的空腔(9)，與人工骨骼形成牢固的密封連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人工管狀肌肉，其特征在于可將三根或三根以上的人工管狀肌肉(14)平行并聯(lián)在一起，中間夾一根高強(qiáng)度纖維索(13)，纖維索(13)與并聯(lián)的管狀肌肉用高強(qiáng)度纖維(6)纏繞在一起，并用彈性膠體(5)粘結(jié)或注塑成一體。
7.一種由人工管狀肌肉制成的柔性太空機(jī)械臂和機(jī)械手，其特征在于柔性機(jī)械臂和機(jī)械手的表面包裹著一層彈性隔熱層，隔熱層的內(nèi)部設(shè)置循環(huán)管道，隔熱層的外表面涂復(fù)反射性涂層或敷設(shè)反射鱗甲。
8.一種由太空柔性機(jī)械臂和機(jī)械手制成的太空章魚(yú)，其特征在于由太空柔性機(jī)械臂(18)和機(jī)械手(19)制成的太空章魚(yú)的觸手直接與高壓容器(20)相連，管狀肌肉的腔體通過(guò)控制閥與高壓容器(20)連通，高壓容器(20)的內(nèi)部可分隔出一定的空間貯存高壓液化氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求(8)所述的太空章魚(yú)，其特征在于由電腦、遙控、遙信設(shè)備及溫控裝置組成的中央控制系統(tǒng)(16)裝在高壓容器(20)的外面，高壓容器(20)的后部裝有幾個(gè)由電腦控制的噴咀，一對(duì)遙控?cái)z像機(jī)(17)安裝于柔性機(jī)械臂(18)的端部，太空章魚(yú)可用纜繩連接于太空飛船。
10.一種由人工管狀肌肉制成的可控柔性管，其特征在于用金屬絲或聚合物材料繞制成的螺線管(22)，外面包裹著平行的管狀人工肌肉(21)，并在外圍用高強(qiáng)度纖維(6)纏繞，再用彈性膠體(5)粘結(jié)或注塑為一體。
11.一種由人工管狀肌肉制成的柔性機(jī)器蟲(chóng)，其特征在于并聯(lián)的人工管狀肌肉構(gòu)成了蟲(chóng)身(25)，蟲(chóng)身(25)的兩端安裝了吸盤(pán)(26)或彈性氣囊(24)。機(jī)器蟲(chóng)的頭部安裝了微型攝像機(jī)(23)。
12.一種由人工管狀肌肉制成的可控柔性毯或柔性布，其特征在于用較細(xì)的人工管狀肌肉或人工肌纖維作經(jīng)線和緯線編織成可控制大小和形狀的柔性布，可在編織物上粘合一層彈性薄膜。
全文摘要
改進(jìn)的人工管狀肌肉及其應(yīng)用,涉及人工肌肉,特別是對(duì)人工管狀肌肉的改進(jìn)及應(yīng)用,改進(jìn)的人工管狀肌肉的纖維分布于管壁的外圍,人工管狀肌肉由單一的腔體改進(jìn)為多段彼此獨(dú)立的腔體,使得人工管狀肌肉能夠承受更高的壓強(qiáng),具有更好的密封性和工藝性。人工管狀肌肉不僅可用于柔性機(jī)器人、機(jī)械手,還可用于仿生肢體、醫(yī)療器械和太空領(lǐng)域。
文檔編號(hào)A61L27/00GK1194818SQ9810672
公開(kāi)日1998年10月7日 申請(qǐng)日期1998年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月4日
發(fā)明者黃上立 申請(qǐng)人:黃上立