本發(fā)明屬于氣動肌肉技術領域，具體涉及一種嵌套式形狀記憶合金氣動人工肌肉。

背景技術：

近年來，隨著仿生技術的研究和發(fā)展，氣動肌肉越來越得到人們的重視，國內外大批專家和學者在廣泛的研究與應用氣動肌肉。氣動肌肉( Pneumatic Muscle, PM ) 是根據(jù)人類肌肉運動原理而設計的一款新型的柔性驅動器，主要由外層編織網(wǎng)、橡膠管和卡箍三部分組成。通入壓縮空氣時，橡膠管膨脹后和編織網(wǎng)緊緊貼住, 將氣體的作用力傳遞到編織網(wǎng)上, 使得膨脹轉變成軸向收縮力。與傳統(tǒng)驅動裝置相比，氣動肌肉具有柔性高、功重比大、易于小型化、使用方便、成本低廉等優(yōu)點，被廣泛的應用于各種仿生機械的驅動領域。

然而，目前市面上成熟的氣動肌肉，如FESTO公司和SHADOW公司生產(chǎn)的氣動肌肉，存在收縮率小的問題。氣動肌肉均有軸向主動收縮來改變剛度功能，但不具備繞軸向的主動旋轉來改變剛度的功能，改變剛度的形式單一；同時，氣動肌肉結構參數(shù)一定的情況下，其剛度隨充氣壓力大小、氣動肌肉實際工作長度的變化而變化，由于氣動肌肉本身的材料限制，剛度變化范圍有限。氣動肌肉在使用時，通常采用固接的方式來驅動負載，當負載發(fā)生振動時，這種固接方式不能很好的緩解振動帶來的影響，對連接裝置會造成一定的損壞。

現(xiàn)在也有使用輔助裝置或新型材料來輔助氣動肌肉工作、改變其收縮量、驅動力和剛度等性能的設計方案。如中國專利文獻[申請?zhí)枺?01610385406.5]公開了一種具有自感知和驅動功能的氣動人工肌肉，包括纖維絲、彈性軟管、集絲卡箍、壓電體、圓柱套管、氣管接頭、卡箍、電極、驅動電路、感知電路和集絲孔，在氣動肌肉正常工作時，通過驅動電路的壓電體的逆壓電效應，壓電體可帶動纖維絲收縮，能夠提高氣動肌肉收縮量及剛度調節(jié)范圍。上述發(fā)明中的壓電體逆壓電效應產(chǎn)生的形變較小，如果增加壓電體的尺寸，整個氣動肌肉的尺寸也會隨之增加。

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy, 簡稱SMA）作為一種新型的智能材料，其主要是利用形狀記憶效應，通過溫度變化來發(fā)生形狀變化產(chǎn)生收縮力，對連接件進行驅動，是應用很廣的一種驅動元件。將形狀記憶合金與氣動肌肉結合可很好的改善氣動肌肉性能，從而促進康復醫(yī)療和仿生機器人等領域的發(fā)展。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對上述技術的缺陷和不足，提出了一種嵌套式形狀記憶合金氣動人工肌肉。

為解決上述問題，本發(fā)明采用了以下技術方案：

它包括上固定盤、固定桿、軸向SMA絲、滑動盤、氣動肌肉、PM下安裝盤、下固定盤、滑動方軸、轉軸、PM上安裝盤、彈簧、徑向SMA絲、驅動電路。所述固定桿外表面光滑，兩端帶有螺紋，一端連接上固定盤，另一端連接下固定盤，四根固定桿和上固定盤、下固定盤組成外固定結構；滑動盤具有穿桿孔，可在固定桿上滑動；軸向SMA絲通過上固定盤穿絲孔、下固定盤穿絲孔、滑動盤穿絲孔，在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，一端固定在下固定盤，另一端固定在滑動盤，并通過外接驅動電路進行驅動；多根氣動肌肉圍成圓周狀氣動肌肉束，且每根氣動肌肉之間存在一定間隙，氣動肌肉束一端固定在PM上安裝盤，另一端固定在PM下安裝盤，整個氣動肌肉束結構置于外固定結構內部；滑動方軸通過下固定盤上的方孔，可沿軸向滑動，滑動方軸一端與PM下安裝盤連接，另一端與負載連接；轉軸穿過滑動盤上的轉軸孔，且一端的直徑大于轉軸孔的直徑，另一端固定在PM上安裝盤，可帶動PM上安裝盤轉動；一對彈簧采用在轉軸側面反向平行的安裝方式，一端固定在滑動盤上，另一端固定在轉軸側面，兩個安裝點的連線是轉軸側面所在安裝點的切線；一對徑向SMA絲安裝方式與彈簧相同，且徑向SMA絲與彈簧在滑動盤平面上的投影相互垂直。

優(yōu)選地，所述上固定盤、下固定盤和滑動盤用絕緣、耐磨、光滑的聚合物制備而成或用聚合物進行內涂覆，如聚四氟乙烯。

本發(fā)明采用新型智能材料和常規(guī)仿生機構的結合設計方案，保留常規(guī)氣動肌肉優(yōu)點的同時，用新型智能材料改善其性能；本發(fā)明中的新型智能材料采用形狀記憶合金絲，功重比高、使用簡單、無污染；氣動肌肉束嵌套在固定架的內部，結構更為緊湊，同時多根氣動肌肉的驅動力大，剛度可變范圍廣；軸向SMA絲在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，增加工作時絲的長度，達到產(chǎn)生大的形變量的目的；軸向SMA絲在被激活后產(chǎn)生形狀記憶效應，將會縮短，帶動滑動盤往上固定盤方向運動，增加氣動肌肉束收縮量；軸向SMA絲在超彈性變形時，加、卸載過程中會出現(xiàn)遲滯循環(huán)效應，可吸收大量能量，有效緩解負載振動時對連接裝置造成的損壞；徑向SMA絲在彈簧的作用下產(chǎn)生預拉伸，被激活后產(chǎn)生形狀記憶效應，將會縮短，帶動氣動肌肉束轉動，改變其剛度和收縮量。與常規(guī)氣動肌肉相比，本發(fā)明改進和豐富了氣動肌肉的性能，值得應用。

附圖說明

圖1為嵌套式形狀記憶合金氣動肌肉的結構示意圖；

圖2為軸向SMA絲多次“S”型纏繞方式圖；

圖3為轉軸、滑動盤和PM上安裝盤連接方式放大圖；

圖4為彈簧與徑向SMA絲安裝方式放大圖；

圖5為軸向SMA絲外接驅動方式圖；

圖中，1、上固定盤；2、固定桿；3、軸向SMA絲；4、滑動盤；5、氣動肌肉；6、PM下安裝盤；7、下固定盤；8、滑動方軸；9、轉軸；10、PM上安裝盤；11、彈簧；12、徑向SMA絲；13、驅動電路；101、上固定盤穿絲孔；401、轉軸孔；402、滑動盤穿桿孔；403、滑動盤穿絲孔；701、下固定盤穿絲孔；702、方孔。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1~5所示，本實施例包括上固定盤1、固定桿2、軸向SMA絲3、滑動盤4、氣動肌肉5、PM下安裝盤6、下固定盤7、滑動方軸8、轉軸9、PM上安裝盤10、彈簧11、徑向SMA絲12、驅動電路13、上固定盤穿絲孔101、轉軸孔401、滑動盤穿桿孔402、滑動盤穿絲孔403、下固定盤穿絲孔701、方孔702；本實施例中，所述氣動肌肉5為市面上已有氣動肌肉，所述上固定盤1、下固定盤7、滑動盤4均為聚四氟乙烯材料制成；固定桿2外表面光滑，兩端帶有螺紋，一端連接上固定盤1，另一端連接下固定盤7，四根固定桿2和固定盤1、7組成外固定結構；滑動盤4具有穿桿孔402，可在固定桿2上滑動；軸向SMA絲3通過上固定盤穿絲孔101、下固定盤穿絲孔701、滑動盤穿絲孔403，在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，一端固定在下固定盤7，另一端固定在滑動盤4，并通過外接驅動電路13進行驅動；九根氣動肌肉5圍成圓周狀氣動肌肉束，且每根氣動肌肉之間存在一定間隙，氣動肌肉束一端固定在PM上安裝盤10，另一端固定在PM下安裝盤6，整個氣動肌肉束結構置于固定桿2與固定盤1、7組成的外固定結構內部；滑動方軸8通過下固定盤7上的方孔702，可沿軸向滑動，一端與PM下安裝盤6連接，另一端與負載連接；轉軸9穿過滑動盤上的轉軸孔401，且一端的直徑大于轉軸孔401的直徑，另一端固定在PM上安裝盤10，可帶動PM上安裝盤10轉動；一對彈簧11采用在轉軸側面反向平行的安裝方式，一端固定在滑動盤4上，另一端固定在轉軸9側面，兩個安裝點的連線是轉軸9側面所在安裝點的切線；一對徑向SMA絲12安裝方式與彈簧11相同，且徑向SMA絲12與彈簧11在滑動盤4平面上的投影相互垂直。

嵌套式形狀記憶合金氣動人工肌肉工作時，根據(jù)軸向SMA絲3和徑向SMA絲12的工作方式不同，分別簡述該裝置軸向驅動特性和氣動肌肉束轉動特性。

裝置軸向驅動特性：通過氣孔對氣動肌肉5組成的肌肉束進行充氣，肌肉束將會正常工作，對負載產(chǎn)生驅動特性。軸向SMA絲3通過上固定盤穿絲孔101、下固定盤穿絲孔701、滑動盤穿絲孔403，在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，一端固定在下固定盤7，另一端固定在滑動盤4，大大增加了工作中絲的長度；在驅動電路13的作用下，軸向SMA絲3的溫度升高，達到相變溫度時產(chǎn)生形狀記憶效應，長度收縮，帶動滑動盤4運動，增加肌肉束的收縮量。當負載發(fā)生振動時，可以通過驅動電路13使軸向SMA絲3的溫度高于馬氏體到奧氏體轉變的結束溫度，軸向SMA絲3產(chǎn)生超彈性效應，此時加載，將產(chǎn)生超彈性應變，卸載到應力為零時應變也恢復到零，并在加、卸載過程中應變出現(xiàn)遲滯循環(huán)效應，可吸收大量能量，基于此特性來減少外部負載的振動產(chǎn)生的影響。

氣動肌肉束轉動特性：徑向SMA絲12在彈簧11處于壓縮的狀態(tài)下進行安裝，安裝完成后，徑向SMA絲12在彈簧11的胡克力作用下產(chǎn)生預拉伸。當氣動肌肉束在氣壓和軸向SMA絲3的作用下，軸向收縮量最大或處于平衡狀態(tài)時，通過外接驅動電路13對徑向SMA絲12加熱，使其溫度上升到相變溫度，產(chǎn)生形狀記憶效應，長度恢復，壓縮彈簧，并帶動轉軸9旋轉。由于下側的滑動方軸8不能轉動，上側的轉軸9可以轉動，氣動肌肉束在力的作用下產(chǎn)生扭轉，氣動肌肉5的剛度將會改變。扭轉力的作用下，氣動肌肉束在軸向也會進一步收縮。

以上所述僅是本發(fā)明的一個較佳實施例，凡是在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下對本發(fā)明所做的各種改變和改進，都不會超越所附權利要求書所定義的范圍。