一種人工肌肉的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種人工肌肉，其特征是：一個阻尼收縮單元與一個彈性單元構成串聯(lián)裝置，阻尼收縮單元長度Lc和彈性單元長度Ls之和是人工肌肉長度L，阻尼收縮單元和彈性單元都受到相等拉力，即人工肌肉所受拉力T。本發(fā)明是一種對生物肌肉性能的仿生程度高、有精確控制方式和工作模型、動作響應時間短、性能穩(wěn)定、易于調(diào)節(jié)、能量利用率和疲勞壽命高的人工肌肉。
【專利說明】—種人工肌肉

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種人工肌肉，尤其是符合Hill肌肉力學模型的人工肌肉，屬于仿生機械領域。

【背景技術】
[0002]人或動物的運動系統(tǒng)是以骨骼及依附其上的肌肉(骨骼肌)為主要組成、受神經(jīng)系統(tǒng)控制的運動系統(tǒng)。分布于動物全身的骨骼肌是動物運動系統(tǒng)的驅(qū)動器，將化學能轉化為機械能而做功。骨骼肌在神經(jīng)信號激勵下主動收縮，通過拉力驅(qū)動骨骼關
[0003]節(jié)轉動。骨骼肌的收縮速率、驅(qū)動拉力及神經(jīng)信號激勵的關系是研究動物和人的運動動力學的重要基礎，在航空航天、運動、醫(yī)學等眾多方面有重要應用。1922年，Archibald Vivian Hill由于建立了關于肌肉收縮的宏觀唯象理論而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎。骨骼肌能量利用率高達50%，直接驅(qū)動骨骼運動，不需要減速裝置和傳動元件，屬于單向力裝置，運動形式是直線往復式。作為對骨骼肌的仿生，人工肌肉越來越受到重視，在醫(yī)療器械、康復醫(yī)療、仿生、智能機器人、軍用武器、航空航天等諸多領域?qū)l(fā)揮很大的作用。
[0004]現(xiàn)有的人工肌肉分為材料收縮型和結構收縮型。材料收縮型人工肌肉以對周圍環(huán)境有收縮反應的化合物為材料制成，將化學能或電能直接轉化為機械能。結構收縮型人工肌肉以氣動人工肌肉為代表，主要由內(nèi)層氣密彈性管和外層增強套管組成，兩端封住，在氣密彈性管內(nèi)加壓時，整個氣動人工肌肉變粗變短，產(chǎn)生軸向縮短，拉動兩端載荷。無論是材料收縮型還是結構收縮型，目前人工肌肉都是依靠材料形變產(chǎn)生軸向縮短，拉動兩端載荷。存在的問題是:與Hill肌肉模型不相符，因此對生物骨骼肌性能的仿生程度不高；缺乏對收縮速度、收縮率和拉力及之間關系的精確控制方式，難以建立精準的工作模型；動作響應時間長、穩(wěn)定性、適應性差，難以調(diào)節(jié)；能量利用效率和疲勞壽命不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種對生物肌肉性能的仿生程度高、有精確控制方式和工作模型、動作響應時間短、性能穩(wěn)定、易于調(diào)節(jié)、能量利用率和疲勞壽命高的人工肌肉。
[0006]本發(fā)明為解決技術問題采用如下技術方案:
[0007]本發(fā)明人工肌肉的結構特點是:一個阻尼收縮單元與一個彈性單元構成串聯(lián)裝置，所述阻尼收縮單元長度Lc和彈性單元長度Ls之和是所述人工肌肉長度L，所述阻尼收縮單元和彈性單元都受到相等拉力，即所述人工肌肉所受拉力T。
[0008]本發(fā)明人工肌肉的結構特點也在于:所述彈性單元在拉力T作用下有伸長量ALs，拉力T與伸長量ALs的關系由所述彈性單元的結構和材料性質(zhì)的設計來確定和調(diào)節(jié)；所述阻尼收縮單元在工作介質(zhì)Pm作用下有收縮量Λ Lc、收縮速度V和阻礙收縮的拉力T ;所述拉力T、收縮量Λ Lc、工作介質(zhì)Pm、以及收縮速度V之間具有定量約束關系，所述定量約束關系通過阻尼收縮單元的結構和工作介質(zhì)Pm的設計來確定和調(diào)節(jié)。
[0009]本發(fā)明人工肌肉的結構特點還在于:所述人工肌肉的收縮量AL為:
[0010]AL= Δ Lc- Δ Ls,
[0011]所述人工肌肉只能承受拉力，在應用范圍內(nèi)所述人工肌肉的伸長與收縮不再受其它結構上的約束；所述人工肌肉在所述阻尼收縮單元的工作介質(zhì)Pm作用下產(chǎn)生主動收縮并產(chǎn)生拉力T，主動收縮時人工肌肉的收縮量AL是正值，S卩ALc>ALs，并通過所述阻尼收縮單元與彈性單元的設計來實現(xiàn)；阻尼收縮單元工作介質(zhì)Pm不作用時，所述人工肌肉受外加拉力T被動拉動的作用，有被動伸長，收縮量AL是負值。
[0012]本發(fā)明人工肌肉的結構特點還在于:所述阻尼收縮單元工作介質(zhì)Pm包括氣、液和電磁。
[0013]本發(fā)明以氣體作為工作介質(zhì)的人工肌肉的結構特點是:一個具有缸筒活塞機構的阻尼收縮單元與一個彈性單元構成串聯(lián)裝置，阻尼收縮單元和彈性單元的總長度受拉力和工作氣壓的控制，不受其它約束。
[0014]本發(fā)明以氣體作為工作介質(zhì)的人工肌肉的結構特點也在于:
[0015]所述阻尼收縮單元設置為:后端蓋和中端蓋與缸筒通過螺紋密封連接，與活塞通過螺紋連接的活塞桿貫穿中端蓋，在中端蓋上設置進氣接頭安裝孔；在后端蓋上設置排氣Π ；
[0016]所述彈性單元的結構設置為:在所述活塞桿的內(nèi)部有空腔，其另一端與前端蓋螺紋連接并穿過中端蓋；在所述活塞桿中設置彈簧，彈簧的一端與活塞桿內(nèi)的圓螺母固定連接，另一端連接導桿；所述導桿穿過前端蓋并在位于活塞桿外部桿端連接第一拉環(huán)，在后端蓋上通過固定支架設置第二拉環(huán)。
[0017]本發(fā)明以氣體作為工作介質(zhì)的人工肌肉的結構特點還在于:
[0018]所述阻尼收縮單元的后端蓋設置有限位螺栓，以限位螺栓限位活塞的行程，限位螺栓的軸向位置可調(diào)；活塞與活塞桿通過內(nèi)六角螺栓相連接。
[0019]在所述活塞的外圓周面上環(huán)形槽中分別嵌裝有支撐環(huán)和第一 “O”型密封圈；在活塞桿與中端蓋之間分別設置有“Y”型密封圈及導套，在活塞桿與活塞的貼合面設置有第二“O”型密封圈，在所述缸筒的兩端與后端蓋和中端蓋的貼合面分別設置密封墊。
[0020]與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0021]1、本發(fā)明人工肌肉由一個阻尼收縮單元和一個彈性單元構成二元素串聯(lián)裝置，理論上與Hill的骨骼肌二元素功能模型相符，本發(fā)明人工肌肉的兩個單元分別體現(xiàn)了骨骼肌肉的受激勵收縮和具有彈性的特點，兩者的串聯(lián)更進一步體現(xiàn)了骨骼肌肉的具體特征。具體表現(xiàn)在:一是彈性單元的變形與工作介質(zhì)參數(shù)無獨立關系；二是拉力T的大小不能獨立控制阻尼收縮單元的收縮量，因而就不能獨立控制所述人工肌肉的收縮量；三是存在確定的所述人工肌肉收縮量Λ Lc、人工肌肉收縮速度V、拉力T與工作介質(zhì)Pm之間的關系，從而可以建立精確工作模型和控制方式。因此能通過工作介質(zhì)作用實現(xiàn)直線柔性收縮拉力驅(qū)動和控制，實現(xiàn)對骨骼肌驅(qū)動和控制機制的仿生，具有易于仿生骨骼肌肉的驅(qū)動和控制機制的優(yōu)點。
[0022]2、本發(fā)明的基本組成是阻尼收縮單元和彈性單元，其動作響應時間短，性能穩(wěn)定、易于調(diào)節(jié)，能量利用率高，疲勞壽命長。
[0023]3、本發(fā)明結構簡單，但可承載大拉力；其中的阻尼收縮單元適應工作介質(zhì)范圍廣、具有可調(diào)節(jié)性，收縮率可以很大；因此具有拉力質(zhì)量比大、收縮比大和速度可調(diào)的特點。
[0024]4.本發(fā)明人工肌肉的驅(qū)動和控制特性可通過阻尼收縮單元和彈性單元的參數(shù)設計實現(xiàn)定制獲得各種性質(zhì)、形狀和尺寸的人工肌肉，具有易于設計和調(diào)節(jié)的特點、可以廣泛應用在仿生機器人、工業(yè)機器人、輔助醫(yī)療器械、以及其它領域，作為仿生骨骼肌肉性能的直線柔性收縮拉力驅(qū)動器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明人工肌肉結構示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的工作介質(zhì)為氣體的氣動人工肌肉機構示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的氣動人工肌肉在工作氣壓PO = 0，拉力T = O的狀態(tài)示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明的氣動人工肌肉在工作氣壓p0 = O,拉力T古O的狀態(tài)示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明的氣動人工肌肉在工作氣壓為pl，拉力為Tl的狀態(tài)示意圖；
[0030]圖6為本發(fā)明的氣動人工肌肉在工作氣壓為p2，拉力為T2的狀態(tài)，并有P2>P1，T2>T1 ；
[0031]圖中標號:1前端蓋，2中端蓋,3密封墊,4缸筒,5彈簧,6支撐環(huán),7第一“O”型密封圈，8后端蓋，9節(jié)流式消聲器，10固定支架，11限位螺栓，12內(nèi)六角螺栓，13活塞，14第二“O”型密封圈，15活塞桿，16圓螺母，17 “Y”型密封圈，18導套，19導桿，20拉環(huán)，a進氣接頭安裝孔，b排氣口，21阻尼收縮單元，22彈性單元。

【具體實施方式】
[0032]參見圖1，本實施例中人工肌肉的結構形式是:一個阻尼收縮單元21與一個彈性單元22構成串聯(lián)裝置，阻尼收縮單元長度Lc和彈性單元長度Ls之和是人工肌肉長度L，阻尼收縮單元和彈性單元都受到相等拉力，即所述人工肌肉所受拉力T。
[0033]本實施例中，彈性單元在拉力T作用下有伸長量ALs，拉力T與伸長量ALs的關系由所述彈性單元的結構和材料性質(zhì)的設計來確定和調(diào)節(jié)；阻尼收縮單元在工作介質(zhì)Pm作用下有收縮量Λ Lc、收縮速度V和阻礙收縮的拉力T ;所述拉力T、收縮量ALc、工作介質(zhì)Pm、以及收縮速度V之間具有定量約束關系，所述定量約束關系通過阻尼收縮單元的結構和工作介質(zhì)Pm的設計來確定和調(diào)節(jié)。
[0034]人工肌肉的收縮量AL為:AL = Λ Lc-Λ Ls，人工肌肉只能承受拉力，在應用范圍內(nèi)所述人工肌肉的伸長與收縮不再受其它結構上的約束；人工肌肉在所述阻尼收縮單元的工作介質(zhì)Pm作用下產(chǎn)生主動收縮并產(chǎn)生拉力T，主動收縮時人工肌肉的收縮量Λ L是正值，g卩Λ Lc> Λ Ls，并通過所述阻尼收縮單元與彈性單元的設計來實現(xiàn)；阻尼收縮單元工作介質(zhì)Pm不作用時,所述人工肌肉受外加拉力T被動拉動的作用,有被動伸長,收縮量AL是負值。
[0035]阻尼收縮單元工作介質(zhì)Pm包括氣、液和電磁。
[0036]本實施例中人工肌肉的具體結構形式如圖2所示:
[0037]參見圖2，本實施例中以氣體作為工作介質(zhì)的人工肌肉的結構形式是:一個具有缸筒活塞機構的阻尼收縮單元與一個彈性單元構成串聯(lián)裝置，阻尼收縮單元和彈性單元的總長度受拉力和工作氣壓的控制，不受其它約束。由于阻尼收縮單元和彈性單元是串聯(lián)連接，兩者所受拉力相同，兩者在長度方向的變形構成所述人工肌肉的長度變化。這與在氣缸內(nèi)嵌入活塞復位彈簧的氣缸的作用和效果有本質(zhì)不同。
[0038]如圖2所示，阻尼收縮單元設置為:后端蓋8和中端蓋2與缸筒4通過螺紋密封連接，與活塞13通過螺紋連接的活塞桿15貫穿中端蓋2，在中端蓋2上設置進氣接頭安裝孔a，用于固定設置導管接頭，用于導入工作介質(zhì)的介質(zhì)軟管穿過軟管通孔a，并連接在導管接頭上，工作介質(zhì)采用經(jīng)過濾后的壓縮空氣，經(jīng)導管由孔a進入前腔；在后端蓋8上設置排氣Π b,
[0039]用于活塞移動時后腔的進排氣；在排氣口 b上通過螺紋連接設置節(jié)流式消聲器9，通過調(diào)節(jié)節(jié)流式消聲器9的旋鈕，可改變后腔進排氣量大小，可以預先調(diào)節(jié)獲得一種對活塞13移動速度V的限制，有助于調(diào)整所述阻尼收縮單元的適用范圍，并降低噪音。后腔氣體由排氣口 b處經(jīng)節(jié)流式消聲器9排出。
[0040]彈性單元的結構設置為:活塞桿15的內(nèi)部有空腔，其另一端與前端蓋I螺紋連接并穿過中端蓋2 ;在活塞桿15中設置彈簧5，彈簧5的一端與活塞桿15內(nèi)的圓螺母16固定連接，另一端連接導桿19，實現(xiàn)阻尼收縮單元與彈性單元的串聯(lián)；導桿19穿過前端蓋I并在位于活塞桿15外部桿端連接第一拉環(huán)20，在后端蓋8上通過固定支架10設置第二拉環(huán)，兩拉環(huán)與外部機構連接，承受相向拉力T。
[0041]在氣動人工肌肉工作時，第一拉環(huán)20和第二拉環(huán)承受相向拉力T，即活塞桿與彈簧同時都受到拉力T。兩者之間的距離記為L，第二拉環(huán)與彈簧與活塞桿連接處之間的距離即是阻尼收縮單元的長度，記為Lc，彈簧與活塞桿連接處與第一拉環(huán)20之間的距離記為Ls，氣動人工肌肉總長度記為L，有L = Lc+Ls。工作氣壓的充氣與停氣狀態(tài)相當于人工肌肉的激活與靜息狀態(tài)。
[0042]參見圖3和圖4，人工肌肉在靜息狀態(tài)時，即工作氣壓P = O時，與生物肌肉有近似的能夠被動伸長的功能:活塞在缸體前端，當拉力T = 0，彈簧呈收縮狀態(tài)；當拉力T古O時，彈簧被動伸長ALs ;對于確定的彈簧剛性系數(shù)和長度，彈簧的伸長量ALs與拉力T成正比。
[0043]人工肌肉在激活狀態(tài)時，參見圖5和圖6，工作氣壓P古O由孔a進入前腔，推動活塞和活塞桿向后腔移動導致阻尼收縮單元的收縮量ALc,拉力T使彈簧被動伸長ALs，通過對缸筒活塞機構和彈簧的設計可使得ALc>ALs;人工肌肉的總長度收縮量AL是阻尼收縮單兀的收縮量ALc與彈簧伸長量ALs之差，S卩AL = ALc_ALs>0。
[0044]生物骨骼肌肉的一個重要特性是在激活狀態(tài)時，與長度收縮量相對應的肌肉拉力的大小不是唯一確定，還同時與所受激勵大小成正比關系。所述人工肌肉在激活狀態(tài)時，具有相似關系模式:與人工肌肉總長度收縮量AL相對應的拉力T的大小不是唯一確定，還同時與工作氣壓P大小成正比關系，參見圖5和圖6，雖然在兩種情況下人工肌肉的總長度收縮量相同，但是圖5中阻尼收縮單元產(chǎn)生較小的收縮量ALc、彈簧也產(chǎn)生較小的伸長量Λ Ls，表明作用于活塞的工作氣壓P和肌肉拉力T都比較小，而圖6中工作氣壓P和肌肉拉力T都比較大，說明對應給定的人工肌肉長度收縮量，肌肉拉力T和工作氣壓P兩者之間有正比關系。所述人工肌肉這個特性為生物仿生機械的仿生驅(qū)動和仿生控制提供基礎。
[0045]當活塞受工作氣壓面積及活塞所受摩擦阻力為確定，阻尼收縮單元的收縮速度，即活塞移動速度V，主要與拉力T、前腔工作氣壓p、后腔氣體排出速度有關；阻尼收縮單元的收縮量ALc是活塞的移動速度V對時間的積分；彈簧的伸長量ALs，在彈簧彈性系數(shù)和彈簧長度確定情況下，是拉力T的函數(shù)，可見氣動人工肌肉的總長度收縮量與拉力T、收縮速度V和工作氣壓P四者之間的關系與人體肌肉的具有近似關系模式，可通過調(diào)整有關參數(shù)達到最佳近似，實現(xiàn)對人工肌肉性質(zhì)的設計；實現(xiàn)仿生人體肌肉控制行為對人工肌肉工作狀態(tài)的控制。
[0046]本實施例中，阻尼收縮單元的后端蓋8上設置有限位螺栓11，以限位螺栓11限位活塞13的行程，限位螺栓11的軸向位置可調(diào)，使得可根據(jù)拉力數(shù)值范圍、工作氣壓范圍和彈簧17的伸長量調(diào)整合適的活塞行程，避免造成所述人工肌肉過分收縮；活塞13與活塞桿15通過內(nèi)六角螺栓12相連接。
[0047]在活塞13的外圓周面上環(huán)形槽中分別嵌裝有支撐環(huán)6和第一“O”型密封圈7 ;在活塞桿15與中端蓋2之間分別設置有“Y”型密封圈17及導套18，在活塞桿15與活塞13的貼合面設置有第二 “O”型密封圈14，在缸筒4兩端與后端蓋8和中端蓋2的貼合面分別設置密封墊3，用以防止所述阻尼收縮單元的缸筒前腔內(nèi)工作介質(zhì)泄露，提高工作效率。
【權利要求】
1.一種人工肌肉，其特征是:一個阻尼收縮單元(21)與一個彈性單元(22)構成串聯(lián)裝置，所述阻尼收縮單元長度Lc和彈性單元長度Ls之和是所述人工肌肉長度L，所述阻尼收縮單元和彈性單元都受到相等拉力，即所述人工肌肉所受拉力T。
2.根據(jù)權利要求1所述的人工肌肉，其特征是:所述彈性單元在拉力T作用下有伸長量ALs，拉力T與伸長量ALs的關系由所述彈性單元的結構和材料性質(zhì)的設計來確定和調(diào)節(jié)；所述阻尼收縮單元在工作介質(zhì)Pm作用下有收縮量Λ Lc、收縮速度V和阻礙收縮的拉力T ;所述拉力T、收縮量Λ Lc、工作介質(zhì)Pm、以及收縮速度V之間具有定量約束關系，所述定量約束關系通過阻尼收縮單元的結構和工作介質(zhì)Pm的設計來確定和調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權利要求2所述的人工肌肉，其特征是:所述人工肌肉的收縮量AL為: AL=A Lc- Δ Ls, 所述人工肌肉只能承受拉力，在應用范圍內(nèi)所述人工肌肉的伸長與收縮不再受其它結構上的約束；所述人工肌肉在所述阻尼收縮單元的工作介質(zhì)Pm作用下產(chǎn)生主動收縮并產(chǎn)生拉力T，主動收縮時人工肌肉的收縮量AL是正值，S卩ALc>ALs，并通過所述阻尼收縮單元與彈性單元的設計來實現(xiàn)；阻尼收縮單元工作介質(zhì)Pm不作用時，所述人工肌肉受外加拉力T被動拉動的作用，有被動伸長，收縮量AL是負值。
4.根據(jù)權利要求1所述的人工肌肉，其特征是:所述阻尼收縮單元工作介質(zhì)Pm包括氣、液和電磁。
5.一種以氣體作為工作介質(zhì)的人工肌肉，其特征是:一個具有缸筒活塞機構的阻尼收縮單元與一個彈性單元構成串聯(lián)裝置，阻尼收縮單元和彈性單元的總長度受拉力和工作氣壓的控制，不受其它約束。
6.根據(jù)權利要求5所述的人工肌肉，其特征是: 所述阻尼收縮單元設置為:后端蓋(8)和中端蓋(2)與缸筒(4)通過螺紋密封連接，與活塞(13)通過螺紋連接的活塞桿(15)貫穿中端蓋(2)，在中端蓋(2)上設置進氣接頭安裝孔(a);在后端蓋⑶上設置排氣口(b)； 所述彈性單元的結構設置為:在所述活塞桿(15)的內(nèi)部有空腔，其另一端與前端蓋(I)螺紋連接并穿過中端蓋(2);在所述活塞桿(15)中設置彈簧(5)，彈簧(5)的一端與活塞桿(15)內(nèi)的圓螺母(16)固定連接，另一端連接導桿(19);所述導桿(19)穿過前端蓋(I)并在位于活塞桿(15)外部桿端連接第一拉環(huán)(20)，在后端蓋(8)上通過固定支架(10)設置第二拉環(huán)。
7.根據(jù)權利要求6所述的人工肌肉，其特征是:所述阻尼收縮單元的后端蓋(8)設置有限位螺栓(11)，以限位螺栓(11)限位活塞(13)的行程，限位螺栓(11)的軸向位置可調(diào)；活塞(13)與活塞桿(15)通過內(nèi)六角螺栓(12)相連接。
8.根據(jù)權利要求6所述的人工肌肉，其特征是:在所述活塞(13)的外圓周面上環(huán)形槽中分別嵌裝有支撐環(huán)(6)和第一“O”型密封圈(7);在活塞桿(15)與中端蓋(2)之間分別設置有“Y”型密封圈(17)及導套(18)，在活塞桿(15)與活塞(13)的貼合面設置有第二“O”型密封圈(14)，在所述缸筒(4)的兩端與后端蓋(8)和中端蓋(2)的貼合面分別設置密封墊⑶。
【文檔編號】F15B15/14GK104196816SQ201410424839
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權日:2014年8月26日
【發(fā)明者】胡小春, 陳甦欣, 王玉琳, 代光輝, 劉俊杰 申請人:合肥工業(yè)大學