一种人工肌肉的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种人工肌肉，其特征是：一个阻尼收缩单元与一个弹性单元构成串联装置，阻尼收缩单元长度Lc和弹性单元长度Ls之和是人工肌肉长度L，阻尼收缩单元和弹性单元都受到相等拉力，即人工肌肉所受拉力T。本发明是一种对生物肌肉性能的仿生程度高、有精确控制方式和工作模型、动作响应时间短、性能稳定、易于调节、能量利用率和疲劳寿命高的人工肌肉。
【专利说明】—种人工肌肉
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种人工肌肉，尤其是符合Hill肌肉力学模型的人工肌肉，属于仿生机械领域。
【背景技术】
[0002]人或动物的运动系统是以骨骼及依附其上的肌肉(骨骼肌)为主要组成、受神经系统控制的运动系统。分布于动物全身的骨骼肌是动物运动系统的驱动器，将化学能转化为机械能而做功。骨骼肌在神经信号激励下主动收缩，通过拉力驱动骨骼关
[0003]节转动。骨骼肌的收缩速率、驱动拉力及神经信号激励的关系是研究动物和人的运动动力学的重要基础，在航空航天、运动、医学等众多方面有重要应用。1922年，Archibald Vivian Hill由于建立了关于肌肉收缩的宏观唯象理论而获得诺贝尔生理医学奖。骨骼肌能量利用率高达50%，直接驱动骨骼运动，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。作为对骨骼肌的仿生，人工肌肉越来越受到重视，在医疗器械、康复医疗、仿生、智能机器人、军用武器、航空航天等诸多领域将发挥很大的作用。
[0004]现有的人工肌肉分为材料收缩型和结构收缩型。材料收缩型人工肌肉以对周围环境有收缩反应的化合物为材料制成，将化学能或电能直接转化为机械能。结构收缩型人工肌肉以气动人工肌肉为代表，主要由内层气密弹性管和外层增强套管组成，两端封住，在气密弹性管内加压时，整个气动人工肌肉变粗变短，产生轴向缩短，拉动两端载荷。无论是材料收缩型还是结构收缩型，目前人工肌肉都是依靠材料形变产生轴向缩短，拉动两端载荷。存在的问题是:与Hill肌肉模型不相符，因此对生物骨骼肌性能的仿生程度不高；缺乏对收缩速度、收缩率和拉力及之间关系的精确控制方式，难以建立精准的工作模型；动作响应时间长、稳定性、适应性差，难以调节；能量利用效率和疲劳寿命不高。
【发明内容】
[0005]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种对生物肌肉性能的仿生程度高、有精确控制方式和工作模型、动作响应时间短、性能稳定、易于调节、能量利用率和疲劳寿命高的人工肌肉。
[0006]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0007]本发明人工肌肉的结构特点是:一个阻尼收缩单元与一个弹性单元构成串联装置，所述阻尼收缩单元长度Lc和弹性单元长度Ls之和是所述人工肌肉长度L，所述阻尼收缩单元和弹性单元都受到相等拉力，即所述人工肌肉所受拉力T。
[0008]本发明人工肌肉的结构特点也在于:所述弹性单元在拉力T作用下有伸长量ALs，拉力T与伸长量ALs的关系由所述弹性单元的结构和材料性质的设计来确定和调节；所述阻尼收缩单元在工作介质Pm作用下有收缩量Λ Lc、收缩速度V和阻碍收缩的拉力T ;所述拉力T、收缩量Λ Lc、工作介质Pm、以及收缩速度V之间具有定量约束关系，所述定量约束关系通过阻尼收缩单元的结构和工作介质Pm的设计来确定和调节。
[0009]本发明人工肌肉的结构特点还在于:所述人工肌肉的收缩量AL为:
[0010]AL= Δ Lc- Δ Ls,
[0011]所述人工肌肉只能承受拉力，在应用范围内所述人工肌肉的伸长与收缩不再受其它结构上的约束；所述人工肌肉在所述阻尼收缩单元的工作介质Pm作用下产生主动收缩并产生拉力T，主动收缩时人工肌肉的收缩量AL是正值，S卩ALc>ALs，并通过所述阻尼收缩单元与弹性单元的设计来实现；阻尼收缩单元工作介质Pm不作用时，所述人工肌肉受外加拉力T被动拉动的作用，有被动伸长，收缩量AL是负值。
[0012]本发明人工肌肉的结构特点还在于:所述阻尼收缩单元工作介质Pm包括气、液和电磁。
[0013]本发明以气体作为工作介质的人工肌肉的结构特点是:一个具有缸筒活塞机构的阻尼收缩单元与一个弹性单元构成串联装置，阻尼收缩单元和弹性单元的总长度受拉力和工作气压的控制，不受其它约束。
[0014]本发明以气体作为工作介质的人工肌肉的结构特点也在于:
[0015]所述阻尼收缩单元设置为:后端盖和中端盖与缸筒通过螺纹密封连接，与活塞通过螺纹连接的活塞杆贯穿中端盖，在中端盖上设置进气接头安装孔；在后端盖上设置排气Π ；
[0016]所述弹性单元的结构设置为:在所述活塞杆的内部有空腔，其另一端与前端盖螺纹连接并穿过中端盖；在所述活塞杆中设置弹簧，弹簧的一端与活塞杆内的圆螺母固定连接，另一端连接导杆；所述导杆穿过前端盖并在位于活塞杆外部杆端连接第一拉环，在后端盖上通过固定支架设置第二拉环。
[0017]本发明以气体作为工作介质的人工肌肉的结构特点还在于:
[0018]所述阻尼收缩单元的后端盖设置有限位螺栓，以限位螺栓限位活塞的行程，限位螺栓的轴向位置可调；活塞与活塞杆通过内六角螺栓相连接。
[0019]在所述活塞的外圆周面上环形槽中分别嵌装有支撑环和第一 “O”型密封圈；在活塞杆与中端盖之间分别设置有“Y”型密封圈及导套，在活塞杆与活塞的贴合面设置有第二“O”型密封圈，在所述缸筒的两端与后端盖和中端盖的贴合面分别设置密封垫。
[0020]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0021]1、本发明人工肌肉由一个阻尼收缩单元和一个弹性单元构成二元素串联装置，理论上与Hill的骨骼肌二元素功能模型相符，本发明人工肌肉的两个单元分别体现了骨骼肌肉的受激励收缩和具有弹性的特点，两者的串联更进一步体现了骨骼肌肉的具体特征。具体表现在:一是弹性单元的变形与工作介质参数无独立关系；二是拉力T的大小不能独立控制阻尼收缩单元的收缩量，因而就不能独立控制所述人工肌肉的收缩量；三是存在确定的所述人工肌肉收缩量Λ Lc、人工肌肉收缩速度V、拉力T与工作介质Pm之间的关系，从而可以建立精确工作模型和控制方式。因此能通过工作介质作用实现直线柔性收缩拉力驱动和控制，实现对骨骼肌驱动和控制机制的仿生，具有易于仿生骨骼肌肉的驱动和控制机制的优点。
[0022]2、本发明的基本组成是阻尼收缩单元和弹性单元，其动作响应时间短，性能稳定、易于调节，能量利用率高，疲劳寿命长。
[0023]3、本发明结构简单，但可承载大拉力；其中的阻尼收缩单元适应工作介质范围广、具有可调节性，收缩率可以很大；因此具有拉力质量比大、收缩比大和速度可调的特点。
[0024]4.本发明人工肌肉的驱动和控制特性可通过阻尼收缩单元和弹性单元的参数设计实现定制获得各种性质、形状和尺寸的人工肌肉，具有易于设计和调节的特点、可以广泛应用在仿生机器人、工业机器人、辅助医疗器械、以及其它领域，作为仿生骨骼肌肉性能的直线柔性收缩拉力驱动器。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明人工肌肉结构示意图；
[0026]图2为本发明的工作介质为气体的气动人工肌肉机构示意图；
[0027]图3为本发明的气动人工肌肉在工作气压PO = 0，拉力T = O的状态示意图；
[0028]图4为本发明的气动人工肌肉在工作气压p0 = O,拉力T古O的状态示意图；
[0029]图5为本发明的气动人工肌肉在工作气压为pl，拉力为Tl的状态示意图；
[0030]图6为本发明的气动人工肌肉在工作气压为p2，拉力为T2的状态，并有P2>P1，T2>T1 ；
[0031]图中标号:1前端盖，2中端盖,3密封垫,4缸筒,5弹簧,6支撑环,7第一“O”型密封圈，8后端盖，9节流式消声器，10固定支架，11限位螺栓，12内六角螺栓，13活塞，14第二“O”型密封圈，15活塞杆，16圆螺母，17 “Y”型密封圈，18导套，19导杆，20拉环，a进气接头安装孔，b排气口，21阻尼收缩单元，22弹性单元。
【具体实施方式】
[0032]参见图1，本实施例中人工肌肉的结构形式是:一个阻尼收缩单元21与一个弹性单元22构成串联装置，阻尼收缩单元长度Lc和弹性单元长度Ls之和是人工肌肉长度L，阻尼收缩单元和弹性单元都受到相等拉力，即所述人工肌肉所受拉力T。
[0033]本实施例中，弹性单元在拉力T作用下有伸长量ALs，拉力T与伸长量ALs的关系由所述弹性单元的结构和材料性质的设计来确定和调节；阻尼收缩单元在工作介质Pm作用下有收缩量Λ Lc、收缩速度V和阻碍收缩的拉力T ;所述拉力T、收缩量ALc、工作介质Pm、以及收缩速度V之间具有定量约束关系，所述定量约束关系通过阻尼收缩单元的结构和工作介质Pm的设计来确定和调节。
[0034]人工肌肉的收缩量AL为:AL = Λ Lc-Λ Ls，人工肌肉只能承受拉力，在应用范围内所述人工肌肉的伸长与收缩不再受其它结构上的约束；人工肌肉在所述阻尼收缩单元的工作介质Pm作用下产生主动收缩并产生拉力T，主动收缩时人工肌肉的收缩量Λ L是正值，g卩Λ Lc> Λ Ls，并通过所述阻尼收缩单元与弹性单元的设计来实现；阻尼收缩单元工作介质Pm不作用时,所述人工肌肉受外加拉力T被动拉动的作用,有被动伸长,收缩量AL是负值。
[0035]阻尼收缩单元工作介质Pm包括气、液和电磁。
[0036]本实施例中人工肌肉的具体结构形式如图2所示:
[0037]参见图2，本实施例中以气体作为工作介质的人工肌肉的结构形式是:一个具有缸筒活塞机构的阻尼收缩单元与一个弹性单元构成串联装置，阻尼收缩单元和弹性单元的总长度受拉力和工作气压的控制，不受其它约束。由于阻尼收缩单元和弹性单元是串联连接，两者所受拉力相同，两者在长度方向的变形构成所述人工肌肉的长度变化。这与在气缸内嵌入活塞复位弹簧的气缸的作用和效果有本质不同。
[0038]如图2所示，阻尼收缩单元设置为:后端盖8和中端盖2与缸筒4通过螺纹密封连接，与活塞13通过螺纹连接的活塞杆15贯穿中端盖2，在中端盖2上设置进气接头安装孔a，用于固定设置导管接头，用于导入工作介质的介质软管穿过软管通孔a，并连接在导管接头上，工作介质采用经过滤后的压缩空气，经导管由孔a进入前腔；在后端盖8上设置排气Π b,
[0039]用于活塞移动时后腔的进排气；在排气口 b上通过螺纹连接设置节流式消声器9，通过调节节流式消声器9的旋钮，可改变后腔进排气量大小，可以预先调节获得一种对活塞13移动速度V的限制，有助于调整所述阻尼收缩单元的适用范围，并降低噪音。后腔气体由排气口 b处经节流式消声器9排出。
[0040]弹性单元的结构设置为:活塞杆15的内部有空腔，其另一端与前端盖I螺纹连接并穿过中端盖2 ;在活塞杆15中设置弹簧5，弹簧5的一端与活塞杆15内的圆螺母16固定连接，另一端连接导杆19，实现阻尼收缩单元与弹性单元的串联；导杆19穿过前端盖I并在位于活塞杆15外部杆端连接第一拉环20，在后端盖8上通过固定支架10设置第二拉环，两拉环与外部机构连接，承受相向拉力T。
[0041]在气动人工肌肉工作时，第一拉环20和第二拉环承受相向拉力T，即活塞杆与弹簧同时都受到拉力T。两者之间的距离记为L，第二拉环与弹簧与活塞杆连接处之间的距离即是阻尼收缩单元的长度，记为Lc，弹簧与活塞杆连接处与第一拉环20之间的距离记为Ls，气动人工肌肉总长度记为L，有L = Lc+Ls。工作气压的充气与停气状态相当于人工肌肉的激活与静息状态。
[0042]参见图3和图4，人工肌肉在静息状态时，即工作气压P = O时，与生物肌肉有近似的能够被动伸长的功能:活塞在缸体前端，当拉力T = 0，弹簧呈收缩状态；当拉力T古O时，弹簧被动伸长ALs ;对于确定的弹簧刚性系数和长度，弹簧的伸长量ALs与拉力T成正比。
[0043]人工肌肉在激活状态时，参见图5和图6，工作气压P古O由孔a进入前腔，推动活塞和活塞杆向后腔移动导致阻尼收缩单元的收缩量ALc,拉力T使弹簧被动伸长ALs，通过对缸筒活塞机构和弹簧的设计可使得ALc>ALs;人工肌肉的总长度收缩量AL是阻尼收缩单兀的收缩量ALc与弹簧伸长量ALs之差，S卩AL = ALc_ALs>0。
[0044]生物骨骼肌肉的一个重要特性是在激活状态时，与长度收缩量相对应的肌肉拉力的大小不是唯一确定，还同时与所受激励大小成正比关系。所述人工肌肉在激活状态时，具有相似关系模式:与人工肌肉总长度收缩量AL相对应的拉力T的大小不是唯一确定，还同时与工作气压P大小成正比关系，参见图5和图6，虽然在两种情况下人工肌肉的总长度收缩量相同，但是图5中阻尼收缩单元产生较小的收缩量ALc、弹簧也产生较小的伸长量Λ Ls，表明作用于活塞的工作气压P和肌肉拉力T都比较小，而图6中工作气压P和肌肉拉力T都比较大，说明对应给定的人工肌肉长度收缩量，肌肉拉力T和工作气压P两者之间有正比关系。所述人工肌肉这个特性为生物仿生机械的仿生驱动和仿生控制提供基础。
[0045]当活塞受工作气压面积及活塞所受摩擦阻力为确定，阻尼收缩单元的收缩速度，即活塞移动速度V，主要与拉力T、前腔工作气压p、后腔气体排出速度有关；阻尼收缩单元的收缩量ALc是活塞的移动速度V对时间的积分；弹簧的伸长量ALs，在弹簧弹性系数和弹簧长度确定情况下，是拉力T的函数，可见气动人工肌肉的总长度收缩量与拉力T、收缩速度V和工作气压P四者之间的关系与人体肌肉的具有近似关系模式，可通过调整有关参数达到最佳近似，实现对人工肌肉性质的设计；实现仿生人体肌肉控制行为对人工肌肉工作状态的控制。
[0046]本实施例中，阻尼收缩单元的后端盖8上设置有限位螺栓11，以限位螺栓11限位活塞13的行程，限位螺栓11的轴向位置可调，使得可根据拉力数值范围、工作气压范围和弹簧17的伸长量调整合适的活塞行程，避免造成所述人工肌肉过分收缩；活塞13与活塞杆15通过内六角螺栓12相连接。
[0047]在活塞13的外圆周面上环形槽中分别嵌装有支撑环6和第一“O”型密封圈7 ;在活塞杆15与中端盖2之间分别设置有“Y”型密封圈17及导套18，在活塞杆15与活塞13的贴合面设置有第二 “O”型密封圈14，在缸筒4两端与后端盖8和中端盖2的贴合面分别设置密封垫3，用以防止所述阻尼收缩单元的缸筒前腔内工作介质泄露，提高工作效率。
【权利要求】
1.一种人工肌肉，其特征是:一个阻尼收缩单元(21)与一个弹性单元(22)构成串联装置，所述阻尼收缩单元长度Lc和弹性单元长度Ls之和是所述人工肌肉长度L，所述阻尼收缩单元和弹性单元都受到相等拉力，即所述人工肌肉所受拉力T。
2.根据权利要求1所述的人工肌肉，其特征是:所述弹性单元在拉力T作用下有伸长量ALs，拉力T与伸长量ALs的关系由所述弹性单元的结构和材料性质的设计来确定和调节；所述阻尼收缩单元在工作介质Pm作用下有收缩量Λ Lc、收缩速度V和阻碍收缩的拉力T ;所述拉力T、收缩量Λ Lc、工作介质Pm、以及收缩速度V之间具有定量约束关系，所述定量约束关系通过阻尼收缩单元的结构和工作介质Pm的设计来确定和调节。
3.根据权利要求2所述的人工肌肉，其特征是:所述人工肌肉的收缩量AL为: AL=A Lc- Δ Ls, 所述人工肌肉只能承受拉力，在应用范围内所述人工肌肉的伸长与收缩不再受其它结构上的约束；所述人工肌肉在所述阻尼收缩单元的工作介质Pm作用下产生主动收缩并产生拉力T，主动收缩时人工肌肉的收缩量AL是正值，S卩ALc>ALs，并通过所述阻尼收缩单元与弹性单元的设计来实现；阻尼收缩单元工作介质Pm不作用时，所述人工肌肉受外加拉力T被动拉动的作用，有被动伸长，收缩量AL是负值。
4.根据权利要求1所述的人工肌肉，其特征是:所述阻尼收缩单元工作介质Pm包括气、液和电磁。
5.一种以气体作为工作介质的人工肌肉，其特征是:一个具有缸筒活塞机构的阻尼收缩单元与一个弹性单元构成串联装置，阻尼收缩单元和弹性单元的总长度受拉力和工作气压的控制，不受其它约束。
6.根据权利要求5所述的人工肌肉，其特征是: 所述阻尼收缩单元设置为:后端盖(8)和中端盖(2)与缸筒(4)通过螺纹密封连接，与活塞(13)通过螺纹连接的活塞杆(15)贯穿中端盖(2)，在中端盖(2)上设置进气接头安装孔(a);在后端盖⑶上设置排气口(b)； 所述弹性单元的结构设置为:在所述活塞杆(15)的内部有空腔，其另一端与前端盖(I)螺纹连接并穿过中端盖(2);在所述活塞杆(15)中设置弹簧(5)，弹簧(5)的一端与活塞杆(15)内的圆螺母(16)固定连接，另一端连接导杆(19);所述导杆(19)穿过前端盖(I)并在位于活塞杆(15)外部杆端连接第一拉环(20)，在后端盖(8)上通过固定支架(10)设置第二拉环。
7.根据权利要求6所述的人工肌肉，其特征是:所述阻尼收缩单元的后端盖(8)设置有限位螺栓(11)，以限位螺栓(11)限位活塞(13)的行程，限位螺栓(11)的轴向位置可调；活塞(13)与活塞杆(15)通过内六角螺栓(12)相连接。
8.根据权利要求6所述的人工肌肉，其特征是:在所述活塞(13)的外圆周面上环形槽中分别嵌装有支撑环(6)和第一“O”型密封圈(7);在活塞杆(15)与中端盖(2)之间分别设置有“Y”型密封圈(17)及导套(18)，在活塞杆(15)与活塞(13)的贴合面设置有第二“O”型密封圈(14)，在所述缸筒(4)的两端与后端盖(8)和中端盖(2)的贴合面分别设置密封垫⑶。
【文档编号】F15B15/14GK104196816SQ201410424839
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】胡小春, 陈甦欣, 王玉琳, 代光辉, 刘俊杰 申请人:合肥工业大学