专利名称：一种人工管状肌肉及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及人工肌肉，尤其是一种人工管状肌肉及其应用。
目前人工肌肉的研制，一般是利用凝胶体的电化学特性，例如《美国化学文摘》上的文摘118103287h“Achemomechanlcal polymer gel with electrlcally drlven motlllty.”(译文一种具有电驱动性的化学机械聚合物凝胶体)。这种运用机械化学方法制造的人工肌肉虽然能够模拟天然肌肉的功能，但反应速度和收缩力还未达到天然肌肉的水平，特别是其复杂的制造工艺使其无法实现工业化应用。
本发明的目的就是提供一种在反应速度及力量上能达到，甚至超过天然肌肉，且易于工业化大规模生产的人工管状肌肉，以及该人工管状肌的应用。
本发明的人工管状肌肉是由橡胶或其他高分子弹性材料(如高顺丁胶、丁腈橡胶)和高强度纤维制成管状结构，纤维相对于管轴横向地均匀分布在管壁中，管状结构一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接，泵为液泵或气泵。人工管状肌肉在液泵或气泵的驱动及控制阀的调节下伸缩运动，由于横向纤维的束缚，管状肌肉在受到管内压力时无法横向扩张，只能纵向伸长。管状肌肉的伸张力取决于管子内径和管内的压力，管状肌肉的收缩力取决于管壁的横截面积、管壁材料的弹性模量及拉伸系数。
管状肌肉可以采用多层结构，它的外层是布满横向纤维的管状肌，它的内层较厚，由不含纤维的高分子弹性材料构成，内、外层所用的弹性材料可以不同，内层材料的弹性模量可较大。
本发明的人工管状肌肉根据不同的需要，可制成直径1毫米的细管，也可制成几十毫米的粗管，对于较粗的管状肌肉，为防止在受力弯曲时被折扁，可在管壁内安置螺旋形弹簧，螺旋弹簧的轴线与管轴重合，弹簧的直径等于或大于管状肌肉的内径，小于其外径。
本发明的人工管状肌肉可以制成均匀的管状结构，也可以根据需要制成变截面管状结构，即管状结构直径按一定规律变化。
本发明的人工管状肌肉使用时，将三根或三根以上的管状肌肉平行并联在一起，用弹性胶体粘连或注塑成一整体，各条管状肌肉内的压力独立控制，可实现并联管状肌肉的伸缩和任意方向的弯曲。
本发明的人工管状肌肉使用时，将两根或两根以上的管状肌肉用连接器串联起来，管状肌肉之间互不相通，其内部压力独立控制，可形成一根多节管状肌肉。
将三根或三根以上串联的管状肌肉并排粘连起来或注塑成一整体，称为人工象鼻，即柔性机械臂，它的每一节都可独立伸缩、弯曲，象蛇身和象鼻一样伸屈自如，为加强人工象鼻的整体性，可在并联的多节管状肌肉外围用横向纤维缠绕加固。
在上述人工象鼻中一端引出几根细小的人工象鼻，这些小象鼻的人工管状肌肉可分组独立控制，使其能协同动作，称为柔性机械手。
较粗的人工管状肌肉由于内部的压力显得有些僵硬，而很细的管状肌肉则可象玻璃纤维一样保持柔性。为此可将多根很细的管状肌并联起来，将开口的一端粘结在一起，共用一个喇叭形接口。并联管状肌的两端分别用纤维连接成两束，形成肌键。
本发明的人工管状肌肉与目前处于实验阶段的人工肌肉相比，不仅结构、制造工艺简单，而且其反应速度和收缩力都可超过其他人工肌肉和天然肌肉，特别是管状肌肉的强力伸张功能更是其他肌肉所没有的，由该人工管状肌肉制成的人工象鼻(柔性机械臂)、柔性机械手可自由伸缩，并向任意方向弯曲和扭转，可柔性地抓握任意形状的物品，能广泛地应用于柔性机器人，机械手、假肢、仿生玩具、道具等领域。
下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。
图1为人工管状肌肉结构示意图；图2为人工管状肌肉管壁内纤维分布图；图3为并联的人工管状肌肉示意图；图4为串联的人工管状肌肉示意图；图5为柔性机械臂示意图；图6为柔性机械手示意图；图7为仿真肌肉条示意图。
实施例1如图1、图2人工管状肌肉1由高分子材料和纤维制成管状结构，管壁3内均匀分布着横向纤维2，纤维2的分布可以是如图2a，环形分布于管壁3内，环形平面垂直于管轴；如图2b，螺旋形分布于管壁3内，纤维的螺距应远小于螺旋的直径；如图2c，纤维网状分布于管壁3内。人工管状肌肉的一端密封，另一端通过密封接口、软管、控制阀与气泵或液泵连接，人工管状肌肉在气泵或液泵的驱动及控制阀的调节下作伸缩运动。
人工管状肌肉可制成直径1毫米的细管，也制成几十毫米的粗管。对于较粗的管状肌肉可在其管壁内安置螺旋形弹簧，弹簧的轴线与管轴重合，弹簧的直径等于或大于管壁的内径，小于其外径，弹簧螺旋的螺距应小于螺旋直径的六分之一。
人工管状肌肉可以制成均匀的管状结构，也可制成变截面管状结构。
实施例2并联的人工管状肌肉如图3将三根人工管状肌肉1成品字并排在一起，用弹性胶体4把它们粘结成注塑成一体，并在其外围用纤维5缠绕加固。弹性胶体4可以采用与管状肌肉1相同的高分子材料，也可以采用弹性模量较小的材料。当三条管状肌肉内的压力以同样大小和速度增加或减小时，并联的管状肌肉伸长或收缩，当只有一侧的管状肌肉的压力增加时，则并联的管状肌肉向另一侧弯曲，压力减小时向同一侧的弯曲。
实施例3串联的人工管状肌肉如图4将两根人工管状肌肉各自的一端分别套在连接器6的两端，连接器6为刚性棒状结构，其中部设有连通嘴7，连接器6的一端为中空，连通嘴7与中空部相通，连通嘴7通过软管，控制阀与气泵或液泵相连，连接器6的两端及连通嘴7的外表面设有环形凸纹，人工管状肌肉套在连接器6上后用纤维束紧，以加强连接强度和密封性。
实施例4柔性机械臂(人工象鼻)。
如图5将串联的人工管状肌肉三根成品字并联在一起，用纤维将其缠绕，再用弹性胶体粘连成注塑成一整体，各管状肌肉内的压力独立控制，从而构成柔性机械臂8。为使柔性机械臂8能沿自身的轴线扭转，可在其外围缠绕人工管状肌肉9，当该管状肌肉伸长或收缩时，就可驱动柔性机械臂8扭转，如需产生较大的扭矩，可以缠绕多根管状肌肉，缠绕在柔性机械臂8外围的管状肌肉9也可用弹性胶体与机械臂8粘结或注塑成一整体。10为连接控制阀的软管截面。
实施例5柔性机械手如图6在一根较粗大的柔性机械臂11的一端引出几根细小的人工象鼻12，这几根细小的人工象鼻12构成柔性机械手指，这几根手指的根部夹在柔性机械臂前端的管状肌肉之间，并用纤维在周围缠绕捆束，整个柔性机械手用弹性胶体粘结或注塑为一整体。
实施例6一种仿真肌肉条如图7将多根很细的管状肌肉1并联起来，将开口的一端粘结在一起(13为粘结的部位)共用一个喇叭形接口14，该接口用不可拉伸的柔性材料制成，它与并联的管状肌肉之间是密封连接的。管状肌肉的两端分别用纤维连接在一起，形成两个纤维束15和16，纤维束15与喇叭形接口14胶结为一体。两个纤维束相当于肌腱，可将其固定于人造骨胳的相关部位。
权利要求
1.一种人工管状肌肉由橡胶或其他高分子弹性材料和纤维制成管状结构，纤维相对于管轴横向地均匀分布在管壁中，管状结构一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接。
2.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于管壁(3)内的纤维(2)可以呈环形分布或螺旋形分布或网状分布。
3.根据权利要求2所述的人工管状肌肉，其特征在于管壁(3)内安置螺旋形弹簧，弹簧的轴线与管轴重合，弹簧的直径等于或大于管壁(3)的内径，小于管壁(3)的外径，弹簧螺旋的螺距应小于螺旋直径的六分之一。
4.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于管壁可以由多层结构组成，它的外层是布满横向纤维的管状肌肉，内层由不含纤维的高分子弹性材料构成，内、外层的弹性材料可以不同。
5.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于管状肌肉可以制成均匀的管状结构，也可以制成变截面管状结构。
6.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于将三根或三根以上的管状肌肉平行并联在一起，用弹性胶体粘结或注塑成一个整体，并在外围用纤维缠绕加固。
7.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于将两根或两根以上的管状肌肉用连接器(6)串联起来，两条管状肌肉各自的一端分别套在连接器(6)的两端，连接器(6)为刚性棒状结构，其中部设有连通嘴(7)，连接器(6)的一端为中空，连通嘴(7)与中空部相通，连通嘴(7)通过软管、控制阀与泵相连。
8.一种由人工管状肌肉制成的柔性机械臂，其特征在于将三根或三根以上的串联人工管状肌肉并联在一起，用纤维缠绕，再用弹性胶体粘结或注塑成一整体。
9.一种由人工管状肌肉制成的柔性机械手，其特征在于将三根或三根以上的串联人工管状肌肉并联在一起，并在其一端引出几根细小的管状肌肉，用纤维缠绕，再用弹性胶体粘结或注塑成一整体。
10.根据权利要求8所述的柔性机械臂，其特征在于柔性机械臂(8)的外围缠绕有管状肌肉(9)。
11.一种由人工管状肌肉制成的仿真肌肉块，其特征在于将多根细小管状肌肉并联起来，将开口的一端粘结在一起，共用一个密封接口，并联管状肌肉的两端分别用纤维连接在一起，形成两个纤维束。
全文摘要
一种人工管状肌肉是由高分子弹性材料和纤维制成管状结构,纤维均匀分布在管壁中,管状结构一端封闭,另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接,管状肌肉在泵的驱动下沿管轴轴向伸缩,而不产生横向扩张,其不仅具有肌肉的柔韧性和收缩功能,而且具备独特的强力伸张功能。本发明的人工管状肌网可广泛应用于柔性机器人、机械手、假肢、仿生玩具、道具等领域,且易于制造、成本低廉,适于工业化大规模生产。
文档编号A61F2/08GK1171924SQ9711013
公开日1998年2月4日 申请日期1997年5月8日 优先权日1997年5月8日
发明者黄上立 申请人:黄上立