一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉及制造方法与流程

本发明涉及仿生领域，更具体的说是一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉及制造方法。

背景技术：

现代，随着技术的不断进步以及人类生活水平的不断提升，机器人技术的关注重点已经从传统的工厂机器人转移到现代的生活机器人，前者主要是在工厂中替代人类进行一些繁重、简单、精确的重复工作，该类型机器人智能比较低下，基本没有自主工作能力，主要依靠人类直接指令或事先编制好的程序进行工作；后者主要是在人类的日常生活中辅助人类活动，参与决策制定，使人们生活得更加方便和安全，该类型机器人要求具备一定的智能，可以感知外界的环境信息，并且根据感知信息做出决策，另外还要求具有和人类进行直接交互的能力。传统机器人在硬件构造上一般很难满足智能机器人的要求，为了更好地研究人体的运动机理和过程，使机械手臂更加灵巧、自然地像人体手臂一样运动，并且实现更多种类物品的抓取，采用骨骼肌肉模型来构建智能机械臂是非常必要的。

肌肉是人体运动系统的动力来源。多条肌肉在运动中枢神经的控制下协同收缩、舒张、配合和协调，从而使人体能够使完成各种动作。

一般来说，人的肌肉存在两个重要的特性，其一是收缩特性，自然舒张的肌肉具有最长的长度，当肌肉细胞接收到电信号刺激之后，肌肉发生收缩，从而产生收缩力来驱动躯干或器官工作；其二是非线性特性，肌肉新报受到的信号强度和收缩长度并不是线性相关的，同时不同部位的肌肉细胞的非线性特征也不同。

关于第一个特性，它在现实中是非常容易实现的，在20世纪五六十年代，人们就造出了一种名叫mckibben的气动肌肉，它由一个可以膨胀的中空管和一个外围编制网鞘组成，当向中空管充气时，该气动肌肉发生横向膨胀从而导致径向的收缩，而且中空管的气压和收缩比近似为线性关系。随着材料和工艺上的进步，目前以日本东京理工大学为代表的一些研究单位已经研究出性质和质量非常优异的mckibben气动肌肉。用于解决传统机械臂无法完成过于复杂的任务的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉及制造方法，可以通过进气圆筒体上固定连接有进气软管将气体通入多个气动肌肉单丝内，内部硅胶软管通气进行横向膨胀拉近固定圆筒和进气圆筒之间的相对距离模拟人体肌肉，多个气动肌肉单丝之间相对独立，采用多个气动肌肉单丝集成肌肉束的方式来模拟人类肌肉，在气动肌肉单丝膨胀收缩的过程中，会相互挤压，从而可以产生更大的收缩，从而产生更好的收缩。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，包括进气圆筒、固定圆筒和气动肌肉单丝，所述进气圆筒和固定圆筒之间固定连接有多个气动肌肉单丝，气动肌肉单丝通气横向膨胀。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，所述气动肌肉单丝包括内部硅胶软管和外部套筒。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，所述内部硅胶软管的内径为0.5至2.0mm，内部硅胶软管的外径为1.2至2.4mm。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，所述外部套筒为24根纤维单丝编织成的编织网，其中编织角为15-30°，纤维单丝为直径0.1-0.15mm的pet单丝，外部套筒的内圈与内部硅胶软管的外圈接触。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，所述进气圆筒包括进气圆筒体、安装止口、支撑定位板ⅰ和安装孔ⅰ，进气圆筒体上设置有安装止口，进气圆筒体上固定连接有支撑定位板ⅰ，支撑定位板ⅰ上设置有多个安装孔ⅰ，进气圆筒体上固定连接有进气软管。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，所述固定圆筒包括固定圆筒体、支撑定位板ⅱ和安装孔ⅱ，固定圆筒体上固定连接有支撑定位板ⅱ，支撑定位板ⅱ上设置有多个安装孔ⅱ，多个气动肌肉单丝的一端分别固定连接在多个安装孔ⅰ内，多个气动肌肉单丝的另一端分别固定连接在多个安装孔ⅱ内。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，所述基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉还包括封盖，封盖设置有两个，一个封盖通过安装止口固定连接在进气圆筒体上，另一个封盖固定连接在固定圆筒体上。

一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉的制造方法，该基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉的制造方法包括以下步骤：

步骤一：将内部硅胶软管开口处外部套筒上的纤维单丝拧细，采用胶水点定，使内部硅胶软管穿过孔安装孔ⅰ和安装孔ⅱ；

步骤二：将支撑定位板ⅰ和支撑定位板ⅱ放置在一起至贴合，使孔安装孔ⅰ和安装孔ⅱ同轴设置，内部硅胶软管同时穿过孔安装孔ⅰ和安装孔ⅱ，防止错位，多个内部硅胶软管安装完成时，拉开支撑定位板ⅰ和支撑定位板ⅱ达到使用长度；

步骤三：将支撑定位板ⅰ和内部硅胶软管进行定位，用速干胶对安装孔ⅰ进行初次胶封，再进行树脂胶的浇注，防止漏胶事故的发生；

步骤四：保证内部硅胶软管开口和进气圆筒体上固定连接的进气软管通畅，进行内部硅胶软管的固定要把内部硅胶软管和进气圆筒体上固定连接的进气软管高出封盖3cm，在第一阶段胶水凝固后再进行第二次浇注，将两个封盖分别通过胶水固定连接在进气圆筒体和固定圆筒体上，对于两个封盖、进气圆筒体和固定圆筒体的接触面进行胶水涂刷以及接缝的封闭。

本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉及制造方法的有益效果为：

本发明一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉及制造方法，可以通过进气圆筒体上固定连接有进气软管将气体通入多个气动肌肉单丝内，内部硅胶软管通气进行横向膨胀拉近固定圆筒和进气圆筒之间的相对距离模拟人体肌肉，多个气动肌肉单丝之间相对独立，采用多个气动肌肉单丝集成肌肉束的方式来模拟人类肌肉，在气动肌肉单丝膨胀收缩的过程中，会相互挤压，从而可以产生更大的收缩，从而产生更好的收缩。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉整体结构示意图一；

图2是本发明的基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉整体结构示意图二；

图3是本发明的进气圆筒结构示意图；

图4是本发明的固定圆筒结构示意图；

图5是本发明的气动肌肉单丝结构示意图。

图中：进气圆筒1；进气圆筒体1-1；安装止口1-2；支撑定位板ⅰ1-3；安装孔ⅰ1-4；固定圆筒2；固定圆筒体2-1；支撑定位板ⅱ2-2；安装孔ⅱ2-3；气动肌肉单丝3；内部硅胶软管3-1；外部套筒3-2；封盖4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

下面结合图1-5说明本实施方式，一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉，包括进气圆筒1、固定圆筒2和气动肌肉单丝3，所述进气圆筒1和固定圆筒2之间固定连接有多个气动肌肉单丝3，气动肌肉单丝3通气横向膨胀；可以通过进气圆筒体1上固定连接有进气软管将气体通入多个气动肌肉单丝3内，内部硅胶软管3-1通气进行横向膨胀拉近固定圆筒1和进气圆筒2之间的相对距离模拟人体肌肉，多个气动肌肉单丝3之间相对独立，采用多个气动肌肉单丝3集成肌肉束的方式来模拟人类肌肉，在气动肌肉单丝3膨胀收缩的过程中，会相互挤压，从而可以产生更大的收缩，从而产生更好的收缩。

所述气动肌肉单丝3包括内部硅胶软管3-1和外部套筒3-2。

所述内部硅胶软管3-1的内径为0.5至2.0mm，内部硅胶软管3-1的外径为1.2至2.4mm。

所述外部套筒3-2为24根纤维单丝编织成的编织网，其中编织角为15-30°，纤维单丝为直径0.1-0.15mm的pet单丝，外部套筒3-2的内圈与内部硅胶软管3-1的外圈接触，外部套筒3-2为24根纤维单丝编织成的编织网，其中编织角为15-30°，纤维单丝为直径0.1-0.15mm的pet单丝，外部套筒3-2的内圈与内部硅胶软管3-1的外圈接触，在气动肌肉单丝3的制作过程中，要控制内部硅胶软管3-1的尺寸、邵氏硬度，pet单丝尺寸以及编织角之间的关系，从而使得气动肌肉单丝3可以承受更高的气压以及更有效的收缩，内部硅胶软管3-1外径越小，气动肌肉单丝3可以承受更高的拉力气压或负载，但是会导致壁厚较大，导致收缩率较小，内部硅胶软管3-1的邵氏硬度反应气动肌肉单丝3在截面方向上的弹性，硬度越大，肌肉越容易膨胀和轴向的收缩，但是会更加易破，pet单丝尺寸越大，对于内部硅胶软管3-1的保护越好，但是会抑制气动肌肉单丝3的收缩，编织角越大，编织网套越密集，可以提高气动肌肉单丝3的承压能力，但是收缩性能会减小，通过实验和分析，结合加工过程中的工艺限制，找到一组比较合适的参数，内部硅胶软管3-1内径0.5-2.0mm，外径1.2-2.4mm，邵氏硬度30-50绍尔，pet单丝直径0.1-0.15mm，编织角15-30°，在此条件下，气动肌肉单丝3可以承受大约0.5mpa的气压，收缩率可以到30％-35％。

所述进气圆筒1包括进气圆筒体1-1、安装止口1-2、支撑定位板ⅰ1-3和安装孔ⅰ1-4，进气圆筒体1-1上设置有安装止口1-2，进气圆筒体1-1上固定连接有支撑定位板ⅰ1-3，支撑定位板ⅰ1-3上设置有多个安装孔ⅰ1-4，进气圆筒体1-1上固定连接有进气软管。

所述固定圆筒2包括固定圆筒体2-1、支撑定位板ⅱ2-2和安装孔ⅱ2-3，固定圆筒体2-1上固定连接有支撑定位板ⅱ2-2，支撑定位板ⅱ2-2上设置有多个安装孔ⅱ2-3，多个气动肌肉单丝3的一端分别固定连接在多个安装孔ⅰ1-4内，多个气动肌肉单丝3的另一端分别固定连接在多个安装孔ⅱ2-3内；进气圆筒1和固定圆筒2采用pla聚乳酸塑料材质，保证强度的前提下具有更轻的重量；进气圆筒1和固定圆筒2两端的安装孔ⅰ1-4和安装孔ⅱ2-3一一对应，使得气动肌肉单丝3保持次序，不会相互缠绕；进气圆筒1和固定圆筒2上设置有安装孔ⅰ1-4和安装孔ⅱ2-3使得每个气动肌肉单丝3之间存在一定的空隙，一方面提供了膨胀收缩的空间，另一方面也可以使得树脂胶顺利流动到各个气动肌肉单丝3四周，保证了进气圆筒1和固定圆筒2的气密性。

所述基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉还包括封盖4，封盖4设置有两个，一个封盖4通过安装止口1-2固定连接在进气圆筒体1-1上，另一个封盖4固定连接在固定圆筒体2-1上。

一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉的制造方法，其特征在于：所述制造基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉的方法包括以下步骤：

步骤一：内部硅胶软管3-1穿过孔安装孔ⅰ1-4和安装孔ⅱ2-3，采用的方式是将内部硅胶软管3-1开口处外部套筒3-2上的纤维单丝拧细，采用胶水点定，内部硅胶软管3-1穿过孔安装孔ⅰ1-4和安装孔ⅱ2-3；

步骤二：内部硅胶软管3-1穿过孔安装孔ⅰ1-4和安装孔ⅱ2-3，将支撑定位板ⅰ1-3和支撑定位板ⅱ2-2放置一起紧密贴合，使孔安装孔ⅰ1-4和安装孔ⅱ2-3同轴设置，内部硅胶软管3-1同时穿过孔安装孔ⅰ1-4和安装孔ⅱ2-3防止错位，多个内部硅胶软管3-1安装完成时，拉开支撑定位板ⅰ1-3和支撑定位板ⅱ2-2达到使用长度；

步骤三：将支撑定位板ⅰ1-3和内部硅胶软管3-1进行定位，用速干胶对安装孔ⅰ1-4进行初次胶封，再进行树脂胶的浇注，防止漏胶事故的发生；采用液体树脂胶进行胶封，保证了胶封的强度，另外因为液体树脂胶的流动性，又保证了胶封的气密性；

步骤四：内部硅胶软管3-1的固定，保证里面的内部硅胶软管3-1开口和进气圆筒体1-1上固定连接的进气软管通畅，进行内部硅胶软管3-1的固定要把内部硅胶软管3-1和进气圆筒体1-1上固定连接的进气软管高出封盖3cm，浇注高度也要留出1/3的余量，在第一阶段胶水凝固后再进行第二次浇注，将两个封盖4分别通过胶水固定连接在进气圆筒体1-1和固定圆筒体2-1上，对于两个封盖4、进气圆筒体1-1和固定圆筒体2-1的接触面进行胶水涂刷以及接缝的封闭。

本发明的一种基于骨骼肌肉模型的仿生肌肉及制造方法，其工作原理为：

可以通过进气圆筒体1上固定连接有进气软管将气体通入多个气动肌肉单丝3内，内部硅胶软管3-1通气进行横向膨胀拉近固定圆筒1和进气圆筒2之间的相对距离模拟人体肌肉，多个气动肌肉单丝3之间相对独立，采用多个气动肌肉单丝3集成肌肉束的方式来模拟人类肌肉，在气动肌肉单丝3膨胀收缩的过程中，会相互挤压，从而可以产生更大的收缩，从而产生更好的收缩；每个气动肌肉单丝3都由内部硅胶软管3-1和外部套筒3-2组成；多气动肌肉单丝3之间相对独立，如果有一个气动肌肉单丝3破损，本发明可以通过封闭该气动肌肉单丝3使得剩下的气动肌肉单丝3仍然可以正常工作；外部套筒3-2为24根纤维单丝编织成的编织网，其中编织角为15-30°，维单丝为直径0.1-0.15mm的pet单丝，外部套筒3-2的内圈与内部硅胶软管3-1的外圈接触，在气动肌肉单丝3的制作过程中，要控制内部硅胶软管3-1的尺寸、邵氏硬度，pet单丝尺寸以及编织角之间的关系，从而使得气动肌肉单丝3可以承受更高的气压以及更有效的收缩，内部硅胶软管3-1外径越小，气动肌肉单丝3可以承受更高的拉力气压或负载，但是会导致壁厚较大，导致收缩率较小，内部硅胶软管3-1的邵氏硬度反应气动肌肉单丝3在截面方向上的弹性，硬度越大，肌肉越容易膨胀和轴向的收缩，但是会更加易破，pet单丝尺寸越大，对于内部硅胶软管3-1的保护越好，但是会抑制气动肌肉单丝3的收缩，编织角越大，编织网套越密集，可以提高气动肌肉单丝3的承压能力，但是收缩性能会减小，通过实验和分析，结合加工过程中的工艺限制，找到一组比较合适的参数，内部硅胶软管3-1内径0.5-2.0mm，外径1.2-2.4mm，邵氏硬度30-50绍尔，pet单丝直径0.1-0.15mm，编织角15-30°，在此条件下，气动肌肉单丝3可以承受大约0.5mpa的气压，收缩率可以到30％-35％。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。