一种双开口直纤维型软接头人工肌肉的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双开口直纤维型软接头人工肌肉，包括内层胶管、沿轴向设置在所述内层胶管外侧的多根直纤维、在中部横向约束直纤维的防变形线、位于直纤维两端并与之一体的端部固定线、在两端横向约束直纤维的密封端压紧线，所述的直纤维包裹内层胶管中部，内层胶管没有被直纤维包裹的部分，则用外部承压紧密线紧密缠绕，组成导液管，密封端压紧线邻近端部固定线设置，将直纤维缠绕在内层硅胶管上。本发明连接更加柔顺、不易损坏，可实现肌肉与驱动对象柔性连接。
【专利说明】
一种双开口直纤维型软接头人工肌肉
技术领域
[0001]本发明涉及机器人、康复医疗器械、特种作业机械手以及自动化生产线等领域应用的驱动人工肌肉，特别是一种全软的双开口直纤维型软接头人工肌肉。【背景技术】
[0002]人工肌肉具有输出力与质量比大在医疗康复器械以及机器人关节驱动中，人工肌肉得到广泛应用。人工肌肉内部充入一定压力的气体后，轴向收缩，径向膨胀，产生收缩力。 传统人工肌肉包括三部分，两端的接头，内部橡胶管和外边的直纤维。人工肌肉接头部分的连接主要依靠接头与直纤维以及橡胶管的摩擦力。现有人工肌肉多数为单开口，即只有一个接头是作为通气的部分，另一个接头主要用来密封和连接外部负载。因此，人工肌肉内部就有一部分气体不流通，当人工肌肉长时间做往复运动时，该部分气体的温度会逐渐升高， 这严重影响了人工肌肉的使用寿命。本发明中，两端都开口，通过控制两端的压力差来实现控制人工肌肉的内部压强，这样不仅可以精确的控制压强还可以实现内部气体的流通，防止温度过高影响肌肉的寿命。
[0003]随着可穿戴式医疗器械的发展，软体医疗器械已成为一个热门。人工肌肉是医疗器械上的驱动单元。双开口软接头人工肌肉不仅实现全软结构，还能够实现内部流体循环使用。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明提供一种两端都是开口，连接更加柔顺、不易损坏，可实现肌肉与驱动对象柔性连接的双开口软接头人工肌肉。
[0005]技术方案:本发明的双开口直纤维型软接头人工肌肉，包括内层胶管、沿轴向设置在所述内层胶管外侧的多根直纤维、在中部横向约束直纤维的防变形线、位于直纤维两端并与之一体的端部固定线、在两端横向约束直纤维的密封端压紧线，所述的直纤维包裹内层胶管中部，内层胶管没有被直纤维包裹的部分，则用外部承压紧密线紧密缠绕，组成导液管，密封端压紧线邻近端部固定线设置，缠绕在所有直纤维外侧，将其约束内层硅胶管上。
[0006]进一步的，本发明中所述直纤维为硬质材料制成。
[0007]进一步的，本发明中所述直纤维为软质材料制成，内层胶管外侧设置有外层胶管 2,直纤维3布设在内层胶管与外层胶管之间。
[0008]进一步的，本发明中所述外层胶管与内层胶管为整体制作而成，直纤维嵌入到其中。
[0009]进一步的，本发明中所述外层胶管的两端分别与直纤维3的两端对齐。
[0010]进一步的，本发明中所有直纤维、端部固定线由一根纤维编织而成。
[0011]进一步的，本发明中所述端部固定线均是由纤维折返形成的U形线，每根U形线的两个端部分别对应连接一根直纤维。
[0012]进一步的，本发明中所述直纤维与所对应连接的端部固定线由一根纤维编织为一体。
[0013]本发明中，两端都为开口的内层胶管、部分包裹所述内层胶管外侧的直纤维。设置所述直纤维的外层胶管的两端分别于直纤维的两端对齐。所述端部固定线以及直纤维是有一根纤维或者多根纤维编织而成，固定线分别从外层胶管端部起始，位于内层胶管的两端之间并与直纤维一体的端部固定线是由直纤维的纤维折返形成的U形线。所述直纤维从内层胶管的中间部位，包裹在内层胶管外侧，内层胶管没有被直纤维包裹的部分，则用外部承压紧密线紧密缠绕，位于内层胶管端部并缠绕在外层胶管外侧的端部压紧线是从外层胶管端部起往外层胶管中部方向紧密缠绕。
[0014]直纤维在位于内层胶管的一端长于外层胶管的部分构成端部固定线。缠绕在外层胶管外侧，并且在外层胶管中部有防变形线。所述的内层胶管两端都有一定的伸出量，这部分外侧用外部承压紧密线紧密缠绕，组成导液管。由内层胶管、直纤维和外层胶管在两端压紧线之间组成可膨胀部分。由内层胶管与其外部的承压紧密线在端部压紧线远离直纤维的部分组成不可膨胀部分。这样，当从导液管通入一定压力的液体或者气体时，承压管不会发生变形，可作为导液管或导气管，输送液体或者气体进入到肌肉的直纤维部分，在内部压力的作用下，在径向发生膨胀，轴向缩短。防变形线用来防止肌肉的过大。工作时，充入液压或气压的，控制两端的压强，使中间部分产生压强差，弹性胶管与高强度直纤维随之发生变形，使双开口直纤维型软接头人工肌肉的直径增大，长度缩短，进而对两端固定线连接的驱动对象产生拉力作用。防变形线用来防止肌肉在径向发生过大变形。直纤维部分能径向膨胀，外部承压紧密线部分不能够膨胀。中间层的直纤维、固定线、端部压紧线以及外部承压紧密线是一个整体，因此构成双开口直纤维型软接头人工肌肉。两端的固定线、两端压紧线以及直纤维构成软接头，与外部驱动对象相连接。
[0015]本发明的双开口直纤维型软接头人工肌肉是将传统的传统的单开口人工肌肉改变为采用软接头的双开口人工肌肉，设计成由直纤维纤维以及压紧线组成的具有两个开口结构，该结构只包含直纤维纤维和胶管，不需要添加其他材料，可以得到了真正的软体驱动单元，并且不会产生温度骤升现象。
[0016]本发明工作时，两端固定线用于连接驱动对象，外部承压紧密线压紧导液管，两个开口分别连接有压力控制阀，精确控制肌肉内部的压力差，使肌肉内部达到一定的压力。当肌肉内部达到一压力时，弹性胶管与高强度直纤维发生变形，使软接头人工肌肉的直径增大，长度方向缩短，进而对两端的固定线连接的驱动对象产生拉力作用。直纤维夹在内层胶管与外层胶管之间，与内层胶管以及外层胶管同步变形。防变形线用来防止肌肉在径向位置发生过大变形，将一个大变形改变为多个小变形。内层胶管把一定压力的液体或者气体封闭在内部。直纤维、两端的固定线、两端压紧线以及外部承压紧密线是一个整体。两端的固定线与直纤维构成双开口直纤维型软接头，与外部驱动对象相连接。直纤维与外部承压紧密线构成径向刚度不同的两部分，直纤维能径向膨胀，外部承压紧密线部分不能够膨胀。
[0017]具体原理与作用是:两端压紧线作为胶管与直纤维的固定端，两端固定线以及直纤维是由一整体，承压管的末端连接有压力控制阀，当肌肉内部通入一定压力的液体话或气体时，通过调整压力阀时肌肉内部保持一定的压力，在内部压力作用下，直纤维部分膨胀，产生拉力，传递到两端固定线上来，对驱动对象产生拉力。因此，两端固定线、两端压紧线以及直纤维构成了软接头，替代了传统的金属接头。内层胶管的两端伸出，并在伸出部分的外层紧密缠绕高强度线，用于承载导液管或导气管内部的压力，该部分最终连接到压力控制阀上。外层胶管用于支撑并保护直纤维，防止其脱落。防变形线用来防止肌肉发生过大的变形。通过添加防变形线，将一个大的变形改变为多个小的变形。双开口直纤维型软接头人工肌肉避免了运动过程中与人体的磕碰，因此，能够与人体更好的契合。
[0018]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0019]1、由于传统直纤维人工肌肉只有一个开口，充气和放气都要经过这个口，所以，每次只能通过阀来切换气路完成充气和放气过程，而双开口型人工肌肉由于可以实时控制比例阀的压强，故可以实现充气过程中伴随缓慢的放气，只需要实时调整比例阀就可以，故可以提高肌肉的响应速度。[〇〇2〇] 2、传统直纤维人工肌肉接头部位是硬质材料，依靠的是接头与直纤维以及橡胶管的摩擦力来传递收缩力，而本发明中，将纤维线引出，作为与外部载荷连接的单元，辅助以压紧线，实现了纤维线与负载的直接力传递。
[0021]3、相对于传统直纤维型人工肌肉，由于只存在一个开口，内部气体流动性有限，而且封闭端部分气体的流动性更小，在肌肉做往复运动过程中，内部气体做功，而流动性小的那部分气体的温度就会快速升高，本发明中，采用的是双开口结构，内部气体能够完全流动起来，因此，大大降低了温度上升的速度，使用寿命相应的增长。
[0022]4、传统直纤维人工肌肉与外部连接时，往往是刚性连接，而在穿戴式医疗设备中， 往往需要柔性连接，所以当需要传统的人工肌肉实现柔性连接，就需要额外添加连接线，本发明中，采用的就是连接线直接负载相连，不需要再额外添加部件就可以实现柔性连接。
[0023]5、传统直纤维人工肌肉，由于两端都存在硬质材料的接头，当在穿戴式医疗设备中应用时，每次肌肉的收缩过程中，两端的硬质接头都会跟随的动，因此，很容易与人体发生磕碰，本发明中，两端都采用的是柔软的线，因此，不会发生磕碰现象。【附图说明】
[0024]图la是双开口直纤维型软接头人工肌肉收缩状态示意图，图lb自然状态示意图。
[0025]图中有:1.端部固定线、2.外层胶管、3.直纤维、4.内层胶管、5.防变形线、6.端部压紧线、7.外部承压紧密线。【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步的描述。
[0027]如图1所示，一种双开口直纤维型软接头人工肌肉，包括内层胶管4、沿轴向设置在所述内层胶管4外侧的直纤维3、位于内层胶管4两端并与直纤维3—体的端部固定线1，所述的直纤维3包裹内层胶管4位于两端之间的部分，内层胶管4没有被直纤维3包裹的部分，则用外部承压紧密线7紧密缠绕，组成导液管，内层胶管4上临近端固定线1的外部缠绕有端部压紧线6。所述直纤维3为硬质材料制成。所述直纤维3为软质材料制成，内层胶管4外侧设置有外层胶管3,直纤维3布设在内层胶管4与外层胶管3之间。所述外层胶管3与内层胶管4为整体制作而成，直纤维3嵌入到其中。所述两端固定线1和直纤维3由一根纤维编织为一体。 所述两端的端部固定线2均是由纤维折返形成的U形线。防变形线5用来将一个大变形变成多个小变形，减小人工肌肉在径向的形变。
[0028]直纤维与外部承压紧密线构成的承压管的径向刚度不同，直纤维能径向膨胀，两端外部承压紧密线部分不能够膨胀。这样，控制两端的压强控制阀，使肌肉内部保持一定的压强时，承压管不会发生变形，可作为导液管或导气管，输送液体或者气体进入到肌肉的直纤维部分，在内部压力的作用下，肌肉径向发生膨胀，轴向缩短。图la是双开口直纤维型软接头人工肌肉结构的收缩状态示意图，图lb是自然状态示意图。
[0029]本发明的双开口直纤维型软接头人工肌肉，两端固定线2、直纤维4、两端压紧线6、 外部承压紧密线1使用的都是高强度线。与以往人工肌肉采用的高压扣压或者螺纹压紧的接头相比，本发明直纤维2和端部固定线1、端部压紧线6构成软接头，实现全软接头。传统单开口人工肌肉内部有一部分气体不流通，导致内部温度上升速度很快，本发明中，采用的是双开口结构，内部气体完全流通起来，大大降低了温度上升的速度。
[0030]本发明工作时，两端压紧线作为胶管与直纤维的固定端，两端固定线以及直纤维是一整体，承压管的末端连接有压力控制阀，当肌肉内部通入一定压力的液体话或气体时， 通过调整压力阀时肌肉内部保持一定的压力，在内部压力作用下，直纤维膨胀，产生拉力， 传递到两端固定线上来，对驱动对象产生拉力。因此，两端固定线、两端压紧线以及直纤维构成了软接头，替代了传统的金属接头。直纤维夹在内层胶管与外层胶管之间，与内层胶管以及外层胶管同步变形。防变形线用来防止肌肉在径向位置发生过大变形，将一个大变形改变为多个小变形。内层胶管把一定压力的液体或者气体封闭在内部。。两端的固定线与直纤维构成软接头，与外部驱动对象相连接。内层胶管的两端伸出，并在伸出部分的外层紧密缠绕高强度线，用于承载导液管或导气管内部的压力，该部分最终连接到压力控制阀上。夕卜层胶管用于支撑并保护直纤维，防止其脱落。软接头人工肌肉避免了运动过程中与人体的磕碰，因此，双开口直纤维型人工肌肉能够更好的实现压力的控制，而且实现了肌肉内部气体的流通，并且能够与人体更好的契合。
[0031]上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于，该人工肌肉包括内层胶管(4)、 沿轴向设置在所述内层胶管(4)外侧的多根直纤维(3)、在中部横向约束直纤维(3)的防变 形线(5)、位于直纤维(3)两端并与之一体的端部固定线(1)、在两端横向约束直纤维(3)的 密封端压紧线(6)，所述的直纤维(3)包裹内层胶管(4)中部，内层胶管(4)没有被直纤维(3) 包裹的部分，则用外部承压紧密线(7)紧密缠绕，组成导液管，所述密封端压紧线(6)邻近端 部固定线(1)设置，缠绕在在所有直纤维(3)外侧，将其约束在内层硅胶管(4)上。2.根据权利要求1所述的双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于:所述直纤维 (3)为硬质材料制成。3.根据权利要求1所述的双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于:所述直纤维 (3)为软质材料制成，内层胶管(4)外侧设置有外层胶管(2)，直纤维(3)布设在内层胶管(4) 与外层胶管(2)之间。4.根据权利要求3所述的双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于:所述外层胶管 (2)与内层胶管(4)为整体制作而成，直纤维(3)嵌入到其中。5.根据权利要求3所述的双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于:所述外层胶管(2)的两端分别与直纤维(3)的两端对齐。6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于:所 有直纤维(3)、端部固定线(1)由一根纤维编织而成。7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于:所 述端部固定线(1)均是由纤维折返形成的U形线，每根U形线的两个端部分别对应连接一根 直纤维(3)。8.根据权利要求7所述的双开口直纤维型软接头人工肌肉，其特征在于:所述直纤维(3)与所对应连接的端部固定线(1)由一根纤维编织为一体。
【文档编号】B25J17/02GK105965537SQ201610443215
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】王兴松, 巩永强
【申请人】东南大学