專利名稱：一種氣動人工肌肉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣動人工肌肉，尤其是利用壓縮空氣控制的新型氣動人工 肌肉，屬于氣動技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前為殘疾人設(shè)計的假肢產(chǎn)品(仿生手臂、仿生腿)，要么結(jié)構(gòu)復雜、價格 昂貴，要么在外形上與人體相似但功能簡單不實用。造成這種現(xiàn)象的一大主要 原因是大多數(shù)仿生手臂、仿生腿，采用電機作為驅(qū)動器。電機重量大、相對輸 出功率小的特點，限制了其在假肢產(chǎn)品中的應用。氣動人工肌肉是一種具有與 生物肌肉特性相似的執(zhí)行機構(gòu)，有助于推動假肢產(chǎn)品朝著功能上仿人的方向發(fā) 展。隨著老齡化社會的到來，護理機器人對于社會無疑是一個福音。仿人柔性 機械手是護理機器人中的關(guān)鍵內(nèi)容。將氣動人工肌肉應用于護理機器人仿人柔 性機械手的研制中，推動氣動技術(shù)和機器人技術(shù)的發(fā)展，具有很高的實用價值。氣動人工肌肉具有廣泛的應用，可以應用在機器人領(lǐng)域、輔助醫(yī)療器械領(lǐng) 域、航空航天領(lǐng)域，軍事領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域。近十多年，國際上對氣動人工肌肉的研究一直沒有間斷過，不管是研究機構(gòu)還是商業(yè)公司，都有很大的研究興趣與成果。Bridgestone公司于80年代開始 研究并生產(chǎn)氣動人工肌肉，并研制具有充分自由度和柔性的機械臂，將它們成 功地應用于噴涂機器人和護理機器人。美國Washington大學的C. P. Chou、 B. Hannaford等人探討了氣動人工肌肉在醫(yī)學機械手(如殘疾人假肢)上應用的可 能性。英國Shadow公司開發(fā)的氣動人工肌肉是國內(nèi)外研究和使用最多最廣的一 種，其外形如下圖所示。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，正因為其結(jié)構(gòu)過于簡單，使得該 產(chǎn)品難以標準化生產(chǎn)，難以應用到工業(yè)環(huán)境中。本發(fā)明的目的是提供一種由外層編織網(wǎng)，內(nèi)層膨脹管和機械密封組件組合， 利用壓縮空氣控制，具有與生物肌肉相似特性的新型氣動人工肌肉。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種氣動人工肌肉，包括外層編織網(wǎng)、內(nèi)層膨脹管、密封組件和帶通氣孔 密封組件，外層編織網(wǎng)和內(nèi)層膨脹管兩端對齊，套裝在內(nèi)層膨脹管之外，其原 長度比內(nèi)層膨脹管原長度要長一些，將一端插入密封組件，另一端插入帶通氣 孔密封組件。所述的外層編織網(wǎng)由無彈性的纖維以交叉螺旋的形式繞制而成。外層編織網(wǎng)的長度與內(nèi)層膨脹管長度的比值為10: 6-8。所述的內(nèi)層膨脹管由彈性良好、形變量大的乳膠管或橡膠管制成。所述的密封組件包括密封卡套、密封堵頭和連接件，其中密封卡套內(nèi)壁呈 錐面，密封堵頭前端具有環(huán)狀突起，密封卡套和密封堵頭由螺紋連接，密封堵 頭和連接件由螺紋連接；所述的帶通氣孔的密封組件包括密封卡套、帶氣孔密封堵頭和通氣連接件， 其中密封卡套內(nèi)壁呈錐面，帶氣孔密封堵頭前端具有環(huán)狀突起、軸心位置設(shè)有 通氣孔，通氣連接件軸心位置設(shè)有通氣孔，并且密封卡套和帶氣孔密封堵頭由 螺紋連接，帶氣孔密封堵頭和通氣連接件由螺紋連接。氣動人工肌肉是由密封堵頭和帶氣孔密封堵頭上的環(huán)狀突起(321、 421) 壓在密封卡套(31、 41)的內(nèi)壁錐面(311、 411)上，由螺紋(312、 412)鎖 緊，將外層編織網(wǎng)和內(nèi)層膨脹管壓緊構(gòu)成密封。工作過程為氣動人工肌肉經(jīng)通氣孔和通氣孔向氣動人工肌肉的內(nèi)層膨脹 管內(nèi)部充入一定壓力的空氣，內(nèi)層膨脹管變形，并迫使外層編織網(wǎng)一同沿徑向 膨脹，使氣動人工肌肉沿徑向膨脹，沿軸向收縮，并輸出一定的拉力。氣動人工肌肉在收縮量一定的情況下，其內(nèi)部的壓力和輸出負載拉力幾乎 成線性正比關(guān)系，即當充氣壓力一定時，氣動人工肌肉收縮量變與輸出力成反 比關(guān)系；氣動人工肌肉由于內(nèi)層膨脹管被拉長變形后具有一定的彈性，所以在 不充氣時，肌肉仍有力輸出，而且這個力是隨氣動肌肉的初始長度增大而增大 的；氣動人工肌肉由于外層編織層與內(nèi)層膨脹管之間的摩擦力引起其特性曲線 的滯環(huán)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡單，安裝方便，價格 低廉，高度柔性，輸出力/自重比大，有效節(jié)能，并且具有自緩沖、自阻尼、抗污染等特點。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)剖視示意圖；圖2是氣動人工肌肉的收縮量-力特性曲線；圖3是氣動人工肌肉的壓力-力特性曲線；圖中l(wèi)一外層編織網(wǎng)套、2—內(nèi)層膨脹管、3—密封組件、4—帶通氣孔 密封組件、32—密封堵頭、42—帶氣孔密封堵頭、321、 421—環(huán)狀突起、 31、 41一密封卡套、311、 411一內(nèi)壁錐面、312、 412—螺紋；33—連接件、 43—通氣連接件、322、 422—螺紋孔、423—通氣孔、431—通氣孔。
具體實施方式
由圖1示出，本發(fā)明主要由外層編織網(wǎng)套1，內(nèi)層膨脹管2，密封組件3和 帶通氣孔密封組件4組成，其中外層編織網(wǎng)套l由無彈性的纖維以交叉螺旋 的形式繞制而成；外層編織網(wǎng)1在外力作用下可以沿徑向膨脹或收縮；外層編 織網(wǎng)l套裝在內(nèi)層膨脹管2之外，外層編織網(wǎng)的原長為210mm，內(nèi)層膨脹管2的 原長為150mm，安裝時外層編織網(wǎng)l和內(nèi)層膨脹管2兩端對齊，將一端插入密封 組件3，另一端插入帶通氣孔密封組件4，由密封堵頭32和帶氣孔密封堵頭42 上的環(huán)狀突起321、 421壓在密封卡套31、 41的內(nèi)壁錐面311、 411上，由螺紋 312、 412鎖緊；密封組件3和帶通氣孔密封組件4的密封堵頭32和帶氣孔密封 堵頭42的前端各有兩個不同直徑的環(huán)狀突起321、 421，其高度差所形成的錐度 應與密封卡套31、 41的內(nèi)壁錐面311、 411相配合，在后端有與連接件33和通 氣連接件43相連接的螺紋孔322， 422;在帶氣孔密封堵頭42和通氣連接件43 的中心部位設(shè)置有通氣孔423和通氣孔431。密封堵頭32和帶氣孔密封堵頭42前端的環(huán)狀突起臺階321、 421緊緊壓在 密封卡套31、 41的內(nèi)壁錐面311、 411上，外層編織網(wǎng)l、內(nèi)層膨脹管2被擠壓至其內(nèi)部壓縮空氣不會從接觸面泄露，完成密封。經(jīng)通氣孔423和通氣孔431向氣動人工肌肉的內(nèi)層膨脹管2內(nèi)部充入具有一 定壓力的壓縮空氣，內(nèi)層膨脹管2變形，并迫使外層編織網(wǎng)1一同沿徑向膨脹。 由于組成外層編織網(wǎng)1的纖維的長度不變，外層編織網(wǎng)套1徑向增大使得其軸 向縮短，并且纖維的傳力作用將徑向膨脹力變?yōu)檠剌S向的收縮力，于是便建立 了壓縮空氣的壓力、氣動人工肌肉的收縮位移和收縮力三者之間的關(guān)系。另知，外層編織網(wǎng)1的直徑增大可導致其軸向長度縮短，反之軸向長度伸 長可導致其直徑縮小。外層編織網(wǎng)1和內(nèi)層膨脹管2的直徑越大，氣動人工肌 肉所能輸出的最大拉力越大。當向其內(nèi)部充入壓縮空氣，隨著內(nèi)部壓力上升，內(nèi)層膨脹管2沿徑向膨脹， 沿徑向向外擠壓外層編織網(wǎng)套1。外層編織網(wǎng)套1是由無彈性纖維以一定形狀的 螺旋線交叉繞成。連接件33通過螺紋322安裝在密封堵頭32上，可以在氣動人工肌肉的這 一端安裝人工肌腱。通氣連接件43 —端通過椎管螺紋422安裝在帶氣孔密封堵 頭42上，另一端安裝氣管快插接頭，給氣動人工肌肉供氣。連接件33、通氣連 接件43與密封堵頭32、帶氣孔密封堵頭42也可以采用隔板方式連接。壓縮空氣的壓力、氣動人工肌肉的收縮位移和收縮力三者之間的關(guān)系由圖2 所示，即在收縮量一定的情況下，氣動人工肌肉內(nèi)部的壓力P和輸出負載拉力F 的關(guān)系幾乎成線性。氣動人工肌肉收縮量變大，特性曲線的斜率變小，即當充 氣壓力一定時，氣動人工肌肉的收縮量越小，輸出力越大。由于內(nèi)層膨脹管被 拉長變形后具有一定的彈性，所以在氣動肌肉不充氣時，肌肉仍有力輸出，而 且這個力是隨氣動肌肉的初始長度增大而增大的。由圖3所示，當充氣壓力一定時氣動人工肌肉收縮量越小，輸出力越大。 氣動人工肌肉內(nèi)部壓力越大，特性曲線的斜率越大，即收縮率一定時氣動人工 肌肉的充氣壓力越大，輸出力越大。曲線中存在的滯環(huán)現(xiàn)象是由外層的編織層 與內(nèi)層的橡膠層之間的摩擦力引起的。
權(quán)利要求
1.一種氣動人工肌肉，包括外層編織網(wǎng)、內(nèi)層膨脹管、密封組件和帶通氣孔密封組件，其特征在于外層編織網(wǎng)和內(nèi)層膨脹管兩端對齊，套裝在內(nèi)層膨脹管之外，其原長度比內(nèi)層膨脹管原長度要長一些，將一端插入密封組件，另一端插入帶通氣孔密封組件；所述的密封組件包括密封卡套、密封堵頭和連接件，其中密封卡套內(nèi)壁呈錐面，密封堵頭前端具有環(huán)狀突起，密封卡套和密封堵頭由螺紋連接，密封堵頭和連接件由螺紋連接；所述的帶通氣孔的密封組件包括密封卡套、帶氣孔密封堵頭和通氣連接件，其中密封卡套內(nèi)壁呈錐面，帶氣孔密封堵頭前端具有環(huán)狀突起、軸心位置設(shè)有通氣孔，通氣連接件軸心位置設(shè)有通氣孔，并且密封卡套和帶氣孔密封堵頭由螺紋連接，帶氣孔密封堵頭和通氣連接件由螺紋連接；氣動人工肌肉的密封是由密封堵頭和帶氣孔密封堵頭上的環(huán)狀突起(321、421)壓在密封卡套(31、41)的內(nèi)壁錐面(311、411)上，由螺紋(312、412)鎖緊，將外層編織網(wǎng)和內(nèi)層膨脹管壓緊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種氣動人工肌肉，其特征在于外層編織網(wǎng)由 無彈性的纖維以交叉螺旋的形式繞制而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種氣動人工肌肉，其特征在于內(nèi)層膨脹管由 彈性良好、形變量大的乳膠管或橡膠管制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種氣動人工肌肉，其特征在于帶氣孔密封堵 頭也可以采用隔板方式連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣動人工肌肉，其特征在于外層編織網(wǎng)的長度 與內(nèi)層膨脹管長度的比值為10: 6-8。
全文摘要
本發(fā)明屬于氣動技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氣動人工肌肉。本發(fā)明主要由外層編織網(wǎng)，內(nèi)層膨脹管，密封組件和帶通氣孔密封組件組成。外層編織網(wǎng)和內(nèi)層膨脹管兩端對齊，套裝在內(nèi)層膨脹管之外，其原長度比內(nèi)層膨脹管原長度要長一些；將一端插入密封組件，另一端插入帶通氣孔密封組件。氣動人工肌肉經(jīng)通氣孔和通氣孔向氣動人工肌肉的內(nèi)層膨脹管內(nèi)部充入一定壓力的空氣，內(nèi)層膨脹管變形，并迫使外層編織網(wǎng)一同沿徑向膨脹，使氣動人工肌肉沿徑向膨脹，沿軸向收縮，并輸出一定的拉力。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、制造簡單、價格低廉、高度柔性、輸出力/自重比大、有效節(jié)能，具有自緩沖、抗污染等特點?？梢詮V泛應用在機器人、輔助醫(yī)療器械、航空航天、軍事工業(yè)等領(lǐng)域。
文檔編號B25J15/00GK101306535SQ200810116379
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者麟 余, 昊 劉, 彭光正, 沙俊偉, 偉 范 申請人:北京理工大學