一種基于形狀記憶合金彈簧的智能氣動肌肉的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于形狀記憶合金彈簧的智能氣動肌肉，其屬于氣動肌肉技術(shù)領(lǐng)域、智能材料領(lǐng)域及仿生學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氣動人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscle，簡稱PAM)作為一種新型仿生驅(qū)動裝置，其最先是由蘇聯(lián)發(fā)明家S.Garasiev在1930年提出的，隨后出現(xiàn)了各類類似構(gòu)想。例如美國人Mckibben在20世紀(jì)50年代發(fā)明了如今得到廣泛應(yīng)用的Mckibben型氣動肌肉，之后日本在此基礎(chǔ)上研制了 Rubbertuator氣動肌肉，英國研制了 Air Muscle氣動肌肉。目前商業(yè)化生產(chǎn)的最主要類型氣動肌肉也就是Shadow公司和Festo公司生產(chǎn)的Mckibben型氣動肌肉。這種傳統(tǒng)型的氣動肌肉主要由充氣彈性橡膠管和起約束彈性橡膠管徑向膨脹變形的外部編織網(wǎng)構(gòu)成，由于編織網(wǎng)具有極低的延展性，所以縱向收縮會對連接負載產(chǎn)生驅(qū)動力。
[0003]氣動肌肉主要優(yōu)點在于工作方式、響應(yīng)時間、伸縮范圍與生物肌肉較為相似，其非線性特性與人體骨骼肌相近，并且具備電機等驅(qū)動器不具備的柔順性，其功率重量比大、無污染、無滑動、易于小型化。其作為一種高效驅(qū)動器使用，不僅能夠產(chǎn)生足夠大的力，同時還可以具有很好的柔順性，使得被驅(qū)動裝置具有環(huán)境友好特性。氣動人工肌肉驅(qū)動裝置可以用于人體假肢、肢體康復(fù)設(shè)備和仿生機器人以及娛樂等行業(yè)。
[0004]雖然目前的氣動肌肉可分為編織式、網(wǎng)孔式、嵌入式等類型。但是這些傳統(tǒng)氣動肌肉的機構(gòu)原理都大同小異，都還是通過充入氣動肌肉內(nèi)部氣體的壓強來控制其收縮量，產(chǎn)生收縮力。由于橡膠管本身屬性原因，在有限的壓強范圍內(nèi)，氣動肌肉的收縮量和剛度特性也受到了限制，這點不足也是影響氣動肌肉發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題，解決這個問題，可以提高氣動肌肉的最大收縮率，使其具有更靈活的剛度特性，促進氣動肌肉在柔順驅(qū)動領(lǐng)域的應(yīng)用，從而促進康復(fù)醫(yī)療、高精密制造業(yè)、仿生機器人等領(lǐng)域的發(fā)展。
[0005]形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)作為一種新型的功能材料，其主要利用形狀記憶效應(yīng)，通過溫度變化來發(fā)生形狀變化產(chǎn)生收縮力，對連接件進行驅(qū)動，是智能材料中應(yīng)用很廣的一種驅(qū)動元件。利用形狀記憶合金制作的彈簧具有收縮量大特點，可根據(jù)絲徑和彈簧直徑的大小得到輸出力范圍較廣的彈簧。因此形狀記憶合金彈簧可以作為一種較好智能材料驅(qū)動器。
[0006]考慮到氣動肌肉和形狀記憶合金彈簧兩種驅(qū)動器都是靠自身的收縮產(chǎn)生驅(qū)動力，具有相似的工作特性，因此將兩者結(jié)合起來開發(fā)一種基于形狀記憶合金彈簧的智能氣動肌肉，能夠很好的改善傳統(tǒng)氣動肌肉的收縮率和剛度特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種基于形狀記憶合金彈簧的智能氣動肌肉，可以在保持氣動肌肉內(nèi)部壓強一定的條件下，對氣動肌肉的驅(qū)動特性做進一步調(diào)節(jié)，增加其收縮量，改變其剛度特性，從而使傳統(tǒng)氣動肌肉的驅(qū)動特性得到進一步改善，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案:
在彈性橡膠管向內(nèi)依次置有波紋管、支撐架、連接細彈簧九根、形狀記憶合金彈簧；彈性橡膠管向外安裝有起束縛作用的編織網(wǎng)；彈性橡膠管的一端向外依次裝有前端密封用內(nèi)堵頭、前端密封及連接用外堵頭、前端緊固用外卡箍；彈性橡膠管的另一端向外依次裝有后端密封用內(nèi)堵頭、后端密封及連接用外堵頭、后端緊固用外卡箍。前端外堵頭上開有兩個進氣口，后端外堵頭上開有兩個排氣口，支撐架上開有導(dǎo)線通口，使得形狀記憶合金彈簧前端導(dǎo)線引入到后端，隨波紋管內(nèi)部排氣口引出，方便對形狀記憶合金彈簧加熱處理，導(dǎo)線外部有絕緣層，防止短路現(xiàn)象發(fā)生。氣動肌肉內(nèi)部波紋管表面涂有隔熱膠，一方面防止形狀記憶合金彈簧加熱時對波紋管以外部分氣體和彈性橡膠管產(chǎn)生影響，另一方面波紋管可把氣動肌肉內(nèi)部空間分為兩部分，對各部分分別進行充氣工作，而且互不干涉；支撐架主要起支撐波紋管的作用，防止波紋管由于外部氣壓的作用產(chǎn)生徑向變形，支撐架由九根細彈簧與兩端堵頭相連接，細彈簧除了有固定支撐架的作用外，可以使支撐架隨著波紋管的軸向運動而運動。
[0009]氣動肌肉開始工作時，氣源通過導(dǎo)管連接到進氣口的氣動接頭上，氣體通入波紋管和橡膠管之間的封閉空間，使橡膠管徑向膨脹，并且側(cè)壁緊貼編織網(wǎng)，軸向收縮，產(chǎn)生收縮力，因編織網(wǎng)具有極低的延展性，所以軸向主要靠編織網(wǎng)產(chǎn)生收縮力；在氣動肌肉內(nèi)部達到設(shè)定壓強后，對形狀記憶合金彈簧通電加熱，使其發(fā)生奧氏體相變，產(chǎn)生收縮變形，帶動氣動肌肉進一步收縮。在氣動肌肉需要減小收縮量時，對形狀記憶合金彈簧斷電處理，并由另一路進氣口向波紋管內(nèi)部通入流通氣體，使形狀記憶合金彈簧快速降溫，回復(fù)通電前狀態(tài)，之后在調(diào)節(jié)波紋管與橡膠管間的氣體壓強，完成工作要求。
[0010]本發(fā)明可以通過對形狀記憶合金彈簧兩端通入脈沖電流，使形狀記憶合金彈簧溫度升高，產(chǎn)生形變來調(diào)節(jié)氣動肌肉，從而適應(yīng)不同的驅(qū)動負載要求，具有智能作用。與傳統(tǒng)氣動肌肉相比，其可以在保持相同內(nèi)部壓力情況下，進一步增大氣動肌肉的收縮量，調(diào)節(jié)氣動肌肉剛度特性。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療、高精密制造業(yè)、仿生機器人等領(lǐng)域，具有較好的柔順性、安全性，高功率密度比。
【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合【附圖說明】書對本專利進行說明:
圖1為一種基于形狀記憶合金彈簧智能氣動肌肉分解結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為一種基于形狀記憶合金彈簧智能氣動肌肉整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為一種基于形狀記憶合金彈簧智能氣動肌肉整體結(jié)構(gòu)三視圖；
圖4為一種基于形狀記憶合金彈簧智能氣動肌肉前端外堵頭結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為一種基于形狀記憶合金彈簧智能氣動肌肉后端外堵頭結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為一種基于形狀記憶合金彈簧智能氣動肌肉支撐架示意圖；
圖中:1、前端外卡箍；2、氣動接頭；3、前端外堵頭；4、進氣口 ；5、前端內(nèi)堵頭；6、細彈簧；7、波紋管；8、支撐架；9、形狀記憶合金彈簧；10、支撐架；11、導(dǎo)線；12、編織網(wǎng)；13、橡膠官；14、后端內(nèi)堵頭；15、后端外堵頭；16、氣動接頭；17、后端外卡雜；18、中心排氣口 ； 19、排氣口；。
【具體實施方式】
[0012]圖