一種柔索人工肌肉的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種人工肌肉，具體地說是一種用于機器人制造、仿生機械的符合Hill肌肉力學模型的人工肌肉。
【背景技術】
[0002]肌肉(骨骼肌)是人或動物運動的動力源，作為人或動物的重要組織機構，他能夠實現(xiàn)化學能與機械能之間的轉換。在受到運動神經信號的刺激后，便會收縮產生肌肉力，直接驅動骨骼運動，并且不需要減速裝置和傳動元件，屬于單向力裝置，運動形式是直線往復式。大多數(shù)的肌肉是以“頡頏肌”的形式存在，這種結構可使機械杠桿在任何位置保持穩(wěn)定，承受各種壓力。因此，構建合理的肌肉模型為肌肉的研究提供了新思路。Hill肌肉模型是對肌肉宏觀力學性質的描述，該模型及其修正模型在生物力學及運動仿真領域被廣泛應用。隨著仿生學技術的發(fā)展，對于肌肉的仿生已成為學者們研究的熱點，許多國家開展了人工肌肉的研究。人工肌肉根據(jù)其材料結構和能量來源分為內在收縮式和外在收縮式。內在收縮式人工肌肉是一種具有簡單收縮功能的化合物材料，可實現(xiàn)能量的轉化。外在收縮式人工肌肉以氣、液和電磁為工作介質，是利用人工肌肉的結構特點，在工作介質的參與下完成軸向的收縮功能。存在的問題:肌肉結構復雜，功能實現(xiàn)起來麻煩；重量以及體積大；不易控制，柔順性差；動作潛伏期長，收縮速度、收縮率有待改善。因此，研究一種具有質量輕、體積小、柔順性好、控制方便，并且對肌肉仿生程度高的人工肌肉極為重要。
[0003]目前國內外對于人工肌肉的研究已日趨廣泛，關于人工肌肉的公開文獻也很多。專利申請?zhí)枮?01410424839.8的專利文件中公開的是基于Hill 二元素功能模型利用一個阻尼收縮單元與一個彈性單元串聯(lián)的裝置來模擬人類肌肉，并沒有考慮并聯(lián)彈性單元這一因素，因而該裝置對于肌肉的仿生程度不高。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單，重量輕，易于控制，精度高，柔順性好，動作潛伏期短，對肌肉仿生程度高的柔索人工肌肉。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0006]包括框架、柔索驅動裝置、拉力傳感器和編碼器，所述柔索驅動裝置包括電機、第一柔性繩索、第一彈簧、第二彈簧、彈簧并聯(lián)裝置、第二柔性繩索，第一彈簧和第二彈簧的上端通過彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)，第二彈簧的下端通過支撐板安裝在框架上，電機固定在框架上，電機輸出軸上安裝柔索牽引輪，第一柔性繩索的一端固定在柔索牽引輪上，第一柔性繩索的另端與第一彈簧的下端連接，第二柔性繩索的一端與第一彈簧的上端連接，拉力傳感器安裝在框架上，第二柔性繩索穿過拉力傳感器與接觸，編碼器安裝在電機上。
[0007]本發(fā)明還可以包括:
[0008]1、第一彈簧中設置限位繩索，限位繩索的兩端分別連接第一彈簧的兩端。
[0009]2、還包括引導限位裝置，所述引導限位裝置包括導桿和安裝在導桿上的限位螺母，導桿位于第二彈簧中，導桿下端固定在第二彈簧的支撐板上。
[0010]3、所述的電機為永磁直流力矩電機。
[0011]本發(fā)明提供了一種結構簡單，重量輕，易于控制，精度高，柔順性好，動作潛伏期短，性能穩(wěn)定且對肌肉仿生程度高的人工肌肉。
[0012]本發(fā)明的人工肌肉主要包括機架、柔索驅動裝置、拉力傳感器以及編碼器。柔性繩索驅動裝置可帶動柔性繩索運動，以此模擬生物的肌肉運動。
[0013]柔索驅動裝置包括輕型彈性驅動器、與之并聯(lián)的剛度可根據(jù)需要選擇的彈簧以及柔性繩索。柔性繩索穿過拉力傳感器，拉力傳感器安裝在機架上，用以檢測柔性繩索上的拉力。
[0014]所述的輕型彈性驅動器包括永磁直流力矩電機、柔索牽引輪、光電編碼器以及剛度可選擇的彈簧。永磁直流力矩電機安裝在機架上，力矩電機的輸出軸帶動柔索牽引輪轉動，驅動與牽引輪固連的柔性繩索運動，柔性繩索的另一端連接彈簧。編碼器安裝在永磁直流力矩電機上。
[0015]所述輕型彈性驅動器還可以包括一個起到限位作用的限位繩索。兩端分別連接在變剛度彈簧兩端。
[0016]所述柔索驅動裝置還包括一個對并聯(lián)的彈簧起到引導限位作用的引導限位裝置。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0018]1、該人工肌肉由繞在電機上的柔性繩索串聯(lián)一個彈簧組成一個串聯(lián)驅動器，然后再并聯(lián)一個彈簧，最后組合柔性繩索構成的系統(tǒng)。該人工肌肉系統(tǒng)完全符合Hill三元素肌肉模型。通過調整各元件的參數(shù)，能夠較好的反映出肌肉受力變形后的彈性收縮特性。
[0019]2、本發(fā)明是基于人體運動肌力線的生物啟發(fā)，從仿生學角度看，利用柔性繩索來傳遞力和運動，更加接近于生物通過肌肉傳遞力和運動的方式。
[0020]3、本發(fā)明中采用了剛度可選擇的彈簧裝置，它的引入解決了肌肉在不同運動狀態(tài)下硬度的平順性變化的問題。通過改變各彈簧的剛度系數(shù)來改變整個系統(tǒng)的剛度，從而模擬肌肉硬度的變化且使變化更加的平順。
[0021 ] 4、本發(fā)明的結構簡單，可承載一定的拉力，與傳統(tǒng)的只能承受軸向拉力的人工肌肉相比，它不僅可承受軸向拉力，也可通過在柔性繩索上加裝的過輪來改變拉力方向，使其具有更加廣泛的應用空間。
[0022]5、本發(fā)明是由電機帶動繩索以及彈簧進行驅動，使其動作潛伏期變短，能量利用效率高，對工作環(huán)境的要求相對較低，調節(jié)起來更加方便快捷且穩(wěn)定性高。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明人工肌肉原理示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明機構的主視圖；
[0025]圖3為本發(fā)明機構的側視圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述。
[0027]結合圖1，本發(fā)明人工肌肉的結構形式為:一個串聯(lián)彈性元與一個收縮元組成的串聯(lián)結構，并且與一個并聯(lián)彈性元相結合，組成了由Hill三元素構成的人工肌肉裝置，人工肌肉的長度為串聯(lián)彈性兀長度與收縮原長度的和。
[0028]結合圖2?3，本發(fā)明人工肌肉系統(tǒng)組成包括:支撐系統(tǒng)框架1、柔索驅動裝置、限位裝置、檢測裝置組成。支撐系統(tǒng)框架1由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動。柔索驅動裝置由永磁直流力矩電機12、柔索牽引輪18、第一柔性繩索2、第一彈簧3、第二彈簧5以及彈簧并聯(lián)裝置7和第二柔性繩索9組成。永磁直流力矩電機12驅動柔索牽引輪18轉動，實現(xiàn)第一柔性繩索的牽引。通過第一柔性繩索帶動與之串聯(lián)的第一彈簧、第二柔性繩索和與之并聯(lián)的第二彈簧實現(xiàn)運動。人工肌肉的長度即為第一柔性繩索的伸長量與彈簧型變量的和。引導限位裝置包括兩個部分，第一部分是只對第一彈簧起到限位作用的限位繩索4，限位繩索的兩端連接在第一彈簧的兩端，當?shù)谝粡椈衫爝_到極限時，限位繩索拉直，對第一彈簧起到保護作用；第二部分是對對兒彈簧起到引導限位作用的限位導桿，由引導桿6和限位螺母8組成，該結構既可以起到限位作用又可以限制第二彈簧只能沿著軸向移動。檢測裝置包括裝在永磁直流力矩電機12上的光電編碼器11和裝在第二繩索上的拉力傳感器10，通過該裝置可以檢測整個人工肌肉的伸長量以及肌肉的收縮力。
[0029]在實際應用中，可以將人體骨骼看作是人工肌肉裝置的構架，可將柔索驅動裝置固定于骨骼上，過輪15相當于人體關節(jié)，第二繩索可通過人體關節(jié)連接到另一塊骨骼上，通過驅動裝置的驅動實現(xiàn)骨骼繞關節(jié)的轉動。
【主權項】
1.一種柔索人工肌肉，包括框架、柔索驅動裝置、拉力傳感器和編碼器，其特征是:所述柔索驅動裝置包括電機、第一柔性繩索、第一彈簧、第二彈簧、彈簧并聯(lián)裝置、第二柔性繩索，第一彈簧和第二彈簧的上端通過彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)，第二彈簧的下端通過支撐板安裝在框架上，電機固定在框架上，電機輸出軸上安裝柔索牽引輪，第一柔性繩索的一端固定在柔索牽引輪上，第一柔性繩索的另端與第一彈簧的下端連接，第二柔性繩索的一端與第一彈簧的上端連接，拉力傳感器安裝在框架上，第二柔性繩索穿過拉力傳感器與接觸，編碼器安裝在電機上。2.根據(jù)權利要求1所述的一種柔索人工肌肉，其特征是:第一彈簧中設置限位繩索，限位繩索的兩端分別連接第一彈簧的兩端。3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種柔索人工肌肉，其特征是:還包括引導限位裝置，所述引導限位裝置包括導桿和安裝在導桿上的限位螺母，導桿位于第二彈簧中，導桿下端固定在第二彈簧的支撐板上。4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種柔索人工肌肉，其特征是:所述的電機為永磁直流力矩電機。5.根據(jù)權利要求3所述的一種柔索人工肌肉，其特征是:所述的電機為永磁直流力矩電機。
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種柔索人工肌肉。包括框架、柔索驅動裝置、拉力傳感器和編碼器，柔索驅動裝置包括電機、第一柔性繩索、第一彈簧、第二彈簧、彈簧并聯(lián)裝置、第二柔性繩索，第一彈簧和第二彈簧的上端通過彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)，第二彈簧的下端通過支撐板安裝在框架上，電機固定在框架上，電機輸出軸上安裝柔索牽引輪，第一柔性繩索的一端固定在柔索牽引輪上，第一柔性繩索的另端與第一彈簧的下端連接，第二柔性繩索的一端與第一彈簧的上端連接，拉力傳感器安裝在框架上，第二柔性繩索穿過拉力傳感器與接觸，編碼器安裝在電機上。本發(fā)明是一種結構簡單，重量輕，易于控制，精度高，柔順性好，動作潛伏期短，性能穩(wěn)定且對肌肉仿生程度高的人工肌肉。
【IPC分類】B25J9/08, B25J19/00
【公開號】CN105313115
【申請?zhí)枴緾N201510789839
【發(fā)明人】王克義, 吳博松, 趙文艷, 馮超豪, 王嵐
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年11月17日