一種柔索人工肌肉的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及的是一種人工肌肉，具體地說(shuō)是一種用于機(jī)器人制造、仿生機(jī)械的符合Hi 11肌肉力學(xué)模型的人工肌肉。
【背景技術(shù)】
[0002]肌肉(骨骼肌)是人或動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，作為人或動(dòng)物的重要組織機(jī)構(gòu)，他能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。在受到運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)的刺激后，便會(huì)收縮產(chǎn)生肌肉力，直接驅(qū)動(dòng)骨骼運(yùn)動(dòng)，并且不需要減速裝置和傳動(dòng)元件，屬于單向力裝置，運(yùn)動(dòng)形式是直線往復(fù)式。大多數(shù)的肌肉是以“顏頏肌”的形式存在，這種結(jié)構(gòu)可使機(jī)械杠桿在任何位置保持穩(wěn)定，承受各種壓力。因此，構(gòu)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(duì)肌肉宏觀力學(xué)性質(zhì)的描述，該模型及其修正模型在生物力學(xué)及運(yùn)動(dòng)仿真領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著仿生學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于肌肉的仿生已成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，許多國(guó)家開展了人工肌肉的研究。人工肌肉根據(jù)其材料結(jié)構(gòu)和能量來(lái)源分為內(nèi)在收縮式和外在收縮式。內(nèi)在收縮式人工肌肉是一種具有簡(jiǎn)單收縮功能的化合物材料，可實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。外在收縮式人工肌肉以氣、液和電磁為工作介質(zhì)，是利用人工肌肉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在工作介質(zhì)的參與下完成軸向的收縮功能。存在的問(wèn)題:肌肉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)麻煩;重量以及體積大;不易控制，柔順性差;動(dòng)作潛伏期長(zhǎng)，收縮速度、收縮率有待改善。因此，研究一種具有質(zhì)量輕、體積小、柔順性好、控制方便，并且對(duì)肌肉仿生程度高的人工肌肉極為重要。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于人工肌肉的研究已日趨廣泛，關(guān)于人工肌肉的公開文獻(xiàn)也很多。專利申請(qǐng)?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(gè)阻尼收縮單元與一個(gè)彈性單元串聯(lián)的裝置來(lái)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(duì)于肌肉的仿生程度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易于控制，精度高，柔順性好，動(dòng)作潛伏期短，對(duì)肌肉仿生程度高的柔索人工肌肉。
[0005]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]包括框架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、拉力傳感器和編碼器，所述柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、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(guò)彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)，第二彈簧的下端通過(guò)支撐板安裝在框架上，電機(jī)固定在框架上，電機(jī)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(guò)拉力傳感器與接觸，編碼器安裝在電機(jī)上。
[0007]本實(shí)用新型還可以包括:
[0008]1、第一彈簧中設(shè)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(dǎo)限位裝置，所述引導(dǎo)限位裝置包括導(dǎo)桿和安裝在導(dǎo)桿上的限位螺母，導(dǎo)桿位于第二彈簧中，導(dǎo)桿下端固定在第二彈簧的支撐板上。
[0010]3、所述的電機(jī)為永磁直流力矩電機(jī)。
[0011]本實(shí)用新型提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易于控制，精度高，柔順性好，動(dòng)作潛伏期短，性能穩(wěn)定且對(duì)肌肉仿生程度高的人工肌肉。
[0012]本實(shí)用新型的人工肌肉主要包括機(jī)架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、拉力傳感器以及編碼器。柔性繩索驅(qū)動(dòng)裝置可帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng)，以此模擬生物的肌肉運(yùn)動(dòng)。
[0013]柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括輕型彈性驅(qū)動(dòng)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(guò)拉力傳感器，拉力傳感器安裝在機(jī)架上，用以檢測(cè)柔性繩索上的拉力。
[0014]所述的輕型彈性驅(qū)動(dòng)器包括永磁直流力矩電機(jī)、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(jī)安裝在機(jī)架上，力矩電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)柔索牽引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與牽引輪固連的柔性繩索運(yùn)動(dòng)，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(jī)上。
[0015]所述輕型彈性驅(qū)動(dòng)器還可以包括一個(gè)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(qū)動(dòng)裝置還包括一個(gè)對(duì)并聯(lián)的彈簧起到引導(dǎo)限位作用的引導(dǎo)限位裝置。
[0017]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018]1、該人工肌肉由繞在電機(jī)上的柔性繩索串聯(lián)一個(gè)彈簧組成一個(gè)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器，然后再并聯(lián)一個(gè)彈簧，最后組合柔性繩索構(gòu)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(guò)調(diào)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、本實(shí)用新型是基于人體運(yùn)動(dòng)肌力線的生物啟發(fā)，從仿生學(xué)角度看，利用柔性繩索來(lái)傳遞力和運(yùn)動(dòng)，更加接近于生物通過(guò)肌肉傳遞力和運(yùn)動(dòng)的方式。
[0020]3、本實(shí)用新型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(yùn)動(dòng)狀態(tài)下硬度的平順性變化的問(wèn)題。通過(guò)改變各彈簧的剛度系數(shù)來(lái)改變整個(gè)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、本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)在柔性繩索上加裝的過(guò)輪來(lái)改變拉力方向，使其具有更加廣泛的應(yīng)用空間。
[0022]5、本實(shí)用新型是由電機(jī)帶動(dòng)繩索以及彈簧進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其動(dòng)作潛伏期變短，能量利用效率高，對(duì)工作環(huán)境的要求相對(duì)較低，調(diào)節(jié)起來(lái)更加方便快捷且穩(wěn)定性高。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本實(shí)用新型人工肌肉原理示意圖；
[0024]圖2為本實(shí)用新型機(jī)構(gòu)的主視圖；
[0025]圖3為本實(shí)用新型機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型做更詳細(xì)的描述。
[0027]結(jié)合圖1，本實(shí)用新型人工肌肉的結(jié)構(gòu)形式為:一個(gè)串聯(lián)彈性元與一個(gè)收縮元組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且與一個(gè)并聯(lián)彈性元相結(jié)合，組成了由Hi 11三元素構(gòu)成的人工肌肉裝置，人工肌肉的長(zhǎng)度為串聯(lián)彈性兀長(zhǎng)度與收縮原長(zhǎng)度的和。
[0028]結(jié)合圖2?3，本實(shí)用新型人工肌肉系統(tǒng)組成包括:支撐系統(tǒng)框架1、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、限位裝置、檢測(cè)裝置組成。支撐系統(tǒng)框架I由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動(dòng)。柔索驅(qū)動(dòng)裝置由永磁直流力矩電機(jī)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(jī)12驅(qū)動(dòng)柔索牽引輪18轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第一柔性繩索的牽引。通過(guò)第一柔性繩索帶動(dòng)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。人工肌肉的長(zhǎng)度即為第一柔性繩索的伸長(zhǎng)量與彈簧型變量的和。引導(dǎo)限位裝置包括兩個(gè)部分，第一部分是只對(duì)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(dāng)?shù)谝粡椈衫爝_(dá)到極限時(shí)，限位繩索拉直，對(duì)第一彈簧起到保護(hù)作用;第二部分是對(duì)對(duì)兒彈簧起到引導(dǎo)限位作用的限位導(dǎo)桿，由引導(dǎo)桿6和限位螺母8組成，該結(jié)構(gòu)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(dòng)。檢測(cè)裝置包括裝在永磁直流力矩電機(jī)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(guò)該裝置可以檢測(cè)整個(gè)人工肌肉的伸長(zhǎng)量以及肌肉的收縮力。
[0029]在實(shí)際應(yīng)用中，可以將人體骨骼看作是人工肌肉裝置的構(gòu)架，可將柔索驅(qū)動(dòng)裝置固定于骨骼上，過(guò)輪15相當(dāng)于人體關(guān)節(jié)，第二繩索可通過(guò)人體關(guān)節(jié)連接到另一塊骨骼上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)骨骼繞關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種柔索人工肌肉，包括框架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、拉力傳感器和編碼器，其特征是:所述柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、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(guò)彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)，第二彈簧的下端通過(guò)支撐板安裝在框架上，電機(jī)固定在框架上，電機(jī)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(guò)拉力傳感器與接觸，編碼器安裝在電機(jī)上。2.根據(jù)權(quán)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(shè)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(quán)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(dǎo)限位裝置，所述引導(dǎo)限位裝置包括導(dǎo)桿和安裝在導(dǎo)桿上的限位螺母，導(dǎo)桿位于第二彈簧中，導(dǎo)桿下端固定在第二彈簧的支撐板上。4.根據(jù)權(quán)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(jī)為永磁直流力矩電機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種柔索人工肌肉，其特征是:所述的電機(jī)為永磁直流力矩電機(jī)。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供的是一種柔索人工肌肉。包括框架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、拉力傳感器和編碼器，柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、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(guò)彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)，第二彈簧的下端通過(guò)支撐板安裝在框架上，電機(jī)固定在框架上，電機(jī)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(guò)拉力傳感器與接觸，編碼器安裝在電機(jī)上。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易于控制，精度高，柔順性好，動(dòng)作潛伏期短，性能穩(wěn)定且對(duì)肌肉仿生程度高。
【IPC分類】B25J9/08, B25J19/00
【公開號(hào)】CN205201522
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520916155
【發(fā)明人】王克義, 吳博松, 趙文艷, 馮超豪, 王嵐
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日