一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，包括支撑架，支撑架上安装有第一气动肌肉、第二气动肌肉、第一拉伸弹簧、第二拉伸弹簧和圆盘组件，圆盘组件通过水平转轴安装在支撑架上，圆盘组件包括依次安装在水平转轴上的第一圆盘、第一推动盘、第一转动盘、动力输出圆盘、第二转动盘、第二推动盘和第二圆盘。本发明采用了第一气动肌肉和第二气动肌肉，从仿生学的角度出发，依据人的肌肉作用特点，将气动肌肉对拉的理念运用到动力输出装置中，突破了气动肌肉无法直接用于实现对拉机制的传统思维，具有结构简单、安全系数高、易于实现小型化、无污染、节约能源、控制方便、机械效率高以及柔顺性好等特点。
【专利说明】 一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置
【技术领域】
[0001]本发明属于动力输出装置领域，更具体地，涉及一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置。
【背景技术】
[0002]动力输出装置是将动力源的动力向动力驱动系统以外的设备输出的装置，作为动力传递的关键环节和重要组成部分，对动力输出装置的选择和研制，是设计整套机械系统以及其它相关系统时不可或缺的关键，直接关系到能源的利用效率和动力的传递效率，对系统的复杂程度、工艺设计、元器件分布以及控制的实施等都有很大的影响。
[0003]与动力输出装置息息相关的便为动力源，即动力驱动系统，一般常见的动力源有发动机、电动机、液压泵、气泵以及利用人工或动物提供动力等，气动肌肉是一种新型的拉伸型气动执行元件，当通入压缩空气时，可以像肌肉一样产生很强的收缩力，气动肌肉便由此而得名，随着气动技术的飞速发展及广泛应用，新型的气动元件不断被研制出来，气动肌肉作为一种新型仿生元件，以其新颖巧妙的设计构思，打破了气动执行元件必须由压缩空气推动活塞来做功这一传统理念，省略了活塞杆、活塞、密封圈、缸筒等诸多零部件，主要由弹性橡胶内管、纤维编织网外套和两端部连接头组成，具有结构简单、输出力大、使用过程中不产生摩擦、柔顺以及安全系数高等特点。在各种领域，尤其是机器人领域，得到了越来越广泛的关注和应用。
[0004]气动人工肌肉现阶段主要用于机器人技术当中，尤其是和仿生学紧密相关的服务性机器人领域，尽管现有的气动人工肌肉的特性与动物肌肉相比还有很大的差距，但研宄人员对其抱有相当大的兴趣，致力于研制出与动物肌肉更为相似的气动人工肌肉，并取得了重大的进展，气动肌肉作为一种新型的气动元件，将会有更广阔的用途和应用前景。
[0005]如果将气动肌肉运用到动力输出装置中，在机构设计中，利用圆盘转动来输出动力是很常见且实用的一种方式，要想驱动圆盘转动，最可靠易行的方式便为利用钢丝绳的对拉作用，但是现阶段常见的气动人工肌肉，无法真正代替或模拟动物肌肉，其只能实现自身收缩方向的运动，动力输出的方向是单一的，应用时其本身并没有对拉机制。为了解决这个问题，得到更加实用可靠的机构。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，依据人的肌肉作用特点，衍生出一种气动肌肉对拉机制，可用于实现对拉，不仅最大程度上利用了气动肌肉的特性，而且克服了气动肌肉自身存在的局限性问题，气动肌肉得以直接驱动所述圆盘组件工作，结构简单巧妙，具有仿生性和柔顺性，动作连贯灵活，安全系数高，控制简单方便，尤其适合应用于机器人的手臂、手指等的关节驱动。
[0007]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，包括支撑架，支撑架上安装有第一气动肌肉、第二气动肌肉、第一拉伸弹簧、第二拉伸弹簧和圆盘组件，其中
[0008]圆盘组件通过水平转轴安装在支撑架上，水平转轴通过轴承安装在支撑架上，圆盘组件包括依次安装在水平转轴上的第一圆盘、第一推动盘、第一转动盘、动力输出圆盘、第二转动盘、第二推动盘和第二圆盘，第一圆盘和第二圆盘分别通过轴承安装在水平转轴上，第一推动盘与第一圆盘固定连接，第二推动盘与第二圆盘固定连接，第一转动盘和第二转动盘均固定连接在动力输出圆盘上，动力输出圆盘固定连接在水平转轴上；
[0009]所述第一气动肌肉通过第一拉绳与第一圆盘连接，第一圆盘通过第一回位绳与第一拉伸弹簧连接，第一气动肌肉充气时通过第一拉绳拉动第一圆盘逆时针转动及通过第一回位绳拉动第一拉伸弹簧伸长，第一推动盘上设置有第一推动凸台，第一转动盘上设置有第一转动凸台，第一推动凸台能在逆时针转动时推动第一转动凸台转动；
[0010]所述第二气动肌肉通过第二拉绳与第二圆盘连接，第二圆盘通过第二回位绳与第二拉伸弹簧连接，第二气动肌肉充气时通过第二拉绳拉动第二圆盘顺时针转动及通过第二回位绳拉动第二拉伸弹簧伸长，第二推动盘上设置有第二推动凸台，第二转动盘上设置有第二转动凸台，第二推动凸台能在顺时针转动时推动第二转动凸台转动。
[0011]优选地，所述第一气动肌肉悬挂在支撑架上，第一气动肌肉的一端较另一端重，第一气动肌肉较重的一端位于较轻的一端的下方。
[0012]优选地，所述第一气动肌肉的一端固定安装在支撑架上，其另一端与第一拉绳连接，所述第一气动肌肉与第一圆盘之间设置有第一导向轮，第一拉绳绕过第一导向轮后与第一圆盘连接。
[0013]优选地，所述第二气动肌肉悬挂在支撑架上，第二气动肌肉的一端较另一端重，第二气动肌肉较重的一端位于较轻的一端的下方。
[0014]优选地，所述第二气动肌肉的一端固定安装在支撑架上，其另一端与第二拉绳连接，所述第二气动肌肉与第二圆盘之间设置有第二导向轮，第二拉绳绕过第二导向轮后与第二圆盘连接。
[0015]优选地，所述动力输出圆盘上连接有用于输出动力输出圆盘转动时的动力的第三拉绳，所述支撑架上安装有用于对第三拉绳进行导向的第三导向轮。
[0016]优选地，初始时第一推动凸台与第一转动凸台接触，第二推动凸台与第二转动凸台之间存在间隙。
[0017]优选地，初始时第一推动凸台与第一转动凸台之间存在间隙，第二推动凸台与第二转动凸台之间接触。
[0018]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:本发明采用了第一气动肌肉和第二气动肌肉，从仿生学的角度出发，依据人的肌肉作用特点，将气动肌肉对拉的理念运用到动力输出装置中，突破了气动肌肉无法直接用于实现对拉机制的传统思维，具有结构简单、安全系数高、易于实现小型化、无污染、节约能源、控制方便、机械效率高以及柔顺性好等特点，尤其适用于机器人【技术领域】，拥有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的结构示意图；
[0020]图2是本发明撤去支撑架后的结构示意图；
[0021]图3是本发明中圆盘组件的爆炸图；
[0022]图4是本发明中第一推动盘和第一转动盘初始时的相对位置示意图；
[0023]图5是本发明第一阶段工作完成后第一推动盘和第一转动盘相对位置示意图；
[0024]图6是本发明中第二推动盘和第二转动盘初始时的相对位置示意图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0026]如图1?图3所示，一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，包括支撑架1，支撑架1上安装有第一气动肌肉2、第二气动肌肉3、第一拉伸弹簧4、第二拉伸弹簧5和圆盘组件6，所述第一气动肌肉2和第二气动肌肉3均竖直设置，第一气动肌肉2和第二气动肌肉3均悬挂在支撑架1上。所述第一气动肌肉2的一端较另一端重，第一气动肌肉2较重的一端位于较轻的一端的下方。所述第一气动肌肉2的上端固定安装在支撑架1上，其下端与第一拉绳21连接，所述第一拉绳21与第一圆盘7之间设置有第一导向轮22，第一拉绳21绕过第一导向轮22后与第一圆盘7连接。
[0027]同样地，所述第二气动肌肉3的一端较另一端重，第二气动肌肉3较重的一端位于较轻的一端的下方。所述第二气动肌肉3的上端固定安装在支撑架1上，其下端与第二拉绳31连接，所述第二拉绳31与第二圆盘9之间设置有第二导向轮32，第二拉绳31绕过第二导向轮32后与第二圆盘9连接。
[0028]由于气动肌肉在正常的位置状态下，一端的质量较另一端的质量大，因此在不影响第一气动肌肉2和第二气动肌肉3正常工作的前提下，将较重的一端放置在下，则重心也移动到其下方，在其上端固定的情况下，在整体上给其一个向下的拉力，使得竖直安置的第一气动肌肉2和第二气动肌肉3整体处于被绷直的状态，这对于保持第一气动肌肉2和第二气动肌肉3的正常工作形态以及正常工作状态有很重要的意义。
[0029]圆盘组件6通过水平转轴11安装在支撑架1上，水平转轴11通过轴承安装在支撑架1上，水平转轴11可以转动。圆盘组件6包括依次安装在水平转轴11上的第一圆盘7、第一推动盘71、第一转动盘81、动力输出圆盘8、第二转动盘82、第二推动盘91和第二圆盘9，第一圆盘7和第二圆盘9分别通过轴承安装在水平转轴11上，第一推动盘71与第一圆盘7固定连接，第二推动盘91与第二圆盘9固定连接，第一转动盘81和第二转动盘82均固定连接在动力输出圆盘8上，动力输出圆盘8固定连接在水平转轴11上。
[0030]所述动力输出圆盘8上连接有用于输出动力输出圆盘8转动时的动力的第三拉绳81，所述支撑架1上安装有用于对第三拉绳81进行导向的第三导向轮82。
[0031]所述第一气动肌肉2通过第一拉绳21与第一圆盘7连接，第一圆盘7通过第一回位绳41与第一拉伸弹簧4连接，第一气动肌肉2充气时通过第一拉绳21拉动第一圆盘7逆时针转动及通过第一回位绳41拉动第一拉伸弹簧4伸长，第一推动盘71上设置有第一推动凸台711，第一转动盘81上设置有第一转动凸台811，第一推动凸台711能在逆时针转动时推动第一转动凸台811转动。
[0032]所述第二气动肌肉3通过第二拉绳31与第二圆盘9连接，第二圆盘9通过第二回位绳51与第二拉伸弹簧5连接，第二气动肌肉3充气时通过第二拉绳31拉动第二圆盘9顺时针转动及通过第二回位绳51拉动第二拉伸弹簧5伸长，第二推动盘91上设置有第二推动凸台911，第二转动盘82上设置有第二转动凸台821，第二推动凸台911能在顺时针转动时推动第二转动凸台821转动。
[0033]作为一种优选，初始时第一推动凸台711与第一转动凸台811接触，第二推动凸台911与第二转动凸台821之间存在间隙，这样使得第一推动盘71在通过第一转动盘81带动第二转动盘82转动时，第二圆盘9不会对此运动有干涉。
[0034]作为另一种优选，初始时第一推动凸台711与第一转动凸台811之间存在间隙，第二推动凸台911与第二转动凸台821之间接触，这样使得第二推动盘91在通过第二转动盘82带动第二转动盘82转动时，第一圆盘7不会对此运动有干涉。
[0035]采用以上两种选择，是为了不让第一推动凸台711与第一转动凸台811、或第二推动凸台911与第二转动凸台821转动时不被干涉。
[0036]图1?图3所示均为装置的初始状态，图4?图6所示为圆盘组件的初始状态。第一气动肌肉2和第二气动肌肉3分别驱动第一圆盘7和第二圆盘9转动，实现了气动肌肉对拉机制。
[0037]所述圆盘组件6主要包括第一圆盘7、动力输出圆盘8、水平转轴11、第一推动盘71、第一转动盘81、第二转动盘82、第二推动盘91、第二圆盘9、第三导向轮82、多个轴承、多个用于固定绳索的钢丝绳卡块。其中，水平转轴11的两端分别通过轴承安置在支撑架1上，可在支撑架1上转动；第一圆盘7和第二圆盘9分别通过轴承安装在水平转轴11上，可相对水平转轴11转动，又因为第一推动盘71与第一圆盘7固联，因此第一推动盘71可随第一圆盘7 —起相对水平转轴11转动；第二推动盘91与第二圆盘9固联，因此第二推动盘91可随第二圆盘9 一起绕水平转轴11转动。水平转轴11与动力输出圆盘8固联，因此水平转轴11和动力输出圆盘8可在第一圆盘7或第二圆盘9的带动下同步转动。
[0038]另外，在支撑架1上还安装有第一拉伸弹簧4和第二拉伸弹簧5。当第一气动肌肉2充气收缩时，第一拉伸弹簧4受力被拉伸，处于张紧状态，同时储存弹性势能，当第一气动肌肉2放气伸长时，第一拉伸弹簧4缩短恢复自然状态，同时释放弹性势能拉住第一回位绳41，第一圆盘7也拉动第一拉绳21和第一气动肌肉2，第一拉绳21和第一气动肌肉2可以一直处于绷直状态，为动力输出装置的正常使用提供了保证。
[0039]同理，第二气动肌肉2充气和放气时，第二拉伸弹簧5的工作也与第一拉伸弹簧相似。
[0040]从动力输出装置的初始状态到完成整个气动肌肉对拉机制共需经过三个阶段，下面详细说明该三个阶段的运动过程。
[0041]图1所示的动力输出装置处于初始状态，此时优选第一推动凸台711与第一转动凸台811之间存在间隙，第二推动凸台911与第二转动凸台821之间接触的设计。初始状态时第一气动肌肉2和第二气动肌肉3均处于未充气的初始状态。
[0042]第一阶段的工作开始时，第一气动肌肉2充气收缩，产生拉力，拉动第一拉绳21，从而带动第一圆盘7由图4所示的初始状态逆时针转动，进而带动与第一圆盘7相固联的第一推动盘71逆时针转动，该过程进行中，第一推动凸台711与第一转动凸台811之间存在间隙，第一推动凸台711不会带动第一转动凸台811运动，第一推动凸台711和第一转动凸台811的始末相对位置如图4和图5所示。第一阶段工作完成后，第一气动装置体积达到最大，第一推动凸台711和第一转动凸台811接触。第一阶段时，只有第一圆盘7和第一推动盘71转动，动力输出圆盘8不转动。
[0043]第二阶段的工作开始时，第一推动凸台711和第一转动凸台811的相对位置如图5所示，第二推动凸台911和第二转动凸台821的相对位置如图6所示，即第二推动凸台911和第二转动凸台821还处于初始的位置。此时第二气动肌肉3充气收缩，产生拉力，拉动第二拉绳31，从而带动第二圆盘9由图1和图6所示的初始状态顺时针转动，进而带动与第二圆盘9相固联的第二推动盘91顺时针转动，第二推动凸台911推动第二转动凸台821和第二转动盘82顺时针转动，又因为第二转动盘82与动力输出圆盘8固联，因此动力输出圆盘8也随之顺时针转动。
[0044]另外，第二气动肌肉3充气的同时，第一气动肌肉2放气伸长，第一拉绳21被放松，此时在第一拉伸弹簧4的作用下，第一圆盘7和与之固联的第一推动盘71 一起发生顺时针转动，以使第一推动凸台711避让第一转动凸台811，不对动力输出圆盘8和第一转动盘81的转动造成干涉。此时整个圆盘组件6同步发生顺时针转动，这样就成功实现了气动肌肉对拉机制。从仿生学的角度来看，依据人体肌肉的收缩特点，所述第一气动肌肉2相当于人体肌肉中的拮抗肌(被动肌)，所述第二气动肌肉3相当于人体肌肉中的原动肌(主动肌
[0045]第二阶段的工作结束以后，第二气动肌肉3处于最大体积，第一气动肌肉2完成放气处于自然状态。
[0046]此后开始第三阶段的工作，第一气动肌肉2保持自然状态不工作，第二气动肌肉3放气伸长，第二拉绳31被放松，此时在第二拉伸弹簧5的作用下，第二圆盘9和与之固联的第二推动盘91 一起逆时针转动。
[0047]经过上述三个阶段的动作，实现了气动肌肉的对拉机制，同时使得动力输出圆盘8转动了一定的角度，成功将第一气动肌肉2和第二气动肌肉3所提供的动力输出到外部系统。
[0048]本装置可以连续工作，其工作过程并不仅仅只限于上述的几个阶段。进行后续工作时，第一气动肌肉2和第二气动肌肉3按照前述的三个阶段充气和放气，以实现动力输出圆盘8的连续工作。
[0049]前述的第三阶段完成后，装置如果又再次工作，则同理第一气动肌肉2收缩，第一圆盘7带动第一推动盘71逆时针转动，推动第一转动盘81转动，从而使得动力输出圆盘8逆时针转动至初始位置。
[0050]在第一气动肌肉2和第二气动肌肉3不工作的情况下，可以人为转动动力输出圆盘8，这可为系统非工作状态下的执行机构的运动能力评估、故障诊断提供可能，其中这里的执行机构，是指外接的机械臂之类的接收动力的机构。
[0051]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，包括支撑架(1)，支撑架(I)上安装有第一气动肌肉(2)、第二气动肌肉(3)、第一拉伸弹簧(4)、第二拉伸弹簧(5)和圆盘组件(6)，其特征在于:其中 圆盘组件(6)通过水平转轴(11)安装在支撑架(I)上，水平转轴(11)通过轴承安装在支撑架(I)上，圆盘组件(6)包括依次安装在水平转轴(11)上的第一圆盘(7)、第一推动盘(71)、第一转动盘(81)、动力输出圆盘(8)、第二转动盘(82)、第二推动盘(91)和第二圆盘(9)，第一圆盘(7)和第二圆盘(9)分别通过轴承安装在水平转轴(11)上，第一推动盘(71)与第一圆盘(7)固定连接，第二推动盘(91)与第二圆盘(9)固定连接，第一转动盘(81)和第二转动盘(82)均固定连接在动力输出圆盘(8)上，动力输出圆盘(8)固定连接在水平转轴(11)上； 所述第一气动肌肉⑵通过第一拉绳(21)与第一圆盘(7)连接，第一圆盘(7)通过第一回位绳(41)与第一拉伸弹簧(4)连接，第一气动肌肉(2)充气时通过第一拉绳(21)拉动第一圆盘(7)逆时针转动及通过第一回位绳(41)拉动第一拉伸弹簧(4)伸长，第一推动盘(71)上设置有第一推动凸台(711)，第一转动盘(81)上设置有第一转动凸台(811)，第一推动凸台(711)能在逆时针转动时推动第一转动凸台(811)转动； 所述第二气动肌肉⑶通过第二拉绳(31)与第二圆盘(9)连接，第二圆盘(9)通过第二回位绳(51)与第二拉伸弹簧(5)连接，第二气动肌肉(3)充气时通过第二拉绳(31)拉动第二圆盘(9)顺时针转动及通过第二回位绳(51)拉动第二拉伸弹簧(5)伸长，第二推动盘(91)上设置有第二推动凸台(911)，第二转动盘(82)上设置有第二转动凸台(821)，第二推动凸台(911)能在顺时针转动时推动第二转动凸台(821)转动。
2.根据权利要求1所述的一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，其特征在于:所述第一气动肌肉(2)悬挂在支撑架(I)上，第一气动肌肉(2)的一端较另一端重，第一气动肌肉(2)较重的一端位于较轻的一端的下方。
3.根据权利要求1所述的一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，其特征在于:所述第一气动肌肉(2)的一端固定安装在支撑架(I)上，其另一端与第一拉绳(21)连接，所述第一气动肌肉(2)与第一圆盘(7)之间设置有第一导向轮(22)，第一拉绳(21)绕过第一导向轮(22)后与第一圆盘(7)连接。
4.根据权利要求1所述的一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，其特征在于:所述第二气动肌肉(3)悬挂在支撑架(I)上，第二气动肌肉(3)的一端较另一端重，第二气动肌肉(3)较重的一端位于较轻的一端的下方。
5.根据权利要求1所述的一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，其特征在于:所述第二气动肌肉(3)的一端固定安装在支撑架(I)上，其另一端与第二拉绳(31)连接，所述第二气动肌肉(3)与第二圆盘(9)之间设置有第二导向轮(32)，第二拉绳(31)绕过第二导向轮(32)后与第二圆盘(9)连接。
6.根据权利要求1所述的一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，其特征在于:所述动力输出圆盘(8)上连接有用于输出动力输出圆盘(8)转动时的动力的第三拉绳(81)，所述支撑架(I)上安装有用于对第三拉绳(81)进行导向的第三导向轮(82)。
7.根据权利要求1所述的一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，其特征在于:初始时第一推动凸台(711)与第一转动凸台(811)接触，第二推动凸台(911)与第二转动凸台(821)之间存在间隙。
8.根据权利要求1所述的一种实现气动肌肉对拉机制的动力输出装置，其特征在于:初始时第一推动凸台(711)与第一转动凸台(811)之间存在间隙，第二推动凸台(911)与第二转动凸台(821)之间接触。
【文档编号】B25J19/00GK104476565SQ201410628457
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】熊蔡华, 柳锴, 王婷, 陈文斌 申请人:华中科技大学