一种液压驱动柔性人工肌肉的制作方法

本发明涉及人工肌肉技术领域，特别是涉及一种液压驱动柔性人工肌肉。

背景技术：

人工肌肉是一类基于工程及仿生学设计，在给定输入信号情况下，能够像肌肉一样产生收缩运动和输出力的机电系统。人工肌肉因其具有一定柔性、并且结构较为紧凑的特点而被广泛用于各种机器人及外骨骼系统中，实现各种机构的驱动。

传统人工肌肉一般采用编织材料，在输入高压液体或气体情况下，通过筒状肌肉外壁的径向膨胀实现轴向的收缩。传统人工肌肉存在以下不足：首先，传统人工肌肉要想产生收缩运动，其径向必然膨胀，此特点容易干扰肌肉附近其他结构的动作，限制了其应用；其次，传统人工肌肉的作动原理导致其收缩运动行程较小，无法满足更大行程应用的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种用于为机器人及外骨骼系统提供驱动的液压驱动柔性人工肌肉。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种液压驱动柔性人工肌肉，包括两端安装有用于与液压泵连接的接头的内嵌有螺旋形钢丝的柔性筒以及置于所述柔性筒内的能由液压驱动在所述柔性筒内移动的活塞，所述活塞与牵引绳相连接，所述牵引绳的另一端伸出于所述柔性筒外，用于与所述柔性筒外的负载连接；所述活塞的外壁与所述柔性筒的内壁密封接触而将所述柔性筒的内部形成有绳腔与无绳腔，所述牵引绳经过所述有绳腔内后伸出于所述柔性筒外。

所述活塞包括同轴布置的活塞芯以及鼓形状的活塞套，所述活塞套通过凹槽与凸起配合结构安装在所述活塞芯外，所述活塞芯与活塞套装配后与所述柔性筒同轴安装，所述活塞套中段圆柱面与所述柔性筒内表面接触，并可沿所述柔性筒内表面相对滑动；所述牵引绳穿过所述活塞芯内部的绳孔，在所述的绳孔的两端有绳夹固定在牵引绳上将所述牵引绳与所述活塞芯连接。

所述柔性筒的前端与后端分别同轴安装有外壁与所述柔性筒的内壁密封连接的前端盖及后端盖，所述前端盖与同轴布置的中端盖接触，所述前端盖与中端盖上分别形成有对应的牵引绳穿过孔，所述的前端盖及后端盖上分别安装有绳腔接头与无绳腔接头。

所述前端盖与中端盖通过连接螺栓连接，在所述前端盖与中端盖之间的牵引绳穿过孔位置有牵引绳密封圈，所述的盖端盖上有非贯通螺纹孔，所述中端盖上有沉头螺栓孔。

所述前端盖与后端盖上分别形成有连接所述的有绳腔接头与无绳腔接头的内螺纹孔，所述中端盖上形成对应所述有绳腔接头的通孔。

所述的柔性筒的外侧在对应所述的前端盖与后端盖的位置分别设置有前管箍与后管箍，用于将所述的柔性筒与所述的前端盖、中端盖和后端盖夹紧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的人工肌肉相对于现有技术而言，其在收缩过程不会产生额外的径向膨胀且行程较长，能够大大扩充人工肌肉的应用范围，为现有机器人及外骨骼系统的驱动提供更加优秀的方案。

附图说明

图1为液压驱动柔性人工肌肉的结构原理图；

图2为图1的a-a剖面图；

图3a-3b为图1中的前端盖的主视以及剖面结构图；

图4a-4b为图1中的中端盖的主视及剖面结构图；

图5为液压驱动人工肌肉在伸直状态下的工作图；

图6为液压驱动人工肌肉在弯曲状态下的工作图。

图中：1-牵引绳；2-有绳腔接头；3-前端盖；4-连接螺栓；5-前端盖密封圈；6-牵引绳密封圈；7-前管箍；8-中端盖；9-柔性筒；10-活塞芯；11-活塞套；12-绳夹；13-后端盖；14-无绳腔接头；15-后端盖密封圈；16-后管箍；17-支承体，18-无绳腔；19-有绳腔；20-电动机；21-液压泵。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

如图1所示，本发明的液压驱动柔性人工肌肉，包括牵引绳1、有绳腔接头2、前端盖3、连接螺栓4、前端盖密封圈5、牵引绳密封圈6、前管箍7、中端盖8、柔性筒9、活塞芯10、活塞套11、绳夹12、后端盖13、无绳腔接头14、后端盖密封圈15、后管箍16。

所述柔性筒为管状结构，其主体采用柔性材料制造，其内部布置有螺旋形的钢丝，确保了柔性筒既能被任意弯曲，而径向仍具有较大刚度，在内部承受压力情况下不会产生径向膨胀。

所述牵引绳穿过前端盖、牵引绳密封圈、中端盖和活塞芯和两个绳夹内部的通孔，所述牵引绳可在前端盖、牵引绳密封圈和中端盖内孔中自由滑动。所述牵引绳在活塞芯两侧被绳夹压紧，使牵引绳与活塞芯无法产生轴向相对移动。

所述牵引绳采用工业包胶钢丝绳材料制作，该材料保证牵引绳既能承受较大拉力，又具有光滑圆柱形外表面，易于密封，且牵引绳可任意弯曲，具备较好的柔性。其中，所述的牵引绳前端带有环状结构，方便与不同机构或负载进行连接。

所述有绳腔接头、无绳腔接头为标准快速接头，分别通过螺纹与前端盖、后端盖连接。所述有绳腔接头采用直角快速接头形式，所述无绳腔接头采用直通快速接头形式。

所述活塞芯采用钢材制作，为圆柱形，其轴线上有通孔，用于贯穿牵引绳；其圆柱面上布置三道周向矩形槽结构，用于实现与活塞套的固定。所述活塞套采用橡胶材料制作，为鼓形，其轴线上有通孔，并在通孔表面加工有周向矩形突起，用于与活塞芯配合，活塞套外表面两侧均为锥形结构，中段为圆柱形结构。所述活塞芯与活塞套同轴布置，二者接触面的凸起和凹槽结构吻合，并采用粘合剂连接固定。所述活塞芯与活塞套装配后与柔性筒同轴安装，活塞套中段圆柱面与柔性筒内表面接触，并可沿柔性筒内表面相对滑动。

所述前端盖采用钢材制作，为圆盘形，其上圆周均布3个相同的非贯通螺纹孔，用于与连接螺栓连接，以将中端盖与其固定连接；前端盖上部还有一个贯通螺纹孔结构，以安装有绳腔接头；前端盖轴线上有一个圆柱通孔，用于通过牵引绳；在前端盖外圆周面上，加工有周向矩形槽结构，用于放置前端盖密封圈。

所述中端盖采用钢材制作，为圆盘形，其上圆周均布3个相同的沉头螺栓孔，用于连接螺栓的安装；在沉头螺栓孔对侧，在中端盖轴线上有一个圆形槽，用于放置牵引绳密封圈；中端盖轴线上有一个圆柱通孔，用于通过牵引绳；中端盖上部还有一个圆柱通孔，实现柔性肌肉有绳腔与有绳腔接头的连通。

所述前端盖与中端盖同轴布置，并采用三个连接螺栓固定，二者之间置有牵引绳密封圈。所述前端盖、中端盖和柔性筒同轴布置，前端盖左端面与柔性筒端面对齐，在前端盖和中端盖对应的轴向位置上，置有前管箍，用于加固前端盖、中端盖与柔性筒的连接。

所述后端盖采用钢材制作，为圆盘形，在其轴线上布置一个螺纹通孔，用于与无绳腔接头连接；在其边缘，加工有周向矩形槽结构，用于放置后端盖密封圈。所述后端盖与柔性筒同轴布置，后端盖右端面与柔性筒另一端面对齐，在后端盖对应的轴向位置上，置有后管箍，用于加固后端盖与柔性筒的连接。

所述前管箍、后管箍为工业标准管箍，用于夹紧柔性筒与前端盖、中端盖和后端盖的连接。

本发明中，所述柔性筒、牵引绳和活塞套使用柔性材料制造，如橡胶，使得整个柔性肌肉具备一定柔性，可任意弯曲，可适应不同安装空间需求及使用过程中的环境变形，增强了人工肌肉的环境适应性，大大增加了人工肌肉的应用范围。

本发明中，所述活塞芯和活塞套构成的整体--活塞，可在柔性筒内部任意滑动至两侧绳夹分别与中端盖和后端盖接触的位置，行程很长，克服了传统人工肌肉行程短的缺点，可以满足更大行程要求的应用。

本发明中，所述柔性筒内部具有螺旋形的钢丝结构加强其径向刚度，使柔性筒内部在承受较大压力情况下不会产生径向膨胀，克服了传统人工肌肉收缩过程产生额外径向膨胀的缺点。

本发明在伸直和弯曲状态下的工作状态分别如图5和图6所示。本发明在伸直和弯曲状态下产生收缩运动和输出力的工作原理分别叙述如下：

1)伸直状态下产生收缩运动和输出力。

如图5所示，收缩过程中，控制器控制电动机20正转，电动机带动液压泵21吸入无绳腔18的液体进入有绳腔19，此时有绳腔内由于液体流入而压力升高，无绳腔内由于液体流出而压力降低，因此在活塞芯与活塞套两侧产生压力差，此压力差的作用使二者产生向上的合力作用。由于绳夹的固定作用，活塞芯和活塞套整体的向上运动趋势带动牵引绳一起向上运动，人工肌肉产生收缩运动。此时与牵引绳端部圆环连接的负载即可受到人工肌肉的收缩力。

舒张过程中，控制器控制电动机反转，电动机带动液压泵吸入有绳腔的液体进入无绳腔，此时无绳腔内由于液体流入而压力升高，有绳腔内由于液体流出而压力降低，因此活塞芯与活塞套两侧产生压力差，且此压力差的作用使二者产生向下的合力作用。由于绳夹的固定作用，活塞芯和活塞套整体的向下运动趋势带动牵引绳一起向下运动，牵引绳同时受到负载的向下的作用力，人工肌肉产生舒张运动。

2)弯曲状态下产生收缩运动和输出力。

如图6所示，由于柔性筒采用柔性材料作为主体制作，所以可以产生任意弯曲，此时由于其内部螺旋形钢丝的支撑作用，柔性筒的截面仍为近似圆形。由于活塞套也为柔性材料制作，所以其在产生相应微小变形后仍可在柔性筒内部自由滑动。

如图6所示，收缩过程中，控制器控制电动机正转，电动机带动液压泵吸入无绳腔的液体进入有绳腔，此时有绳腔内由于液体流入而压力升高，无绳腔内由于液体流出而压力降低，因此在活塞芯与活塞套两侧产生压力差，此压力差的作用使二者产生向右上的合力作用。由于绳夹的固定作用，活塞芯和活塞套整体的向右上运动趋势带动牵引绳一起向右上运动，此时牵引绳在中端盖与活塞芯之间的部分被拉直，牵引绳末端带动负载向上运动，人工肌肉产生收缩运动。此时与牵引绳端部圆环连接的负载即可受到人工肌肉的收缩力。

舒张过程中，控制器控制电动机反转，电动机带动液压泵吸入有绳腔的液体进入无绳腔，此时无绳腔内由于液体流入而压力升高，有绳腔内由于液体流出而压力降低，因此活塞芯与活塞套两侧产生压力差，且此压力差的作用使二者产生向左下的合力作用。由于绳夹的固定作用，活塞芯和活塞套整体的向左下运动趋势带动牵引绳一起向左下运动，牵引绳同时受到负载的向下的作用力，此时牵引绳在中端盖与活塞芯之间的部分仍被拉直，牵引绳末端向下运动，人工肌肉产生舒张运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。