压电晶体仿生肌肉装置的制作方法

本申请涉及人造肌肉技术领域，尤其涉及一种压电晶体装置，仿生肌肉装置方法及相关产品。

背景技术：

随着人工智能和智能制造技术的发展，机械臂、机械手和机器人在工农业、服务业和人们生活中起到越来越重要的作用。

然而，机械臂、机械手和机器人的动作机构通常为电动装置包括减速器、电动机、制动装置等，或气动装置，或液压装置，结构复杂，成本较高，不如人类或动物肌肉与骨骼组成的动作机构灵活。因此，如何模仿肌肉和骨骼结构来提高动作机构的灵活性，并降低复杂度和成本成为一个亟待解决的问题。肌肉是由圆柱状的肌纤维组成的，而肌纤维中包含有许多纵向排列的肌原纤维，它是肌肉收缩的装置。肌原纤维由肌小节组成。在每个肌小节中，由肌球蛋白组成的粗肌丝和由肌动蛋白组成的细肌丝—F-肌动蛋白相互穿插排列，并且依靠粗肌丝头端的横桥使二者紧密接触在一起。肌肉的收缩是粗肌丝和细肌丝发生相对运动的结果。当横桥处于立起并静止状态时，肌肉处于静止状态。当横桥处于倒伏状态时，肌肉处于放松状态。因此，肌小节以及由它们组成的肌肉组织有三种状态：收缩、静止、和放松状态。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种仿生肌肉装置方法和相关产品，可以模仿肌肉的运动和动力方式，为仿生机械臂、机械手和机器人提供最基本的动作装置。

第一方面，本申请实施例公开了一种压电晶体装置，所述压电晶体装置包括驱动机构、抱闸机构以及密封可伸缩外壳，其中，

所述驱动机构，用于在收到动作信号时，产生向定子方向的驱动动作，从而带动整个装置进行收缩；

所述抱闸机构，首先在仿生肌肉装置需要处于静止状态时，锁定装置的位置，使整个装置保持在静止状态；其次，仿生肌肉装置需要处于放松状态时，所述抱闸机构收到解锁信号时，解锁该机构，使装置处于放松状态；

所述密封可伸缩外壳，用于密封封装整个装置，使其不受外部环境的影响如灰尘、湿度等，提高可靠性，同时具有可伸缩性，使整个装置可以在一定范围内进行伸缩运动；

第二方面，本申请实施例公开了一种仿生肌肉实现方法，应用于包括驱动机构、抱闸机构以及密封可伸缩外壳的压电晶体装置，所述方法包括：

驱动机构在接收到驱动信号时，带动整个装置进行收缩运动；

在驱动机构没有收到驱动信号时，抱闸机构自动锁定装置当前位置，使装置处于静止状态；

在抱闸机构收到解锁信号时，抱闸机构解除对动子的锁定，使动子处于自由运动状态，使装置处于放松状态。

第三方面，本申请实施例公开了一种仿生肌肉装置的密封可伸缩外壳装置，应用于封装包括驱动机构和抱闸机构的压电晶体仿生肌肉装置。

所述密封可伸缩外壳装置为波纹管或套管结构，二端与装置的端盖结合在一起，使装置为密封装置，隔绝外部环境对器件内部的影响。

本申请实施例中，仿生肌肉装置包括驱动机构、抱闸机构以及密封可伸缩外壳，用于模仿肌肉的运动方式；驱动机构在收到驱动信号时进行向定子内推动收缩，从而带动装置收缩；在没有收缩运动时，抱闸机构锁定装置当前的位置，使装置处于静止状态；抱闸机构在收到解锁信号时，解锁，使装置处于放松状态。由此可见，实施本申请实施例，可以模仿肌肉的运动方式，并通过多个装置串并联的方式模仿肌肉组织，从而为更灵活、模块化以及仿生的机械臂、机械手以及机器人提供最基本的动作装置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下图将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下图描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种压电晶体装置的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的一种压电晶体装置的具体实施方式结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请实施例提供了一种压电晶体仿生肌肉装置方法及相关产品，通过逆压电效应模拟肌肉的运动和动力方式，即肌肉的收缩、静止和放松状态，可以应用于仿生机械臂、机械手和机器人，使它们具有能耗低、更灵活、结构更简单的模块化构造。以下分别进行详细说明。

请参阅图1，图1为本申请实施例公开的一种压电晶体仿生肌肉装置100的结构示意图，如图1所示，装置100包括驱动机构，它是由压电材料和电极组成的推动结构105、驱动抱闸机构101、定子抱闸机构106、动子107、端盖108和111以及密封可伸缩外壳109组成。

本申请实施例中，由压电材料和电极组成的驱动结构105中间带有小孔，由刚性杆或高强度非弹性纤维制成的动子107穿过这个小孔和驱动抱闸机构101进入动子收纳室；如果用纤维动子，则动子收纳室内有动子收纳轴110，它将装置收缩时推进来的纤维动子卷起来。

驱动抱闸机构101和定子抱闸机构106没有收到解锁信号时，自然处于抱闸状态，即常闭状态，锁住动子使其不能自由运动，保持位置，此时装置处于静止状态。

但装置需要处于放松状态时，驱动抱闸机构101和定子抱闸机构106收到解锁信号，放开动子，使其能够自由运动，装置即处于放松状态。

当装置需要收缩时，驱动抱闸机构101处于自然抱闸状态，锁住动子，定子抱闸机构 106处于解锁状态，驱动机构收到驱动信号，压电晶体和电极组成的推动机构105在驱动信号电场而导致的逆压电效应的作用下，通过机械能传导管103推动驱动抱闸机构101向定子内运动，进而推动动子向定子内运动。一个推动时间段完成后，定子抱闸机构106抱闸锁住动子，驱动抱闸机构101解锁，驱动结构105和驱动抱闸机构101在复位弹簧104的作用下复位，进入下一个推动动作段，重复上述动作，动子在驱动机构推动下可以持续向定子内运动，因此装置将持续进行收缩，直到收缩极限。

即使装置在收缩过程中，因为某些原因失去收缩信号如掉电，驱动抱闸机构101和定子抱闸机构106也立刻处于抱闸状态，即常闭状态，锁住动子，装置处于静止状态，因此可以使装置处于安全状态。

密封可伸缩外壳109，将整个装置密封在一个可伸缩的外壳内，使其内部机构不受外部环境的影响，如粉尘、液体等，整个装置可以做成一个器件单元，有利于多器件的串并联组合。

请参阅图2，图2为本申请实施例公开的压电晶体仿生肌肉装置的一种具体实现方式的结构示意图，如图2所示，驱动机构210由压电晶体片如压电陶瓷片和电极片堆叠而成，通过电极线211获得驱动电压，压电晶体片和电极片中心都有小孔，使动子213能够穿过进入定子内的动子收纳室。驱动抱闸机构和定子抱闸机构212都是由半环形衔铁闸片204、复位弹簧203、半环形电磁铁202以及端盖201和205组成，所不同的是定子抱闸机构212固定在定子的一端，驱动抱闸机构固定在驱动动力传导管208上，并可在定子内运动，由固定在定子内的限位片206限制其位置。动子穿过定子抱闸机构、驱动机构、驱动动力传导管、驱动抱闸机构进入定子中的动子收纳室，如果动子为高强度非弹性纤维，动子使用卷轴216 收纳，而如果动子为刚性杆，则不需要卷轴216，只需要留出足够的收纳空间即可。

该装置是这样工作的，在没有驱动信号和解锁信号时，驱动抱闸机构和定子抱闸机构的衔铁闸片在复位弹簧的作用下，抱住动子使其不能自由运动，因此装置处于静止状态；对驱动抱闸机构和定子抱闸机构同时进行解锁，动子处于自由运动状态，装置处于放松状态；解锁定子抱闸机构，驱动抱闸机构处于抱闸状态，驱动机构接通驱动电压，驱动机构推动驱动抱闸机构，进而推动动子向定子内部运动，动子的运动通过动子端盖将伸缩动力传递给装置外部，使装置收缩，然后定子抱闸机构恢复抱闸状态，驱动抱闸机构解锁，驱动机构在复位弹簧的作用下复位，进入下一个收缩阶段。循环往复，装置可以持续地进行收缩。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。