具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉的制作方法
【专利摘要】本发明属于气动人工技术领域，特别涉及一种具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉。本发明包括纤维丝、弹性软管、圆柱套管、集丝卡箍、集丝孔、压电体、电极、感知电路、驱动电路、卡箍、气管接头；通过压电体的正压电效应，可以测量纤维丝的伸缩力，得到气动肌肉对外接负载的驱动力，同时根据电压表的实时示数，可以自感知气动肌肉的碰撞，通过压电体的逆压电效应，可以提高气动肌肉的收缩量及改变气动肌肉刚度；与市面上同型号的气动肌肉相比，该气动肌肉能能检测外部负载的驱动力，能自感知碰撞，提高气动肌肉的收缩量及改变气动肌肉刚度。本发明改进和丰富了气动肌肉性能，具有功能上的创新和扩展，值得应用。
【专利说明】
具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉
技术领域
[0001]本发明属于气动肌肉技术领域，特别涉及一种具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉。
【背景技术】
[0002]气动肌肉作为新型气动执行元件，由于其柔性高、重量轻、使用方便、响应速度快、成本低廉等优点，被广泛的应用于各种仿生机械的驱动领域。气动肌肉主要由充气弹性软管、约束弹性软管变形的编织网以及卡箍三部分组成。气动肌肉内压力升高后，橡胶管膨胀，带动编织网线运动，在编织网的编织角变大的同时，气动肌肉在轴向方向收缩，从而带动负载工作。
[0003]目前，气动肌肉被广泛的应用于生活中，比如肢体康复医学领域、仿人机器人领域，其应用的工作环境复杂，与人的交互协作越来越密切，因此，对气动肌肉的碰撞检测尤为重要。现在的碰撞检测方法主要是在整个气动肌肉臂上安装多个传感器，形成一个类似皮肤的神经感知网，该方案成本高，结构复杂，计算困难。气动肌肉驱动负载工作时，实时检测气动肌肉对负载的作用效果是完成控制任务的必要工作，目前的检测方式主要是在负载上安装拉力传感器直接检测拉力，或者安装压力传感器检测气动肌肉内部压强，二者均需外接传感器，进行二次开发。气动肌肉结构参数一定的情况下，其刚度随充气压力大小、气动肌肉实际工作长度的变化而变化，由于气动肌肉本身的材料限制，刚度变化范围有限。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是针对上述技术的缺陷和不足，提出了一种具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉。
[0005]为解决上述问题，本发明采用了以下技术方案:
它包括纤维丝、弹性软管、集丝卡箍、压电体、圆柱套管、气管接头、卡箍、电极、驱动电路、感知电路和集丝孔;纤维丝以固定的编织角缠绕在弹性软管外表面，组成编织网；其中弹性软管两末端的纤维丝单独引出，引出的纤维丝被均分为η等份，形成η簇集丝。在每一份中，左右交叉的两根纤维丝连接在一起形成纤维丝束，多束纤维丝束通过热缩管集合成一簇集丝；圆柱套管是中空、金属材质，弹性软管的末端套接在圆柱套管的末端外表面;压电体在垂直方向经过极化，对应于η簇集丝的η个压电体均匀对称分布、固接在圆柱套管外表面，压电体的两端分别引出电极，外接驱动电路或者感知电路，其中弹性软管的一端压电体全部外接驱动电路，另一端压电体全部外接感知电路;集丝卡箍是圆环体，其带有对应于集丝均匀分布的η个集丝孔，集丝卡箍固接在圆柱套管的末端，并将弹性软管卡在二者之间，由纤维丝形成的集丝穿过集丝孔固接在压电体的一端;卡箍的一侧边缘留有进气口，气管接头固接于进气口上，卡箍与圆柱套管的末端固接在一起，密封整个装置。
[0006]进一步说，所述弹性软管为橡胶弹性软管，充气后膨胀。
[0007]本发明采用新型材料与常规仿生机构的结合设计，本发明充气收缩，利用压电体的逆压电效应，压电体可带动纤维丝收缩，能够提高气动肌肉收缩量及刚度调节范围;本发明充气收缩，纤维丝拉扯压电体，由于压电体的正压电效应，压电体两端电压发生变化，能够用来感知纤维丝输出拉力；气动肌肉发生碰撞必然引起纤维丝输出拉力的变化，能够根据感知电路的η个压电体两端电压变化感知碰撞。
[0008]在气动肌肉正常工作时，通过驱动电路的压电体的逆压电效应，压电体可带动纤维丝收缩，能够提高气动肌肉收缩量及刚度调节范围，丰富了气动肌肉的驱动方式;在气动肌肉正常工作时，通过压电体的正压电效应，可以测出纤维丝集线的拉力，得到气动肌肉对负载的驱动力；当气动肌肉存在外界碰撞时，通过感知电路的各个压电体的电压变化，能感知气动肌肉的外部碰撞。与常规的气动肌肉相比，该装置能自感知气动肌肉的碰撞、气动肌肉对负载的作用效果、增大气动肌肉刚度调节范围。
【附图说明】
[0009]图1是具有自感知功能的气动人工肌肉的前视图；
图2是具有自感知功能的气动人工肌肉的一侧放大连接图；
图中，1、纤维丝;2、弹性软管；3、集丝卡箍;4、压电体；5、圆柱套管;6、气管接头;7、卡箍;8、电极;9、驱动电路;10、感知电路;11、集丝孔。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0011]如图1、图2所示，本实施例包括纤维丝1、弹性软管2、集丝卡箍3、压电体4、圆柱套管5、气管接头6、卡箍7、电极8、驱动电路9、感知电路10、集丝孔11。本例中，将靠进气管接口6的压电体4作为感知部分，气动肌肉另一端的压电体4作为驱动部分;所述弹性软管2均为橡胶弹性软管，充气后膨胀;纤维丝I以固定的编织角缠绕在弹性软管2外表面，组成编织网，其中弹性软管两末端的纤维丝I单独引出，引出的纤维丝被均分为6等份。在每一份中，左右交叉的两根纤维丝I连接在一起形成纤维丝束，并将多束连接的纤维丝束用热缩管集合成一簇集丝。圆柱套管5是中空、金属材质，弹性软管2的末端套接在圆柱套管5的末端外表面;压电体4是在垂直方向经过极化，对应于集丝的6个压电体4均匀对称分布、固接在圆柱套管5外表面，压电体4的两末端分别引出电极8，外接驱动电路9或者感知电路10，其中弹性软管2的一端压电体4全部外接驱动电路9，另一端压电体4全部外接感知电路10;集丝卡箍3是圆环体，其带有对应于集丝均匀分布的6个集丝孔11，集丝卡箍3固接在圆柱套管5的末端，并将弹性软管2卡在二者之间，由纤维丝I形成的集丝穿过集丝孔11固接在压电体4的底端;卡箍7的一侧边缘留有进气口，气管接头6固接于进气口上，卡箍7与圆柱套管5的末端固接在一起，密封整个装置。
[0012]具有自感知功能的气动人工肌肉，根据压电体4的特性，分别简述该装置的感知特性和驱动特性。
[0013]感知特性:通过气管接口6向弹性软管2内部充气，弹性软管2膨胀，在编织网的束缚作用下，弹性软管2的径向形变量减小，轴向伸缩量变大，编织丝I与弹性软管2相互牵扯，此时压电体4在极化方向上由编织丝的拉扯作用产生形变，基于压电体4的正压电效应，压电体4轴向方向上的两端产生电压差，通过感知电路，测出纤维丝I的拉力大小；当气动肌肉正常工作时，受到外界的碰撞，碰撞位置的临近纤维丝I的拉力会发生变化，各压电体4外接感知电路10的输出信号各异，可以感知气动肌肉的碰撞。
[0014]驱动特性:在气动肌肉正常工作时，驱动电路9给压电体4施加激励信号，基于压电体4的逆压电效应，压电体4的极化方向产生一个长度形变，带动纤维丝I收缩，改变气动肌肉的刚度。
[0015]以上所述仅是本发明的一个较佳实例，凡是在不脱离本发明精神和范围的前提下对本发明所做的各种改变和改进，都不会超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1.具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉，其特征在于，包括纤维丝、弹性软管、集丝卡箍、压电体、圆柱套管、气管接头、卡箍、电极、驱动电路、感知电路和集丝孔;纤维丝以固定的编织角缠绕在弹性软管外表面，组成编织网；其中弹性软管两末端的纤维丝单独引出，引出的纤维丝被均分为η等份，形成η簇集丝;在每一份中，左右交叉的两根纤维丝连接在一起形成纤维丝束，多束纤维丝束通过热缩管集合成一簇集丝；圆柱套管是中空、金属材质，弹性软管的末端套接在圆柱套管的末端外表面;压电体在垂直方向经过极化，对应于η簇集丝的η个压电体均匀对称分布、固接在圆柱套管外表面，压电体的两端分别引出电极，外接驱动电路或者感知电路，其中弹性软管的一端压电体全部外接驱动电路，另一端压电体全部外接感知电路;集丝卡箍是圆环体，其带有对应于集丝均匀分布的η个集丝孔，集丝卡箍固接在圆柱套管的末端，并将弹性软管卡在二者之间，由纤维丝形成的集丝穿过集丝孔固接在压电体的一端;卡箍的一侧边缘留有进气口，气管接头固接于进气口上，卡箍与圆柱套管的末端固接在一起，密封整个装置。2.根据权利要求1所述的具有自感知功能的气动人工肌肉，其特征在于，所述弹性软管为橡胶弹性软管，充气后膨胀。
【文档编号】B25J9/10GK105856219SQ201610385406
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】王斌锐, 杨雪锋, 金英连, 张斌
【申请人】中国计量大学