专利名称：改进的人工管状肌肉及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及人工肌肉，尤其是一种管状人工肌肉的改进及应用。
目前处于研制阶段的人工肌肉，一般是利用凝胶体的电化学特性， 尚未达到实用阶段。97年5月申请的“一种人工管状肌肉及其应用”(专利申请号97110134.5)发明了一种实用的人工肌肉“一种人工管状肌肉是由高分子弹性材料和纤维制成的管状结构，纤维均匀分布在管壁中，管状结构一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接，管状肌肉在泵的驱动下沿管轴轴向伸缩，而不产生横向扩张，其不仅具有肌肉的柔韧性和收缩功能，而且具备独特的强力伸张功能。”本发明的目的就是改进这种人工管状肌肉并拓展其应用范围。
本发明，改进的人工管状肌肉，也是由橡胶或其他高分子弹性材料和高强度纤维(包括纤维绞合成的纤维索)制成的管状结构。原发明的管状肌肉“纤维相对于管轴横向地均匀分布在管壁中”，本发明的管状肌肉，纤维不仅可以分布在管壁中，也可用纤维，纤维绞成的索或金属丝紧密地平绕在胶管外部。在胶管受到内部压力伸张时，被紧密的缠绕物所束缚不能横向扩张， 只能纵向伸长，紧匝在胶管上的缠绕物也随之伸张。将纤维索或金属丝紧密地缠绕在胶管外部，可以避免在高压下管壁内部的纤维与胶体剥离。
原发明中提出的管状肌肉“一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接”，如果几段管状肌肉串接起来就要利用“连接器”，结构较复杂。本发明将一根管状人工肌肉分隔成几段，每段形成一个独立的腔体，每个腔体都有一根能够承受足够压力的软管，软管分布于胶管内，穿过各个腔体与外面各自的控制阀连接，这些软管呈螺旋形弯曲，使其能够随着管状肌肉伸缩。这样就形成了一体化的，各段都能独立伸缩的多节管状人工肌肉，工艺性和密封性都得以改进，可以很方便地组合成柔性臂和柔性机械手。
几根平行的胶管可以编织在一个高强度纤维织成的网络中，纤维的走向与管子的轴向接近垂直，这样的网络只能沿轴向伸缩，而不能横向扩张，起到了束缚胶管的作用。这些平行胶管通过接口、软管和控制阀与泵连接，同样可构成柔性臂。
直径小于1毫米的管状人工肌肉可以不用接口，直接与输气或输液软管相连，软管可以采用空心纤维，空心纤维插入细胶管的腔体，并与胶管密封连接。这种细的管状人工肌肉直径可以达到0.3毫米以下，适合模拟肌纤维的形态和功能，称为人工肌纤维。人工肌纤维的两端可以植入人工骨骼的内部。人工骨骼内有多个独立的空腔，各空腔分别与控制阀相连。许多根并联的人工肌纤维形成肌纤维束，其端部都植入人工骨骼内，空心纤维与骨骼空腔密封连接，象肌腱连接于骨骼一样。骨骼内各自独立的腔体分别连接几束不同的人工肌纤维，按动物或人的肌肉与骨骼的连接方式，将人工肌纤维与人工骨骼连接组合起来，就可制造仿生肢体或仿生动物和人。
三根或三根以上的人工管状肌肉并联在一起，中间夹一根高强度纤维编织成的索，中心纤维索与每一根管状肌肉都用高度纤维缠绕在一起，并用弹性胶体粘结或注塑成一个整体。纤维索是不能伸长的，因此并联成的柔性臂只能弯曲，不能伸长，但由于中心纤维索的存在，使柔性臂能够产生极大的力矩，抗拉极限强度也大大提高，而且在保持同一种姿态时，柔性臂可软可硬，只要按比例适当调节管状肌肉内的压力即可，这样使柔性机械臂和机械手的实用性大为提高。
用于太空作业的柔性机械臂和机械手，可在其表面包裹一层弹性隔热层，隔热层内设置热循环管道(可用气体或液体循环)，保证人工肌肉在合适的温度下工作。太空的真空环境不存在热传导和热对流，与外界热交换的唯一途径是热幅射，为此可在隔热层的表面涂复反射性涂层，降低幅射造成的热量损失，又可防止太阳强烈照射造成的过度温升和幅射对人工肌肉的损害(老化)。也可以在隔热层表面敷设一层反射性鳞甲，取代反射性涂层的作用，同时又防护人工肌肉免受宙宇尘埃的撞击。
太空柔性机械臂和机械手可以辅助飞船对接，施放和收取卫星，太空工程施工如太空站的建造、拼装等。
用太空柔性机械臂和机械手可制造多臂的太空柔性机器人——太空章鱼。太空章鱼由头部和触手所组成，头壳是用高强度轻质合金制造的高压容器，由太空柔性机械臂和机械手制成的触手，直接与头部相连，管状肌肉的腔体通过控制阀与高压容器相通，电脑、遥控、遥信设备及温度控制系统装于高压容器的外壳上。高压容器上还装有由电脑控制的喷咀，喷咀产生的推力可使太空章鱼作机动飞行，高压容器充满高压气体，作为人工肌肉的驱动源和喷咀的气源。为增加动力的持久性，高压容器可分隔出一定的空间，其中装满高压液化气，以补充消耗的高压气体。
太空章鱼的眼睛——一对遥控摄像机，可安装于章鱼的一对触手的端部，以便于灵活地调整视野，摄取的图象信息发往遥控监测终端，形成立体影象，便于遥控人员的操作。
太空章鱼可分为有缆型和无缆型，无缆型完全依靠自身的动力在太空中运动和操作。
有缆型系一根高强度的细缆绳，在捕捉远处目标时，象鱼叉一样拖着系缆被投射出去，接近目标时再启动本身的机动控制系统，以适宜的角度和速度接近目标，张开触手俘获目标，并依靠缆绳拖回飞船。
管状人工肌肉可用于制造可控柔性管用金属丝或具有一定硬度和弹性的聚合物材料绕制成螺线管，将人工管状肌肉并排地包裹住螺线管，管状肌肉的走向平行于螺线管的管轴，外面用高强度纤维缠绕，并用弹性胶体把螺线管和人工管状肌肉及纤维粘结或注塑为一体，形成可控柔性管，这种柔性管可用作医用内窥镜的软管。
用人工管状肌肉可制成一种细长的柔性机器人，称之为柔性机器虫。虫身是由并联的多节管状肌肉构成，虫身的外面安装着吸盘，机器虫的头部安装着微型摄像机和发射机。柔性机器虫可分为有尾型与无尾型有尾型用拖曳的软管通过控制阀与泵相连，泵和阀与虫身是分体的。无尾型的泵与阀都是微型化的，安装于虫身的中部或尾部。
专用于装道内部探测的机器虫也可不安装吸盘，而在靠近虫头部和尾部各安装一个气囊，气囊通过软管、控制阀与泵相连。气囊充气胀大后可压紧管壁，代替了吸盘的作用。
柔性机器虫可用于管道内部，窄缝等难以达到的曲折狭小空间的探测。机器虫充分微型化以后还可以用于人体消化系统或泌尿系统的检查。
用细的人工管状肌肉或人工肌纤维作经线和纬线还可以编织成柔性毯或柔性布，经线和纬线用各自相连的阀来控制。用弹性胶体把这种编织物粘结或注塑成一整片，就形成一种不透水、不透气，形状和大小可控的柔性膜，用这种膜能制造可控的人工瓣膜和柔性活门。
本发明改进的人工管状肌肉不仅结构和工艺性更为合理，也更便于组合成柔性臂或机械手。所列的各项应用为管状人工肌肉进入实用化阶段提供了具体范例。
下面结合附图及实施例对本发明作详细说明
图1.为改进的人工管状肌肉剖面示意2.为编织在横向纤维网络中的管状人工肌肉图3.为人工肌纤维和人工骨骼制成的仿生肢体示意4.为管状肌肉与中心纤维索并联成的柔性臂示意5.为太空章鱼结构示意6.为可控柔性管剖面7.为柔性机器虫结构示意图实施例1改进的人工管状肌肉如图1所示，由橡胶或其他高分子弹性材料制成的胶管(1)其外面用纤维索(4)紧密地缠绕起来，并用弹性胶体(5)把纤维索(4)与管壁粘为一体，胶管的内部用分隔塞(2)分隔成三个独立的腔体，每个腔体都有耐压软管(3)穿过分隔塞与外面的控制阀相连，阀再连接到泵(图中阀和泵未画出)，耐压软管在腔体内是螺旋形弯曲分布的。在制造时，分隔塞和耐压软管可以预先制成组件，整体植入胶管内，并使分隔塞与管壁密封粘结牢固。
实施例2编织在横向纤维网络中的管状人工肌肉如图2所示，平行并排的胶管(7)被高强度纤维(6)横向缠绕，多股纤维在并排的胶管(7)之间呈8字形回环缠绕，把所有平行的胶管都编织在一个网络中，由于纤维的走向与胶管轴向基本垂直，所以胶管在受到内部压力时，无法横向扩张，只能纵向伸长。(各胶管可通过软管、控制阀与泵连接。)用弹性胶体(5)把网络和胶管粘结或注塑成一体。
实施例3人工肌纤维和人工骨骼制成的仿生肢体如图3所示中空的人工骨骼(8)通过关节(10)互相连接，人工肌纤维并联成的肌纤维束(11)，其端部的空心纤维束植入人工骨骼(8)内的空腔(9)，与空腔形成密封连接，空腔(9)通过多路控制阀(12)与泵相连(泵未画出)，肌纤维束(11)的另一端植入另一根人工骨骼，多束人工肌纤维将两根人工骨骼在相应部位连接起来，就象人的肌肉通过肌腱将骨骼连接起来一样。
实施例4管状人工肌肉与中心纤维索并联成的柔性臂如图4所示，三根管状人工肌肉(14)并联在一起，中间夹一根高强度纤维编织的索(13)，纤维索(13)与每一根管状人工肌肉都分别用高强度纤维(6)缠绕在一起，外围也用高强度纤维缠绕，并用弹性胶体(5)粘结或注塑成一个整体。各条管状肌肉分别通接口、软管、控制阀与泵相连。(图中未画出)实施例5用于太空的柔性机器人——太空章鱼的结构如图5所示，太空章鱼由头部和触手所组成。用高强度轻质合金制造的高压容器(20)构成头壳，由太空柔性臂(18)和柔性机械手(19)制成的触手直接与高压容器(20)相连，管状肌肉的腔体通过控制阀与高压容器(20)相通。由电脑遥控、遥信设备及温控装置组成的中央控制系统(16)装在高压容器(20)的外面。高压容器(20)后部装有几个由电脑控制的喷咀(15)，一对遥控摄像机(17)安装于柔性臂(18)的端部。高压容器(20)内部分隔成两部分，一部分充满高压气体，另一部分贮存高压液化气，可通过控制阀补充消耗的高压气体。
实施例6可控柔性管如图6所示，用金属丝或聚合物材料绕制成的螺线管(22)(所示为螺线管截面)，人工管状肌肉(21)并排地包裹住螺线管(22)，其走向平行于螺线管的轴心，人工管状肌肉(21)的外围再用高强度纤维(6)紧密缠绕，并用弹性胶体(5)把螺线管(22)、人工管状肌肉(21)和高强度纤维(6)粘结或注塑为一体，形成可控柔性管。
实施例7柔性机器虫如图7.a所示，由并联的多节管状肌肉构成虫身(25)，虫身外面靠近两端安装了吸盘(26)，机器虫的头部安装着带发射机的微型摄像机(23)，连接管状人工肌肉和控制阀(未画出)的软管并联起来构成了机器虫的尾巴(27)。
图7.b为专用于管道内部穿行的柔性机器虫，虫身(25)的两端没有安装吸盘，而代之以弹性气囊(24)。
将动力源(包括电源、电动机、泵)和控制阀充分微型化以后可以装入虫身内部，这样就不需要拖着一条由软管构成的尾巴。
权利要求
1.改进的人工管状肌肉由橡胶或其他高分子弹性材料和纤维制成管状结构，其特征在于纤维不仅可以分布于管壁内，也可以分布在管壁外，管状肌肉的腔体沿轴向分隔成几段独立的腔体，每个腔体都由各自的耐压管道连接到控制阀，这些管道弯曲地分布于管状腔体内部。
2.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于可以用纤维，纤维绞成的索或金属丝紧密地平绕在胶管外部，并用弹性胶体与胶管粘结或注塑成一体。
3.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于可将几根平行并排的胶管编织在一个高强度纤维构成的网络中，网络中纤维的走向与胶管的轴向基本垂直。
4.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于可用空心纤维作为耐压管道直接与直径小于1毫米的管状人工肌肉密封连接，形成人工肌纤维。
5.一种由人工肌纤维与人工骨骼制成的仿生肢体，其特征在于人工骨骼(8)的内部具有多个独立的空腔(9)，这些空腔各自通过控制阀(12)与泵相连，并联的人工肌纤维形成肌纤维束(11)，其端部的空心纤维束植入人工骨骼的空腔(9)，与人工骨骼形成牢固的密封连接。
6.根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于可将三根或三根以上的人工管状肌肉(14)平行并联在一起，中间夹一根高强度纤维索(13)，纤维索(13)与并联的管状肌肉用高强度纤维(6)缠绕在一起，并用弹性胶体(5)粘结或注塑成一体。
7.一种由人工管状肌肉制成的柔性太空机械臂和机械手，其特征在于柔性机械臂和机械手的表面包裹着一层弹性隔热层，隔热层的内部设置循环管道，隔热层的外表面涂复反射性涂层或敷设反射鳞甲。
8.一种由太空柔性机械臂和机械手制成的太空章鱼，其特征在于由太空柔性机械臂(18)和机械手(19)制成的太空章鱼的触手直接与高压容器(20)相连，管状肌肉的腔体通过控制阀与高压容器(20)连通，高压容器(20)的内部可分隔出一定的空间贮存高压液化气。
9.根据权利要求(8)所述的太空章鱼，其特征在于由电脑、遥控、遥信设备及温控装置组成的中央控制系统(16)装在高压容器(20)的外面，高压容器(20)的后部装有几个由电脑控制的喷咀，一对遥控摄像机(17)安装于柔性机械臂(18)的端部，太空章鱼可用缆绳连接于太空飞船。
10.一种由人工管状肌肉制成的可控柔性管，其特征在于用金属丝或聚合物材料绕制成的螺线管(22)，外面包裹着平行的管状人工肌肉(21)，并在外围用高强度纤维(6)缠绕，再用弹性胶体(5)粘结或注塑为一体。
11.一种由人工管状肌肉制成的柔性机器虫，其特征在于并联的人工管状肌肉构成了虫身(25)，虫身(25)的两端安装了吸盘(26)或弹性气囊(24)。机器虫的头部安装了微型摄像机(23)。
12.一种由人工管状肌肉制成的可控柔性毯或柔性布，其特征在于用较细的人工管状肌肉或人工肌纤维作经线和纬线编织成可控制大小和形状的柔性布，可在编织物上粘合一层弹性薄膜。
全文摘要
改进的人工管状肌肉及其应用,涉及人工肌肉,特别是对人工管状肌肉的改进及应用,改进的人工管状肌肉的纤维分布于管壁的外围,人工管状肌肉由单一的腔体改进为多段彼此独立的腔体,使得人工管状肌肉能够承受更高的压强,具有更好的密封性和工艺性。人工管状肌肉不仅可用于柔性机器人、机械手,还可用于仿生肢体、医疗器械和太空领域。
文档编号A61L27/00GK1194818SQ9810672
公开日1998年10月7日 申请日期1998年3月4日 优先权日1998年3月4日
发明者黄上立 申请人:黄上立