专利名称：一种气动人工肌肉的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气动人工肌肉，尤其是利用压縮空气控制的新型气动人工 肌肉，属于气动技术领域。
背景技术：
目前为残疾人设计的假肢产品(仿生手臂、仿生腿)，要么结构复杂、价格 昂贵，要么在外形上与人体相似但功能简单不实用。造成这种现象的一大主要 原因是大多数仿生手臂、仿生腿，采用电机作为驱动器。电机重量大、相对输 出功率小的特点，限制了其在假肢产品中的应用。气动人工肌肉是一种具有与 生物肌肉特性相似的执行机构，有助于推动假肢产品朝着功能上仿人的方向发 展。随着老龄化社会的到来，护理机器人对于社会无疑是一个福音。仿人柔性 机械手是护理机器人中的关键内容。将气动人工肌肉应用于护理机器人仿人柔 性机械手的研制中，推动气动技术和机器人技术的发展，具有很高的实用价值。气动人工肌肉具有广泛的应用，可以应用在机器人领域、辅助医疗器械领 域、航空航天领域，军事领域，工业领域。近十多年，国际上对气动人工肌肉的研究一直没有间断过，不管是研究机构还是商业公司，都有很大的研究兴趣与成果。Bridgestone公司于80年代开始 研究并生产气动人工肌肉，并研制具有充分自由度和柔性的机械臂，将它们成 功地应用于喷涂机器人和护理机器人。美国Washington大学的C. P. Chou、 B. Hannaford等人探讨了气动人工肌肉在医学机械手(如残疾人假肢)上应用的可 能性。英国Shadow公司开发的气动人工肌肉是国内外研究和使用最多最广的一 种，其外形如下图所示。其优点是结构简单，正因为其结构过于简单，使得该 产品难以标准化生产，难以应用到工业环境中。本发明的目的是提供一种由外层编织网，内层膨胀管和机械密封组件组合， 利用压缩空气控制，具有与生物肌肉相似特性的新型气动人工肌肉。本发明的技术方案如下一种气动人工肌肉，包括外层编织网、内层膨胀管、密封组件和带通气孔 密封组件，外层编织网和内层膨胀管两端对齐，套装在内层膨胀管之外，其原 长度比内层膨胀管原长度要长一些，将一端插入密封组件，另一端插入带通气 孔密封组件。所述的外层编织网由无弹性的纤维以交叉螺旋的形式绕制而成。外层编织网的长度与内层膨胀管长度的比值为10: 6-8。所述的内层膨胀管由弹性良好、形变量大的乳胶管或橡胶管制成。所述的密封组件包括密封卡套、密封堵头和连接件，其中密封卡套内壁呈 锥面，密封堵头前端具有环状突起，密封卡套和密封堵头由螺纹连接，密封堵 头和连接件由螺纹连接；所述的带通气孔的密封组件包括密封卡套、带气孔密封堵头和通气连接件， 其中密封卡套内壁呈锥面，带气孔密封堵头前端具有环状突起、轴心位置设有 通气孔，通气连接件轴心位置设有通气孔，并且密封卡套和带气孔密封堵头由 螺纹连接，带气孔密封堵头和通气连接件由螺纹连接。气动人工肌肉是由密封堵头和带气孔密封堵头上的环状突起(321、 421) 压在密封卡套(31、 41)的内壁锥面(311、 411)上，由螺纹(312、 412)锁 紧，将外层编织网和内层膨胀管压紧构成密封。工作过程为气动人工肌肉经通气孔和通气孔向气动人工肌肉的内层膨胀 管内部充入一定压力的空气，内层膨胀管变形，并迫使外层编织网一同沿径向 膨胀，使气动人工肌肉沿径向膨胀，沿轴向收缩，并输出一定的拉力。气动人工肌肉在收縮量一定的情况下，其内部的压力和输出负载拉力几乎 成线性正比关系，即当充气压力一定时，气动人工肌肉收縮量变与输出力成反 比关系；气动人工肌肉由于内层膨胀管被拉长变形后具有一定的弹性，所以在 不充气时，肌肉仍有力输出，而且这个力是随气动肌肉的初始长度增大而增大 的；气动人工肌肉由于外层编织层与内层膨胀管之间的摩擦力引起其特性曲线 的滞环。本发明具有如下优点和效果本发明结构紧凑，制造简单，安装方便，价格 低廉，高度柔性，输出力/自重比大，有效节能，并且具有自缓冲、自阻尼、抗污染等特点。
图1为本发明总体结构剖视示意图；图2是气动人工肌肉的收缩量-力特性曲线；图3是气动人工肌肉的压力-力特性曲线；图中l一外层编织网套、2—内层膨胀管、3—密封组件、4—带通气孔 密封组件、32—密封堵头、42—带气孔密封堵头、321、 421—环状突起、 31、 41一密封卡套、311、 411一内壁锥面、312、 412—螺纹；33—连接件、 43—通气连接件、322、 422—螺纹孔、423—通气孔、431—通气孔。
具体实施方式
由图1示出，本发明主要由外层编织网套1，内层膨胀管2，密封组件3和 带通气孔密封组件4组成，其中外层编织网套l由无弹性的纤维以交叉螺旋 的形式绕制而成；外层编织网1在外力作用下可以沿径向膨胀或收縮；外层编 织网l套装在内层膨胀管2之外，外层编织网的原长为210mm，内层膨胀管2的 原长为150mm，安装时外层编织网l和内层膨胀管2两端对齐，将一端插入密封 组件3，另一端插入带通气孔密封组件4，由密封堵头32和带气孔密封堵头42 上的环状突起321、 421压在密封卡套31、 41的内壁锥面311、 411上，由螺纹 312、 412锁紧；密封组件3和带通气孔密封组件4的密封堵头32和带气孔密封 堵头42的前端各有两个不同直径的环状突起321、 421，其高度差所形成的锥度 应与密封卡套31、 41的内壁锥面311、 411相配合，在后端有与连接件33和通 气连接件43相连接的螺纹孔322， 422;在带气孔密封堵头42和通气连接件43 的中心部位设置有通气孔423和通气孔431。密封堵头32和带气孔密封堵头42前端的环状突起台阶321、 421紧紧压在 密封卡套31、 41的内壁锥面311、 411上，外层编织网l、内层膨胀管2被挤压至其内部压缩空气不会从接触面泄露，完成密封。经通气孔423和通气孔431向气动人工肌肉的内层膨胀管2内部充入具有一 定压力的压縮空气，内层膨胀管2变形，并迫使外层编织网1一同沿径向膨胀。 由于组成外层编织网1的纤维的长度不变，外层编织网套1径向增大使得其轴 向縮短，并且纤维的传力作用将径向膨胀力变为沿轴向的收縮力，于是便建立 了压縮空气的压力、气动人工肌肉的收缩位移和收縮力三者之间的关系。另知，外层编织网1的直径增大可导致其轴向长度缩短，反之轴向长度伸 长可导致其直径缩小。外层编织网1和内层膨胀管2的直径越大，气动人工肌 肉所能输出的最大拉力越大。当向其内部充入压缩空气，随着内部压力上升，内层膨胀管2沿径向膨胀， 沿径向向外挤压外层编织网套1。外层编织网套1是由无弹性纤维以一定形状的 螺旋线交叉绕成。连接件33通过螺纹322安装在密封堵头32上，可以在气动人工肌肉的这 一端安装人工肌腱。通气连接件43 —端通过椎管螺纹422安装在带气孔密封堵 头42上，另一端安装气管快插接头，给气动人工肌肉供气。连接件33、通气连 接件43与密封堵头32、带气孔密封堵头42也可以采用隔板方式连接。压缩空气的压力、气动人工肌肉的收缩位移和收縮力三者之间的关系由图2 所示，即在收縮量一定的情况下，气动人工肌肉内部的压力P和输出负载拉力F 的关系几乎成线性。气动人工肌肉收缩量变大，特性曲线的斜率变小，即当充 气压力一定时，气动人工肌肉的收缩量越小，输出力越大。由于内层膨胀管被 拉长变形后具有一定的弹性，所以在气动肌肉不充气时，肌肉仍有力输出，而 且这个力是随气动肌肉的初始长度增大而增大的。由图3所示，当充气压力一定时气动人工肌肉收縮量越小，输出力越大。 气动人工肌肉内部压力越大，特性曲线的斜率越大，即收縮率一定时气动人工 肌肉的充气压力越大，输出力越大。曲线中存在的滞环现象是由外层的编织层 与内层的橡胶层之间的摩擦力引起的。
权利要求
1.一种气动人工肌肉，包括外层编织网、内层膨胀管、密封组件和带通气孔密封组件，其特征在于外层编织网和内层膨胀管两端对齐，套装在内层膨胀管之外，其原长度比内层膨胀管原长度要长一些，将一端插入密封组件，另一端插入带通气孔密封组件；所述的密封组件包括密封卡套、密封堵头和连接件，其中密封卡套内壁呈锥面，密封堵头前端具有环状突起，密封卡套和密封堵头由螺纹连接，密封堵头和连接件由螺纹连接；所述的带通气孔的密封组件包括密封卡套、带气孔密封堵头和通气连接件，其中密封卡套内壁呈锥面，带气孔密封堵头前端具有环状突起、轴心位置设有通气孔，通气连接件轴心位置设有通气孔，并且密封卡套和带气孔密封堵头由螺纹连接，带气孔密封堵头和通气连接件由螺纹连接；气动人工肌肉的密封是由密封堵头和带气孔密封堵头上的环状突起(321、421)压在密封卡套(31、41)的内壁锥面(311、411)上，由螺纹(312、412)锁紧，将外层编织网和内层膨胀管压紧。
2. 根据权利要求l所述的一种气动人工肌肉，其特征在于外层编织网由 无弹性的纤维以交叉螺旋的形式绕制而成。
3. 根据权利要求l所述的一种气动人工肌肉，其特征在于内层膨胀管由 弹性良好、形变量大的乳胶管或橡胶管制成。
4. 根据权利要求4所述的一种气动人工肌肉，其特征在于带气孔密封堵 头也可以采用隔板方式连接。
5. 根据权利要求l所述的气动人工肌肉，其特征在于外层编织网的长度 与内层膨胀管长度的比值为10: 6-8。
全文摘要
本发明属于气动技术领域，涉及一种气动人工肌肉。本发明主要由外层编织网，内层膨胀管，密封组件和带通气孔密封组件组成。外层编织网和内层膨胀管两端对齐，套装在内层膨胀管之外，其原长度比内层膨胀管原长度要长一些；将一端插入密封组件，另一端插入带通气孔密封组件。气动人工肌肉经通气孔和通气孔向气动人工肌肉的内层膨胀管内部充入一定压力的空气，内层膨胀管变形，并迫使外层编织网一同沿径向膨胀，使气动人工肌肉沿径向膨胀，沿轴向收缩，并输出一定的拉力。本发明结构紧凑、制造简单、价格低廉、高度柔性、输出力/自重比大、有效节能，具有自缓冲、抗污染等特点。可以广泛应用在机器人、辅助医疗器械、航空航天、军事工业等领域。
文档编号B25J15/00GK101306535SQ200810116379
公开日2008年11月19日 申请日期2008年7月9日 优先权日2008年7月9日
发明者麟 余, 昊 刘, 彭光正, 沙俊伟, 伟 范 申请人:北京理工大学