一种大收缩率高负载人工肌肉

1.本实用新型属于康复器械、机器人领域，由生物肌肉的启发而仿制的一种大收缩率高负载人工肌肉。


背景技术：

2.对一些肌肉或者神经损伤患者，运动康复能够帮助他们恢复肢体的功能和健康状态。在患者康复治疗初期，由于患者肌肉力量较小，需要外力辅助；后期患者肌肉力量恢复，能够自主进行康复训练，甚至可能需要一定的康复器械施加阻力训练。这就需要人工肌肉具备较高的安全性，负载能力以及较大的收缩率。
3.专利号为us9790968b2的美国专利公布了一种线性驱动装置，其包括多个长方体的柔性结构，这种结构的线性驱动装置在收缩时，最外层的壁形变不一致会使线性驱动装置整体产生扭曲，不能做到到线性输出。申请公开号cn110281541a的发明专利公布了一种负压收缩人工肌肉实现了稳定的线性位移输出和力输出，但其收缩率和负载能力有待提高。
4.目前，市场上使用的人工肌肉多采用流体正压驱动，工作过程中存在膨胀爆炸泄露的危险，且收缩率较低，低压难以启动、充气变形体积增大的现象，不适合空间有限的场合等缺陷，是秉承解决的问题。


技术实现要素：

5.针对人工肌肉在机器人领域应用中存在的系列问题，本实用新型设计一种大收缩率高负载人工肌肉。
6.本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：
7.一种大收缩率高负载人工肌肉样机，包括嵌线挂胶布、内部钢圈、两个3d打印密封块a和b。所述密封块圆周上设有两个密封凹槽，密封块a中心设有通孔，连接气管，气管外接真空泵；所述密封块b开设一个u形孔，强力拉绳穿过u形孔，所述强力拉线外接负载。
8.进一步的，所述强力拉绳的线径略小于u形孔的孔径，强力拉绳穿线过程如下：首先在强力拉绳上系上一根细凯夫拉纤维线上，凯夫拉纤维线另一端穿过u形孔的一端，顺着u形孔到达另一端口，用镊子把凯夫拉纤维线夹出来。然后拉动凯夫拉纤维线把略小于u形孔径的强力拉绳穿进u形孔中，最后把多余的凯夫拉纤维线裁剪掉。
9.进一步的，所述嵌线挂胶布结构为：中心为一层编织纤维网两面分别覆盖一层薄硅橡胶。根据尺寸需要先剪切一个长方形的布料，通过单边封闭腔体的方法把布料卷成圆桶在热合机器上进行边缘热合，形成一个圆柱形套筒。所述圆柱形套筒直径略小于钢圈直径，用布料的小弹性变形性质，把钢圈塞到套筒内，钢圈间隔均匀，且不相连接。防止负压收缩过程中径向收缩，钢圈的线径以及钢圈的间距是最大收缩率的主要影响参数，所述钢圈的线径越小，间距越大最大收缩率就越大。
10.进一步的，所述外层嵌线挂胶布弹性变形系数小，抗拉强度大，在负载提升过程中
具有较大的安全性，同时具备密封的作用。3d打印密封块具有密封的作用，密封块(a和b)分别连接真空泵和负载。
11.进一步的，所述密封块a、密封块b的密封凹槽处与嵌线褶皱橡胶波纹管之间采用凯夫拉线密封；或者，所述密封块a、密封块b的密封凹槽处设有o型密封圈，所述抽气端通孔外接气管，连接处采用热熔胶进行密封。
12.进一步的，所述密封块采用pla材料3d打印而成，简单快捷；所述钢圈材料为不锈钢，所述气管采用pvc软管或者硅胶管。所述的人工肌肉最大收缩率达到86%，负载为306n(92kpa)。
13.本实用新型的有益效果
14.(1) 本实用新型设计简单，制造成本低，质量轻，当采用钢圈直径65mm,线径1.3mm制备间距12mm,整体长度110mm的人工肌肉，自重81g,其中大部分重量来自两端的3d打印件，通过选用不同的3d打印材料，以及减少打印件填充率可以进一步减轻人工肌肉重量。
15.(2) 在钢圈间距12mm,线径1.3mm时人工肌肉最大收缩率达到86%，在制备过程中可以根据实际需要设置不同的间距值和线径来调节人工肌肉的伸缩率。
16.(3) 该人工肌肉利用负压驱动，工作过程中不会发生膨胀爆炸泄露的危险，安全性能较高，可以在有限的空间内完成更多的动作，负压下提升力可以达到306n(92kpa)，具有较高的负载能力。
附图说明
17.图1大收缩率高负载人工肌肉三维组装示意图；
18.图2大收缩率高负载人工肌肉内部结构剖视图；
19.图3嵌线褶皱橡胶波纹管三维结构示意图；
20.图4密封件a元件结构示意图；
21.图5密封件b元件结构示意图及中心切面示意图；
22.图6大收缩率高负载人工肌肉负载提升示意图；
23.图中：
24.1—大收缩率高负载人工肌肉、2—嵌线褶皱橡胶波纹管、3—密封块a、4—密封块b、5—气管、6—强力拉线、7—钢圈、8—密封凹槽、9—u形孔、10—嵌线挂胶布、11—通孔、12—支撑架、13—负载、14—台钳、15—调压阀、16—真空泵。
具体实施方式
25.如图1，2，4，5所示，一种大收缩率高负载人工肌肉，包括嵌线褶皱橡胶波纹管2、密封块a和b(3和4)、气管7。所述褶皱波纹管1包括外层嵌线挂胶布10、内部钢圈7，所述的褶皱波纹管的上下两端分别塞入密封块a和b(3和4)，所述密封块a和b(3和4)圆周上设有密封凹槽8，密封块a(3)中心设有通孔11，通过间隙配合的方式把气管5插入通孔11内，连接处采用热熔胶进行密封，气管5外接调压阀15和真空泵16，所述密封块b(4)开设一个u形孔，强力拉绳6穿过u形孔9，所述强力拉线6外接负载13。
26.如图3所示，所述嵌线褶皱橡胶波纹管2，包括嵌线挂胶布10、钢圈7。根据尺寸需要先剪切一个长方形的布料，通过单边封闭腔体的方法把嵌线挂胶布10卷成圆桶在热合机器
上进行边缘热合，形成一个圆柱形套筒。热合带宽为45mm最为合适，热合带宽区域会破坏嵌线挂胶布10的柔顺性使局部材料变硬，不利于收缩，圆柱形套筒直径略小于钢圈7直径，用嵌线挂胶布10的小弹性变形性质，把钢圈7塞到套筒内，钢圈7与嵌线挂胶布10通过挤压摩擦力约束在一起，形成嵌线褶皱橡胶波纹管2。
27.所述密封块a(3)、密封块b(4)的密封凹槽8处与嵌线褶皱橡胶波纹管2之间采用凯夫拉线密封；或者，所述密封块a(3)、密封块b(4)的密封凹槽处设有o型密封圈，结合形成人工肌肉。
28.所述密封块a和b(3和4)采用pla材料3d打印而成，简单快捷，所述钢圈7材料为不锈钢，所述气管5采用pvc软管或者硅胶管。
29.一种大收缩率高负载人工肌肉的应用方法，其特征在于：
30.如图6所示，搭建支撑架12，利用台钳14夹紧大收缩率高负载人工肌肉1的密封块a(3)进行固定，使人工肌肉处于自然悬挂状态，密封块b(4)的u形孔9中穿强力拉线6，强力拉线6与负载13连接，密封块a(3)中通孔11连接气管5，所述气管5依次外接调压阀15、开关和真空泵16。工作工程中，通过调节调压阀15来实现人工肌肉的收缩与释放，实现负载13的提升。
31.当所述人工肌肉进行负压收抽气过程中，其内部会受到垂直于人工肌肉表面的收缩力，由于内部钢圈的支撑，人工肌肉不会发生径向变形，只会沿着轴向进行收缩，从而产生轴向的直线位移，最终整个人工肌肉产生直线运动，提供拉力。当外接负载改变时，可以通过调压阀来改变人工肌肉内部的负压值，来适应外部负载的变化，达到提升的稳定性。关闭真空泵，打开调压阀，人工肌肉所受负压力消失，逐渐恢复到初始状态，在此过程中形成与负压收缩方向相反的位移。
32.该工肌肉不仅仅局限于提升重物，因采用负压驱动，有效的避免了膨胀爆炸的危险，安全性能较高，因此可以用在医疗康复领域中，如把人工肌肉的两端分别固定在手臂的肱二头肌上，通过负压来完成手臂康复训练。实验样机显示：在人工肌肉钢圈直径65mm，中心设有9个钢圈，每两个相邻钢圈的初始间距均为12mm，选用钢圈的线径为1.3mm，嵌线挂胶布厚0.3mm时，人工肌肉整体长度约为110mm，收缩率高达86%，负载能力305.6n，自重量仅为81g，具备高功率/质量比和高功率/体积比，容易实现精确控制的特性。该人工肌肉在工业自动化、移动机器人、外骨骼机器人以及医疗康复领域都有潜在的应用场景。
33.需要强调的是：以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均在本实用新型的专利保护范围内。