一種人工肌肉裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種人工肌肉，具體的說(shuō)是一種符合Hill肌肉力學(xué)模型的人工肌肉。
【背景技術(shù)】
[0002]肌肉是生物學(xué)上可收縮的組織，具有信息傳遞、能量傳遞、廢物排除、能量供給、傳動(dòng)及自修復(fù)功能。在受到運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)的刺激后，便會(huì)收縮產(chǎn)生肌肉力，驅(qū)動(dòng)骨骼運(yùn)動(dòng)，不需要減速裝置和傳動(dòng)元件，屬于單向力裝置，運(yùn)動(dòng)形式是直線往復(fù)式。一直以來(lái)就是研究者開發(fā)驅(qū)動(dòng)器靈感的來(lái)源，人類很早就致力于生物肌肉的研究工作。Hill肌肉模型就是人類研究工作的典型代表，Hill肌肉模型是對(duì)肌肉宏觀力學(xué)性質(zhì)的描述，該模型及其修正模型在生物力學(xué)及運(yùn)動(dòng)仿真領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著仿生學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于肌肉的仿生已成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，許多國(guó)家開展了人工肌肉的研究。目前常用的人工肌肉分為氣動(dòng)人工肌肉和智能材料人工肌肉，但這兩類人工肌肉也存在著一定的缺陷:氣動(dòng)人工肌肉雖然具有柔順性又可產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力，但其伸長(zhǎng)量有限、本征非線性明顯、控制困難、使用氣流噪聲大、可使用環(huán)境有限；智能材料人工肌肉具有質(zhì)量輕、功率密度高、形變精度高等特點(diǎn)，但根據(jù)材料不同，會(huì)帶來(lái)響應(yīng)速度慢、形變作用力太大、形變量小、環(huán)境友好性差等問(wèn)題。因此，研究一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、柔順性好、控制方便，并且對(duì)肌肉仿生程度高的人工肌肉極為重要。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于人工肌肉的研究已日趨廣泛，關(guān)于人工肌肉的公開文獻(xiàn)也很多。但基于Hill肌肉力學(xué)模型所發(fā)明的人工肌肉的公開文獻(xiàn)不是很多。專利申請(qǐng)?zhí)枮?01410424839.8的專利文獻(xiàn)中公開的是基于Hill 二元素力學(xué)模型所建立的人工肌肉，它將一個(gè)阻尼收縮單元與一個(gè)彈性單元串聯(lián)在一起用來(lái)模擬人類肌肉，但其并沒(méi)有考慮并聯(lián)彈性單元這一因素，因而該裝置對(duì)于肌肉的仿生程度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔順性好、重量輕、精度高、易于控制、響應(yīng)速度快、對(duì)肌肉仿生程度高的人工肌肉裝置。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]包括機(jī)架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、拉力傳感器以及編碼器，所述的柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、第一柔性繩索、第二柔性繩索、柔索牽引輪、第一彈簧、第二彈簧，電機(jī)與拉力傳感器安裝在機(jī)架上，柔索牽引輪安裝在電機(jī)輸出軸上，第一柔性繩索的一端與柔索牽引輪固定，第一柔性繩索的另一端穿過(guò)拉力傳感器連接到第二彈簧的一端，第二柔性繩索與第二彈簧的另一端連接，第一彈簧的一端固定于機(jī)架上，第一彈簧的另一端通過(guò)彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)到第一柔性繩索上，光電編碼器安裝在電機(jī)上。
[0007]本發(fā)明還可以包括:
[0008]1、在第二彈簧中設(shè)置有限位繩索，所述限位繩索的兩端分別連接第二彈簧的兩端。
[0009]2、還包括第一彈簧引導(dǎo)限位裝置，所述第一彈簧引導(dǎo)限位裝置包括導(dǎo)桿和限位螺母，導(dǎo)桿位于第一彈簧中，導(dǎo)桿的下端固定于機(jī)架上，限位螺母位于導(dǎo)桿的上端。
[0010]3、所述電機(jī)為永磁直流力矩電機(jī)。
[0011]本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔順性好、重量輕、精度高、易于控制、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定，對(duì)肌肉仿生程度高的人工肌肉。
[0012]本發(fā)明的人工肌肉包括機(jī)架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、第一彈簧、第二彈簧、限位裝置、拉力傳感器以及編碼器。力矩電機(jī)以及拉力傳感器均安裝固定在機(jī)架上。
[0013]柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括永磁直流力矩電機(jī)、柔索牽引輪、光電編碼器、拉力傳感器，永磁直流力矩電機(jī)與拉力傳感器安裝在機(jī)架上，力矩電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)柔索牽引輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與牽引輪固連的第一柔性繩索運(yùn)動(dòng)，柔索的另一端穿過(guò)拉力傳感器連接到第二彈簧上。光電編碼器安裝在永磁直流力矩電機(jī)上。
[0014]第二彈簧中含有一個(gè)起到限位作用的限位繩索。兩端分別連接在變剛度彈簧兩端。
[0015]第一彈簧一端固定于機(jī)架上，另一端通過(guò)彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)到第一柔性繩索上。
[0016]限位裝置包括一個(gè)對(duì)并聯(lián)的第一彈簧起到引導(dǎo)限位作用的引導(dǎo)限位裝置。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:人工肌肉依附于框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、對(duì)工作環(huán)境的要求相對(duì)較低，調(diào)節(jié)起來(lái)更加方便快捷且穩(wěn)定性高。基于人體運(yùn)動(dòng)肌力線的生物啟發(fā)，利用柔性繩索來(lái)傳遞力和運(yùn)動(dòng)，更加接近于生物通過(guò)肌肉傳遞力和運(yùn)動(dòng)的方式。通過(guò)改變彈簧剛度，可以解決肌肉在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下硬度的平順性變化的問(wèn)題。整個(gè)肌肉系統(tǒng)完全符合Hill三元素肌肉模型。通過(guò)調(diào)整各元件的參數(shù)，能夠較好的反映出肌肉受力變形后的彈性收縮特性。在傳遞力較大的同時(shí)，可以獲得良好的傳動(dòng)柔順性與安全性，滿足目前康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)?shí)用人工肌肉的廣泛需求。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明人工肌肉結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明機(jī)構(gòu)的主視圖；
[0020]圖3為本發(fā)明機(jī)構(gòu)的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。
[0022]結(jié)合圖1，本發(fā)明人工肌肉的結(jié)構(gòu)形式為:一個(gè)并聯(lián)彈性單元PE與一個(gè)收縮單元CE組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且與一個(gè)串聯(lián)彈性單元SE相結(jié)合，組成了由Hi 11三元素構(gòu)成的人工肌肉裝置，人工肌肉的長(zhǎng)度U為串聯(lián)彈性單元長(zhǎng)度1 t與收縮原長(zhǎng)度1 ?在肌肉長(zhǎng)度方向投影的和，即In^lt+lmCOSt其中Φ為肌肉羽狀角。在本發(fā)明中考慮Φ =0°。所以肌肉長(zhǎng)度為 lmt= 1 t+lm。
[0023]結(jié)合圖2?3，本發(fā)明人工肌肉系統(tǒng)組成包括:作為支撐系統(tǒng)的機(jī)架1、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、剛度可選擇的第一彈簧、剛度可選擇的第二彈簧、引導(dǎo)限位裝置、檢測(cè)裝置。作為支撐系統(tǒng)的機(jī)架1由型材搭建而成，可根據(jù)需要任意移動(dòng)。柔索驅(qū)動(dòng)裝置由永磁直流力矩電機(jī)12、柔索牽引輪18、第一柔性繩索2、拉力傳感器7、光電編碼器11組成。光電編碼器11安裝在永磁直流力矩電機(jī)12上，永磁直流力矩電機(jī)12驅(qū)動(dòng)柔索牽引輪18轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第一柔性繩索2的牽引。通過(guò)第一柔性繩索2帶動(dòng)與之串聯(lián)的第二彈簧8、第二柔性繩索10實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。人工肌肉的長(zhǎng)度變化量即為第一柔性繩索2的伸長(zhǎng)量與第二彈簧8型變量的和。第一彈簧3 —端固定于機(jī)架上，另一端通過(guò)彈簧并聯(lián)裝置5并聯(lián)到第一柔性繩索2上。引導(dǎo)限位裝置包括兩個(gè)部分:第一部分是對(duì)第一彈簧3起到引導(dǎo)限位作用的限位導(dǎo)桿，由引導(dǎo)桿4和限位螺栓6組成，該結(jié)構(gòu)既可以起到限位作用又可以限制彈簧3只能沿著軸向移動(dòng)；第二部分是只對(duì)第二彈簧8起到限位作用的限位繩索9，繩索9的兩端連接在第二彈簧8的兩端，當(dāng)彈簧8拉伸達(dá)到極限時(shí)，限位繩索9拉直，對(duì)彈簧起到保護(hù)作用。檢測(cè)裝置包括裝在永磁直流力矩電機(jī)12上的光電編碼器11和裝在柔性繩索2上的拉力傳感器10，通過(guò)該裝置可以檢測(cè)整個(gè)人工肌肉的伸長(zhǎng)量以及肌肉的收縮力。
[0024]由于人工肌肉只能承受拉力，在工作初應(yīng)該設(shè)定一定的預(yù)緊力，保證整個(gè)系統(tǒng)處于收縮狀態(tài)。在具體應(yīng)用時(shí)將人體骨骼看作是人工肌肉裝置的機(jī)架1，可將柔索驅(qū)動(dòng)裝置固定于骨骼上，在這里，過(guò)輪15相當(dāng)于人體關(guān)節(jié)，繩索10可通過(guò)人體關(guān)節(jié)連接到另一塊骨骼上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)骨骼繞關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)肌肉牽引骨骼完成動(dòng)作的功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種人工肌肉裝置，包括機(jī)架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、拉力傳感器以及編碼器，其特征是:所述的柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、第一柔性繩索、第二柔性繩索、柔索牽引輪、第一彈簧、第二彈簧，電機(jī)與拉力傳感器安裝在機(jī)架上，柔索牽引輪安裝在電機(jī)輸出軸上，第一柔性繩索的一端與柔索牽引輪固定，第一柔性繩索的另一端穿過(guò)拉力傳感器連接到第二彈簧的一端，第二柔性繩索與第二彈簧的另一端連接，第一彈簧的一端固定于機(jī)架上，第一彈簧的另一端通過(guò)彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)到第一柔性繩索上，光電編碼器安裝在電機(jī)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人工肌肉裝置，其特征是:在第二彈簧中設(shè)置有限位繩索，所述限位繩索的兩端分別連接第二彈簧的兩端。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種人工肌肉裝置，其特征是:還包括第一彈簧引導(dǎo)限位裝置，所述第一彈簧引導(dǎo)限位裝置包括導(dǎo)桿和限位螺母，導(dǎo)桿位于第一彈簧中，導(dǎo)桿的下端固定于機(jī)架上，限位螺母位于導(dǎo)桿的上端。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種人工肌肉裝置，其特征是:所述電機(jī)為永磁直流力矩電機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種人工肌肉裝置，其特征是:所述電機(jī)為永磁直流力矩電機(jī)。
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種人工肌肉裝置。包括機(jī)架、柔索驅(qū)動(dòng)裝置、拉力傳感器以及編碼器，所述的柔索驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、第一柔性繩索、第二柔性繩索、柔索牽引輪、第一彈簧、第二彈簧，電機(jī)與拉力傳感器安裝在機(jī)架上，柔索牽引輪安裝在電機(jī)輸出軸上，第一柔性繩索的一端與柔索牽引輪固定，第一柔性繩索的另一端穿過(guò)拉力傳感器連接到第二彈簧的一端，第二柔性繩索與第二彈簧的另一端連接，第一彈簧的一端固定于機(jī)架上，第一彈簧的另一端通過(guò)彈簧并聯(lián)裝置并聯(lián)到第一柔性繩索上，光電編碼器安裝在電機(jī)上。本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔順性好、重量輕、精度高、易于控制、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定，對(duì)肌肉仿生程度高的人工肌肉。
【IPC分類】B25J9/10
【公開號(hào)】CN105313116
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510789838
【發(fā)明人】王克義, 趙文艷, 吳博松, 馮超, 王嵐
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日