CN105030389B - 一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉。形状记忆合金弹簧置于橡胶管内部，在橡胶管和形状记忆合金弹簧之间置有一层波纹管，波纹管内部由一路通气口通入气流对形状记忆合金弹簧散热，波纹管和橡胶管之间由另一路通气口通气，使橡胶管径向膨胀，产生轴向收缩力。波纹管内置有两个支撑架，防止波纹管由于外部气压作用而发生径向变形。气动肌肉内部气体达到一定压强后，采用脉冲电流加热形状记忆合金弹簧来产生主动变形，使其进一步产生收缩变形。本发明的积极效应在于改善气动肌肉的动态特性，提高气动肌肉最大收缩率，使其刚度特性变化更灵活，更突出。本发明可用于需要柔顺驱动的康复医疗、高精密制造业、仿生机器人等领域。

Description

一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，其属于气动肌肉技术领域、智能材料领域及仿生学领域。

背景技术

气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscle，简称PAM）作为一种新型仿生驱动装置，其最先是由苏联发明家S.Garasiev在1930年提出的，随后出现了各类类似构想。例如美国人Mckibben在20世纪50年代发明了如今得到广泛应用的Mckibben型气动肌肉，之后日本在此基础上研制了Rubbertuator气动肌肉，英国研制了Air Muscle气动肌肉。目前商业化生产的最主要类型气动肌肉也就是Shadow公司和Festo公司生产的Mckibben型气动肌肉。这种传统型的气动肌肉主要由充气弹性橡胶管和起约束弹性橡胶管径向膨胀变形的外部编织网构成，由于编织网具有极低的延展性，所以纵向收缩会对连接负载产生驱动力。

气动肌肉主要优点在于工作方式、响应时间、伸缩范围与生物肌肉较为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近，并且具备电机等驱动器不具备的柔顺性，其功率重量比大、无污染、无滑动、易于小型化。其作为一种高效驱动器使用，不仅能够产生足够大的力，同时还可以具有很好的柔顺性，使得被驱动装置具有环境友好特性。气动人工肌肉驱动装置可以用于人体假肢、肢体康复设备和仿生机器人以及娱乐等行业。

虽然目前的气动肌肉可分为编织式、网孔式、嵌入式等类型。但是这些传统气动肌肉的机构原理都大同小异，都还是通过充入气动肌肉内部气体的压强来控制其收缩量，产生收缩力。由于橡胶管本身属性原因，在有限的压强范围内，气动肌肉的收缩量和刚度特性也受到了限制，这点不足也是影响气动肌肉发展和应用的关键问题，解决这个问题，可以提高气动肌肉的最大收缩率，使其具有更灵活的刚度特性，促进气动肌肉在柔顺驱动领域的应用，从而促进康复医疗、高精密制造业、仿生机器人等领域的发展。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)作为一种新型的功能材料，其主要利用形状记忆效应，通过温度变化来发生形状变化产生收缩力，对连接件进行驱动，是智能材料中应用很广的一种驱动元件。利用形状记忆合金制作的弹簧具有收缩量大特点，可根据丝径和弹簧直径的大小得到输出力范围较广的弹簧。因此形状记忆合金弹簧可以作为一种较好智能材料驱动器。

考虑到气动肌肉和形状记忆合金弹簧两种驱动器都是靠自身的收缩产生驱动力，具有相似的工作特性，因此将两者结合起来开发一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，能够很好的改善传统气动肌肉的收缩率和刚度特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，可以在保持气动肌肉内部压强一定的条件下，对气动肌肉的驱动特性做进一步调节，增加其收缩量，改变其刚度特性，从而使传统气动肌肉的驱动特性得到进一步改善，扩大其应用领域。

本发明所采用的技术方案：

在弹性橡胶管向内依次置有波纹管、支撑架、连接细弹簧九根、形状记忆合金弹簧；弹性橡胶管向外安装有起束缚作用的编织网；弹性橡胶管的一端向外依次装有前端密封用内堵头、前端密封及连接用外堵头、前端紧固用外卡箍；弹性橡胶管的另一端向外依次装有后端密封用内堵头、后端密封及连接用外堵头、后端紧固用外卡箍。前端外堵头上开有两个进气口，后端外堵头上开有两个排气口，支撑架上开有导线通口，使得形状记忆合金弹簧前端导线引入到后端，随波纹管内部排气口引出，方便对形状记忆合金弹簧加热处理，导线外部有绝缘层，防止短路现象发生。气动肌肉内部波纹管表面涂有隔热胶，一方面防止形状记忆合金弹簧加热时对波纹管以外部分气体和弹性橡胶管产生影响，另一方面波纹管可把气动肌肉内部空间分为两部分，对各部分分别进行充气工作，而且互不干涉；支撑架主要起支撑波纹管的作用，防止波纹管由于外部气压的作用产生径向变形，支撑架由九根细弹簧与两端堵头相连接，细弹簧除了有固定支撑架的作用外，可以使支撑架随着波纹管的轴向运动而运动。

气动肌肉开始工作时，气源通过导管连接到进气口的气动接头上，气体通入波纹管和橡胶管之间的封闭空间，使橡胶管径向膨胀，并且侧壁紧贴编织网，轴向收缩，产生收缩力，因编织网具有极低的延展性，所以轴向主要靠编织网产生收缩力；在气动肌肉内部达到设定压强后，对形状记忆合金弹簧通电加热，使其发生奥氏体相变，产生收缩变形，带动气动肌肉进一步收缩。在气动肌肉需要减小收缩量时，对形状记忆合金弹簧断电处理，并由另一路进气口向波纹管内部通入流通气体，使形状记忆合金弹簧快速降温，回复通电前状态，之后在调节波纹管与橡胶管间的气体压强，完成工作要求。

本发明可以通过对形状记忆合金弹簧两端通入脉冲电流，使形状记忆合金弹簧温度升高，产生形变来调节气动肌肉，从而适应不同的驱动负载要求，具有智能作用。与传统气动肌肉相比，其可以在保持相同内部压力情况下，进一步增大气动肌肉的收缩量，调节气动肌肉刚度特性。本发明可广泛应用于康复医疗、高精密制造业、仿生机器人等领域，具有较好的柔顺性、安全性，高功率密度比。

附图说明

下面结合附图说明书对本专利进行说明：

图1为一种基于形状记忆合金弹簧智能气动肌肉分解结构示意图；

图2为一种基于形状记忆合金弹簧智能气动肌肉整体结构示意图；

图3为一种基于形状记忆合金弹簧智能气动肌肉整体结构三视图；

图4为一种基于形状记忆合金弹簧智能气动肌肉前端外堵头结构示意图；

图5为一种基于形状记忆合金弹簧智能气动肌肉后端外堵头结构示意图；

图6为一种基于形状记忆合金弹簧智能气动肌肉支撑架示意图；

图中：1、前端外卡箍；2、气动接头；3、前端外堵头；4、进气口；5、前端内堵头；6、细弹簧；7、波纹管；8、支撑架；9、形状记忆合金弹簧；10、支撑架；11、导线；12、编织网；13、橡胶管；14、后端内堵头；15、后端外堵头；16、气动接头；17、后端外卡箍；18、中心排气口；19、排气口；。

具体实施方式

图1为一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉分解结构示意图。下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。

A．气动肌肉内置有波纹管，而且表面涂有隔热胶，一方面可防止形状记忆合金弹簧加热时对波纹管以外部分气体和弹性橡胶管产生影响，另一方面用来把气动肌肉内部空间分成两部分，各自充气完成不同的任务，而且互不干涉；

B．在气动肌肉内置有形状记忆合金弹簧，当气动肌肉内部压强达到设定值后，开始给形状记忆合金弹簧施加PWM脉冲电流，对其进行加热，使其发生奥氏体相变，导致形状记忆合金弹簧发生主动收缩变形，从而产生轴向驱动力。这使得气动肌肉在保持内部压强一定的情况下，能够进一步产生主动收缩变形，从而具有智能效果。使用结束后，切断PWM脉冲电流，对另一个进气口通气，气体从气动肌肉上端流入波纹管内部空间，从底部排气口流出，形成流通气体，对形状记忆合金弹簧进行冷却降温。

C．气动肌肉两端的密封采用两层堵头，内堵头和外堵头之间采用螺纹连接，两层堵头之间固定波纹管。气动肌肉两端外堵头外端均设计有外用吊耳，可以直接连接外负载，或者直接连接传动机构。堵头内部气孔设计复杂，很难完成打孔工作，因此采用3D打印技术打印气动肌肉两端堵头。气动肌肉的弹性橡胶管和编织网两端分别套在外堵头上，用外卡箍把弹性橡胶管和编织网与外堵头固定到一起，并施加密封胶，从而实现对气动肌肉两端的密封。气动肌肉前端外堵头上开有两个进气口，一个对气动肌肉充气，使其完成正常气动肌肉的工作，另一个对内部形状记忆合金弹簧进行冷却降温用。气动肌肉后端外堵头上有两个排气孔，一个对气动肌肉内部气体放气，另一个和波纹管内部进气口形成流通气路，对形状记忆合金弹簧散热。

D．波纹管内部使用两个圆形支撑架，支撑架用来防止波纹管由于外部气压作用而产生径向收缩变形。第一支撑架和前端堵头间采用圆周均匀布置的三根细弹簧相连接，在堵头和圆形支撑架上均有固定弹簧的吊耳；两个圆形支撑架间也采用圆周均布的三根细弹簧连接；第二支撑架和后端堵头间亦采用此种连接方式，气动肌肉内部共有9根供连接用的细弹簧。九根细弹簧除了固定支撑架外，还可以使支撑架随着气动肌肉轴向运动。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，其特点：在弹性橡胶管(13)向内依次置有波纹管(7)、两个支撑架(8，10)、9根连接细弹簧(6)、形状记忆合金弹簧(9)，弹性橡胶管(13)向外安装有起束缚作用的编织网(12)；弹性橡胶管(13)的一端向外依次装有前端内堵头(5)、前端外堵头(3)、前端气动接头(2)、前端外卡箍(1)；弹性橡胶管(13)另一端向外依次装有后端内堵头(14)、后端外堵头(15)、后端气动接头(16)、后端外卡箍(17)；前端外堵头(3)上开有两个进气口(4)，后端外堵头(15)上开有中心排气口(18)和排气口(19)，两个支撑架(8，10)上开有导线通口，引出导线(11)、使得形状记忆合金弹簧前端导线引入到后端，随波纹管内部中心排气口(18)引出，方便对形状记忆合金弹簧通电加热；该气动肌肉内部两个支撑架由九根细弹簧与前端内堵头和后端内堵头堵头相连接，九根细弹簧和形状记忆合金弹簧初始时均处于拉伸状态；波纹管两端依靠前端内堵头、前端外堵头和后端内堵头、后端外堵头压紧固定；弹性橡胶管和外层编织网套在前端外堵头和后端外堵头上，然后用前端外卡箍和后端外卡箍进行固定；导线带有绝缘膜，防止发生短路现象。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，其特征在于：开始工作时，气源通过导管连接到进气口的气动接头上，气体通入波纹管和橡胶管之间的封闭空间，使橡胶管径向膨胀，并且侧壁紧贴编织网，轴向收缩，产生收缩力，因编织网具有极低的延展性，所以轴向主要靠编织网产生收缩力；此时形状记忆合金弹簧处于不通电状态，会随着气动肌肉的收缩而收缩，在气动肌肉内部达到设定压强后，开始对形状记忆合金弹簧通电加热，使其发生奥氏体相变，产生主动收缩变形，带动气动肌肉进一步收缩，使气动肌肉在保持内部压强不变的情况下，能够进一步增加收缩率；在气动肌肉需要减小收缩量进行工作时，对形状记忆合金弹簧断电处理，并由另一路进气口向波纹管内部通入流通气体，使形状记忆合金弹簧快速降温，回复通电前状态，之后再调节波纹管与橡胶管间的气体压强，完成工作要求；在整个工作过程中，波纹管始终随着气动肌肉的轴向运动而运动，两个支撑架由处于拉伸状态的细弹簧带动，随着气动肌肉轴向运动。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，其特征在于：内部的波纹管可随着气动肌肉的轴向运动而运动，并且表面涂上隔热胶，可以防止形状记忆合金弹簧加热时对波纹管以外部分气体和弹性橡胶管产生影响，另外波纹管把内外两部分气体隔开，使得内外两部分气体完成不同的任务，而且互不影响。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，其特征在于：两个支撑架，作用是防止波纹管由于外部气压作用而产生径向收缩；九根细弹簧一方面用来固定支撑架，另一方面使支撑架随着气动肌肉产生轴向运动。

5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，其特征在于：前后两端的外堵头和内堵头之间采用螺纹连接的方式固定到一起；同时前后两端的外堵头设计有连接用吊耳，可以直接连接外负载，或是连接传动机构。