CN105313115A - 一种柔索人工肌肉 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种柔索人工肌肉。包括框架、柔索驱动装置、拉力传感器和编码器，柔索驱动装置包括电机、第一柔性绳索、第一弹簧、第二弹簧、弹簧并联装置、第二柔性绳索，第一弹簧和第二弹簧的上端通过弹簧并联装置并联，第二弹簧的下端通过支撑板安装在框架上，电机固定在框架上，电机输出轴上安装柔索牵引轮，第一柔性绳索的一端固定在柔索牵引轮上，第一柔性绳索的另端与第一弹簧的下端连接，第二柔性绳索的一端与第一弹簧的上端连接，拉力传感器安装在框架上，第二柔性绳索穿过拉力传感器与接触，编码器安装在电机上。本发明是一种结构简单，重量轻，易于控制，精度高，柔顺性好，动作潜伏期短，性能稳定且对肌肉仿生程度高的人工肌肉。

Description

一种柔索人工肌肉

技术领域

本发明涉及的是一种人工肌肉，具体地说是一种用于机器人制造、仿生机械的符合Hill肌肉力学模型的人工肌肉。

背景技术

肌肉(骨骼肌)是人或动物运动的动力源，作为人或动物的重要组织机构，他能够实现化学能与机械能之间的转换。在受到运动神经信号的刺激后，便会收缩产生肌肉力，直接驱动骨骼运动，并且不需要减速装置和传动元件，属于单向力装置，运动形式是直线往复式。大多数的肌肉是以“颉颃肌”的形式存在，这种结构可使机械杠杆在任何位置保持稳定，承受各种压力。因此，构建合理的肌肉模型为肌肉的研究提供了新思路。Hill肌肉模型是对肌肉宏观力学性质的描述，该模型及其修正模型在生物力学及运动仿真领域被广泛应用。随着仿生学技术的发展，对于肌肉的仿生已成为学者们研究的热点，许多国家开展了人工肌肉的研究。人工肌肉根据其材料结构和能量来源分为内在收缩式和外在收缩式。内在收缩式人工肌肉是一种具有简单收缩功能的化合物材料，可实现能量的转化。外在收缩式人工肌肉以气、液和电磁为工作介质，是利用人工肌肉的结构特点，在工作介质的参与下完成轴向的收缩功能。存在的问题：肌肉结构复杂，功能实现起来麻烦；重量以及体积大；不易控制，柔顺性差；动作潜伏期长，收缩速度、收缩率有待改善。因此，研究一种具有质量轻、体积小、柔顺性好、控制方便，并且对肌肉仿生程度高的人工肌肉极为重要。

目前国内外对于人工肌肉的研究已日趋广泛，关于人工肌肉的公开文献也很多。专利申请号为201410424839.8的专利文件中公开的是基于Hill二元素功能模型利用一个阻尼收缩单元与一个弹性单元串联的装置来模拟人类肌肉，并没有考虑并联弹性单元这一因素，因而该装置对于肌肉的仿生程度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，重量轻，易于控制，精度高，柔顺性好，动作潜伏期短，对肌肉仿生程度高的柔索人工肌肉。

本发明的目的是这样实现的：

包括框架、柔索驱动装置、拉力传感器和编码器，所述柔索驱动装置包括电机、第一柔性绳索、第一弹簧、第二弹簧、弹簧并联装置、第二柔性绳索，第一弹簧和第二弹簧的上端通过弹簧并联装置并联，第二弹簧的下端通过支撑板安装在框架上，电机固定在框架上，电机输出轴上安装柔索牵引轮，第一柔性绳索的一端固定在柔索牵引轮上，第一柔性绳索的另端与第一弹簧的下端连接，第二柔性绳索的一端与第一弹簧的上端连接，拉力传感器安装在框架上，第二柔性绳索穿过拉力传感器与接触，编码器安装在电机上。

本发明还可以包括：

1、第一弹簧中设置限位绳索，限位绳索的两端分别连接第一弹簧的两端。

2、还包括引导限位装置，所述引导限位装置包括导杆和安装在导杆上的限位螺母，导杆位于第二弹簧中，导杆下端固定在第二弹簧的支撑板上。

3、所述的电机为永磁直流力矩电机。

本发明提供了一种结构简单，重量轻，易于控制，精度高，柔顺性好，动作潜伏期短，性能稳定且对肌肉仿生程度高的人工肌肉。

本发明的人工肌肉主要包括机架、柔索驱动装置、拉力传感器以及编码器。柔性绳索驱动装置可带动柔性绳索运动，以此模拟生物的肌肉运动。

柔索驱动装置包括轻型弹性驱动器、与之并联的刚度可根据需要选择的弹簧以及柔性绳索。柔性绳索穿过拉力传感器，拉力传感器安装在机架上，用以检测柔性绳索上的拉力。

所述的轻型弹性驱动器包括永磁直流力矩电机、柔索牵引轮、光电编码器以及刚度可选择的弹簧。永磁直流力矩电机安装在机架上，力矩电机的输出轴带动柔索牵引轮转动，驱动与牵引轮固连的柔性绳索运动，柔性绳索的另一端连接弹簧。编码器安装在永磁直流力矩电机上。

所述轻型弹性驱动器还可以包括一个起到限位作用的限位绳索。两端分别连接在变刚度弹簧两端。

所述柔索驱动装置还包括一个对并联的弹簧起到引导限位作用的引导限位装置。

本发明的优点在于：

1、该人工肌肉由绕在电机上的柔性绳索串联一个弹簧组成一个串联驱动器，然后再并联一个弹簧，最后组合柔性绳索构成的***。该人工肌肉***完全符合Hill三元素肌肉模型。通过调整各元件的参数，能够较好的反映出肌肉受力变形后的弹性收缩特性。

2、本发明是基于人体运动肌力线的生物启发，从仿生学角度看，利用柔性绳索来传递力和运动，更加接近于生物通过肌肉传递力和运动的方式。

3、本发明中采用了刚度可选择的弹簧装置，它的引入解决了肌肉在不同运动状态下硬度的平顺性变化的问题。通过改变各弹簧的刚度系数来改变整个***的刚度，从而模拟肌肉硬度的变化且使变化更加的平顺。

4、本发明的结构简单，可承载一定的拉力，与传统的只能承受轴向拉力的人工肌肉相比，它不仅可承受轴向拉力，也可通过在柔性绳索上加装的过轮来改变拉力方向，使其具有更加广泛的应用空间。

5、本发明是由电机带动绳索以及弹簧进行驱动，使其动作潜伏期变短，能量利用效率高，对工作环境的要求相对较低，调节起来更加方便快捷且稳定性高。

附图说明

图1为本发明人工肌肉原理示意图；

图2为本发明机构的主视图；

图3为本发明机构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明人工肌肉的结构形式为：一个串联弹性元与一个收缩元组成的串联结构，并且与一个并联弹性元相结合，组成了由Hill三元素构成的人工肌肉装置，人工肌肉的长度为串联弹性元长度与收缩原长度的和。

结合图2～3，本发明人工肌肉***组成包括：支撑***框架1、柔索驱动装置、限位装置、检测装置组成。支撑***框架1由型材搭建而成，可根据需要任意移动。柔索驱动装置由永磁直流力矩电机12、柔索牵引轮18、第一柔性绳索2、第一弹簧3、第二弹簧5以及弹簧并联装置7和第二柔性绳索9组成。永磁直流力矩电机12驱动柔索牵引轮18转动，实现第一柔性绳索的牵引。通过第一柔性绳索带动与之串联的第一弹簧、第二柔性绳索和与之并联的第二弹簧实现运动。人工肌肉的长度即为第一柔性绳索的伸长量与弹簧型变量的和。引导限位装置包括两个部分，第一部分是只对第一弹簧起到限位作用的限位绳索4，限位绳索的两端连接在第一弹簧的两端，当第一弹簧拉伸达到极限时，限位绳索拉直，对第一弹簧起到保护作用；第二部分是对对儿弹簧起到引导限位作用的限位导杆，由引导杆6和限位螺母8组成，该结构既可以起到限位作用又可以限制第二弹簧只能沿着轴向移动。检测装置包括装在永磁直流力矩电机12上的光电编码器11和装在第二绳索上的拉力传感器10，通过该装置可以检测整个人工肌肉的伸长量以及肌肉的收缩力。

在实际应用中，可以将人体骨骼看作是人工肌肉装置的构架，可将柔索驱动装置固定于骨骼上，过轮15相当于人体关节，第二绳索可通过人体关节连接到另一块骨骼上，通过驱动装置的驱动实现骨骼绕关节的转动。

Claims (5)

1.一种柔索人工肌肉，包括框架、柔索驱动装置、拉力传感器和编码器，其特征是：所述柔索驱动装置包括电机、第一柔性绳索、第一弹簧、第二弹簧、弹簧并联装置、第二柔性绳索，第一弹簧和第二弹簧的上端通过弹簧并联装置并联，第二弹簧的下端通过支撑板安装在框架上，电机固定在框架上，电机输出轴上安装柔索牵引轮，第一柔性绳索的一端固定在柔索牵引轮上，第一柔性绳索的另端与第一弹簧的下端连接，第二柔性绳索的一端与第一弹簧的上端连接，拉力传感器安装在框架上，第二柔性绳索穿过拉力传感器与接触，编码器安装在电机上。

2.根据权利要求1所述的一种柔索人工肌肉，其特征是：第一弹簧中设置限位绳索，限位绳索的两端分别连接第一弹簧的两端。

3.根据权利要求1或2所述的一种柔索人工肌肉，其特征是：还包括引导限位装置，所述引导限位装置包括导杆和安装在导杆上的限位螺母，导杆位于第二弹簧中，导杆下端固定在第二弹簧的支撑板上。

4.根据权利要求1或2所述的一种柔索人工肌肉，其特征是：所述的电机为永磁直流力矩电机。

5.根据权利要求3所述的一种柔索人工肌肉，其特征是：所述的电机为永磁直流力矩电机。