CN112428259A - 一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉 - Google Patents

一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉 Download PDF

Info

Publication number
CN112428259A
CN112428259A CN202010973383.6A CN202010973383A CN112428259A CN 112428259 A CN112428259 A CN 112428259A CN 202010973383 A CN202010973383 A CN 202010973383A CN 112428259 A CN112428259 A CN 112428259A
Authority
CN
China
Prior art keywords
air bag
shrinkage
artificial muscle
self
amplification mechanism
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010973383.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112428259B (zh
Inventor
左思洋
解迪生
刘建彬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN202010973383.6A priority Critical patent/CN112428259B/zh
Publication of CN112428259A publication Critical patent/CN112428259A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112428259B publication Critical patent/CN112428259B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1075—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with muscles or tendons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/14—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid
    • B25J9/142—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid comprising inflatable bodies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明公开一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，包括：矩形扁平状的多腔室气囊以及与所述多腔室气囊配合的收缩率放大机构，所述收缩率放大机构包括由两个横板与一个纵板连接成的工字形的框架以及安装在两个横板间的两个金属柱，两个所述金属柱对称布置在所述纵板的两侧且所述纵板之间分别形成第一缝隙与第二隙缝；所述多腔室气囊依次穿过第一个缝隙、纵板顶端、第二个缝隙与所述框架连接，且气囊腔室均匀分布在所述纵板一侧；所述框架与多腔室气囊之间设置有反馈人工肌肉位移的位移传感器。本发明气动肌肉具有高收缩率，高集成性，自传感，易于拓展的特点。

Description

一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉
技术领域
本发明涉及人工肌肉技术领域，特别是涉及一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉。
背景技术
气动人工肌肉是一种由外部气压源供能向外输出推拉作用力的执行器。在仿生机器人，医疗机器人，外骨骼，工业等场景应用广泛，具有高顺应性、高功率质量比、高人机兼容性等特点。
然而现有正压驱动的人工肌肉收缩率一般在百分之三十左右，且作用时厚度或径向产生剧烈变化，使其在高紧凑性的应用中无法使用，且若要提高收缩率，以Mckibben肌肉为例，则需要极大提高其径向的膨胀倍数。收缩率越高，径向变化越大，造成其在可穿戴设备应用中会导致对皮肤造成额外挤压，穿戴舒适性降低。另外，现有人工肌肉控制一般依靠外置传感器，一般为测力计，位移传感器等，这造成了设备臃肿，且给设备中带来了不必要的刚性原件。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，而提供一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，能获得更高收缩率，且在作用时厚度不会发生变化避免额外挤压，可以兼具更高的收缩率且不会对皮肤造成挤压；且具有自传感性，使设备体积更紧凑。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，包括：
矩形扁平状的多腔室气囊以及与所述多腔室气囊配合的收缩率放大机构，所述收缩率放大机构包括由两个横板与一个纵板连接成的工字形的框架以及安装在两个横板间的两个金属柱，两个所述金属柱对称布置在所述纵板的两侧且所述纵板之间分别形成第一缝隙与第二隙缝；所述多腔室气囊依次穿过第一个缝隙、纵板顶端、第二个缝隙与所述框架连接，且气囊腔室均匀分布在所述纵板一侧；所述框架与多腔室气囊之间设置有反馈人工肌肉位移的位移传感器。
其中，所述多腔室气囊包括结合部以及非结合部，所述非结合部形成相通的气囊与气道，相邻两个气囊之间有一个结合部。
其中，所述位移传感器包括所述框架与多腔室气囊的接触面上分别设置的电极片，其中一个电极片上涂上绝缘层，形成电容传感器，所述电容传感器与电容转电压模块通过导线连接，形成所述位移传感器。
其中，所述横板上开孔，以安装所述金属柱。
其中，所述横板为三角板，以所述纵板轴对称布置。
本发明提高了正压人工肌肉收缩率，解决了正压气动肌肉应用于可穿戴辅助设备时由于厚度膨胀对人体造成的额外挤压的问题，解决了现有人工肌肉无合适的内置位移传感器的问题；相比于传统气动肌肉具有高收缩率，高集成性，自传感，易于拓展的特点。
附图说明
图1a-1b分别为基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉的的多腔室的气囊充气前以及充气后膨胀示意图；
图1c-1d分别为基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉的充气前以及充气后膨胀示意图；
图2a-2b为本发明的收缩率放大机构的三维图以及俯视图；
图3a为多腔室气囊的制作方法示意图；
图3b为气囊安装入框架的方法示意图；
图4a-4c为本发明的人工肌肉的驱动原理图；
图5a-5c为本发明的增加电容位移传感器的人工肌肉膨胀位移检测原理示意图。
【符号说明】1-气囊；2-框架；3-金属棒；4-开孔；5-结合部；6-非结合部；7-电极片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是硬框架增加软气动肌肉收缩率的基于模块化设计的自传感正压驱动的气动人工肌肉，可以用于柔性外骨骼***，仿生机器人***等应用场景。
如图1所示，本发明基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，包括：多腔室的气囊1、收缩率放大机构、电极片7。
所述多腔室的气囊分为膨胀部分，非膨胀部分，气道三部分。三部分都是按照一定规律由两张热塑性材料热压一次形成的。非膨胀部分为热压或粘接接合部分，气道和膨胀部分为非热压或粘接部分，即两张热塑性材料在此不接合，被周围热压部分包围，形成可通过气体的气道和可膨胀的腔室。两张热塑性材料厚度可以根据实际需要设计，越厚整体强度越高。不充气时，多腔室气囊为扁平状；当利用气道充入高压气体时，多腔室气囊膨胀并在长度方向收缩向外输出力的作用。在各个气囊腔室充气后肌肉在竖直方向可以收缩。
上述的技术方案中，所述多腔室的气囊可以由热塑性软材料，例如TPU、PE等热压或粘合而成，可以将编织布与热塑性材料热压进一步提升气囊的强度。
所述收缩率放大机构为工字型结构框架2，由两边的横板和纵板组成。横板底部有四个开孔，可以穿入两个金属棒。金属棒和纵板之间存在间隙，可以穿过多腔室气囊。将多腔室气囊依次穿过第一个缝隙、纵板顶端、第二个缝隙，并使非膨胀部分沿横板方向展平，使多腔室气囊均匀分布在纵板一侧。
图2a为收缩率放大机构三维图。其框架结构如图所示，为工字形，工字形底部有四个开孔4，可以穿过金属棒3。如图2b俯视图所示，金属棒和框架之间有缝隙，可以穿过气囊1。
上述的技术方案中，所述多腔室的气囊的非膨胀部分两端可以连接作用物体。此结构在充气时由于多腔室膨胀收缩、多腔室与纵板作用，使非膨胀部分沿着横板方向收缩，对外产生力的作用。不充气时由于外力牵引非膨胀部分还原初始状态。
上述的技术方案中，所述收缩率放大机构为工字形可以由增材或减材制造，例如3D打印、CNC、线切割、注塑等。
图3a为多腔室气囊的制作方法。将结合部5用粘接剂或热压结合在一起，非结合部6形成气囊以及气道，气道可以通气使气囊膨胀。图1a为典型的气囊，膨胀前和膨胀后图片。此时膨胀后的收缩率为36％。
图3b为气囊安装入框架的方法。依次将气囊穿过第一个缝隙，框架顶端，第二个缝隙，气囊的非结合部分要对准框架垂直板的侧面，然后再拉紧气囊两端即可。
由于收缩率放大机构将可膨胀收缩的气囊放置在纵板的一侧，因此在横板另一侧始终为平面，此面可用于与皮肤接触，且对皮肤不产生由于膨胀造成的挤压。由于作用方向为横板方向，纵板将远超横板长度的可收缩气囊限制在非作用方向，因此可以极大提升横板方向的收缩率。
图4a-4c为气动肌肉的驱动原理。图4a为初始状态,此时下部分最长。当外界气体通过气道进入时气囊膨胀时，气囊一方面本身收缩，另一方面气囊与框架的垂直部分相互作用，使气囊倾斜,如图4b所示，拉动下部结合部6使总长度缩短。图4c为收缩极限，此时气囊与后一个框架相接触，此时缩率为50％。
其中，上述的框架的纵板和气囊相互接触的面分别贴上电极，并使用导线将两层电极引出，连接电容转电压模块，则电压与整个气动人工肌肉的位移成正比关系，电压可以线性的表示人工肌肉的位移，这就完成了自传感。
图5a-5c为增加电容位移传感器的肌肉图。在框架2和气囊1的接触面分别贴上电极片7(如铜片电极片)，再在其中一个电极片上涂上绝缘层，此时就形成了电容传感器。此电容传感器的电容与肌肉的收缩长度成线性关系。使用电容转电压模块，读取电压即可。因此可以作为肌肉的位移传感器使用。
本发明提供的基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，基于收缩率放大机构，使得正压人工肌肉收缩率大幅度提高；作用方向一面为平面，且不会由于充气而膨胀，可以贴合皮肤使用，不会对皮肤造成挤压；本身由模块分布布置，具有柔性，可以贴合不同曲率的表面使用；气动肌肉初始空腔体积小，响应速度提升；气动肌肉具有自传感性，可反馈位移，使整个控制***进一步紧凑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，其特征在于，包括矩形扁平状的多腔室气囊以及与所述多腔室气囊配合的收缩率放大机构，所述收缩率放大机构包括由两个横板与一个纵板连接成的工字形的框架以及安装在两个横板间的两个金属柱，两个所述金属柱对称布置在所述纵板的两侧且所述纵板之间分别形成第一缝隙与第二隙缝；所述多腔室气囊依次穿过第一个缝隙、纵板顶端、第二个缝隙与所述框架连接，且气囊腔室均匀分布在所述纵板一侧；所述框架与多腔室气囊之间设置有反馈人工肌肉位移的位移传感器。
2.根据权利要求1所述基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，其特征在于，所述多腔室气囊包括结合部以及非结合部，所述非结合部形成相通的气囊与气道，相邻两个气囊之间有一个结合部。
3.根据权利要求1所述基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，其特征在于，所述位移传感器包括所述框架与多腔室气囊的接触面上分别设置的电极片，其中一个电极片上涂上绝缘层，形成电容传感器，所述电容传感器与电容转电压模块通过导线连接，形成所述位移传感器。
4.根据权利要求2所述基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，其特征在于，所述横板上开孔，以安装所述金属柱。
5.根据权利要求1所述基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉，其特征在于，所述横板为三角板，以所述纵板轴对称布置。
CN202010973383.6A 2020-09-16 2020-09-16 一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉 Active CN112428259B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010973383.6A CN112428259B (zh) 2020-09-16 2020-09-16 一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010973383.6A CN112428259B (zh) 2020-09-16 2020-09-16 一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112428259A true CN112428259A (zh) 2021-03-02
CN112428259B CN112428259B (zh) 2022-03-08

Family

ID=74690149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010973383.6A Active CN112428259B (zh) 2020-09-16 2020-09-16 一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112428259B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114273476A (zh) * 2021-11-17 2022-04-05 天津大学 基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6409638B1 (en) * 2001-02-08 2002-06-25 Trevor Lee Huston Stomach and mid-torso muscle toning device
CN104970949A (zh) * 2015-07-20 2015-10-14 郑州轻工业学院 一种穿戴式气动肌肉指关节主被动康复训练装置
US9421117B1 (en) * 2012-04-03 2016-08-23 Michael Thomas Hames Ankle brace that heals and supports the plantar fascia and Achilles tendon
CN106983591A (zh) * 2017-05-09 2017-07-28 广州初曲科技有限公司 一种基于柔性骨节辅助固定的智能气动人工肌肉感知总成
CN109806548A (zh) * 2019-02-20 2019-05-28 河海大学 一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人
CN110812124A (zh) * 2019-12-06 2020-02-21 上海大学 一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复***

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6409638B1 (en) * 2001-02-08 2002-06-25 Trevor Lee Huston Stomach and mid-torso muscle toning device
US9421117B1 (en) * 2012-04-03 2016-08-23 Michael Thomas Hames Ankle brace that heals and supports the plantar fascia and Achilles tendon
CN104970949A (zh) * 2015-07-20 2015-10-14 郑州轻工业学院 一种穿戴式气动肌肉指关节主被动康复训练装置
CN106983591A (zh) * 2017-05-09 2017-07-28 广州初曲科技有限公司 一种基于柔性骨节辅助固定的智能气动人工肌肉感知总成
CN109806548A (zh) * 2019-02-20 2019-05-28 河海大学 一种轻巧型膝关节康复外骨骼机器人
CN110812124A (zh) * 2019-12-06 2020-02-21 上海大学 一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复***

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114273476A (zh) * 2021-11-17 2022-04-05 天津大学 基于新型软体弯曲机构的管道检测机器人

Also Published As

Publication number Publication date
CN112428259B (zh) 2022-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9797415B2 (en) Apparatus, system, and method for providing fabric-elastomer composites as pneumatic actuators
US10718358B2 (en) Manufacturing soft devices out of sheet materials
Bilodeau et al. Monolithic fabrication of sensors and actuators in a soft robotic gripper
Li et al. A fast rolling soft robot driven by dielectric elastomer
US20180031010A1 (en) Soft actuators and soft actuating devices
CN100372660C (zh) 多关节驱动机构及其制造方法、使用该机构的把持手和机器人
EP1751843B1 (en) Electroactive polymer pre-strain
CN112428259B (zh) 一种基于收缩率放大机构的自传感袋式气动人工肌肉
Kwon et al. Flat inflatable artificial muscles with large stroke and adjustable force–length relations
DE60225090T2 (de) Muskelähnliches Stellglied einer PC-Leiterplatte
Yang et al. A new manufacturing process for soft robots and soft/rigid hybrid robots
Nguyen et al. Printable monolithic hexapod robot driven by soft actuator
WO2020180986A1 (en) Foldable hydraulically amplified self-healing electrostatic (hasel) transducers
CN103997254B (zh) 一种压电驱动式软***移驱动器
KR20190008145A (ko) 대변형 소프트 로봇 및 대변형 소프트 로봇 제작을 위한 스태킹 몰드
CN113771022B (zh) 一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉
CN111002342A (zh) 一种软体驱动器及其软体机器人
JP2022120803A (ja) 勾配補剛された電極対を備える人工筋肉及びこれを含む人工筋肉組立体
Joe et al. Chapter A Review on Vacuum-Powered Fluidic Actuators in Soft Robotics
Jung et al. Micro inchworm robot actuated by artificial muscle actuator based on nonprestrained dielectric elastomer
CN117001641A (zh) 可配置网格结构气动人工肌肉及功能器件
CN210650686U (zh) 一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱
CN110116404B (zh) 平面模块化气动人工肌肉
CN111618839B (zh) 一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器
CN211709356U (zh) 一种软体驱动器及其软体机器人

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant