CN1171924A - 一种人工管状肌肉及其应用 - Google Patents

一种人工管状肌肉及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN1171924A
CN1171924A CN 97110134 CN97110134A CN1171924A CN 1171924 A CN1171924 A CN 1171924A CN 97110134 CN97110134 CN 97110134 CN 97110134 A CN97110134 A CN 97110134A CN 1171924 A CN1171924 A CN 1171924A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tubular
muscle
artificial
fiber
tubular muscle
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.)
Pending
Application number
CN 97110134
Other languages
English (en)
Inventor
黄上立
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Priority to CN 97110134 priority Critical patent/CN1171924A/zh
Publication of CN1171924A publication Critical patent/CN1171924A/zh
Priority to AU69172/98A priority patent/AU6917298A/en
Priority to PCT/CN1998/000062 priority patent/WO1998049976A1/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/08—Muscles; Tendons; Ligaments
    • A61F2002/0894—Muscles

Landscapes

  • Manipulator (AREA)
  • Actuator (AREA)

Abstract

一种人工管状肌肉是由高分子弹性材料和纤维制成管状结构,纤维均匀分布在管壁中,管状结构一端封闭,另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接,管状肌肉在泵的驱动下沿管轴轴向伸缩,而不产生横向扩张,其不仅具有肌肉的柔韧性和收缩功能,而且具备独特的强力伸张功能。本发明的人工管状肌网可广泛应用于柔性机器人、机械手、假肢、仿生玩具、道具等领域,且易于制造、成本低廉,适于工业化大规模生产。

Description

一种人工管状肌肉及其应用
本发明涉及人工肌肉，尤其是一种人工管状肌肉及其应用。
目前人工肌肉的研制，一般是利用凝胶体的电化学特性，例如《美国化学文摘》上的文摘118：103287h“Achemomechanlcal polymer gel with electrlcally drlven motlllty.”(译文：一种具有电驱动性的化学机械聚合物凝胶体)。这种运用机械化学方法制造的人工肌肉虽然能够模拟天然肌肉的功能，但反应速度和收缩力还未达到天然肌肉的水平，特别是其复杂的制造工艺使其无法实现工业化应用。
本发明的目的就是提供一种在反应速度及力量上能达到，甚至超过天然肌肉，且易于工业化大规模生产的人工管状肌肉，以及该人工管状肌的应用。
本发明的人工管状肌肉是由橡胶或其他高分子弹性材料(如高顺丁胶、丁腈橡胶)和高强度纤维制成管状结构，纤维相对于管轴横向地均匀分布在管壁中，管状结构一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接，泵为液泵或气泵。人工管状肌肉在液泵或气泵的驱动及控制阀的调节下伸缩运动，由于横向纤维的束缚，管状肌肉在受到管内压力时无法横向扩张，只能纵向伸长。管状肌肉的伸张力取决于管子内径和管内的压力，管状肌肉的收缩力取决于管壁的横截面积、管壁材料的弹性模量及拉伸系数。
管状肌肉可以采用多层结构，它的外层是布满横向纤维的管状肌，它的内层较厚，由不含纤维的高分子弹性材料构成，内、外层所用的弹性材料可以不同，内层材料的弹性模量可较大。
本发明的人工管状肌肉根据不同的需要，可制成直径1毫米的细管，也可制成几十毫米的粗管，对于较粗的管状肌肉，为防止在受力弯曲时被折扁，可在管壁内安置螺旋形弹簧，螺旋弹簧的轴线与管轴重合，弹簧的直径等于或大于管状肌肉的内径，小于其外径。
本发明的人工管状肌肉可以制成均匀的管状结构，也可以根据需要制成变截面管状结构，即管状结构直径按一定规律变化。
本发明的人工管状肌肉使用时，将三根或三根以上的管状肌肉平行并联在一起，用弹性胶体粘连或注塑成一整体，各条管状肌肉内的压力独立控制，可实现并联管状肌肉的伸缩和任意方向的弯曲。
本发明的人工管状肌肉使用时，将两根或两根以上的管状肌肉用连接器串联起来，管状肌肉之间互不相通，其内部压力独立控制，可形成一根多节管状肌肉。
将三根或三根以上串联的管状肌肉并排粘连起来或注塑成一整体，称为人工象鼻，即柔性机械臂，它的每一节都可独立伸缩、弯曲，象蛇身和象鼻一样伸屈自如，为加强人工象鼻的整体性，可在并联的多节管状肌肉***用横向纤维缠绕加固。
在上述人工象鼻中一端引出几根细小的人工象鼻，这些小象鼻的人工管状肌肉可分组独立控制，使其能协同动作，称为柔性机械手。
较粗的人工管状肌肉由于内部的压力显得有些僵硬，而很细的管状肌肉则可象玻璃纤维一样保持柔性。为此可将多根很细的管状肌并联起来，将开口的一端粘结在一起，共用一个喇叭形接口。并联管状肌的两端分别用纤维连接成两束，形成肌键。
本发明的人工管状肌肉与目前处于实验阶段的人工肌肉相比，不仅结构、制造工艺简单，而且其反应速度和收缩力都可超过其他人工肌肉和天然肌肉，特别是管状肌肉的强力伸张功能更是其他肌肉所没有的，由该人工管状肌肉制成的人工象鼻(柔性机械臂)、柔性机械手可自由伸缩，并向任意方向弯曲和扭转，可柔性地抓握任意形状的物品，能广泛地应用于柔性机器人，机械手、假肢、仿生玩具、道具等领域。
下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。
图1为人工管状肌肉结构示意图；
图2为人工管状肌肉管壁内纤维分布图；
图3为并联的人工管状肌肉示意图；
图4为串联的人工管状肌肉示意图；
图5为柔性机械臂示意图；
图6为柔性机械手示意图；
图7为仿真肌肉条示意图。
实施例1：
如图1、图2：人工管状肌肉1由高分子材料和纤维制成管状结构，管壁3内均匀分布着横向纤维2，纤维2的分布可以是：如图2a，环形分布于管壁3内，环形平面垂直于管轴；如图2b，螺旋形分布于管壁3内，纤维的螺距应远小于螺旋的直径；如图2c，纤维网状分布于管壁3内。人工管状肌肉的一端密封，另一端通过密封接口、软管、控制阀与气泵或液泵连接，人工管状肌肉在气泵或液泵的驱动及控制阀的调节下作伸缩运动。
人工管状肌肉可制成直径1毫米的细管，也制成几十毫米的粗管。对于较粗的管状肌肉可在其管壁内安置螺旋形弹簧，弹簧的轴线与管轴重合，弹簧的直径等于或大于管壁的内径，小于其外径，弹簧螺旋的螺距应小于螺旋直径的六分之一。
人工管状肌肉可以制成均匀的管状结构，也可制成变截面管状结构。
实施例2：并联的人工管状肌肉
如图3：将三根人工管状肌肉1成品字并排在一起，用弹性胶体4把它们粘结成注塑成一体，并在其***用纤维5缠绕加固。弹性胶体4可以采用与管状肌肉1相同的高分子材料，也可以采用弹性模量较小的材料。当三条管状肌肉内的压力以同样大小和速度增加或减小时，并联的管状肌肉伸长或收缩，当只有一侧的管状肌肉的压力增加时，则并联的管状肌肉向另一侧弯曲，压力减小时向同一侧的弯曲。
实施例3：串联的人工管状肌肉
如图4：将两根人工管状肌肉各自的一端分别套在连接器6的两端，连接器6为刚性棒状结构，其中部设有连通嘴7，连接器6的一端为中空，连通嘴7与中空部相通，连通嘴7通过软管，控制阀与气泵或液泵相连，连接器6的两端及连通嘴7的外表面设有环形凸纹，人工管状肌肉套在连接器6上后用纤维束紧，以加强连接强度和密封性。
实施例4：柔性机械臂(人工象鼻)。
如图5：将串联的人工管状肌肉三根成品字并联在一起，用纤维将其缠绕，再用弹性胶体粘连成注塑成一整体，各管状肌肉内的压力独立控制，从而构成柔性机械臂8。为使柔性机械臂8能沿自身的轴线扭转，可在其***缠绕人工管状肌肉9，当该管状肌肉伸长或收缩时，就可驱动柔性机械臂8扭转，如需产生较大的扭矩，可以缠绕多根管状肌肉，缠绕在柔性机械臂8***的管状肌肉9也可用弹性胶体与机械臂8粘结或注塑成一整体。10为连接控制阀的软管截面。
实施例5：柔性机械手
如图6：在一根较粗大的柔性机械臂11的一端引出几根细小的人工象鼻12，这几根细小的人工象鼻12构成柔性机械手指，这几根手指的根部夹在柔性机械臂前端的管状肌肉之间，并用纤维在周围缠绕捆束，整个柔性机械手用弹性胶体粘结或注塑为一整体。
实施例6：一种仿真肌肉条
如图7：将多根很细的管状肌肉1并联起来，将开口的一端粘结在一起(13为粘结的部位)共用一个喇叭形接口14，该接口用不可拉伸的柔性材料制成，它与并联的管状肌肉之间是密封连接的。管状肌肉的两端分别用纤维连接在一起，形成两个纤维束15和16，纤维束15与喇叭形接口14胶结为一体。两个纤维束相当于肌腱，可将其固定于人造骨胳的相关部位。

Claims (11)

1、一种人工管状肌肉由橡胶或其他高分子弹性材料和纤维制成管状结构，纤维相对于管轴横向地均匀分布在管壁中，管状结构一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接。
2、根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于：管壁(3)内的纤维(2)可以呈环形分布或螺旋形分布或网状分布。
3、根据权利要求2所述的人工管状肌肉，其特征在于：管壁(3)内安置螺旋形弹簧，弹簧的轴线与管轴重合，弹簧的直径等于或大于管壁(3)的内径，小于管壁(3)的外径，弹簧螺旋的螺距应小于螺旋直径的六分之一。
4、根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于：管壁可以由多层结构组成，它的外层是布满横向纤维的管状肌肉，内层由不含纤维的高分子弹性材料构成，内、外层的弹性材料可以不同。
5、根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于：管状肌肉可以制成均匀的管状结构，也可以制成变截面管状结构。
6、根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于：将三根或三根以上的管状肌肉平行并联在一起，用弹性胶体粘结或注塑成一个整体，并在***用纤维缠绕加固。
7、根据权利要求1所述的人工管状肌肉，其特征在于：将两根或两根以上的管状肌肉用连接器(6)串联起来，两条管状肌肉各自的一端分别套在连接器(6)的两端，连接器(6)为刚性棒状结构，其中部设有连通嘴(7)，连接器(6)的一端为中空，连通嘴(7)与中空部相通，连通嘴(7)通过软管、控制阀与泵相连。
8、一种由人工管状肌肉制成的柔性机械臂，其特征在于：将三根或三根以上的串联人工管状肌肉并联在一起，用纤维缠绕，再用弹性胶体粘结或注塑成一整体。
9、一种由人工管状肌肉制成的柔性机械手，其特征在于：将三根或三根以上的串联人工管状肌肉并联在一起，并在其一端引出几根细小的管状肌肉，用纤维缠绕，再用弹性胶体粘结或注塑成一整体。
10、根据权利要求8所述的柔性机械臂，其特征在于：柔性机械臂(8)的***缠绕有管状肌肉(9)。
11、一种由人工管状肌肉制成的仿真肌肉块，其特征在于：将多根细小管状肌肉并联起来，将开口的一端粘结在一起，共用一个密封接口，并联管状肌肉的两端分别用纤维连接在一起，形成两个纤维束。
CN 97110134 1997-05-08 1997-05-08 一种人工管状肌肉及其应用 Pending CN1171924A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 97110134 CN1171924A (zh) 1997-05-08 1997-05-08 一种人工管状肌肉及其应用
AU69172/98A AU6917298A (en) 1997-05-08 1998-04-16 An artificial tubular muscle and application thereof
PCT/CN1998/000062 WO1998049976A1 (fr) 1997-05-08 1998-04-16 Muscle artificiel tubulaire et ses applications

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 97110134 CN1171924A (zh) 1997-05-08 1997-05-08 一种人工管状肌肉及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1171924A true CN1171924A (zh) 1998-02-04

Family

ID=5171321

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 97110134 Pending CN1171924A (zh) 1997-05-08 1997-05-08 一种人工管状肌肉及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1171924A (zh)

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100467881C (zh) * 2003-07-14 2009-03-11 浙江工业大学 气动柔性球关节
CN101053146B (zh) * 2005-08-23 2010-09-08 松下电器产业株式会社 高分子促动器
CN102551918A (zh) * 2012-02-21 2012-07-11 上海海事大学 触电伸缩仿肌肉运动装置
CN102579158A (zh) * 2012-03-28 2012-07-18 李子怡 仿生肌肉纤维及其制成的仿生肌体
CN106426143A (zh) * 2015-08-28 2017-02-22 刘伟 一种人工肌肉及其应用、机器人
CN107160624A (zh) * 2017-06-30 2017-09-15 杨海兵 一种仿生肌肉制作方法
CN107243923A (zh) * 2017-05-24 2017-10-13 东北大学 一种双节McKibben肌肉变刚度软体机器人手臂
CN107363822A (zh) * 2016-05-13 2017-11-21 株式会社东芝 驱动器、驱动器***以及流路结构部
CN107582214A (zh) * 2017-09-04 2018-01-16 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司 一种人造肌纤维及人造肌肉
US20180042803A1 (en) * 2014-12-30 2018-02-15 Ekso Bionics, Inc. Exoskeleton and Method of Transferring a Weight of a Load from the Exoskeleton to a Support Surface
CN108454131A (zh) * 2017-12-28 2018-08-28 中国空间技术研究院 带纤维的人工肌肉材料
CN108927787A (zh) * 2017-05-27 2018-12-04 魏相东 人工肌肉及仿真手臂
CN110877331A (zh) * 2019-12-20 2020-03-13 中国科学院沈阳自动化研究所 一种扭转收缩人工肌肉
CN110906104A (zh) * 2019-12-20 2020-03-24 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人
CN111660286A (zh) * 2020-06-04 2020-09-15 清华大学 气动人工肌肉纤维和仿生机械臂
CN113172640A (zh) * 2021-04-15 2021-07-27 清华大学 一种软体驱动器
CN113771022A (zh) * 2021-09-24 2021-12-10 天津大学 一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉
CN116538056A (zh) * 2023-06-06 2023-08-04 西湖大学 基于管状柔性执行器泵送流体运动的方法及应用

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100467881C (zh) * 2003-07-14 2009-03-11 浙江工业大学 气动柔性球关节
CN101053146B (zh) * 2005-08-23 2010-09-08 松下电器产业株式会社 高分子促动器
CN102551918A (zh) * 2012-02-21 2012-07-11 上海海事大学 触电伸缩仿肌肉运动装置
CN102551918B (zh) * 2012-02-21 2014-11-19 上海海事大学 触电伸缩仿肌肉运动装置
CN102579158A (zh) * 2012-03-28 2012-07-18 李子怡 仿生肌肉纤维及其制成的仿生肌体
US20180042803A1 (en) * 2014-12-30 2018-02-15 Ekso Bionics, Inc. Exoskeleton and Method of Transferring a Weight of a Load from the Exoskeleton to a Support Surface
CN106426143B (zh) * 2015-08-28 2018-09-25 温州市洞头北岙晟立机械设计工作室 一种人工肌肉及其应用、机器人
CN106426143A (zh) * 2015-08-28 2017-02-22 刘伟 一种人工肌肉及其应用、机器人
CN107363822A (zh) * 2016-05-13 2017-11-21 株式会社东芝 驱动器、驱动器***以及流路结构部
CN107243923A (zh) * 2017-05-24 2017-10-13 东北大学 一种双节McKibben肌肉变刚度软体机器人手臂
CN108927787A (zh) * 2017-05-27 2018-12-04 魏相东 人工肌肉及仿真手臂
CN107160624A (zh) * 2017-06-30 2017-09-15 杨海兵 一种仿生肌肉制作方法
CN107582214A (zh) * 2017-09-04 2018-01-16 云南靖创液态金属热控技术研发有限公司 一种人造肌纤维及人造肌肉
CN108454131A (zh) * 2017-12-28 2018-08-28 中国空间技术研究院 带纤维的人工肌肉材料
CN108454131B (zh) * 2017-12-28 2024-04-05 中国空间技术研究院 带纤维的人工肌肉材料
CN110877331A (zh) * 2019-12-20 2020-03-13 中国科学院沈阳自动化研究所 一种扭转收缩人工肌肉
CN110906104A (zh) * 2019-12-20 2020-03-24 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人
CN110877331B (zh) * 2019-12-20 2023-12-26 中国科学院沈阳自动化研究所 一种扭转收缩人工肌肉
CN110906104B (zh) * 2019-12-20 2024-03-01 中国科学院沈阳自动化研究所 一种基于液动人工肌肉的模块化管道机器人
CN111660286A (zh) * 2020-06-04 2020-09-15 清华大学 气动人工肌肉纤维和仿生机械臂
CN113172640A (zh) * 2021-04-15 2021-07-27 清华大学 一种软体驱动器
CN113771022A (zh) * 2021-09-24 2021-12-10 天津大学 一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉
CN113771022B (zh) * 2021-09-24 2023-12-12 天津大学 一种基于柔性异形管编织方式的自传感气动人工肌肉
CN116538056A (zh) * 2023-06-06 2023-08-04 西湖大学 基于管状柔性执行器泵送流体运动的方法及应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1171924A (zh) 一种人工管状肌肉及其应用
Daerden Conception and realization of pleated pneumatic artificial muscles and their use as compliant actuation elements
US7299741B2 (en) Hydraulic pressure actuator and continuous manual athletic device using the same
ATE360175T1 (de) Faserverstärkter druckbehälter und herstellungsverfahren dafür
EP2148097B1 (en) Fluid pouring type actuator
US10359059B2 (en) System and methods for actuating an object
JPH0314623B2 (zh)
JPS60227003A (ja) 高忠実性の内圧応動弾性収縮筒
CN110877331B (zh) 一种扭转收缩人工肌肉
EP1411159A4 (en) HYBRID ROPE AND RUBBER PRODUCT
Udupa et al. Robotic gripper driven by flexible microactuator based on an innovative technique
CN107965634B (zh) 一种基于人工肌肉的柔性管道爬行机器人
Doi et al. Proposal of flexible robotic arm with thin McKibben actuators mimicking octopus arm structure
JPS61270583A (ja) 複合トワイン構造の製造装置
EP0149336A2 (en) Flexible tension members
CN1194818A (zh) 改进的人工管状肌肉及其应用
CA1323826C (en) Cores for wire ropes
Nordin et al. Simulations of two patterns fiber weaves reinforced in rubber actuator
GILBERT Helical structure of Myxicola axoplasm
Chen et al. Modeling, Analysis, and Experimental Results of the Skeleton-Embedded Fiber-Guided Water Hydraulic Actuator
CA1260815A (en) Flexible mandrel
CN213859341U (zh) 一种气动仿蠕虫软体操纵臂
GB2207702A (en) Pneumatic or hydraulic actuator mechanism (an artificial muscle)
CN210525087U (zh) 一种模块化软体机械手
Zhang et al. Design of a Multi-connection Pneumatic Artificial Muscle

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C01 Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication