RU2255251C2 - Mechanical muscle - Google Patents
Mechanical muscle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2255251C2 RU2255251C2 RU2002133751/06A RU2002133751A RU2255251C2 RU 2255251 C2 RU2255251 C2 RU 2255251C2 RU 2002133751/06 A RU2002133751/06 A RU 2002133751/06A RU 2002133751 A RU2002133751 A RU 2002133751A RU 2255251 C2 RU2255251 C2 RU 2255251C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threads
- shell
- mechanical muscle
- elastic
- laying
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к управляемым приводам и предназначено для преобразования внутренней энергии энергоносителя в механическое движение технических объектов с изменяющимися инерционными параметрами.The invention relates to controlled drives and is intended to convert the internal energy of the energy carrier into the mechanical movement of technical objects with varying inertial parameters.
Известен исполнительный механизм осевого сжатия, содержащий заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием. ЕР 0146261 А1, (KUKOLI MIRKO), 26.05.85.A known axial compression actuator comprising an energy-filled elastic shell made with reinforcement. EP 0146261 A1, (KUKOLI MIRKO), 05.26.85.
Недостатком данного устройства является отсутствие поперечного армирования в виде гибких нерастяжимых нитей.The disadvantage of this device is the lack of transverse reinforcement in the form of flexible inextensible threads.
Известна механическая мышца, содержащая заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием в поперечном направлении, параллельно ориентированными в этом направлении элементами. SU 1622659 А1, (ВНИИ МЕТИЗНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ), 23. 01.91.A mechanical muscle is known containing an elastic shell filled with an energy carrier, made with reinforcement in the transverse direction, in parallel with the elements oriented in this direction. SU 1622659 A1, (All-Russian Research Institute of Metalware Industry), 23. 01.91.
Недостатком данного устройства является отсутствие армирования в продольном и поперечном направлениях в виде гибких нерастяжимых нитей.The disadvantage of this device is the lack of reinforcement in the longitudinal and transverse directions in the form of flexible inextensible threads.
Известен привод MAS на основе “Fluidic muscle MAS” австрийского концерна FESTO. “Fluidic muscle” содержит эластичную оболочку, армированную внутри ромбической сеткой, (информация см. Приложение 1,2 и информация на http:// www.festo.com/flluidic muscle). К недостаткам известного устройства относится малый рабочий ход, большие знакопеременные деформации материала оболочки в ячейках ромбической сети с образованием зон нулевых деформаций, малый интервал рабочих температур.The famous MAS drive based on the “Fluidic muscle MAS” of the Austrian concern FESTO. “Fluidic muscle” contains an elastic shell reinforced inside with a rhombic mesh (for information, see Appendix 1.2 and information at http://www.festo.com/flluidic muscle). The disadvantages of the known device include a small stroke, large alternating deformations of the shell material in the cells of the rhombic network with the formation of zones of zero deformation, a small interval of operating temperatures.
Наиболее близким к предлагаемому преобразователю является механическая мышца. RU 2137950, 6 F 15 B 11/10, авторы Водяник Г.М., Водяник А.Г., Цибизов А.Н. от 16.07.98. Бюл. №7).Closest to the proposed Converter is a mechanical muscle. RU 2137950, 6 F 15 B 11/10, authors Vodyanik G.M., Vodyanik A.G., Tsibizov A.N. from 07/16/98. Bull. No. 7).
Известная механическая мышца содержит присоединительные элементы и заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием в поперечном и продольном направлении, параллельно ориентированными гибкими нерастяжимыми нитями. Армирование оболочки в продольном направлении выполнено с шагом, обеспечивающим поперечное деформирование оболочки без потери герметичности. Армирование оболочки в поперечном направлении выполнено с шагом, выбранным из условия обеспечения максимального укорочения оболочки при одновременном снижении поперечного размера, расхода энергоносителя и повышения быстродействия.The known mechanical muscle contains connecting elements and an elastic shell filled with an energy carrier, made with reinforcement in the transverse and longitudinal directions, parallel oriented flexible inextensible threads. The reinforcement of the shell in the longitudinal direction is performed with a step providing transverse deformation of the shell without loss of tightness. The reinforcement of the shell in the transverse direction is performed with a step selected from the condition of ensuring maximum shortening of the shell while reducing the transverse size, energy consumption and increase speed.
К недостаткам известного устройства относится недостаточная согласованность в работе материала эластичной оболочки и нитей продольного армирования механической мышцы.The disadvantages of the known device include lack of consistency in the work of the material of the elastic shell and the threads of the longitudinal reinforcement of the mechanical muscle.
Задачей изобретения является согласование режимов и условий работы материала эластичной оболочки и нитей продольного армирования механической мышцы.The objective of the invention is the coordination of modes and conditions of work of the material of the elastic shell and the threads of the longitudinal reinforcement of the mechanical muscle.
Поставленная задача достигается за счет формирования двух пограничных слоев с различным функциональным назначением в механической мышце, содержащей присоединительные элементы и заполненную энергоносителем эластичную оболочку, выполненную с армированием в поперечном и продольном направлении, параллельно ориентированными гибкими нерастяжимыми нитями, причем армирование оболочки в продольном направлении выполнено с шагом, обеспечивающим поперечное деформирование оболочки без потери герметичности, а армирование оболочки в поперечном направлении выполнено с шагом, выбранным из условия обеспечения максимального укорочения оболочки при одновременном снижении поперечного размера, расхода энергоносителя и повышения быстродействия.The task is achieved by the formation of two boundary layers with different functional purposes in a mechanical muscle containing connecting elements and an elastic shell filled with energy carrier, made with reinforcement in the transverse and longitudinal direction, parallel oriented flexible inextensible threads, and the shell reinforcement in the longitudinal direction is performed in increments providing transverse deformation of the shell without loss of tightness, and reinforcing the shell across ohm direction formed with a pitch selected to provide maximum shortening shell while reducing the transverse dimension, an energy consumption and improve performance.
При этом продольное армирование оболочки выполнено тремя или более (кратными им) независимыми группами гибких непрерывных нитей с различными коэффициентами продольной и поперечной деформации, независимо закрепленными на адаптерах механической мышцы.In this case, the longitudinal reinforcement of the sheath is made by three or more (multiple to them) independent groups of flexible continuous threads with different coefficients of longitudinal and transverse deformation, independently fixed on the adapters of the mechanical muscle.
При этом нити первой и второй групп растяжимы, объемны и заполнены эластичным материалом. Каждая нить первой группы переплетена со всеми нитями второй группы, а каждая нить второй группы переплетена со всеми нитями первой группы, с сохранением взаимной подвижности нитей в угловом и линейном направлении относительно друг друга, а также с сохранением угловой подвижности нитей относительно поверхности оболочки.In this case, the threads of the first and second groups are tensile, voluminous and filled with elastic material. Each thread of the first group is bound with all the threads of the second group, and each thread of the second group is bound with all the threads of the first group, while maintaining the mutual mobility of the threads in the angular and linear direction relative to each other, as well as maintaining the angular mobility of the threads relative to the surface of the shell.
При этом нити первой и второй групп формируют объемно деформируемую оболочку, внутренняя поверхность которой совместно с внешней поверхностью эластичной оболочки образует первый пограничный слой, толщина которого выбирается из условия деформирования материала эластичной оболочки без образования зон нулевой деформации.In this case, the threads of the first and second groups form a body-deformed shell, the inner surface of which together with the outer surface of the elastic shell forms the first boundary layer, the thickness of which is selected from the condition of deformation of the material of the elastic shell without the formation of zones of zero deformation.
При этом укладка нитей первой и второй групп выполнена с шагом, обеспечивающим совместность деформации материалов эластичной и объемно деформируемой оболочек в продольном и поперечном направлении в пределах первого пограничного слоя, причем величина угла начального перекрещивания нитей первой, второй группы и величина превышения длины нитей первой, второй группы над длиной эластичной оболочки в свободном состоянии выбирается из условия ограничения величины поперечной деформации материала эластичной оболочки независимо от расстояния между нитями продольного армирования (длиной секции).In this case, the laying of the threads of the first and second groups is performed in steps that ensure the compatibility of the deformation of the materials of the elastic and volume-deformed shells in the longitudinal and transverse directions within the first boundary layer, with the value of the angle of initial crossing of the threads of the first, second group and the excess of the length of the threads of the first, second groups over the length of the elastic shell in a free state is selected from the condition of limiting the amount of transverse deformation of the material of the elastic shell regardless of the distance ia between the threads of longitudinal reinforcement (section length).
Между тем нити третьей группы нерастяжимы, многократно изменяют знак угла укладки на противоположный относительно оси механической мышцы, но сохраняют непрерывность в месте их закрепления на адаптерах механической мышцы.Meanwhile, the threads of the third group are inextensible, repeatedly change the sign of the laying angle to the opposite relative to the axis of the mechanical muscle, but maintain continuity in the place of their attachment to the adapters of the mechanical muscle.
Угол укладки нитей третьей группы относительно оси механической мышцы выбирается из условий обеспечения требуемого усилия сокращения и требуемой формы закона сокращения механической мышцы, причем соотношение углов укладки нитей третьей группы между четным и нечетным слоем укладки выбирается из условия обеспечения требуемой величины и направления угла и момента закручивания механической мышцы при ее сокращении.The angle of laying of the threads of the third group relative to the axis of the mechanical muscle is selected from the conditions for ensuring the required reduction force and the required form of the law of contraction of the mechanical muscle, and the ratio of the angles of laying of threads of the third group between the even and odd layer of laying is selected from the condition of ensuring the required size and direction of the angle and moment of twisting of the mechanical muscle during its contraction.
При этом внешняя поверхность деформируемой оболочки и нити продольного армирования образуют второй пограничный слой, толщина которого выбирается из условия изоляции нитей продольного армирования от внешней поверхности эластичной оболочки.In this case, the outer surface of the deformable shell and the threads of longitudinal reinforcement form a second boundary layer, the thickness of which is selected from the condition of isolation of the threads of longitudinal reinforcement from the outer surface of the elastic shell.
Твердость наружной и внутренней поверхности эластичной оболочки различна и выбирается из условий формирования требуемой толщины первого и второго пограничных слоев при заданной поперечной деформации эластичной оболочки и давлении рабочего тела.The hardness of the outer and inner surfaces of the elastic shell is different and is selected from the conditions for the formation of the required thickness of the first and second boundary layers at a given lateral deformation of the elastic shell and the pressure of the working fluid.
Защитно-декоративный слой выполнен из непрерывных нитей, винтовым образом уложенных на поверхности мышцы. Шаг винтовой укладки нитей последующего слоя равен предыдущему, направление шага винтовой укладки нитей последующего слоя противоположно предыдущему. Нити слоев взаимно переплетены, но связаны между собой. При этом нити последующего слоя смещены относительно нитей предыдущего слоя, имеющего то же направление шага винтовой укладки, причем нити каждого слоя зафиксированы относительно адаптеров мышцы, отдельно от оболочки.The protective and decorative layer is made of continuous threads screwed onto the surface of the muscle. The step of screw laying of the yarn of the subsequent layer is equal to the previous one, the direction of the step of the screw laying of yarn of the subsequent layer is opposite to the previous one. The strands of the layers are intertwined, but interconnected. In this case, the threads of the subsequent layer are shifted relative to the threads of the previous layer having the same direction of the pitch of the screw laying, and the threads of each layer are fixed relative to the muscle adapters, separately from the shell.
Адаптеры механической мышцы содержат две соосные поверхности для раздельного крепления оболочки и нитей армирования, причем поверхности разделены кольцевым приливом, высота которого относительно поверхности для крепления оболочки соответствует толщине эластичной оболочки.The mechanical muscle adapters comprise two coaxial surfaces for separately securing the sheath and reinforcement threads, the surfaces being separated by an annular tide, the height of which relative to the surface for securing the sheath corresponds to the thickness of the elastic sheath.
Адаптеры механической мышцы либо их внешняя поверхность выполнены из электроизоляционного материала и содержат датчики давления рабочего тела и взаимного перемещения адаптеров.The adapters of the mechanical muscle or their external surface are made of electrical insulating material and contain sensors of the pressure of the working fluid and the mutual movement of the adapters.
Механическая мышца работает следующим образом. При увеличении внутренней энергии энергоносителя любым известным способом (за счет нагрева, химической реакции, увеличения количества и т.д.) эластичная оболочка начинает деформироваться. Возникающие усилия воспринимаются нитями продольного и поперечного армирования, что предполагает управляемое деформирование оболочки с образованием гофр. Образование гофр по длине механической мышцы обуславливает ее линейное укорочение (сокращение).The mechanical muscle works as follows. With an increase in the internal energy of the energy carrier by any known method (due to heating, a chemical reaction, an increase in the amount, etc.), the elastic shell begins to deform. The arising forces are perceived by the threads of longitudinal and transverse reinforcement, which implies controlled deformation of the shell with the formation of corrugations. The formation of corrugations along the length of the mechanical muscle causes its linear shortening (contraction).
Поскольку нити первой и второй групп растяжимы, а каждая нить первой группы переплетена со всеми нитями второй группы, а каждая нить второй группы переплетена со всеми нитями первой группы, с сохранением взаимной подвижности нитей в угловом и линейном направлении относительно друг друга, с сохранением угловой подвижности нитей относительно поверхности оболочки, то нити первой и второй групп формируют объемно деформируемую оболочку, внутренняя поверхность которой и внешняя поверхность эластичной оболочки образуют первый пограничный слой.Since the threads of the first and second groups are stretchable, and each thread of the first group is interwoven with all the threads of the second group, and each thread of the second group is interwoven with all the threads of the first group, while maintaining the mutual mobility of the threads in the angular and linear direction relative to each other, while maintaining the angular mobility threads relative to the shell surface, then the threads of the first and second groups form a body-deformed shell, the inner surface of which and the outer surface of the elastic shell form the first boundary with oh.
При этом углы наклона нитей первой и второй групп к оси механической мышцы обеспечивают согласование направления вектора поперечной деформации материала эластичной оболочки и расположения нитей первой и второй групп при сокращении механической мышцы,In this case, the angles of inclination of the threads of the first and second groups to the axis of the mechanical muscle provide coordination of the direction of the vector of transverse deformation of the material of the elastic shell and the location of the threads of the first and second groups while reducing the mechanical muscle,
Совокупность величины угла начального перекрещивания нитей первой, второй групп и превышения длины нитей первой, второй групп относительно длины эластичной оболочки в свободном состоянии обеспечивает ограничение величины вектора поперечной деформации материала эластичной оболочки независимо от расстояния между нитями продольного армирования (длиной секции).The combination of the angle of the initial crossing of the yarns of the first, second groups and the excess of the length of the yarns of the first, second groups relative to the length of the elastic shell in the free state provides a limit on the magnitude of the lateral deformation vector of the material of the elastic shell regardless of the distance between the threads of longitudinal reinforcement (section length).
Совокупность угла наклона нитей первой и второй групп к оси механической мышцы, угла начального перекрещивания нитей первой, второй групп и превышения их длины над длиной эластичной оболочки в свободном состоянии, количество нитей групп обеспечивает деформирование материала эластичной оболочки без образования зон с нулевой деформацией как на поверхности, так и внутри материала эластичной оболочки.The combination of the angle of inclination of the threads of the first and second groups to the axis of the mechanical muscle, the angle of the initial crossing of the threads of the first, second groups and the excess of their length over the length of the elastic shell in the free state, the number of threads of the groups ensures the deformation of the material of the elastic shell without the formation of zones with zero deformation on the surface , and inside the material of the elastic shell.
Совокупность угла наклона нитей первой и второй групп к оси механической мышцы, угла начального перекрещивания нитей первой, второй групп и превышения их длины над длиной эластичной оболочки в свободном состоянии, количество нитей первой, второй группы, коэффициент продольной деформации нитей первой, второй группы их толщина и объемная плотность исключает относительное движение нитей первой и второй групп и внешней поверхности эластичной оболочки.The combination of the angle of inclination of the threads of the first and second groups to the axis of the mechanical muscle, the angle of the initial crossing of the threads of the first, second groups and the excess of their length over the length of the elastic shell in a free state, the number of threads of the first, second groups, the longitudinal strain coefficient of the threads of the first, second groups, their thickness and bulk density excludes the relative movement of the threads of the first and second groups and the outer surface of the elastic shell.
Для усиления эффективности работы слоев нити первой и второй групп выполнены объемными и пропитаны эластичным материалом. Причем нити первой и второй групп многократно изменяют знак угла укладки на противоположный, относительно оси механической мышцы, но сохраняют непрерывность в месте их закрепления на адаптерах механической мышцы.To enhance the efficiency of the layers of the threads of the first and second groups are made volumetric and impregnated with an elastic material. Moreover, the threads of the first and second groups repeatedly change the sign of the laying angle to the opposite, relative to the axis of the mechanical muscle, but maintain continuity in the place of their fastening on the adapters of the mechanical muscle.
Для формирования механизма съема энергии с эластичной оболочки нити третьей группы выполнены нерастяжимыми, непрерывными и обеспечивают продольное армирование эластичной оболочки за счет многократного изменения направления укладки в местах закрепления указанных нитей на адаптерах механической мышцы.To form the mechanism of energy removal from the elastic shell, the threads of the third group are made inextensible, continuous and provide longitudinal reinforcement of the elastic shell due to multiple changes in the laying direction in the places of fixing these threads on the adapters of the mechanical muscle.
При этом угол укладки нитей третьей группы относительно оси механической мышцы обеспечивает величину сокращения и форму закона тянущего усилия механической мышцы.In this case, the angle of laying the threads of the third group relative to the axis of the mechanical muscle provides the amount of contraction and the shape of the law of the pulling force of the mechanical muscle.
Соотношение углов укладки нитей третьей группы между четным и нечетным слоями укладки обеспечивает величину и направление угла и момента закручивания механической мышцы при ее сокращении,The ratio of the angles of laying the threads of the third group between the even and odd layers of laying provides the magnitude and direction of the angle and the moment of twisting of the mechanical muscle when it is reduced,
Переменная по толщине твердость материала эластичной оболочки позволяет улучшить работу пограничных слоев.Variable in thickness, the hardness of the material of the elastic shell improves the work of the boundary layers.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет существенно улучшить эксплуатационные показатели механических мышц за счет согласования режимов и условий работы материала эластичной оболочки и нитей продольного армирования механической мышцы.Thus, the claimed invention can significantly improve the operational performance of mechanical muscles due to the coordination of modes and working conditions of the material of the elastic shell and the threads of the longitudinal reinforcement of the mechanical muscle.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002133751/06A RU2255251C2 (en) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | Mechanical muscle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002133751/06A RU2255251C2 (en) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | Mechanical muscle |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002133751A RU2002133751A (en) | 2004-06-20 |
| RU2255251C2 true RU2255251C2 (en) | 2005-06-27 |
Family
ID=35836892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002133751/06A RU2255251C2 (en) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | Mechanical muscle |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2255251C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014113781A1 (en) * | 2013-01-21 | 2014-07-24 | President And Fellows Of Harvard College | Pneumatic sensing actuator |
-
2002
- 2002-12-17 RU RU2002133751/06A patent/RU2255251C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014113781A1 (en) * | 2013-01-21 | 2014-07-24 | President And Fellows Of Harvard College | Pneumatic sensing actuator |
| US10562260B2 (en) | 2013-01-21 | 2020-02-18 | President And Fellows Of Harvard College | Pneumatic sensing actuator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Daerden | Conception and realization of pleated pneumatic artificial muscles and their use as compliant actuation elements | |
| Zhou et al. | The power of fiber twist | |
| AU2013209422B2 (en) | Flexible robotic actuators | |
| EP2148097B1 (en) | Fluid pouring type actuator | |
| CN85108068A (en) | Be used to transmit the Overbead combined cable structure of electricity and light | |
| Suzumori et al. | Long bending rubber mechanism combined contracting and extending tluidic actuators | |
| JP7011673B2 (en) | Bellows | |
| US8245799B2 (en) | Apparatus and method for locomotion | |
| Boxerbaum et al. | A new theory and methods for creating peristaltic motion in a robotic platform | |
| JPH03113104A (en) | Bendable actuator | |
| WO2011089545A1 (en) | Mooring limb | |
| US11815060B2 (en) | Flexible wave energy converter | |
| RU2255251C2 (en) | Mechanical muscle | |
| JP2010127429A (en) | Fluid actuator | |
| JP2017024117A (en) | Spirally deformable soft device and robot system using the same | |
| CN102579158B (en) | Bionic muscle fiber and bionic muscle made of same | |
| CN1171924A (en) | Artificial tubular muscle and its application | |
| EP3353360B1 (en) | Tensairity structure with shape-memory wire ropes | |
| CN211250043U (en) | Twist and contract artificial muscle | |
| Nordin et al. | Simulations of two patterns fiber weaves reinforced in rubber actuator | |
| RU2247875C2 (en) | Mechanical muscle | |
| RU2224916C2 (en) | Mechanical muscle | |
| RU2002133751A (en) | MECHANICAL MUSCLE | |
| Smit et al. | Design and evaluation of two different finger concepts for body-powered prosthetic hand. | |
| Bryant et al. | Toward variable recruitment fluidic artificial muscles |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051218 |