專利名稱：柔順性的異形彈性波紋管的人工肌肉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柔順性的異形彈性波紋管的人工肌肉，此人工肌肉由流體驅(qū) 動，可用作機器人的手指、手腕、膝蓋、肩肘和腳腕等關(guān)節(jié)的驅(qū)動元件、 或并聯(lián)機床的驅(qū)動器，作為自動化設(shè)備的執(zhí)行機構(gòu)，這種柔順性的異形彈件 波紋管的人工肌肉，具有快速敏捷的適應(yīng)性、根據(jù)內(nèi)外部載荷而順應(yīng)變形的 柔順性、較大的功率/ (體積*質(zhì)量)比、易彎曲的特性和一定的緩沖性，屬 于機器人、機器和機床的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明以前，在己有技術(shù)中，現(xiàn)有的彈性波紋管的人工肌肉均為圓柱形， 彈性波紋管為橡膠材料，彈性波紋管的壁內(nèi)夾有起加強作用的經(jīng)、緯加強絲， 經(jīng)、緯加強絲編織纏繞在一起(組合肌肉式多方向彎曲的柔性關(guān)節(jié)，專利申請?zhí)?00510037889.1)。由于整體是圓柱形，因此有以下缺陷(1)安裝在 鉸鏈骨架上時，受到圓柱形彈性波紋管中間部分的限制，關(guān)節(jié)的彎曲角度較 ??；(2)圓柱形彈性波紋管的內(nèi)腔體積較大，尤其是它的整體彎曲角度需要 較多內(nèi)腔流體體積增加量；(3)雖然采用了編織纏繞的經(jīng)、緯加強絲，但彈 性波紋管的承載能力還不夠大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，本發(fā)明的具有柔順性的膨脹型異形彈性波紋管人工肌肉，主要內(nèi)容有(1)采用左右對稱的雙圓錐形的異形 彈性波紋管，由于其中間部分較細，有較大的空間，使關(guān)節(jié)具有更大的彎曲 角度(見附圖12);由于具有更小的彈性波紋管內(nèi)腔體積，它的整體彎曲角 度的增加僅需要較少內(nèi)腔流體體積增加量；相同的材質(zhì)和壁厚時，細的中間 部分可承載更大的內(nèi)腔壓力。(2)有從圓形到橢圓形，從小的橢圓長、短徑比，到大的橢圓長、短徑比的不同的環(huán)箍，這些環(huán)箍安裝在彈性波紋管的不同直徑的波谷圓處，提高彈性波紋管的承載能力。(3)在雙圓錐形的基礎(chǔ)上， 在許用承載能力(內(nèi)腔流體壓力)條件下，橢圓形的環(huán)箍是剛性的、保持不變形；越是中間部分的波谷圓，被相同周長的橢圓形的環(huán)箍限制得越扁(內(nèi) 腔未加壓流體時，橢圓形的環(huán)箍在波谷圓部位正好貼合，限制彈性波紋管的 波谷圓成橢圓形。)，這進一步減小了異形彈性波紋管在關(guān)節(jié)彎曲方向的尺寸， 進一步增加了關(guān)節(jié)的彎曲角度。(4)有圓形、橢圓形、V形、半環(huán)形和U形 五種截面形狀的環(huán)箍。本發(fā)明的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的采用左右對稱的雙圓錐形的異形彈性波紋管，附圖1、2和4分別給出了 不等腰三角形波形的彈性波紋管9，傾斜等腰三角形波形的彈性波紋管15， 和不等邊U形波形的彈性波紋管16三種形式。這三種彈性波紋管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均可以是高分子材料2直接形成波紋管的 內(nèi)層、橡膠l在外層整體覆層(如附圖3所示)。這三種彈性波紋管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以是經(jīng)絲4與緯絲3的編織定形后， 內(nèi)外再先后注橡膠1成形(如附圖5所示)，經(jīng)絲4與緯絲3的材料可以是一 般強度鋼絲簾線(抗拉強度為2500MPa)，高強度(HT)鋼絲簾線(抗拉強 度為3250MPa)，超高強度(ST)鋼絲簾線(抗拉強度為3650MPa)，極高強 度(UT)鋼絲簾線(抗拉強度為3卯0 4000MPa)， PTFE高強度縫紉線， 高強度尼龍絲，高強度碳纖維絲、高強度聚丙烯絲，冷拉高強度不銹鋼絲。除了不等腰三角形波形的彈性波紋管9，傾斜等腰三角形波形的彈性波 紋管15，和不等邊U形波形的彈性波紋管16三種基本形式之外，還可以裝 配不同的環(huán)箍，來加強彈性波紋管承載和限制彈性波紋管的波谷圓成橢圓形。 彈性波紋管的內(nèi)腔未加壓流體時，橢圓形的環(huán)箍在波谷圓部位正好貼合，限 制彈性波紋管的波谷圓成橢圓形，減小異形彈性波紋管在關(guān)節(jié)彎曲方向的尺 寸。如附圖6所示，對于不等腰三角形波形的彈性波紋管9，從最大波谷圓 到最小波谷處，依次采用圓形的環(huán)箍，小的橢圓長、短徑比，到大的橢圓長、 短徑比的橢圓形的環(huán)箍，來加強彈性波紋管承載和限制彈性波紋管的波谷圓 成橢圓形。如附圖6、 7所示，環(huán)箍5的形狀可以是圓形、橢圓形，環(huán)箍5 的截面可以是圓形、橢圓形，V形、半環(huán)形、U形。如附圖8所示，對于傾斜等腰三角形波形的彈性波紋管15，從最大波谷圓到最小波谷處，依次采用圓形的環(huán)箍，小的橢圓長、短徑比，到大的橢圓 長、短徑比的橢圓形的環(huán)箍，來加強彈性波紋管承載和限制彈性波紋管的波谷圓成橢圓形。如附圖8、 9所示，環(huán)箍5的形狀可以是圓形、橢圓形，環(huán)箍 5的截面可以是圓形、橢圓形，V形、半環(huán)形、U形。如附圖10所示，對于不等邊U形波形的彈性波紋管16，從最大波谷圓 到最小波谷處，依次采用圓形的環(huán)箍，小的橢圓長、短徑比，到大的橢圓長、 短徑比的橢圓形的環(huán)箍，來加強彈性波紋管承載和限制彈性波紋管的波谷圓 成橢圓形。如附圖10、 ll所示，環(huán)箍5的形狀可以是圓形、橢圓形，環(huán)箍5 的截面可以是圓形、V形、半環(huán)形、U形。本發(fā)明所指的流體驅(qū)動可以是氣壓、液壓、液力、液體粘性傳動及它們 的串、并聯(lián)復(fù)合驅(qū)動。本發(fā)明與己有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點本發(fā)明的柔順性的異形彈性波紋管的結(jié)構(gòu)及其環(huán)箍的安裝形式，形成了 膨脹型特點的人工肌肉；這提高了承載能力、尤其是中間部分的承載能力， 也增大了關(guān)節(jié)的彎曲角度；同時在保證柔順性的前提下，具有更小的彈性波 紋管內(nèi)腔體積，可減少腔內(nèi)流體(尤其是氣體)的體積；與圓柱形彈性波紋 管相比，異形的彈性波紋管的整體彎曲角度的增加需要較少內(nèi)腔流體體積增 加量，便于流體控制。


圖1為本發(fā)明人工肌肉的不等腰三角形波形的彈性波紋管9的結(jié)構(gòu)圖 圖2為本發(fā)明人工肌肉的傾斜等腰三角形波形的彈性波紋管15的結(jié)構(gòu)圖 圖3為本發(fā)明人工肌肉的不等腰三角形波形的彈性波紋管9的S處放大 圖4為本發(fā)明人工肌肉的不等邊U形波形的彈性波紋管16的結(jié)構(gòu)圖 圖5為本發(fā)明人工肌肉的不等邊U形波形的彈性波紋管16的A處放大 圖6為本發(fā)明人工肌肉的不等腰三角形波形的彈性波紋管9與環(huán)箍的安 裝示意7為本發(fā)明人工肌肉的不等腰三角形波形的彈性波紋管9與環(huán)箍的安裝示意圖的B-B剖視放大圖8為本發(fā)明人工肌肉的傾斜等腰三角形波形的彈性波紋管15與環(huán)箍的 安裝示意9為本發(fā)明人工肌肉的傾斜等腰三角形波形的彈性波紋管15與環(huán)箍的 安裝示意圖的C-C剖視放大圖IO為本發(fā)明人工肌肉的不等邊U形波形的彈性波紋管16與環(huán)箍的安 裝示意11為本發(fā)明人工肌肉的不等邊U形波形的彈性波紋管16與環(huán)箍的安 裝示意圖的D-D剖視放大圖12為本發(fā)明人工肌肉具體實施方式
的示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合發(fā)明實施例說明其工作原理及工作過程如附圖12所示的單自由度轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，螺釘將骨架7和板鉸鏈11分別固 定在頭座6和尾座12上，板鉸鏈11的芯軸裝有扭彈簧10;卡箍8將異形不 等腰三角形波形彈性波紋管9分別裝夾在頭座6和尾座12上；因此異形不等 腰三角形波形彈性波紋管9、頭座6和尾座12構(gòu)成人工肌肉的封閉空腔，流 體通過直角接頭14進入封閉空腔，直角接頭14安裝在尾座12上，它們中間 有密封圈13起密封作用。當(dāng)流體被壓入異形彈性波紋管人工肌肉的封閉空腔時，由于流體的壓強 作用，關(guān)節(jié)克服扭彈簧IO的扭矩，上部產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度由 流體的壓強控制；保持流體的壓強則保持關(guān)節(jié)的角度；當(dāng)流體的壓強被釋放， 靠扭彈簧10的作用，關(guān)節(jié)回復(fù)伸直。
權(quán)利要求
1. 一類柔順性的異形彈性波紋管的人工肌肉，本發(fā)明膨脹型人工肌肉的特征是采用左右對稱的雙圓錐形的異形彈性波紋管，有不等腰三角形波形的彈性波紋管(9)，傾斜等腰三角形波形的彈性波紋管(15)，和不等邊U形波形的彈性波紋管(16)三種形式；還可以在前述三種形式的基礎(chǔ)上，從最大波谷圓到最小波谷處，依次采用圓形的環(huán)箍，小的橢圓長、短徑比，到大的橢圓長、短徑比的橢圓形的環(huán)箍，來加強彈性波紋管承載和限制彈性波紋管的波谷圓成橢圓形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性波紋管的人工肌肉，其特征是三種 形式的彈性波紋管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是高分子材料(2)直接形成波紋管的內(nèi) 層、橡膠(1)在外層整體覆層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性波紋管的人工肌肉，其特征是三種 形式的彈性波紋管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是經(jīng)絲(4)與緯絲(3)的編織定形后， 內(nèi)外再先后注橡膠(1)成形；經(jīng)絲(4)與緯絲(3)的材料可以是一般強度 鋼絲簾線，高強度鋼絲簾線，超高強度鋼絲簾線，極高強度鋼絲簾線，PTFE 高強度縫紉線，高強度尼龍絲，高強度碳纖維絲、高強度聚丙烯絲，冷拉高 強度不銹鋼絲。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性波紋管的人工肌肉，其特征是環(huán)箍 (5)的形狀可以是圓形、橢圓形，環(huán)箍(5)的截面可以是圓形、橢圓形，V形、半環(huán)形、U形。
全文摘要
本發(fā)明涉及柔順性的異形彈性波紋管的人工肌肉，屬于機器人、機器和機床的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的特征有采用左右對稱的雙圓錐形的異形彈性波紋管；有從圓形到橢圓形，從小的橢圓長、短徑比，到大的橢圓長、短徑比的不同的環(huán)箍，環(huán)箍安裝在彈性波紋管的不同直徑的波谷圓處；其中橢圓形的環(huán)箍是剛性的、保持不變形；環(huán)箍的截面形狀有圓形、橢圓形、V形、半環(huán)形和U形五種。與圓柱形彈性波紋管相比，本發(fā)明的優(yōu)點是提高了承載能力、尤其是中間部分的承載能力，也增大了關(guān)節(jié)的彎曲角度；異形的彈性波紋管具有較小的彈性波紋管內(nèi)腔體積，其整體彎曲角度的增加需要較少內(nèi)腔流體體積增加量，便于流體控制。
文檔編號B25J17/00GK101224580SQ20071001960
公開日2008年7月23日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
發(fā)明者兵 呂, 軍 章, 須文波 申請人:江南大學(xué)