本發(fā)明屬于氣動(dòng)肌肉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種嵌套式形狀記憶合金氣動(dòng)人工肌肉。

背景技術(shù)：

近年來，隨著仿生技術(shù)的研究和發(fā)展，氣動(dòng)肌肉越來越得到人們的重視，國內(nèi)外大批專家和學(xué)者在廣泛的研究與應(yīng)用氣動(dòng)肌肉。氣動(dòng)肌肉( Pneumatic Muscle, PM ) 是根據(jù)人類肌肉運(yùn)動(dòng)原理而設(shè)計(jì)的一款新型的柔性驅(qū)動(dòng)器，主要由外層編織網(wǎng)、橡膠管和卡箍三部分組成。通入壓縮空氣時(shí)，橡膠管膨脹后和編織網(wǎng)緊緊貼住, 將氣體的作用力傳遞到編織網(wǎng)上, 使得膨脹轉(zhuǎn)變成軸向收縮力。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置相比，氣動(dòng)肌肉具有柔性高、功重比大、易于小型化、使用方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各種仿生機(jī)械的驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。

然而，目前市面上成熟的氣動(dòng)肌肉，如FESTO公司和SHADOW公司生產(chǎn)的氣動(dòng)肌肉，存在收縮率小的問題。氣動(dòng)肌肉均有軸向主動(dòng)收縮來改變剛度功能，但不具備繞軸向的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)來改變剛度的功能，改變剛度的形式單一；同時(shí)，氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，其剛度隨充氣壓力大小、氣動(dòng)肌肉實(shí)際工作長度的變化而變化，由于氣動(dòng)肌肉本身的材料限制，剛度變化范圍有限。氣動(dòng)肌肉在使用時(shí)，通常采用固接的方式來驅(qū)動(dòng)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載發(fā)生振動(dòng)時(shí)，這種固接方式不能很好的緩解振動(dòng)帶來的影響，對(duì)連接裝置會(huì)造成一定的損壞。

現(xiàn)在也有使用輔助裝置或新型材料來輔助氣動(dòng)肌肉工作、改變其收縮量、驅(qū)動(dòng)力和剛度等性能的設(shè)計(jì)方案。如中國專利文獻(xiàn)[申請(qǐng)?zhí)枺?01610385406.5]公開了一種具有自感知和驅(qū)動(dòng)功能的氣動(dòng)人工肌肉，包括纖維絲、彈性軟管、集絲卡箍、壓電體、圓柱套管、氣管接頭、卡箍、電極、驅(qū)動(dòng)電路、感知電路和集絲孔，在氣動(dòng)肌肉正常工作時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)電路的壓電體的逆壓電效應(yīng)，壓電體可帶動(dòng)纖維絲收縮，能夠提高氣動(dòng)肌肉收縮量及剛度調(diào)節(jié)范圍。上述發(fā)明中的壓電體逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變較小，如果增加壓電體的尺寸，整個(gè)氣動(dòng)肌肉的尺寸也會(huì)隨之增加。

形狀記憶合金（Shape Memory Alloy, 簡稱SMA）作為一種新型的智能材料，其主要是利用形狀記憶效應(yīng)，通過溫度變化來發(fā)生形狀變化產(chǎn)生收縮力，對(duì)連接件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，是應(yīng)用很廣的一種驅(qū)動(dòng)元件。將形狀記憶合金與氣動(dòng)肌肉結(jié)合可很好的改善氣動(dòng)肌肉性能，從而促進(jìn)康復(fù)醫(yī)療和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述技術(shù)的缺陷和不足，提出了一種嵌套式形狀記憶合金氣動(dòng)人工肌肉。

為解決上述問題，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

它包括上固定盤、固定桿、軸向SMA絲、滑動(dòng)盤、氣動(dòng)肌肉、PM下安裝盤、下固定盤、滑動(dòng)方軸、轉(zhuǎn)軸、PM上安裝盤、彈簧、徑向SMA絲、驅(qū)動(dòng)電路。所述固定桿外表面光滑，兩端帶有螺紋，一端連接上固定盤，另一端連接下固定盤，四根固定桿和上固定盤、下固定盤組成外固定結(jié)構(gòu)；滑動(dòng)盤具有穿桿孔，可在固定桿上滑動(dòng)；軸向SMA絲通過上固定盤穿絲孔、下固定盤穿絲孔、滑動(dòng)盤穿絲孔，在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，一端固定在下固定盤，另一端固定在滑動(dòng)盤，并通過外接驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；多根氣動(dòng)肌肉圍成圓周狀氣動(dòng)肌肉束，且每根氣動(dòng)肌肉之間存在一定間隙，氣動(dòng)肌肉束一端固定在PM上安裝盤，另一端固定在PM下安裝盤，整個(gè)氣動(dòng)肌肉束結(jié)構(gòu)置于外固定結(jié)構(gòu)內(nèi)部；滑動(dòng)方軸通過下固定盤上的方孔，可沿軸向滑動(dòng)，滑動(dòng)方軸一端與PM下安裝盤連接，另一端與負(fù)載連接；轉(zhuǎn)軸穿過滑動(dòng)盤上的轉(zhuǎn)軸孔，且一端的直徑大于轉(zhuǎn)軸孔的直徑，另一端固定在PM上安裝盤，可帶動(dòng)PM上安裝盤轉(zhuǎn)動(dòng)；一對(duì)彈簧采用在轉(zhuǎn)軸側(cè)面反向平行的安裝方式，一端固定在滑動(dòng)盤上，另一端固定在轉(zhuǎn)軸側(cè)面，兩個(gè)安裝點(diǎn)的連線是轉(zhuǎn)軸側(cè)面所在安裝點(diǎn)的切線；一對(duì)徑向SMA絲安裝方式與彈簧相同，且徑向SMA絲與彈簧在滑動(dòng)盤平面上的投影相互垂直。

優(yōu)選地，所述上固定盤、下固定盤和滑動(dòng)盤用絕緣、耐磨、光滑的聚合物制備而成或用聚合物進(jìn)行內(nèi)涂覆，如聚四氟乙烯。

本發(fā)明采用新型智能材料和常規(guī)仿生機(jī)構(gòu)的結(jié)合設(shè)計(jì)方案，保留常規(guī)氣動(dòng)肌肉優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，用新型智能材料改善其性能；本發(fā)明中的新型智能材料采用形狀記憶合金絲，功重比高、使用簡單、無污染；氣動(dòng)肌肉束嵌套在固定架的內(nèi)部，結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時(shí)多根氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)力大，剛度可變范圍廣；軸向SMA絲在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，增加工作時(shí)絲的長度，達(dá)到產(chǎn)生大的形變量的目的；軸向SMA絲在被激活后產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，將會(huì)縮短，帶動(dòng)滑動(dòng)盤往上固定盤方向運(yùn)動(dòng)，增加氣動(dòng)肌肉束收縮量；軸向SMA絲在超彈性變形時(shí)，加、卸載過程中會(huì)出現(xiàn)遲滯循環(huán)效應(yīng)，可吸收大量能量，有效緩解負(fù)載振動(dòng)時(shí)對(duì)連接裝置造成的損壞；徑向SMA絲在彈簧的作用下產(chǎn)生預(yù)拉伸，被激活后產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，將會(huì)縮短，帶動(dòng)氣動(dòng)肌肉束轉(zhuǎn)動(dòng)，改變其剛度和收縮量。與常規(guī)氣動(dòng)肌肉相比，本發(fā)明改進(jìn)和豐富了氣動(dòng)肌肉的性能，值得應(yīng)用。

附圖說明

圖1為嵌套式形狀記憶合金氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為軸向SMA絲多次“S”型纏繞方式圖；

圖3為轉(zhuǎn)軸、滑動(dòng)盤和PM上安裝盤連接方式放大圖；

圖4為彈簧與徑向SMA絲安裝方式放大圖；

圖5為軸向SMA絲外接驅(qū)動(dòng)方式圖；

圖中，1、上固定盤；2、固定桿；3、軸向SMA絲；4、滑動(dòng)盤；5、氣動(dòng)肌肉；6、PM下安裝盤；7、下固定盤；8、滑動(dòng)方軸；9、轉(zhuǎn)軸；10、PM上安裝盤；11、彈簧；12、徑向SMA絲；13、驅(qū)動(dòng)電路；101、上固定盤穿絲孔；401、轉(zhuǎn)軸孔；402、滑動(dòng)盤穿桿孔；403、滑動(dòng)盤穿絲孔；701、下固定盤穿絲孔；702、方孔。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1~5所示，本實(shí)施例包括上固定盤1、固定桿2、軸向SMA絲3、滑動(dòng)盤4、氣動(dòng)肌肉5、PM下安裝盤6、下固定盤7、滑動(dòng)方軸8、轉(zhuǎn)軸9、PM上安裝盤10、彈簧11、徑向SMA絲12、驅(qū)動(dòng)電路13、上固定盤穿絲孔101、轉(zhuǎn)軸孔401、滑動(dòng)盤穿桿孔402、滑動(dòng)盤穿絲孔403、下固定盤穿絲孔701、方孔702；本實(shí)施例中，所述氣動(dòng)肌肉5為市面上已有氣動(dòng)肌肉，所述上固定盤1、下固定盤7、滑動(dòng)盤4均為聚四氟乙烯材料制成；固定桿2外表面光滑，兩端帶有螺紋，一端連接上固定盤1，另一端連接下固定盤7，四根固定桿2和固定盤1、7組成外固定結(jié)構(gòu)；滑動(dòng)盤4具有穿桿孔402，可在固定桿2上滑動(dòng)；軸向SMA絲3通過上固定盤穿絲孔101、下固定盤穿絲孔701、滑動(dòng)盤穿絲孔403，在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，一端固定在下固定盤7，另一端固定在滑動(dòng)盤4，并通過外接驅(qū)動(dòng)電路13進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；九根氣動(dòng)肌肉5圍成圓周狀氣動(dòng)肌肉束，且每根氣動(dòng)肌肉之間存在一定間隙，氣動(dòng)肌肉束一端固定在PM上安裝盤10，另一端固定在PM下安裝盤6，整個(gè)氣動(dòng)肌肉束結(jié)構(gòu)置于固定桿2與固定盤1、7組成的外固定結(jié)構(gòu)內(nèi)部；滑動(dòng)方軸8通過下固定盤7上的方孔702，可沿軸向滑動(dòng)，一端與PM下安裝盤6連接，另一端與負(fù)載連接；轉(zhuǎn)軸9穿過滑動(dòng)盤上的轉(zhuǎn)軸孔401，且一端的直徑大于轉(zhuǎn)軸孔401的直徑，另一端固定在PM上安裝盤10，可帶動(dòng)PM上安裝盤10轉(zhuǎn)動(dòng)；一對(duì)彈簧11采用在轉(zhuǎn)軸側(cè)面反向平行的安裝方式，一端固定在滑動(dòng)盤4上，另一端固定在轉(zhuǎn)軸9側(cè)面，兩個(gè)安裝點(diǎn)的連線是轉(zhuǎn)軸9側(cè)面所在安裝點(diǎn)的切線；一對(duì)徑向SMA絲12安裝方式與彈簧11相同，且徑向SMA絲12與彈簧11在滑動(dòng)盤4平面上的投影相互垂直。

嵌套式形狀記憶合金氣動(dòng)人工肌肉工作時(shí)，根據(jù)軸向SMA絲3和徑向SMA絲12的工作方式不同，分別簡述該裝置軸向驅(qū)動(dòng)特性和氣動(dòng)肌肉束轉(zhuǎn)動(dòng)特性。

裝置軸向驅(qū)動(dòng)特性：通過氣孔對(duì)氣動(dòng)肌肉5組成的肌肉束進(jìn)行充氣，肌肉束將會(huì)正常工作，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)特性。軸向SMA絲3通過上固定盤穿絲孔101、下固定盤穿絲孔701、滑動(dòng)盤穿絲孔403，在上、下固定盤之間多次“S”型纏繞，一端固定在下固定盤7，另一端固定在滑動(dòng)盤4，大大增加了工作中絲的長度；在驅(qū)動(dòng)電路13的作用下，軸向SMA絲3的溫度升高，達(dá)到相變溫度時(shí)產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，長度收縮，帶動(dòng)滑動(dòng)盤4運(yùn)動(dòng)，增加肌肉束的收縮量。當(dāng)負(fù)載發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可以通過驅(qū)動(dòng)電路13使軸向SMA絲3的溫度高于馬氏體到奧氏體轉(zhuǎn)變的結(jié)束溫度，軸向SMA絲3產(chǎn)生超彈性效應(yīng)，此時(shí)加載，將產(chǎn)生超彈性應(yīng)變，卸載到應(yīng)力為零時(shí)應(yīng)變也恢復(fù)到零，并在加、卸載過程中應(yīng)變出現(xiàn)遲滯循環(huán)效應(yīng)，可吸收大量能量，基于此特性來減少外部負(fù)載的振動(dòng)產(chǎn)生的影響。

氣動(dòng)肌肉束轉(zhuǎn)動(dòng)特性：徑向SMA絲12在彈簧11處于壓縮的狀態(tài)下進(jìn)行安裝，安裝完成后，徑向SMA絲12在彈簧11的胡克力作用下產(chǎn)生預(yù)拉伸。當(dāng)氣動(dòng)肌肉束在氣壓和軸向SMA絲3的作用下，軸向收縮量最大或處于平衡狀態(tài)時(shí)，通過外接驅(qū)動(dòng)電路13對(duì)徑向SMA絲12加熱，使其溫度上升到相變溫度，產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，長度恢復(fù)，壓縮彈簧，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸9旋轉(zhuǎn)。由于下側(cè)的滑動(dòng)方軸8不能轉(zhuǎn)動(dòng)，上側(cè)的轉(zhuǎn)軸9可以轉(zhuǎn)動(dòng)，氣動(dòng)肌肉束在力的作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，氣動(dòng)肌肉5的剛度將會(huì)改變。扭轉(zhuǎn)力的作用下，氣動(dòng)肌肉束在軸向也會(huì)進(jìn)一步收縮。

以上所述僅是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例，凡是在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下對(duì)本發(fā)明所做的各種改變和改進(jìn)，都不會(huì)超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。