[发明专利]柔顺性的异形弹性波纹管的人工肌肉

说明书

技术领域：

本发明涉及柔顺性的异形弹性波纹管的人工肌肉，此人工肌肉由流体驱动，可用作机器人的手指、手腕、膝盖、肩肘和脚腕等关节的驱动元件、或并联机床的驱动器，作为自动化设备的执行机构，这种柔顺性的异形弹性波纹管的人工肌肉，具有快速敏捷的适应性、根据内外部载荷而顺应变形的柔顺性、较大的功率/(体积*质量)比、易弯曲的特性和一定的缓冲性，属于机器人、机器和机床的应用技术领域。

背景技术：

本发明以前，在已有技术中，现有的弹性波纹管的人工肌肉均为圆柱形，弹性波纹管为橡胶材料，弹性波纹管的壁内夹有起加强作用的经、纬加强丝，经、纬加强丝编织缠绕在一起(组合肌肉式多方向弯曲的柔性关节，专利申请号：200510037889.1)。由于整体是圆柱形，因此有以下缺陷：(1)安装在铰链骨架上时，受到圆柱形弹性波纹管中间部分的限制，关节的弯曲角度较小；(2)圆柱形弹性波纹管的内腔体积较大，尤其是它的整体弯曲角度需要较多内腔流体体积增加量；(3)虽然采用了编织缠绕的经、纬加强丝，但弹性波纹管的承载能力还不够大。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述不足之处，本发明的具有柔顺性的膨胀型异形弹性波纹管人工肌肉，主要内容有：(1)采用左右对称的双圆锥形的异形弹性波纹管，由于其中间部分较细，有较大的空间，使关节具有更大的弯曲角度(见附图12)；由于具有更小的弹性波纹管内腔体积，它的整体弯曲角度的增加仅需要较少内腔流体体积增加量；相同的材质和壁厚时，细的中间部分可承载更大的内腔压力。(2)有从圆形到椭圆形，从小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、短径比的不同的环箍，这些环箍安装在弹性波纹管的不同直径的波谷圆处，提高弹性波纹管的承载能力。(3)在双圆锥形的基础上，在许用承载能力(内腔流体压力)条件下，椭圆形的环箍是刚性的、保持不变形；越是中间部分的波谷圆，被相同周长的椭圆形的环箍限制得越扁(内腔未加压流体时，椭圆形的环箍在波谷圆部位正好贴合，限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形。)，这进一步减小了异形弹性波纹管在关节弯曲方向的尺寸，进一步增加了关节的弯曲角度。(4)有圆形、椭圆形、V形、半环形和U形五种截面形状的环箍。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

采用左右对称的双圆锥形的异形弹性波纹管，附图1、2和4分别给出了不等腰三角形波形的弹性波纹管9，倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15，和不等边U形波形的弹性波纹管16三种形式。

这三种弹性波纹管的内部结构均可以是高分子材料2直接形成波纹管的内层、橡胶1在外层整体覆层(如附图3所示)。

这三种弹性波纹管的内部结构还可以是经丝4与纬丝3的编织定形后，内外再先后注橡胶1成形(如附图5所示)，经丝4与纬丝3的材料可以是一般强度钢丝帘线(抗拉强度为2500MPa)，高强度(HT)钢丝帘线(抗拉强度为3250MPa)，超高强度(ST)钢丝帘线(抗拉强度为3650MPa)，极高强度(UT)钢丝帘线(抗拉强度为3900～4000MPa)，PTFE高强度缝纫线，高强度尼龙丝，高强度碳纤维丝、高强度聚丙烯丝，冷拉高强度不锈钢丝。

除了不等腰三角形波形的弹性波纹管9，倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15，和不等边U形波形的弹性波纹管16三种基本形式之外，还可以装配不同的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形。弹性波纹管的内腔未加压流体时，椭圆形的环箍在波谷圆部位正好贴合，限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形，减小异形弹性波纹管在关节弯曲方向的尺寸。

如附图6所示，对于不等腰三角形波形的弹性波纹管9，从最大波谷圆到最小波谷处，依次采用圆形的环箍，小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、短径比的椭圆形的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形。如附图6、7所示，环箍5的形状可以是圆形、椭圆形，环箍5的截面可以是圆形、椭圆形，V形、半环形、U形。

如附图8所示，对于倾斜等腰三角形波形的弹性波纹管15，从最大波谷圆到最小波谷处，依次采用圆形的环箍，小的椭圆长、短径比，到大的椭圆长、短径比的椭圆形的环箍，来加强弹性波纹管承载和限制弹性波纹管的波谷圆成椭圆形。如附图8、9所示，环箍5的形状可以是圆形、椭圆形，环箍5的截面可以是圆形、椭圆形，V形、半环形、U形。