[实用新型]一种基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉

说明书

技术领域

本实用新型涉及气动肌肉技术和形状记忆合金材料，具体说就是利用形状记忆合金来制作特殊结构的可主动变形的变形网。

背景技术

气动肌肉最早由俄国发明家S.Garasiev于20世纪30年代提出。美国医生Mckibben于50年代发明了可以使用的气动肌肉。80年代，日本工程师在Mckibben气动肌肉基础上，研制了Rubbertuator气动肌肉。英国工程师在Mckibben气动肌肉基础上，研制了Air Muscle气动肌肉。气动肌肉是气动技术的一次革命，也是目前智能驱动器的一个重要发展方向。气动肌肉主要由充气弹性软管和起约束弹性管膨胀变形的外部承受负载构件组成，由于变形收到外部承受负载构件的约束而产生应力。

气动肌肉的优点是功率重量比大、无污染、无滑动、具有人或动物肌肉的柔顺性以及易于小型化，具有很好的应用前景。最早的Mckibben气动肌肉被用作辅助残疾手指的运动驱动装置。气动肌肉也用于工业领域，尤其是工业用机械臂和机器人，作为一种高效驱动器使用，可以产生足够大的力，同时又保持一定的柔顺性，使得被驱动装置具有“环境友好”特性，可执行诸如护理病人、抓取易碎物品等任务。

气动肌肉按结构可分为编织网式、网孔式，嵌入式和特种结构气动肌肉。编织网式气动肌肉采用纤维编织网约束气密弹性管的变形。网孔式气动肌肉采用网孔比较大、纤维比较稀疏的、系结而成的编织网。嵌入式人工肌肉承受负载的丝、纤维构件是嵌入到弹性薄膜里的。上述气动肌肉都只能产生轴向伸缩动作，且单个的气动肌肉只能产生一种动作，即只有一个自由度(自由动作方向的个数)。特种结构气动肌肉本质上是将多个气动肌肉按照一定的结构组合起来，可以获得复杂动作和多个自由度。目前已有的气动肌肉机构原理都大同小异，用网状构件来约束加压气管(囊)的运动，网状构件只有被动变形，变形主要体现在丝与肌肉轴线的夹角的被动变化上。目前气动肌肉的主要缺点和不足如下：

首先，现有气动肌肉驱动特性固定，表现在长度-负载特性、收缩率、单位截面积出力、刚度变化等静、动态特性不可根据驱动负载的变化进行调节。从而导致不同的负载驱动任务，需要设计不同特性的气动肌肉。而人体的生物肌肉特性是可调节变化的。网状构件的约束变形是决定气动肌肉驱动特性的关键因素。

其次，单个气动肌肉只具有一种驱动动作能力，不适合需要复杂驱动动作的领域。已有的一种三自由度气动肌肉，其气管被均等分隔成三个独立的扇形柱状空腔。三个空腔的气压要分别调节，所以从本质上是三个气动肌肉的组合体。用多个气动肌肉组合实现复杂驱动动作会导致气动肌肉机构复杂，体积较大，且需要调节多个空腔的气压，成本高。

这两点不足是影响气动肌肉发展和应用的关键问题。解决这两个不足，将会提高气动肌肉性能，促进气动肌肉在高精密、柔顺驱动领域的应用，从而促进制造业和仿生机器人的发展。

形状记忆合金是一种利用形状记忆效应，可以通过温度变化发生形状变化的智能材料，是智能结构中最早应用的一种驱动元件。形状记忆合金可制成螺旋弹簧、丝状、扭簧、薄片、蝶状等多种形状，特点是弯曲量大、塑性高、在记忆温度以上恢复形状、结构简单、无噪声等，被广泛应用于人造骨骼、卫星天线、牙齿矫形器、管路连接部件、制动器以及小型仿人机器人驱动等领域。

根据气动肌肉的工作原理，应该可以通过主动调节起约束作用的网中的丝与肌肉轴线的夹角来改善气动肌肉的特性；可以通过有多个方向主动变形动作的网来约束单个气管气动肌肉的变形，从而实现多自由度复杂动作。虽然形状记忆合金动作频率不是很高，但肌肉驱动动作频率要求不高，所以将形状记忆合金材料的可控主动变形特性引入气动肌肉的网状构件中来，将会得到创新的技术和产品。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于形状记忆合金变形网的多自由度智能气动肌肉，可根据负载变化进行调节的智能气动肌肉，可进行伸缩、弯曲、旋转等多自由度，并且驱动特性可根据负载变化进行调节的智能气动肌肉驱动器装置。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案如下：