[发明专利]一种变刚度并联人工肌肉

说明书

本发明公开了一种变刚度并联人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。它解决了现有人工肌肉输出力小、刚度不可调整的问题。本发明包括m个收缩纤维、n个伸长纤维、2个励磁器、柔性膜和磁流变液；所述m个收缩纤维的两端分别与2个励磁器连接，伸长纤维与收缩纤维相互交错连接形成框架，柔性膜覆盖于框架外侧并与2个励磁器形成密闭容腔，磁流变液置于密闭容腔内。本发明通过采用多根纤维卷绕型人工肌肉并联，实现了输出力的放大；综合利用伸长型和收缩型人工肌肉，通过几何关系放大了人工肌肉的输出位移；采用磁流变液与人工肌肉结合，实现了其主动刚度变化；多根人工肌肉纤维可单独驱动，通过不同的驱动形式可实现其多方向运动。

技术领域

本发明涉及一种变刚度并联人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。

背景技术

柔性驱动器一直以来都是机器人领域的重要分支，由于传统刚性驱动器体积、重量大，动作刚度高，在一些应用上存在某些局限性。柔性驱动器具有灵活性高、容易变形等特点，易于布置在柔性机器人或狭小的结构中，又因其具有很强的动作柔顺性，易于实现机器人、环境和人的安全交互，具有广阔的应用前景。

目前常见的柔性驱动器包括电活性聚合物、形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料等。这些柔性驱动器价格昂贵，输出力与位移有限，迟滞现象明显，疲劳寿命短，难以满足柔性机器人的需求。

发明内容

本发明为了解决现有人工肌肉输出力小，刚度不可调整的问题，提出了一种变刚度并联人工肌肉，所采取的技术方案如下：

一种变刚度并联人工肌肉，所述人工肌肉包括m个收缩纤维1、n个伸长纤维2、2个励磁器3、柔性膜4和磁流变液5，其中，m为大于等于3的整数，n为大于等于1的整数；所述m个收缩纤维1的两端分别与2个励磁器3连接，所述伸长纤维2与收缩纤维1相互交错连接形成框架；所述柔性膜4覆盖于所述框架的外侧，并且所述柔性膜4与2个励磁器3密闭相连形成密闭容腔；所述磁流变液5置于密闭容腔内；所述磁流变液在弱磁场下呈现低粘度，高流动性；在强磁场下呈现高刚度的类固体性。它在弱磁场下的流动性及其变刚度特性使其适合与柔性驱动器结合，实现其变刚度功能。

进一步地，所述收缩纤维1和伸长纤维2采用聚合物纤维和金属丝共同卷绕形成的螺旋结构的条状纤维。

进一步地，当给收缩纤维1和伸长纤维2通电使收缩纤维1和伸长纤维2温度升高时，所述收缩纤维1缩短，伸长纤维2伸长。

进一步地，所述m个收缩纤维1的初始长度相等。

进一步地，所述m个收缩纤维1的变形独立可控。

进一步地，所述伸长纤维2采用首尾闭合的圆环形、椭圆环形或多边环形结构。

进一步地，所述n个伸长纤维2形成的环形结构所在平面相互平行。

本发明有益效果：

本发明人工肌肉采用多根纤维卷绕型人工肌肉并联，实现了输出力的放大；综合利用伸长型人工肌肉和收缩型人工肌肉，利用几何关系(即多个收缩纤维和伸长纤维之间的组合以及位置结构)放大了人工肌肉的输出位移；采用磁流变液与人工肌肉结合，实现了其主动刚度变化，实现了人工肌肉的刚度实时可调；多根人工肌肉纤维可实现单独驱动，通过不同的驱动形式可实现其多方向运动，满足机器人的实用需求。

附图说明

图1是本发明所述一种变刚度并联人工肌肉的结构示意图。

图2是本发明所述收缩纤维的结构形式及其变形状态示意图。

图3是本发明所述伸长纤维自身形成环状结构后的结构形式及其变形状态示意图。

图4是本发明所述人工肌肉收缩运动变形示意图。

图5是本发明所述人工肌肉的弯曲运动变形示意图。