[发明专利]一种负压旋转型人工肌肉

说明书

本发明公开了一种负压旋转型人工肌肉。负压旋转型人工肌肉由弹性材料制成，整体为扇形结构，内部气室与支柱交错排列，越远离圆心气室尺寸越大。当使其内部形成真空时，气动人工肌肉的周向支柱将会插入到相邻气室中，最终使整个人工肌肉沿圆心产生“合扇”运动，提供旋转力矩。本发明可以应用到需要柔性驱动的领域，例如医疗康复、软体机器人、仿生机器人等。

技术领域

本发明属于气动肌肉技术领域，特别涉及一种负压旋转型人工肌肉。

背景技术

气动人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscle，简称PAM)是一种柔性的驱动器，具有重量轻、柔性高、使用方便、无污染等优点。近年来，随着仿生技术的进一步发展，人们对气动肌肉的研究越来越重视。早在20世纪50年代，美国医生Joseph.L.Mckibben就发明了一种名为Mckibben的气动人工肌肉，这是气动人工肌肉的首次发明。此后，世界上各国研究人员开始了对气动人工肌肉的研究工作，例如日本Bridgestone公司生产的Rubbertuator，德国Festo公司生产的FiuidicMuscies，英国Shadow公司生产的air muscies等等。

虽然气动人工肌肉的种类很多，但是目前大量生产和应用的气动人工肌肉只有德国Festo和英国Shadow生产的人工肌肉。这些人工肌肉都属于Mckibben型气动人工肌肉，该类型人工肌肉主要由弹性橡胶管、编织网和卡箍组成。当对人工肌肉充气后，内部弹性橡胶管开始膨胀，在外面编织网的约束下，人工肌肉径向膨胀，纵向收缩，使人工肌肉整体长度变短，提供收缩力。

随着对气动人工肌肉研究的日益成熟，气动人工肌肉越来越多的被应用到生活中，例如医疗康复领域(如假肢、外骨骼)、仿生机器人领域、软体机器人领域等。

国内很多研究人员和学者也对气动人工肌肉展开了深入研究，如中国发明专利CN105856219A公开了一种具有自感知和驱动功能的气动人工肌肉，包括纤维丝、弹性软管、圆柱套管、压电体、电极、感知电路、驱动电路等。该气动人工肌肉能够检测到外部负载的驱动力，并且感知碰撞，通过压电体的逆压电效应，带动纤维丝收缩，提高气动肌肉的收缩量。中国发明专利CN106514645A和CN105030389A都在传统气动人工肌肉的基础上，引进了形状记忆合金技术，通过改变形状记忆合金的温度产生形变，从而增加人工肌肉的收缩量。

传统的充气缩短型人工肌肉具有以下缺点：这类气动人工肌肉主要由内部弹性橡胶管和外部编织网组成，他们之间的干摩擦和编织网的非弹性变形将会产生迟滞现象，使人工肌肉的精确控制非常困难；传统人工肌肉通常都具有“阈值压力”，当人工肌肉内部气压小于“阈值压力”时，人工肌肉无法执行；传统人工肌肉所需工作压力很高，这将有可能使橡胶管沿编制网眼突出或者在某一点处破坏，甚至有发生爆破的危险。

目前有研发人员研制出了充气后可以实现弯曲运动的气动人工肌肉。例如专利US20170097021A1公开了一种柔软机器人执行器，该执行器由弹性材料制成，内部有多个气室，在充气加压后每个气室被胀大发生变形，最终实现弯曲运动。该执行器可以用于制作成章鱼手爪抓取物体，也可以制作成软体机器人实现爬行运动。但是，该执行器在充气后体积膨胀很大，存在一定风险，在与环境接触后容易破损或发生爆炸，而且无法应用在使用空间狭小的场合。专利US20180031010A1公开了一种柔软执行器和柔软执行装置，该执行器由硅胶材料制成，在对其内部抽气形成真空时执行器实现直线收缩运动，可以用作人工肌肉带动外界负载运动，也可以制作成软体机器人实现爬行运动。但是，该执行器执行的运动为直线收缩运动，当应用到需要旋转运动的场合，就需要借用其他零部件将直线缩短运动转化为旋转运动或者选择远离旋转中心的位置作为连接点使形成旋转力矩。这样使用起来非常不方便，而且效率不高，引入了其他的刚性零部件，增加了执行器的占用空间。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种负压旋转型人工肌肉。

本发明的技术方案如下。