[发明专利]主被动式智能仿生肌肉

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生肌肉，尤其涉及一种能够模拟人体肌肉生物力学特性，以智能材料为驱动的主被动式智能仿生肌肉。

背景技术

人体肌肉作为人类运动的驱动装置，具有很高的功率密度和力重量比。现存的常规驱动器，比如电机、液压等，因大质量、大体积无法有效的模拟人体肌肉。此外，人体肌肉具有特殊的生物力学特性：肌肉在收缩时表现为主动驱动特性，在舒张时则表现为非线性被动弹性特性。现阶段国内外研究较多的仿生肌肉主要是气动人工肌肉。比如美国华盛顿大学利用McKibben气动肌肉模拟人体肌肉的生物力学特性(Glenn K.Klute，Joseph M.Czerniecki and Blake Hannaford，Artificial Muscles：Actuators for Biorobotic Systems，The International Journal of Robotics Research，200221：295)。然而McKibben气动肌肉必须携带气源，给实际的驱动应用带来不便。

形状记忆合金(SMA)作为一种智能材料，是一种新型的驱动元件。SMA具有很多类肌肉特性，比如高功率密度、大输出力、柔软性、单向收缩、自感知等功能。此外，SMA驱动简单，电流加热即可实现，从而有条件实现基于SMA驱动的仿生肌肉。比如上海交通大学机器人研究所利用多根并联SMA丝实现了大输出力、集传感-驱动于一体的人工肌肉。(Jianjun Zhang，Yuehong Yin，SMA-based bionic integration design of self-sensor-actuator-structure for artificial skeletal muscle，Sensors and Actuators A：Physical，2012(181)94-102)。然而SMA并不能很好的模拟人体肌肉的被动弹性特性，此外，SMA的慢响应速度依旧是制约SMA在仿生肌肉应用上的最大问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种主被动式智能仿生肌肉，该仿生肌肉可以较好的模拟人体肌肉的生物力学特性，其中主动驱动特性由并联的形状记忆合金丝提供，非线性被动弹性特性由橡胶管和PET网并联提供。

本发明的技术方案如下：

一种主被动式智能仿生肌肉，包括第一支撑板、第二支撑板、PET网、橡胶管、肌肉支撑体、若干根并联的形状记忆合金丝；

所述肌肉支撑体位于橡胶管内部，PET网包覆在橡胶管外侧，且橡胶管、PET网的两端分别与第一支撑板、第二支撑板固定；形状记忆合金丝通过肌肉支撑体与第一支撑板和/或第二支撑板固定；

橡胶管的直径小于肌肉支撑体的最大直径，且橡胶管上位于第一支撑板与肌肉支撑体之间的部分以及橡胶管上位于第二支撑板与肌肉支撑体之间的部分呈松弛状态；整个PET网呈松弛状态。

对第一支撑板和第二支撑板向外侧施加负载力，在形状记忆合金丝发生的伸长量到达其伸长状态的最大弹性形变量之前，橡胶管上位于第一支撑板与肌肉支撑体之间的部分以及橡胶管上位于第二支撑板与肌肉支撑体之间的部分呈松弛状态；整个PET网呈松弛状态。当形状记忆合金丝伸长量继续增大时，橡胶管和PET网迅速进入张紧状态，从而有效保护形状记忆合金丝避免过负载以及模拟人体肌肉的被动拉伸特性。

较佳地，所述肌肉支撑体开有若干通孔，所述形状记忆合金丝穿过该些通孔分别与第一支撑板和/或第二支撑板固定。

较佳地，所述主被动式智能仿生肌肉还包括用于进出冷水以冷却形状记忆合金丝的冷却水进水管、冷却水出水管；所述第一支撑板和第二支撑板上均开有通孔；所述冷却水进水管、冷却水出水管分别与第一支撑板和第二支撑板上的通孔密封连接；所述冷却水进水管、橡胶管、肌肉支撑体上的通孔、冷却水出水管形成一个供冷水流动的通道。

较佳地，所述形状记忆合金丝为回转式；所述形状记忆合金对折绕过肌肉支撑体上任意两个通孔后，其两个尾端固定在第一支撑板或第二支撑板上。

较佳地，所述若干形状记忆合金丝至少分为两组：第一组和第二组；每一组至少包括一根回转式的形状记忆合金丝；所述两组的形状记忆合金丝的折向相反；

第一组的形状记忆合金丝对折绕过肌肉支撑体上的任意两个通孔，其两个尾端与第一支撑板固定连接；

第二组的形状记忆合金丝对折绕过肌肉支撑体上的任意两个通孔，其两个尾端与第二支撑板固定连接。