[发明专利]一种使用磁流体产生液压的人工肌肉

说明书

技术领域

本发明属于机器人制造、动态运动模拟技术领域，具体涉及一种人工肌肉。

背景技术

人工肌肉可广泛应用于机器人、机械手、假肢、仿生玩具、道具等领域。现有技术在人工肌肉的设计方面有多种方式，中国专利2133908.2公开了一种人工条状肌肉及其应用，其具体设计是由双螺旋线圈、弹性胶、磁流变液微团构成，双螺旋线圈外表及内部由弹性胶包覆填充，弹性胶内充满磁流变液微团，在双螺旋线圈通过电流，极化磁流变液微团，产生轴向收缩。该人工肌肉具有一定的肌肉收缩功能，但具有以下几个技术问题：

1.该人工肌肉是依靠弹性胶承载外部拉力，当承载外部拉力的时候，两端弹性胶势必被拉长，两端的拉长量会抵消人工肌肉产生的收缩量，使得整体收缩量与拉力减小。采用弹性模量较大的弹性胶，的确可以缓解上述问题，但是人工肌肉收缩需要克服的弹性力却将增大，又会增加能量的浪费，这种能量浪费即使是在理想状态下也无法消除。

2.该人工肌肉的任意横截面所承受的拉应力都等于外部拉力与该横截面面积之商，而双螺旋线圈磁场强度却由中部向两端递减。人工肌肉任意截面两侧的收缩力都要与该处截面的拉应力平衡，就要消耗更多能量。要使人工肌肉收缩均匀，不得不对设计提出更高要求，因此就要提高成本。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，设计了一种人工肌肉，以磁流体的液压实现肌肉的收缩，结构简单，方便灵活，肌肉收缩力强。

本发明的技术方案如下：

本人工肌肉以单束人工肌肉单元为构成单元，单束人工肌肉单元由螺旋线圈、条状囊、加强筋、磁流体构成，条状囊的外表轴向分布有加强筋，并缠有螺旋线圈，条状囊内部充满磁流体。螺旋线圈通电，使磁流体极化，极化的磁流体自我吸引，产生液压，使条状囊中部受压变粗，并通过加强筋传递拉力，人工肌肉收缩。

磁流体的选用以极化效果与稳定性作为标准。螺旋线圈由直径很细且表面绝缘的金属丝绕制而成。整块人工肌肉由多根单束人工肌肉单元构成，相邻的人工肌肉单元磁场方向应尽量相反。

本发明提供的人工肌肉由螺旋线圈产生磁场极化磁流体，在磁流体内部产生液压，迫使条状囊中部扩张，由加强筋传递拉力，进而实现肌肉的收缩。结构受力分工明确，对材料要求宽松，结构简单。由于单束人工肌肉纤维产生的拉力来源于液压，因此其产生的拉力大小取决于磁场强度、磁流体性质和人工肌肉单元长度，而与条状囊粗细无关。理论上，在整块人工肌肉粗细不变的情况下，单束人工肌肉单元越细，整块人工肌肉中含有的人工肌肉单元就越多，人工肌肉产生的拉力越大，这一特性可以节省磁流体的使用量，并为工艺的改进提供了空间。本发明可广泛应用与机器人制造、控制论、动态运动模拟等领域，为使用人工肌肉组织模拟生物运动提供了一种手段。

附图说明

图1是单束人工肌肉单元的正视图。

图2是单束人工肌肉单元的断面图。

图3是加强筋的受力图。

图4是两根人工肌肉单元的组合图。

具体实施方式

参见图1和图2，人工肌肉以多根单束人工肌肉单元为基本构成单元。单束人工肌肉单元由螺旋线圈1、条状囊2、加强筋3、磁流体4构成。条状囊2中间粗两头细，表面如折扇状，且其断面为星形，如图2，但不仅限于五角星。沿着条状囊2缠有螺旋线圈1，线圈应紧贴条状囊的外表面。以截面为五角星的情况为例，条状囊2表面会存在10条棱，其中5条是内凹的，5条是外凸的。沿着内凹的棱铺设加强筋3，如图2，并在加强筋3汇聚于条状囊2两端之处分别安装束缚环5，如图1，将加强筋3扎成一股。在条状囊内部注满磁流体4。

螺旋线圈1由直径很细表面绝缘的金属丝绕制而成；条状囊2采用弹性模量较大的材料加工；加强筋3应采用柔韧、不易拉长的材料制造；磁流体4的挑选标准为极化效果好，稳定性好，流动性好。

螺旋线圈1通以直流电，不但作为磁场的发生源，而且可以在条状囊2扩张时减少其周向拉伸，起加固作用。磁流体4被极化后，在磁场方向上自我吸引，产生向人工肌肉中部集中的趋势，磁流体内部产生压强，使条状囊2的中部扩张。条状囊2的扩张使表面的加强筋3的中段发生弯曲，加强筋3两端A、B之间的距离缩短，如图3。所有加强筋3的合力与单束人工肌肉单元轴线重合。束缚环5将加强筋3束缚在一起，可以避免在承受较大拉力的时候加强筋3与条状囊2剥离，造成条状囊两端破损。

参照图4，两条人工肌肉单元并联，方向为一正一反，则一部分磁感线6可以在两条人工肌肉单元中形成循环。这种排布将加强人工肌肉单元内部磁场，并减小人工肌肉单元两端的外部磁场。在采用多条人工肌肉单元并联的时候，也应该采用正反夹杂的方法。同时将人工肌肉单元的螺旋线圈串联起来也可以使电路更加简洁，但是，如果有一处断路会引起串联的人工肌肉全部失效，所以不宜将过多的人工肌肉单元全串联在一起。