[发明专利]一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，其属于气动肌肉技术领域、智能材料领域及仿生学领域。

背景技术

气动人工肌肉（PneumaticArtificialMuscle，简称PAM）作为一种新型仿生驱动装置，其最先是由苏联发明家S.Garasiev在1930年提出的，随后出现了各类类似构想。例如美国人Mckibben在20世纪50年代发明了如今得到广泛应用的Mckibben型气动肌肉，之后日本在此基础上研制了Rubbertuator气动肌肉，英国研制了AirMuscle气动肌肉。目前商业化生产的最主要类型气动肌肉也就是Shadow公司和Festo公司生产的Mckibben型气动肌肉。这种传统型的气动肌肉主要由充气弹性橡胶管和起约束弹性橡胶管径向膨胀变形的外部编织网构成，由于编织网具有极低的延展性，所以纵向收缩会对连接负载产生驱动力。

气动肌肉主要优点在于工作方式、响应时间、伸缩范围与生物肌肉较为相似，其非线性特性与人体骨骼肌相近，并且具备电机等驱动器不具备的柔顺性，其功率重量比大、无污染、无滑动、易于小型化。其作为一种高效驱动器使用，不仅能够产生足够大的力，同时还可以具有很好的柔顺性，使得被驱动装置具有环境友好特性。气动人工肌肉驱动装置可以用于人体假肢、肢体康复设备和仿生机器人以及娱乐等行业。

虽然目前的气动肌肉可分为编织式、网孔式、嵌入式等类型。但是这些传统气动肌肉的机构原理都大同小异，都还是通过充入气动肌肉内部气体的压强来控制其收缩量，产生收缩力。由于橡胶管本身属性原因，在有限的压强范围内，气动肌肉的收缩量和刚度特性也受到了限制，这点不足也是影响气动肌肉发展和应用的关键问题，解决这个问题，可以提高气动肌肉的最大收缩率，使其具有更灵活的刚度特性，促进气动肌肉在柔顺驱动领域的应用，从而促进康复医疗、高精密制造业、仿生机器人等领域的发展。

形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy，简称SMA)作为一种新型的功能材料，其主要利用形状记忆效应，通过温度变化来发生形状变化产生收缩力，对连接件进行驱动，是智能材料中应用很广的一种驱动元件。利用形状记忆合金制作的弹簧具有收缩量大特点，可根据丝径和弹簧直径的大小得到输出力范围较广的弹簧。因此形状记忆合金弹簧可以作为一种较好智能材料驱动器。

考虑到气动肌肉和形状记忆合金弹簧两种驱动器都是靠自身的收缩产生驱动力，具有相似的工作特性，因此将两者结合起来开发一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，能够很好的改善传统气动肌肉的收缩率和刚度特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金弹簧的智能气动肌肉，可以在保持气动肌肉内部压强一定的条件下，对气动肌肉的驱动特性做进一步调节，增加其收缩量，改变其刚度特性，从而使传统气动肌肉的驱动特性得到进一步改善，扩大其应用领域。

本发明所采用的技术方案：

在弹性橡胶管向内依次置有波纹管、支撑架、连接细弹簧九根、形状记忆合金弹簧；弹性橡胶管向外安装有起束缚作用的编织网；弹性橡胶管的一端向外依次装有前端密封用内堵头、前端密封及连接用外堵头、前端紧固用外卡箍；弹性橡胶管的另一端向外依次装有后端密封用内堵头、后端密封及连接用外堵头、后端紧固用外卡箍。前端外堵头上开有两个进气口，后端外堵头上开有两个排气口，支撑架上开有导线通口，使得形状记忆合金弹簧前端导线引入到后端，随波纹管内部排气口引出，方便对形状记忆合金弹簧加热处理，导线外部有绝缘层，防止短路现象发生。气动肌肉内部波纹管表面涂有隔热胶，一方面防止形状记忆合金弹簧加热时对波纹管以外部分气体和弹性橡胶管产生影响，另一方面波纹管可把气动肌肉内部空间分为两部分，对各部分分别进行充气工作，而且互不干涉；支撑架主要起支撑波纹管的作用，防止波纹管由于外部气压的作用产生径向变形，支撑架由九根细弹簧与两端堵头相连接，细弹簧除了有固定支撑架的作用外，可以使支撑架随着波纹管的轴向运动而运动。

气动肌肉开始工作时，气源通过导管连接到进气口的气动接头上，气体通入波纹管和橡胶管之间的封闭空间，使橡胶管径向膨胀，并且侧壁紧贴编织网，轴向收缩，产生收缩力，因编织网具有极低的延展性，所以轴向主要靠编织网产生收缩力；在气动肌肉内部达到设定压强后，对形状记忆合金弹簧通电加热，使其发生奥氏体相变，产生收缩变形，带动气动肌肉进一步收缩。在气动肌肉需要减小收缩量时，对形状记忆合金弹簧断电处理，并由另一路进气口向波纹管内部通入流通气体，使形状记忆合金弹簧快速降温，回复通电前状态，之后在调节波纹管与橡胶管间的气体压强，完成工作要求。