[发明专利]一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构

权利要求书

1.一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，其特征在于，所述驱动机构包括直线型和U型；驱动机构包括外部电机、气体仓、活塞、齿轮、齿条、活动金属条和橡胶条；

对于直线型驱动机构，活塞在气体仓内部，齿条在气体仓外部，活塞与活动金属条连接，活动金属条与齿条连接，活动金属条的周围均以橡胶条密封以保证气体仓不漏气；外部电机装有齿轮，齿轮与齿条啮合，外部电机通过齿轮和齿条传动；

对于U型驱动机构，活塞在气体仓内部，齿轮在气体仓外部，活塞与活动金属条连接，活动金属条与齿轮接合，活动金属条的周围均以橡胶条密封以保证气体仓不漏气，外部电机直接驱动齿轮；

工作时使用外部电机带动活塞运动控制气体仓两边的气压，气体仓通过橡胶软管直接连接气动肌肉，利用气体仓与外界环境的气压差，使得与气体仓连接的气动肌肉运动；气动肌肉带动连接的人造骨骼，使得连接的人造骨骼得以运动；当气体仓内气压减少时，气动肌肉产生拉力；当气体仓内气压与外界相近时，为松弛状态；当气压增大时，气动肌肉可以产生推力。

2.根据权利要求1所述的一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，其特征在于，活动金属条的横截面呈十字结构，两侧起气密作用，上下端起连接作用；橡胶条位于活动金属条的上下端的两侧；气体仓的壁有横截面与活动金属条横截面形状匹配的槽，用于容纳活动金属条。

3.根据权利要求1所述的一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，其特征在于，在外部电机驱动的时候，带动活塞在气体仓内运动，气体仓一边被压缩，一边被扩大，由此同时提供拉力和推力，增强人造肌肉的能力；

在产生推力的时候，假设气体仓内初始气压为P₀，体积为V₀，在时间Δt内向充气，完成充气后的气压仓体积变化为ΔV，充气后的压强P_c为：

假设气体仓内半径为r₀，产生推力时活塞受力F_c为：

F_c＝P_c·S；

其中代入公式可得：

在产生拉力的时候，假设气体仓内初始气压为P₀，体积为V₀，在时间Δt内向抽气，完成抽气后的气压仓体积变化为ΔV，抽气后的压强P_d为：

假设气体仓内半径为r₀，产生拉力时活塞受力F_d为：

F_d＝P_d·S；

其中代入公式可得：

初始气压即松弛状态下的内部气压、充气或抽气完成后的平衡状态下的内部气压与环境大气压强相等，即P₀＝P_c＝P_d＝P_a，其中P_a为环境大气压强。

4.根据权利要求1所述的一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，其特征在于，驱动机构精准控制驱动力；在平衡状态下，活塞位移的距离只取决于体积的变化，即位移距离d等于：

根据移动的距离精准控制提供的动力。

5.根据权利要求3所述的一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，其特征在于，在考虑摩擦力和装置形变带来的非线性变化的现实条件下，距离与力之间的非线性关系公式如下所示：

其中，r表示的是非线性变化带来的影响，r为无规律的非白噪声。

6.根据权利要求1所述的一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，其特征在于，所述直线型驱动机构的气体仓为直筒管，气体仓通过橡胶软管直接连接气动肌肉，外部电机通过齿轮、齿条驱动活塞；在松弛、不施加力的情况下，气体仓的活塞位于直筒 管中央，由外部电机驱动，活塞沿着直线运动；直线型驱动机构适合放置于仿生人的长关节当中。