[发明专利]基于编织管的双向线性快响应螺旋卷绕式气动人工肌肉

说明书

本发明涉及软体机器人的线性驱动技术领域，具体涉及基于编织管的双向线性快响应螺旋卷绕式气动人工肌肉。本发明利用螺旋状编织管的力学性能随内部膨胀而改变的特性来实现力与位移的输出。由于施加负载方向会影响编织管膨胀的方向，因此当负载方向不同时，输出力与位移的方向也不同，从而实现双向驱动。相比于其他气动人工肌肉，本发明中的气动人工肌肉气腔容积更小，充放气速度更快，该气动人工肌肉在保持以往气动人工肌肉高质量比与功率比的同时，降低了驱动气压，提升了收缩率，并具有快响应速度。

技术领域

本发明涉及软体机器人的线性驱动技术领域，具体涉及基于编织管的双向线性快响应螺旋卷绕式气动人工肌肉。

背景技术

随着近几年智能材料的快速发展，基于智能材料的柔性驱动器已成为当前研究热点。人工肌肉作为一种典型的柔性驱动器，其可以在外界激励条件下(电、光、热、磁、湿度以及电化学等)产生可逆的收缩、旋转、弯曲以及它们的组合运动，并输出类似于生物肌肉的动力，另外人工肌肉能够承受大负载和大变形。与传统的刚性驱动器相比，人工肌肉具有无限多自由度、输出能量密度高、柔顺性好、良好的生物相容性等优点，在医疗、工业、救援等领域具有重要应用前景。

目前人工肌肉驱动器的制作材料主要包括形状记忆合金(SMA),介电弹性体(DEA)，离子聚合物-金属复合材料(IPMC)，碳纳米管和石墨烯纤维以及半结晶聚合物材料等。其驱动方式包括热驱动、电驱动、光驱动、流体驱动等，其中流体驱动(主要为气动)利用材料在充气时的不均匀变形来实现驱动。例如，通过结构设计使得气腔具有膨胀各向异性，进而充气可产生轴向收缩，然而这种驱动方式产生的收缩量不大，响应速度慢；另外还可以通过设计折纸结构等方式实现气体驱动，但其同样存在响应速度慢、只能单向驱动等不足。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种基于编织管的双向线性快响应螺旋卷绕式气动人工肌肉。该人工肌肉不仅具有传统气动人工肌肉的大负载、高输出能量密度特性，而且具有收缩率大、可双向驱动和高频响应等优异性能。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于编织管的双向线性快响应螺旋卷绕式气动人工肌肉，包括：热定型编织管，管状弹性气腔，所述热定型编织管覆盖在管状弹性气腔表面。

其中：

所述管状弹性气腔在内部充气后发生径向膨胀，为所述热定型编织管提供径向力。

所述热定型编织管具有膨胀各向异性，受膨胀时其直径变大、长度变小。

所述气动人工肌肉由编织管覆盖在管状弹性气腔表面，然后将管状弹性气腔卷绕在芯轴上并加热定型形成热定型编织管，去掉芯轴得到螺旋卷绕型气动人工肌肉。

所述热定型编织管的螺旋角随管状弹性腔体的气压增大而增大。螺旋角为热定型后的编织线相互形成的锐角。

所述气动人工肌肉的刚度和弹性系数随输入气压增大而增大，因此气动人工肌肉在发生伸缩形变后，会产生趋向于恢复原长的回复力。具体而言，所述气动人工肌肉处于拉伸状态时，其螺旋角随气压增大而增大，进而气动人工肌肉收缩；当气动人工肌肉处于压缩状态时，其螺旋角随气压增大而减小，从而气动人工肌肉伸长。

所述气动人工肌肉既可伸长，也可以收缩，因此能够输出双向力与位移。其伸长与收缩的最大形变量决定于气动人工肌肉螺旋结构的螺距。螺距减小则最大收缩量增大，最大伸长量减少；螺距增大则最大收缩量减小，最大伸长量增大。

所述气动人工肌肉螺旋结构的直径与热定型编织管的直径之比为气动人工肌肉的弹簧指数。

优选地，所述气动人工肌肉的弹簧指数为5。

优选地，所述管状弹性气腔采用2.8mm外径与0.9mm壁厚，其材料采用PS6600系列5号硅胶。