[发明专利]一种负压驱动的气动人工肌肉

说明书

本发明公开了一种负压驱动的气动人工肌肉，包括负压驱动弹性体、气管等。负压驱动的气动人工肌肉采用对称结构，气室单元采用六面体结构形式，通过每个气室单元横向和纵向壁厚差异化的设计，在外界负压作用时形成单向线性位移和弹性作用力；当外界负压作用消失时，亦可形成恢复到自然状态的弹性回复力和线性位移，通过对输入负压的控制可以实现对负压驱动的气动人工肌肉线性位移量和弹性力的控制。所述负压驱动的气动人工肌肉可使用微型负压泵作为负压输入源，采用不同硬度的橡胶材料或者硅胶材料匹配不同负压输入可以实现不同行程的线性位移输出，且易实现精确控制；大于0.12MP的负压输入即可形成稳定的线性位移输出和力输出，易于实现装备的便携化。

技术领域

本发明属于气动人工肌肉以及柔性执行器技术领域，特别涉及一种负压驱动的气动人工肌肉。

背景技术

传统的液压驱动、电机驱动都存在如噪声、功率密度低等缺点。随着气动技术的不断发展，新型气动元件及应用不断涌现，气动人工肌肉(Pneumaticartificial muscle，PAM)就是典型的代表之一，如为McKibben型气动人工肌肉，日本Bridgestone公司推出的Rubbertuator驱动器，以及德国Festo公司发明了适合工业应用的气动肌腱Fluidicmuscle等。气动人工肌肉的结构虽然很多，但原理上基本类似。其核心是个可膨胀的薄壁囊，外部为限制变形的支撑材料，两端使用连接件固定，如最常见的内部橡胶筒套及外部纤维编织网结构。加压时产生收缩，收缩力的大小与元件的几何尺寸、制造材料和充气压力有关，且会随收缩率的增大而减小，在最大收缩率时，输出力为零。由于只能单向收缩，因此常成对使用，以产生双向的力或运动。

除具有气压传动技术所具有的低成本、清洁安全、安装简便等优点之外，高功率/质量比和高功率/体积比是气动肌肉相比较于传统驱动器最明显的优点，其次它具有柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，在工业自动化、移动机器人、医疗康复、远程控制等多个领域具有十分良好的应用前景。但是气动肌肉也存在着一些局限性，如与传统液压驱动、电机驱动元件相比其充气变形为强非线性环节，且具有时变性，精密建模难，难以实现精确控制。此外，气动人工肌肉通常需要较大的气压输入，比如通过气缸输入，难以实现便携化等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种负压驱动的气动人工肌肉，可形成稳定的线性位移输出和力输出，易于实现装备的便携化，在工业自动化、移动机器人、外骨骼机器人、医疗康复、远程控制等多个领域具有十分良好的应用前景。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种负压驱动的气动人工肌肉，包括：负压驱动弹性体、气管，其中：

所述气管用于向所述负压驱动的气动人工肌肉输入所需的负压；

所述负压驱动弹性体内部包括六棱柱或圆柱结构的气室，每个气室留有凹槽，形成负压驱动的气动人工肌肉的气流通道；所述负压驱动弹性体还包括与外界的通气孔，用于连接所述气管，实现对整个负压驱动的气动人工肌肉的负压输入或者大气压输入；

所述负压驱动弹性体在所述负压作用下沿X方向形成单向线性位移和弹性作用力，沿Y方向的尺寸基本保持不变。

优选地，所述气室为六棱柱结构，所述气室包括四个和气动人工肌肉收缩方向不平行的第一气室壁，以及两个和气动人工肌肉收缩方向平行的第二气室壁。

优选地，所述第二气室壁的厚度是所述第一气室壁厚度的三倍。

优选地，所述第一气室壁在所述气室为负压时能够受负压作用力变形，并沿X方向收缩，形成水平位移；所述第二气室壁在所述气室为负压时不变形，Y方向没有收缩位移。

优选地，所述第一气室壁在外界负压作用消失时，能够沿X轴反方向伸展，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成线性位移；所述第二气室壁在上述过程中不变形，Y方向没有收缩或者伸展位移。