[发明专利]改进的人工管状肌肉及其应用

说明书

本发明涉及人工肌肉，尤其是一种管状人工肌肉的改进及应用。

目前处于研制阶段的人工肌肉，一般是利用凝胶体的电化学特性，  尚未达到实用阶段。97年5月申请的“一种人工管状肌肉及其应用”(专利申请号：97110134.5)发明了一种实用的人工肌肉：“一种人工管状肌肉是由高分子弹性材料和纤维制成的管状结构，纤维均匀分布在管壁中，管状结构一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接，管状肌肉在泵的驱动下沿管轴轴向伸缩，而不产生横向扩张，其不仅具有肌肉的柔韧性和收缩功能，而且具备独特的强力伸张功能。”

本发明的目的就是改进这种人工管状肌肉并拓展其应用范围。

本发明，改进的人工管状肌肉，也是由橡胶或其他高分子弹性材料和高强度纤维(包括纤维绞合成的纤维索)制成的管状结构。原发明的管状肌肉“纤维相对于管轴横向地均匀分布在管壁中”，本发明的管状肌肉，纤维不仅可以分布在管壁中，也可用纤维，纤维绞成的索或金属丝紧密地平绕在胶管外部。在胶管受到内部压力伸张时，被紧密的缠绕物所束缚不能横向扩张，  只能纵向伸长，紧匝在胶管上的缠绕物也随之伸张。将纤维索或金属丝紧密地缠绕在胶管外部，可以避免在高压下管壁内部的纤维与胶体剥离。

原发明中提出的管状肌肉“一端封闭，另一端通过接口、软管、控制阀与泵连接”，如果几段管状肌肉串接起来就要利用“连接器”，结构较复杂。本发明将一根管状人工肌肉分隔成几段，每段形成一个独立的腔体，每个腔体都有一根能够承受足够压力的软管，软管分布于胶管内，穿过各个腔体与外面各自的控制阀连接，这些软管呈螺旋形弯曲，使其能够随着管状肌肉伸缩。这样就形成了一体化的，各段都能独立伸缩的多节管状人工肌肉，工艺性和密封性都得以改进，可以很方便地组合成柔性臂和柔性机械手。

几根平行的胶管可以编织在一个高强度纤维织成的网络中，纤维的走向与管子的轴向接近垂直，这样的网络只能沿轴向伸缩，而不能横向扩张，起到了束缚胶管的作用。这些平行胶管通过接口、软管和控制阀与泵连接，同样可构成柔性臂。

直径小于1毫米的管状人工肌肉可以不用接口，直接与输气或输液软管相连，软管可以采用空心纤维，空心纤维插入细胶管的腔体，并与胶管密封连接。这种细的管状人工肌肉直径可以达到0.3毫米以下，适合模拟肌纤维的形态和功能，称为人工肌纤维。人工肌纤维的两端可以植入人工骨骼的内部。人工骨骼内有多个独立的空腔，各空腔分别与控制阀相连。许多根并联的人工肌纤维形成肌纤维束，其端部都植入人工骨骼内，空心纤维与骨骼空腔密封连接，象肌腱连接于骨骼一样。骨骼内各自独立的腔体分别连接几束不同的人工肌纤维，按动物或人的肌肉与骨骼的连接方式，将人工肌纤维与人工骨骼连接组合起来，就可制造仿生肢体或仿生动物和人。

三根或三根以上的人工管状肌肉并联在一起，中间夹一根高强度纤维编织成的索，中心纤维索与每一根管状肌肉都用高度纤维缠绕在一起，并用弹性胶体粘结或注塑成一个整体。纤维索是不能伸长的，因此并联成的柔性臂只能弯曲，不能伸长，但由于中心纤维索的存在，使柔性臂能够产生极大的力矩，抗拉极限强度也大大提高，而且在保持同一种姿态时，柔性臂可软可硬，只要按比例适当调节管状肌肉内的压力即可，这样使柔性机械臂和机械手的实用性大为提高。

用于太空作业的柔性机械臂和机械手，可在其表面包裹一层弹性隔热层，隔热层内设置热循环管道(可用气体或液体循环)，保证人工肌肉在合适的温度下工作。太空的真空环境不存在热传导和热对流，与外界热交换的唯一途径是热幅射，为此可在隔热层的表面涂复反射性涂层，降低幅射造成的热量损失，又可防止太阳强烈照射造成的过度温升和幅射对人工肌肉的损害(老化)。也可以在隔热层表面敷设一层反射性鳞甲，取代反射性涂层的作用，同时又防护人工肌肉免受宙宇尘埃的撞击。

太空柔性机械臂和机械手可以辅助飞船对接，施放和收取卫星，太空工程施工：如太空站的建造、拼装等。

用太空柔性机械臂和机械手可制造多臂的太空柔性机器人——太空章鱼。太空章鱼由头部和触手所组成，头壳是用高强度轻质合金制造的高压容器，由太空柔性机械臂和机械手制成的触手，直接与头部相连，管状肌肉的腔体通过控制阀与高压容器相通，电脑、遥控、遥信设备及温度控制系统装于高压容器的外壳上。高压容器上还装有由电脑控制的喷咀，喷咀产生的推力可使太空章鱼作机动飞行，高压容器充满高压气体，作为人工肌肉的驱动源和喷咀的气源。为增加动力的持久性，高压容器可分隔出一定的空间，其中装满高压液化气，以补充消耗的高压气体。