阅读说明：本技术 一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构 (Bionic person-oriented artificial muscle bidirectional driving mechanism ) 是由 杜广龙 于 2019-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构,所述驱动机构分直线型和U型两种；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。工作时使用外部电机控制气体仓两边的气压,利用气体仓与外界环境的气压差,使得与驱动机构连接的气动肌肉运动；气动肌肉带动连接的部件,使得连接的部件得以运动；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。本发明直接控制外部电机使得仿生肌肉具有高速响应速度,可以精确控制驱动力。两种不同类型的驱动机构适用于仿生人的不同位置。本发明能够按照所需动力配备外部电机,灵活性高。(The invention provides a bionic person-oriented artificial muscle bidirectional driving mechanism which is linear and U-shaped; the driving mechanism comprises an external motor, a gas bin, a piston, a gear, a rack, a movable metal strip and a rubber strip. When the pneumatic muscle training device works, the external motor is used for controlling the air pressure at two sides of the air bin, and the air pressure difference between the air bin and the external environment is utilized to enable pneumatic muscles connected with the driving mechanism to move; the pneumatic muscle drives the connected components to move; when the air pressure in the air bin is reduced, the pneumatic muscle generates tension; when the air pressure in the gas cabin is close to the outside, the gas cabin is in a relaxed state; pneumatic muscles can produce thrust as air pressure increases. The invention directly controls the external motor to ensure that the bionic muscle has high-speed response speed and can accurately control the driving force. Two different types of drive mechanisms are suitable for different positions of a bionic person. The invention can be provided with an external motor according to the required power and has high flexibility.)

一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构。

背景技术

液压原理已用于开发无数需要推力或拉力的装置。这些通常基于刚性液压缸和活塞。近年来，推动和拉动装置的发展，旨在模仿肌肉组织的运作方式和质地。因此，现在有一类设备通常被称为“肌肉”。

人工肌肉例如华盛顿大学的“McKibben肌肉”，是基于气动原理。与气动肌肉密切相关的是那些基于液压的肌肉装置。明显的相似之处在于，运动是由于流体压力(空气压力或液体压力)导致的装置部件膨胀造成的。事实上，这些研究中的许多人造肌肉可能适用于气动或液压应用。同时，这些设备也受到一些缺点的共同或个别影响。又如Payuter(美国专利号US4784042)的气动肌肉，代表了需要连接到外部支撑装置(如空气压缩机、液压泵和储液罐)的装置。这些外部支撑装置通常是笨重的设备，不适合为仿生人提供驱动力。此外，这些装置只能向一个方向施力，同常只能施加拉力。

Horvath的液压装置(美国专利号US4958705)无需外部储液罐。Rodriguez的专利中的气动装置(美国专利号US5800561)，通过使用一小罐压缩空气消除了对压缩机的需求。使用量取决于罐的尺寸和压力限制。然而，这两种设备都不能为它们可能接触的任何软组织提供固有的缓冲。因此，需要一个能够施加足够的力来驱动一个合适的装置或假肢装置的自给自足的人造肌肉。也就是说，不需要连接到外部支撑装置(如空气压缩机和储液罐)上的人造肌肉。如果人造肌肉能够被引导到不止一个方向上施加力，这是可取的；也就是说，根据需要，人造肌肉施加的力可以是一个推力或一个拉力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出了一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，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1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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，合适气体仓使用的气体包括但不限于空气，氮气。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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，通过神经网络逼近。

进一步地，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。

进一步地，所述U型驱动机构的气体仓为U型管，驱动机构中的气体仓通过橡胶软管直接连接气动肌肉，外部电机通过齿轮与活塞直接相接；在松弛、不施加力的情况下，气体仓的活塞位于U型管中央，由外部电机直接驱动，活塞沿着圆周运动；U型驱动机构适合放置于仿生人的主干或者盆骨位置当中。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：

1.本发明直接控制外部电机使得仿生肌肉具有高速响应速度。

2.本发明直接控制外部电机使得可以精确控制动力。

3.两种不同类型的驱动机构适用于仿生人的不同位置。

4.本发明能够按照所需动力配备外部电机，灵活性很高。

附图说明

图1是本发明实施例中的直线型驱动机构结构示意图。

图2是本发明实施例中的U型驱动机构结构示意图。

图3是本发明实施例中直线型驱动机构工作示意图。

图4是本发明实施例中U型驱动机构工作示意图。

图5是本发明实施例中U型驱动机构的截面示意图。

图6是本发明实施例中直线型驱动机构的剖面图。

图7是本发明实施例中U型驱动机构的剖面图。

具体实施方式

以下接合实施例对本发明的具体实施作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

一种面向仿生人的人造肌肉双向驱动机构，所述驱动机构包括直线型和U型；驱动机构包括外部电机1、气体仓2、活塞3、齿轮4、齿条5、活动金属条7和橡胶条8；

如图1和图6所示，对于直线型驱动机构，活塞3在气体仓2内部，齿条5在气体仓2外部，活塞3与活动金属条7连接，活动金属条7与齿条5连接，活动金属条7的周围均以橡胶条8密封以保证气体仓2不漏气；外部电机1装有齿轮4，齿轮4与齿条5啮合，外部电机1通过齿轮4和齿条5传动；

如图2和图5所示，对于U型驱动机构，活塞3在气体仓2内部，齿轮4在气体仓2外部，活塞3与活动金属条7连接，活动金属条7与齿轮4接合，活动金属条7的周围均以橡胶条8密封以保证气体仓2不漏气，外部电机1直接驱动齿轮4。

进一步地，如图5、图6、图7所示，活动金属条7的横截面呈十字结构，两侧两边起气密作用，上下起连接作用，橡胶条8位于活动金属条7的上下及两侧；气体仓2的壁有横截面与活动金属条7横截面形状匹配的槽，用于容纳活动金属条7。

进一步地，如图3、图4所示，驱动机构工作时使用外部电机1带动活塞3运动控制气体仓2两边的气压，气体仓2通过橡胶软管直接连接气动肌肉6，利用气体仓2与外界环境的气压差，使得与气体仓2连接的气动肌肉6运动；气动肌肉6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2内气压减少时，气动肌肉6产生拉力；当气体仓2内气压与外界相近时，为松弛状态；当气压增大时，气动肌肉6可以产生推力。

进一步地，合适气体仓2使用的气体包括但不限于空气，氮气。

进一步地，在外部电机1驱动的时候，带动活塞3在气体仓2内运动，气体仓2一边被压缩，一边被扩大，由此同时提供拉力和推力，增强人造肌肉6的能力；

在产生推力的时候，假设气体仓2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2体积变化为ΔV，充气后的压强P_c为：

假设气体仓2内半径为r₀，产生推力时活塞3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2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2体积变化为ΔV，抽气后的压强P_d为：

假设气体仓2内半径为r₀，产生拉力时活塞3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。

进一步地，驱动机构精准控制驱动力；在平衡状态下，活塞3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。

进一步地，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，通过神经网络逼近。

进一步地，如图3所示，所述直线型驱动机构的气体仓2为直筒管，气体仓2通过橡胶软管直接连接气动肌肉6，外部电机1通过齿轮4、齿条5驱动活塞3；在松弛、不施加力的情况下，气体仓2的活塞3位于直管中央，由外部电机1驱动，活塞3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。

进一步地，所述U型驱动机构的气体仓2为U型管，驱动机构中的气体仓2通过橡胶软管直接连接气动肌肉6，外部电机1通过齿轮4与活塞3直接相接；在松弛、不施加力的情况下，气体仓2的活塞3位于U型管中央，由外部电机1直接驱动，活塞3沿着圆周运动；U型驱动机构适合放置于仿生人的主干或者盆骨位置当中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。