一種雙開口編織網型軟接頭人工肌肉的製作方法

2023-09-22 08:16:20

本發明涉及機器人、康復醫療器械、特種作業機械手以及自動化生產線等領域應用的驅動人工肌肉，特別是一種兩端開口軟接頭的人工肌肉。

背景技術：

人工肌肉具有輸出力與質量比大在醫療康復器械以及機器人關節驅動中，人工肌肉得到廣泛應用。人工肌肉內部充入一定壓力的氣體後，軸向收縮，徑向膨脹，產生收縮力。傳統人工肌肉包括三部分，兩端的接頭，內部橡膠管和外邊的編織網。人工肌肉接頭部分的連接主要依靠接頭與編織網以及橡膠管的摩擦力。現有人工肌肉多數為單開口，即只有一個接頭是作為通氣的部分，另一個接頭主要用來密封和連接外部負載。因此，人工肌肉內部就有一部分氣體不流通，當人工肌肉長時間做往復運動時，該部分氣體的溫度會逐漸升高，這嚴重影響了人工肌肉的使用壽命。本發明中，兩端都開口，通過控制兩端的壓力差來實現控制人工肌肉的內部壓強，這樣不僅可以精確的控制壓強還可以實現內部氣體的流通，防止溫度過高影響肌肉的壽命。

隨著可穿戴式醫療器械的發展，軟體醫療器械已成為一個熱門。人工肌肉是醫療器械上的驅動單元。雙開口軟接頭人工肌肉不僅實現全軟結構，還能夠實現內部流體循環使用。

技術實現要素：

技術問題：本發明提供一種兩端都是開口，連接更加柔順、不易損壞，可實現肌肉與驅動對象柔性連接的雙開口軟接頭人工肌肉。

技術方案：本發明的雙開口編織網型軟接頭人工肌肉，包括內層膠管、沿軸向設置在所述內層膠管外側的編織網、位於編織網兩端並與之一體的端部固定線、在兩端橫向約束編織網的密封端壓緊線，所述的編織網包裹內層膠管中部，內層膠管兩端沒有被編織網包裹的部分，則用外部承壓緊密線緊密纏繞，組成承壓導液管，密封端壓緊線鄰近端部固定線設置，纏繞在編織網外側，將其約束在內層矽膠管上。

進一步的，本發明中所述編織網為硬質材料製成。

進一步的，本發明中所述編織網為軟質材料製成，內層膠管外側設置有外層膠管，編織網布設在內層膠管與外層膠管之間。

進一步的，本發明中所述外層膠管與內層膠管為整體製作而成，編織網嵌入到其中。

進一步的，本發明中所述編織網與兩端的端部固定線由一根纖維編織為一體。

進一步的，本發明中所述端部固定線均是由纖維折返形成的U形線。

本發明中，兩端開口內層膠管、部分包裹所述內層膠管外側的編織網。設置所述編織網部的外層膠管的兩端分別於編織網的兩端對齊。所述兩端固定線和編織網是有一根纖維或者多根纖維編織而成，兩端固定線分別從外層膠管端部起始，位於內層膠管兩端並與編織網一體的固定線是由編織網的纖維折返形成的U形線。所述編織網位於內層矽膠管的兩端之間，包裹在內層膠管外側，內層膠管沒有被編織網包裹的部分，則用外部承壓緊密線緊密纏繞，位於內層膠管兩端並纏繞在外層膠管外側的壓緊線是從外層膠管端部起往外層膠管中部方向緊密纏繞。工作時，充入液壓或氣壓的，控制兩端的壓強，使中間部分產生壓強差，彈性膠管與高強度編織網隨之發生變形，使雙開口編織網型軟接頭人工肌肉的直徑增大，長度縮短，進而對兩端固定線連接的驅動對象產生拉力作用。編織網能徑向膨脹，外部承壓緊密線部分不能夠膨脹。中間層的編織網、端部固定線、端部壓緊線以及外部承壓緊密線是一個整體。兩端的固定線、兩端壓緊線以及編織網構成軟接頭，與外部驅動對象相連接。

本發明的雙開口編織網型軟接頭人工肌肉是將傳統的單開口人工肌肉改變為採用軟接頭的雙開口人工肌肉，設計成由編織網纖維以及壓緊線組成的具有兩個開口結構，該結構只包含編織網纖維和膠管，不需要添加其他材料，可以得到了真正的軟體驅動單元，並且不會產生溫度驟升現象。

本發明工作時，兩端固定線用於連接驅動對象，外部承壓緊密線纏繞壓緊內層膠管兩端，構成承壓導液管，內層膠管的兩個開口分別連接有壓力控制閥，精確控制肌肉內部的壓力差，使肌肉內部達到一定的壓力。當肌肉內部達到一壓力時，彈性膠管與高強度編織網發生變形，使軟接頭人工肌肉的直徑增大，長度方向縮短，進而對兩端的固定線連接的驅動對象產生拉力作用。編織網夾在內層膠管與外層膠管之間，與內層膠管以及外層膠管同步變形。內層膠管把一定壓力的氣體封閉在內部。中間層的編織網、兩端的固定線、兩端壓緊線以及外部承壓緊密線是一個整體。兩端的固定線與編織網構成軟接頭，與外部驅動對象相連接。編織網與外部承壓緊密線構成徑向剛度不同的兩部分，編織網能徑向膨脹，外部承壓緊密線部分不能夠膨脹，兩端固定線形成的U形線。

具體原理與作用是：兩端壓緊線作為膠管與編織網的固定端，兩端固定線以及編織網是一整體，承壓管的末端連接有壓力控制閥，當肌肉內部通入一定壓力的液體話或氣體時，通過調整壓力閥時肌肉內部保持一定的壓力，在內部壓力作用下，編織網膨脹，產生拉力，傳遞到兩端固定線上來，對驅動對象產生拉力。因此，兩端固定線、兩端壓緊線以及編織網構成了軟接頭，替代了傳統的金屬接頭。內層膠管的兩端伸出，並在伸出部分的外層緊密纏繞高強度線，用於承載承壓導液管或導氣管內部的壓力，該部分最終連接到壓力控制閥上。外層膠管用於支撐並保護編織網，防止其脫落。軟接頭人工肌肉避免了運動過程中與人體的磕碰，因此，雙開口編織網型人工肌肉能夠更好的實現壓力的控制，而且實現了肌肉內部氣體的流通，並且能夠與人體更好的契合。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、相對於傳統McKibben人工肌肉，雙開口編織網型軟接頭人工肌肉具有兩個開口，傳統的人工肌肉只有一個口，這樣人工肌肉內部就會有以部分氣體不流動，當人工肌肉長時間工作時，該部分的溫度會逐漸升高，嚴重影響了人工肌肉的使用壽命，因此，本發明中的雙開口編織網型人工肌肉具有兩個口，實現了肌肉內部氣體的完全流通，溫度上升的速度明顯減慢，有利於提高肌肉的使用壽命。

2、傳統McKibben人工肌肉接頭部位是靠高壓扣件扣壓或者螺紋壓緊方式，力通過接頭與編織網以及膠管之間的摩擦力來傳遞，而本發明中，將編織網兩端直接引出，形成U形連接線，用來承載外部力。

3、傳統McKibben人工肌肉由於接頭的限制，至少要包含三種材料，即接頭部分的材料、編織網纖維、膠管，而雙開口編織網型人工肌肉只包含纖維和膠管這兩種材料。

4、傳統McKibben人工肌肉承壓管道採用的是外部高壓管，而本發明中，採用的是將膠管外層緊密纏繞纖維，改變了該部分的剛度，可以實現由軟膠管與纖維線組成的高壓管道，並且該部分與肌肉是一個整體，減少了連接部件。

5、傳統McKibben人工肌肉接頭部分主要是硬質材料，當在穿戴式醫療設備中，會與人體發生磕碰或造成不適，本發明中，雙開口編織網型軟接頭人工肌肉採用纖維線組成的軟接頭，能夠與人體更加契合，不會產生磕碰現象。

6、傳統McKibben人工肌肉主要應用在工業設備或者機器人中，材料多採用的是工業級，為了更好的應用於醫療器械設備中，本發明採用的是食品級，無毒無味，通過FDA食品級認證的材料。

附圖說明

圖1a是雙開口編織網型軟接頭人工肌肉結構的收縮狀態示意圖，圖1b是自然狀態示意圖。

圖中有：1.外部承壓緊密線、2.端部固定線、3.外層膠管、4.編織網、5.內層膠管、6.端部壓緊線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明進行進一步的描述。

如圖1所示，一種雙開口編織網型軟接頭人工肌肉，包括內層膠管5、沿軸向設置在所述內層膠管5外側的編織網4、位於內層膠管5兩端並與編織網4一體的端部固定線2，所述的編織網4包裹內層膠管5位於兩端之間的部分，內層膠管5沒有被編織網4包裹的部分，則用外部承壓緊密線1緊密纏繞，組成承壓導液管，內層膠管5上臨近端固定線2的外部纏繞有密封端壓緊線6。所述編織網4為硬質材料製成。所述編織網4為軟質材料製成，內層膠管5外側設置有外層膠管3，編織網4布設在內層膠管5與外層膠管3之間。所述外層膠管3與內層膠管5為整體製作而成，編織網2嵌入到其中。所述兩端固定線2和編織網4由一根纖維編織為一體。所述兩端的端部固定線2均是由纖維折返形成的U形線。

編織網與外部承壓緊密線構成的承壓管的徑向剛度不同，編織網能徑向膨脹，兩端外部承壓緊密線部分不能夠膨脹。這樣，控制兩端的壓強控制閥，使肌肉內部保持一定的壓強時，，承壓管不會發生變形，可作為承壓導液管或導氣管，輸送液體或者氣體進入到肌肉的編織網部分，在內部壓力的作用下，肌肉徑向發生膨脹，軸向縮短。圖1a是雙開口編織網型軟接頭人工肌肉結構的收縮狀態示意圖，圖1b是自然狀態示意圖。

本發明的雙開口編織網型軟接頭人工肌肉，兩端固定線2、編織網4、兩端壓緊線6、外部承壓緊密線1使用的都是高強度線。與以往人工肌肉採用的高壓扣壓或者螺紋壓緊的接頭相比，本發明中間層的編織網2和封閉端固定線1、導液端固定線8以及導液端壓緊線4、封閉端壓緊線6構成軟接頭，實現全軟接頭。傳統單開口人工肌肉內部有一部分氣體不流通，導致內部溫度上升速度很快，本發明中，採用的是雙開口結構，內部氣體完全流通起來，大大降低了溫度上升的速度。

本發明工作時，兩端壓緊線作為膠管與編織網的固定端，兩端固定線以及編織網是一整體，承壓管的末端連接有壓力控制閥，當肌肉內部通入一定壓力的液體話或氣體時，通過調整壓力閥時肌肉內部保持一定的壓力，在內部壓力作用下，編織網膨脹，產生拉力，傳遞到兩端固定線上來，對驅動對象產生拉力。因此，兩端固定線、兩端壓緊線以及編織網構成了軟接頭，替代了傳統的金屬接頭。內層膠管的兩端伸出，並在伸出部分的外層緊密纏繞高強度線，用於承載承壓導液管或導氣管內部的壓力，該部分最終連接到壓力控制閥上。外層膠管用於支撐並保護編織網，防止其脫落。軟接頭人工肌肉避免了運動過程中與人體的磕碰，因此，雙開口編織網型人工肌肉能夠更好的實現壓力的控制，而且實現了肌肉內部氣體的流通，並且能夠與人體更好的契合。

上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換後的技術方案，均落入本發明的保護範圍。