一種單開口編織網型軟接頭人工肌肉的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種單開口編織網型軟接頭人工肌肉，包括封閉端固定線、編織網、內層膠管、導液端壓緊線、外部承壓緊密線、封閉端壓緊線、外層膠管、導液端固定線。工作時，在液壓或氣壓的作用下，彈性膠管與高強度編織網發生變形，使單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、固定線、導液端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。
【專利說明】
一種單開口編織網型軟接頭人工肌肉
技術領域
[0001]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，特別是一種全軟的人工肌肉。
【背景技術】
[0002]在醫療康復器械以及機器人關節驅動中，流體驅動的人工肌肉是一種新型的驅動器，可以分為有硬連接人工肌肉和軟連接人工肌肉。硬連接人工肌肉主要是指金屬接頭人工肌肉，該種人工肌肉發展較為成熟，金屬接頭安裝方式不同，主要分為高壓扣件式與螺紋壓緊式。金屬接頭人工肌肉已經在機器人、康復醫療器械等領域中應用，具有結構簡單，動作平滑，輸出力/重量比大等優點。軟接頭人工肌肉不但具有結構簡單，有利于實現小型化和輕型化的優勢，相比同規格的金屬接頭人工肌肉重量減輕了近40%。
[0003]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。人工肌肉受自身的金屬接頭限制，從驅動單元開始就不能實現全軟結構。
【發明內容】
[0004]技術問題:本發明提供一種連接更加柔順、不易損壞，可實現肌肉與驅動對象柔性連接的軟接頭人工肌肉。
[0005]技術方案:本發明的單開口編織網型軟接頭人工肌肉包括一端封閉的單開口內層膠管、沿軸向設置在所述內層膠管外側的編織網、位于內層膠管封閉一端并與編織網一體的封閉端固定線、位于內層膠管導液一端并與編織網一體的導液端固定線，所述的編織網包裹內層膠管位于封閉一端和導液一端之間的部分，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，組成導液管，內層膠管上臨近封閉端固定線一端的外部纏繞有密封端壓緊線，內層膠管上臨近導液端固定線一端的外側纏繞有導液端壓緊線。
[0006]進一步的，本發明中所述編織網為硬質材料制成。
[0007]進一步的，本發明中所述編織網為軟質材料制成，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。
[0008]進一步的，本發明中所述外層膠管與內層膠管為整體制作而成，編織網嵌入到其中。
[0009]進一步的，本發明中所述內層膠管的管壁厚度小于其封閉端的軸向厚度。
[0010]進一步，本發明中所述封閉端固定線、導液端固定線和編織網由一根纖維編織為一體。
[0011]進一步，本發明中所述封閉端固定線和導液端固定線均是由纖維折返形成的U形線。
[0012]進一步，本發明中所述封閉端固定線中的徑向相對的兩個U形線在端部相互結扣，連為一體，即在徑向兩兩相對位置，一根U形線繞另一根U形線旋轉一周，然后同時拉緊兩根U形線形成一個節扣。
[0013]本發明中，一端封閉的單開口內層膠管、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于編織網的兩端對齊。所述封閉端固定線和導液端固定線以及編織網是有一根纖維或者多根纖維編織而成，封閉端固定線和導液端固定線分別從外層膠管端部起始，位于內層膠管封閉一端并與編織網一體的封閉端固定線是由編織網的纖維折返形成的U形線。位于內層膠管導液一端并與編織網一體的導液端固定線同樣是由編織網的纖維折返形成的U形線。所述編織網從內層膠管封閉一端起始，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，位于內層膠管封閉一端并纏繞在外層膠管外側的密封端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，位于內層膠管導液一端并纏繞在外層膠管外側的導液端壓緊線同樣是從外層膠管端部起往外層膠管中部方向緊密纏繞。
[0014]本發明的單開口編織網型軟接頭人工肌肉是將傳統的螺紋壓緊或者扣壓壓緊的外加金屬接頭，設計成由編織網纖維以及壓緊線組成的一體式軟接頭結構，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。
[0015]本發明工作時，封閉端固定線與導液端固定線用于連接驅動對象，外部承壓緊密線壓緊導液管，與外部壓力源相連接。當軟接頭人工肌肉通入一定壓力的氣體或者液體后，在壓力作用下，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液體或者氣體封閉在內部。中間層的編織網、兩端的固定線、導液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，由于單開口內層膠管的封閉端厚度比管壁厚度要厚，并且封閉端固定線形成的U形線，在徑向兩兩相對位置，一根U形線繞另一根U形線旋轉一周，然后同時拉緊兩根U形線形成一個節扣，因此封閉端端部不會沿徑向伸出膨脹。
[0016]具體原理與作用是:導液端壓緊線與封閉端壓緊線作為膠管與編織網的固定端，封閉端固定線與導液端固定線以及編織網是由一整體，當通入一定壓力的液體或者氣體時，編織網膨脹，產生拉力，傳遞到封閉端固定線與導液端固定線上來，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。內層膠管一端自然封堵，這樣只需將封堵端用封閉端壓緊線纏繞，阻止端頭膨脹即可，內層膠管的另一端伸出，并在伸出部分的外層緊密纏繞高強度線，用于承載導液管或導氣管內部的壓力，該部分最終連接到壓力源上。外層膠管用于支撐并保護編織網，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，能夠與人體更好的契合。
[0017]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0018]1、相對于傳統McKibben人工肌肉，接頭部分采用高壓扣件扣壓或者螺紋壓緊方式，采用的是剛性金屬構件與驅動對象相連接，金屬接頭占據了人工肌肉的接近一半的重量，而且應用到穿戴設備中時，金屬接頭人工肌肉容易與人體發生磕碰，另外攜帶該種設備過安檢時容易導致誤判，同樣在有高磁場的場合，金屬接頭人工肌肉的性能就會受到影響。為了實現人工肌肉的柔順性以及對于人工肌肉在可穿戴式醫療設備中應用，非常有必要采用非剛性連接件。因此，在本發明中，兩端固定線、兩端壓緊線與編織網構成的軟連接部分就達到了非剛性要求，連接更加柔順，可實現肌肉與驅動對象的柔性連接。
[0019]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，力通過接頭作用在編織網和膠管上，而本發明中，將編織網兩端引出，直接用來承載外部力。
[0020]3、傳統McKibben人工肌肉接頭部位在未收縮狀態時，與膠管相比突起大，本發明中，軟連接部分很好的改善掉了這個缺點。
[0021 ] 4、傳統McKibben人工肌肉是一個單獨的肌肉單元，需要額外配備導液，這是由于人工肌肉金屬接頭的原因，由于采用優點I中的軟連接部分，可將人工肌肉與導液管做成一個整體，即在內膠管伸出部分緊密纏繞高強度線組成承壓管，改變了內層膠管的徑向剛度，作為導液管，將人工肌肉與導液管構成一個整體。
[0022]5、傳統McKibben人工肌肉編織網部分是一個單獨構件或者是內嵌在膠管中，但最終都要通過接頭壓緊，柔軟的膠管在于剛性的接頭壓緊時，易產生損壞，本發明中編織網與兩端固定線是由一根纖維或者多根纖維編織而成，并嵌入到膠管中，這樣將膠管、編織網、固定部分組成一個整體，不會產生損壞。
[0023]6、傳統McKibben人工肌肉采用兩個金屬接頭，即用來作為連接構件又作為密封裝置，本結構采用一端自然封堵的膠管替代以往采用兩端開口的膠管，可省掉一端的密封裝置。
[0024]7、傳統McKibben人工肌肉主要應用在工業設備或者機器人中，材料多采用的是工業級，為了更好的應用于醫療器械設備中，本發明采用的是食品級，無毒無味，通過FDA食品級認證的材料。
【附圖說明】
[0025]圖1a是單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1c是拉伸狀態示意圖。
[0026]圖中有:1.封閉端固定線、2.編織網、3.內層膠管、4.導液端壓緊線、5.外部承壓緊密線、6.封閉端壓緊線、7.外層膠管、8.導液端固定線。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例，對本發明進行進一步的描述。
[0028]如圖1所示，一種單開口編織網型軟接頭人工肌肉，包括封閉端固定線1、編織網2、內層膠管3、導液端壓緊線4、外部承壓緊密線5、封閉端壓緊線6、外層膠管7、導液端固定線8;所述的內層膠管3是一端封閉的單開口膠管;所述的編織網2夾在內層膠管3與外層膠管7之間，編織網2是由一整根線編織而成，編織網2兩端比肌肉本體長，長出的部分作為封閉端固定線I與導液端固定線8，前后兩端留出余量作為封閉端固定線I和導液端固定線8;與以往人工肌肉采用的高壓扣壓或者螺紋壓緊的接頭相比，本結構中間層的編織網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。所述的內層膠管3開口端有一定的伸出量，這部分外側用外部承壓緊密線5緊密纏繞，組成承壓管。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，外部承壓緊密線部分不能夠膨脹。這樣，當通入一定壓力的液體或者氣體時，承壓管不會發生變形，可作為導液管或導氣管，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1c是拉伸狀態示意圖。
[0029]本發明的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，封閉端固定線1、編織網2、導液端壓緊線4、外部承壓緊密線5、封閉端壓緊線6、導液端固定線8使用的都是高強度線。與以往人工肌肉采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。
[0030]本發明人工肌肉工作時，封閉端固定線與導液端固定線用于連接驅動對象，外部承壓緊密線壓緊導液管，與外部壓力源相連接。當軟接頭人工肌肉通入一定壓力的氣體或者液體后，在壓力作用下，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液體或者氣體封閉在內部。中間層的編織網、兩端的固定線、導液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。由于單開口內層膠管的封閉端厚度比管壁厚度要厚，并且封閉端固定線形成的U形線，在徑向兩兩相對位置，一根U形線繞另一根U形線旋轉一周，然后同時拉緊兩根U形線形成一個節扣，因此封閉端端部不會沿徑向伸出膨脹。
[0031]上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于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后的技術方案，均落入本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于，該人工肌肉包括一端封閉的單開口內層膠管(3)、沿軸向設置在所述內層膠管(3)外側的編織網(2)、位于內層膠管(3)封閉一端并與編織網(2)—體的封閉端固定線(1)、位于內層膠管(3)導液一端并與編織網(2)一體的導液端固定線(8)，所述的編織網(2)包裹內層膠管(3)位于封閉一端和導液一端之間的部分，內層膠管(3)沒有被編織網(2)包裹的部分，則用外部承壓緊密線(5)緊密纏繞，組成導液管，內層膠管(3)上臨近封閉端固定線(I)一端的外部纏繞有密封端壓緊線(6)，內層膠管(3)上臨近導液端固定線(8)—端的外側纏繞有導液端壓緊線(4)。2.根據權利要求1所述的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于:所述編織網(2)為硬質材料制成。3.根據權利要求1所述的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于:所述編織網(2)為軟質材料制成，內層膠管(3)外側設置有外層膠管(7)，編織網(2)布設在內層膠管(3)與外層膠管(7)之間。4.根據權利要求3所述的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于:所述外層膠管(7)與內層膠管(3)為整體制作而成，編織網(2)嵌入到其中。5.根據權利要求1、2、3或4所述的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于:所述內層膠管(3)的管壁厚度小于其封閉端的軸向厚度。6.根據權利要求1、2、3或4所述的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于:所述封閉端固定線(I)、導液端固定線(8)和編織網(2)由一根纖維編織為一體。7.根據權利要求1、2、3或4所述的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于:所述封閉端固定線(I)和導液端固定線(8)均是由纖維折返形成的U形線。8.根據權利要求7所述的單開口編織網型軟接頭人工肌肉，其特征在于:所述封閉端固定線(I)中的徑向相對的兩個U形線在端部相互結扣，連為一體。
【文檔編號】A61F2/08GK106037991SQ201610331436
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】王興松, 鞏永強
【申請人】東南大學