一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，包括支撐架，支撐架上安裝有第一氣動肌肉、第二氣動肌肉、第一拉伸彈簧、第二拉伸彈簧和圓盤組件，圓盤組件通過水平轉軸安裝在支撐架上，圓盤組件包括依次安裝在水平轉軸上的第一圓盤、第一推動盤、第一轉動盤、動力輸出圓盤、第二轉動盤、第二推動盤和第二圓盤。本實用新型采用了第一氣動肌肉和第二氣動肌肉，從仿生學的角度出發，依據人的肌肉作用特點，將氣動肌肉對拉的理念運用到動力輸出裝置中，突破了氣動肌肉無法直接用于實現對拉機制的傳統思維，具有結構簡單、安全系數高、易于實現小型化、無污染、節約能源、控制方便、機械效率高以及柔順性好等特點。
【專利說明】一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于動力輸出裝置領域，更具體地，涉及一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置。
【背景技術】
[0002]動力輸出裝置是將動力源的動力向動力驅動系統以外的設備輸出的裝置，作為動力傳遞的關鍵環節和重要組成部分，對動力輸出裝置的選擇和研制，是設計整套機械系統以及其它相關系統時不可或缺的關鍵，直接關系到能源的利用效率和動力的傳遞效率，對系統的復雜程度、工藝設計、元器件分布以及控制的實施等都有很大的影響。
[0003]與動力輸出裝置息息相關的便為動力源，即動力驅動系統，一般常見的動力源有發動機、電動機、液壓泵、氣泵以及利用人工或動物提供動力等，氣動肌肉是一種新型的拉伸型氣動執行元件，當通入壓縮空氣時，可以像肌肉一樣產生很強的收縮力，氣動肌肉便由此而得名，隨著氣動技術的飛速發展及廣泛應用，新型的氣動元件不斷被研制出來，氣動肌肉作為一種新型仿生元件，以其新穎巧妙的設計構思，打破了氣動執行元件必須由壓縮空氣推動活塞來做功這一傳統理念，省略了活塞桿、活塞、密封圈、缸筒等諸多零部件，主要由彈性橡膠內管、纖維編織網外套和兩端部連接頭組成，具有結構簡單、輸出力大、使用過程中不產生摩擦、柔順以及安全系數高等特點。在各種領域，尤其是機器人領域，得到了越來越廣泛的關注和應用。
[0004]氣動人工肌肉現階段主要用于機器人技術當中，尤其是和仿生學緊密相關的服務性機器人領域，盡管現有的氣動人工肌肉的特性與動物肌肉相比還有很大的差距，但研宄人員對其抱有相當大的興趣，致力于研制出與動物肌肉更為相似的氣動人工肌肉，并取得了重大的進展，氣動肌肉作為一種新型的氣動元件，將會有更廣闊的用途和應用前景。
[0005]如果將氣動肌肉運用到動力輸出裝置中，在機構設計中，利用圓盤轉動來輸出動力是很常見且實用的一種方式，要想驅動圓盤轉動，最可靠易行的方式便為利用鋼絲繩的對拉作用，但是現階段常見的氣動人工肌肉，無法真正代替或模擬動物肌肉，其只能實現自身收縮方向的運動，動力輸出的方向是單一的，應用時其本身并沒有對拉機制。為了解決這個問題，得到更加實用可靠的機構。
實用新型內容
[0006]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，依據人的肌肉作用特點，衍生出一種氣動肌肉對拉機制，可用于實現對拉，不僅最大程度上利用了氣動肌肉的特性，而且克服了氣動肌肉自身存在的局限性問題，氣動肌肉得以直接驅動所述圓盤組件工作，結構簡單巧妙，具有仿生性和柔順性，動作連貫靈活，安全系數高，控制簡單方便，尤其適合應用于機器人的手臂、手指等的關節驅動。
[0007]為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，包括支撐架，支撐架上安裝有第一氣動肌肉、第二氣動肌肉、第一拉伸彈簧、第二拉伸彈簧和圓盤組件，第一拉伸彈簧和第二拉伸彈簧均豎直設置，其中
[0008]圓盤組件通過水平轉軸安裝在支撐架上，水平轉軸通過軸承安裝在支撐架上，圓盤組件包括依次安裝在水平轉軸上的第一圓盤、第一推動盤、第一轉動盤、動力輸出圓盤、第二轉動盤、第二推動盤和第二圓盤，第一圓盤和第二圓盤分別通過軸承安裝在水平轉軸上，第一推動盤與第一圓盤固定連接，第二推動盤與第二圓盤固定連接，第一轉動盤和第二轉動盤均固定連接在動力輸出圓盤上，動力輸出圓盤固定連接在水平轉軸上；
[0009]所述第一氣動肌肉通過第一拉繩與第一圓盤連接，第一圓盤通過第一回位繩與第一拉伸彈簧連接，第一氣動肌肉充氣時通過第一拉繩拉動第一圓盤逆時針轉動及通過第一回位繩拉動第一拉伸彈簧伸長，第一推動盤上設置有第一推動凸臺，第一轉動盤上設置有第一轉動凸臺，第一推動凸臺能在逆時針轉動時推動第一轉動凸臺轉動；
[0010]所述第二氣動肌肉通過第二拉繩與第二圓盤連接，第二圓盤通過第二回位繩與第二拉伸彈簧連接，第二氣動肌肉充氣時通過第二拉繩拉動第二圓盤順時針轉動及通過第二回位繩拉動第二拉伸彈簧伸長，第二推動盤上設置有第二推動凸臺，第二轉動盤上設置有第二轉動凸臺，第二推動凸臺能在順時針轉動時推動第二轉動凸臺轉動。
[0011]優選地，所述第一氣動肌肉懸掛在支撐架上，第一氣動肌肉的一端較另一端重，第一氣動肌肉較重的一端位于較輕的一端的下方。
[0012]優選地，所述第一氣動肌肉的一端固定安裝在支撐架上，其另一端與第一拉繩連接，所述第一氣動肌肉與第一圓盤之間設置有第一導向輪，第一拉繩繞過第一導向輪后與第一圓盤連接。
[0013]優選地，所述第二氣動肌肉懸掛在支撐架上，第二氣動肌肉的一端較另一端重，第二氣動肌肉較重的一端位于較輕的一端的下方。
[0014]優選地，所述第二氣動肌肉的一端固定安裝在支撐架上，其另一端與第二拉繩連接，所述第二氣動肌肉與第二圓盤之間設置有第二導向輪，第二拉繩繞過第二導向輪后與第二圓盤連接。
[0015]優選地，所述動力輸出圓盤上連接有用于輸出動力輸出圓盤轉動時的動力的第三拉繩，所述支撐架上安裝有用于對第三拉繩進行導向的第三導向輪。
[0016]優選地，初始時第一推動凸臺與第一轉動凸臺接觸，第二推動凸臺與第二轉動凸臺之間存在間隙。
[0017]優選地，初始時第一推動凸臺與第一轉動凸臺之間存在間隙，第二推動凸臺與第二轉動凸臺之間接觸。
[0018]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:本實用新型采用了第一氣動肌肉和第二氣動肌肉，從仿生學的角度出發，依據人的肌肉作用特點，將氣動肌肉對拉的理念運用到動力輸出裝置中，突破了氣動肌肉無法直接用于實現對拉機制的傳統思維，具有結構簡單、安全系數高、易于實現小型化、無污染、節約能源、控制方便、機械效率高以及柔順性好等特點，尤其適用于機器人【技術領域】，擁有廣闊的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0020]圖2是本實用新型撤去支撐架后的結構示意圖；
[0021]圖3是本實用新型中圓盤組件的爆炸圖；
[0022]圖4是本實用新型中第一推動盤和第一轉動盤初始時的相對位置示意圖；
[0023]圖5是本實用新型第一階段工作完成后第一推動盤和第一轉動盤相對位置示意圖；
[0024]圖6是本實用新型中第二推動盤和第二轉動盤初始時的相對位置示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0026]如圖1?圖3所示，一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，包括支撐架1，支撐架I上安裝有第一氣動肌肉2、第二氣動肌肉3、第一拉伸彈簧4、第二拉伸彈簧5和圓盤組件6，第一拉伸彈簧4和第二拉伸彈簧5均豎直設置，所述第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3均豎直設置，第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3均懸掛在支撐架I上。所述第一氣動肌肉2的一端較另一端重，第一氣動肌肉2較重的一端位于較輕的一端的下方。所述第一氣動肌肉2的上端固定安裝在支撐架I上，其下端與第一拉繩21連接，所述第一拉繩21與第一圓盤7之間設置有第一導向輪22，第一拉繩21繞過第一導向輪22后與第一圓盤7連接。
[0027]同樣地，所述第二氣動肌肉3的一端較另一端重，第二氣動肌肉3較重的一端位于較輕的一端的下方。所述第二氣動肌肉3的上端固定安裝在支撐架I上，其下端與第二拉繩31連接，所述第二拉繩31與第二圓盤9之間設置有第二導向輪32，第二拉繩31繞過第二導向輪32后與第二圓盤9連接。
[0028]由于氣動肌肉在正常的位置狀態下，一端的質量較另一端的質量大，因此在不影響第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3正常工作的前提下，將較重的一端放置在下，則重心也移動到其下方，在其上端固定的情況下，在整體上給其一個向下的拉力，使得豎直安置的第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3整體處于被繃直的狀態，這對于保持第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3的正常工作形態以及正常工作狀態有很重要的意義。
[0029]圓盤組件6通過水平轉軸11安裝在支撐架I上，水平轉軸11通過軸承安裝在支撐架I上，水平轉軸11可以轉動。圓盤組件6包括依次安裝在水平轉軸11上的第一圓盤7、第一推動盤71、第一轉動盤81、動力輸出圓盤8、第二轉動盤82、第二推動盤91和第二圓盤9，第一圓盤7和第二圓盤9分別通過軸承安裝在水平轉軸11上，第一推動盤71與第一圓盤7固定連接，第二推動盤91與第二圓盤9固定連接，第一轉動盤81和第二轉動盤82均固定連接在動力輸出圓盤8上，動力輸出圓盤8固定連接在水平轉軸11上。
[0030]所述動力輸出圓盤8上連接有用于輸出動力輸出圓盤8轉動時的動力的第三拉繩81，所述支撐架I上安裝有用于對第三拉繩81進行導向的第三導向輪82。
[0031]所述第一氣動肌肉2通過第一拉繩21與第一圓盤7連接，第一圓盤7通過第一回位繩41與第一拉伸彈簧4連接，第一氣動肌肉2充氣時通過第一拉繩21拉動第一圓盤7逆時針轉動及通過第一回位繩41拉動第一拉伸彈簧4伸長，第一推動盤71上設置有第一推動凸臺711，第一轉動盤81上設置有第一轉動凸臺811，第一推動凸臺711能在逆時針轉動時推動第一轉動凸臺811轉動。
[0032]所述第二氣動肌肉3通過第二拉繩31與第二圓盤9連接，第二圓盤9通過第二回位繩51與第二拉伸彈簧5連接，第二氣動肌肉3充氣時通過第二拉繩31拉動第二圓盤9順時針轉動及通過第二回位繩51拉動第二拉伸彈簧5伸長，第二推動盤91上設置有第二推動凸臺911，第二轉動盤82上設置有第二轉動凸臺821，第二推動凸臺911能在順時針轉動時推動第二轉動凸臺821轉動。
[0033]作為一種優選，初始時第一推動凸臺711與第一轉動凸臺811接觸，第二推動凸臺911與第二轉動凸臺821之間存在間隙，這樣使得第一推動盤71在通過第一轉動盤81帶動第二轉動盤82轉動時，第二圓盤9不會對此運動有干涉。
[0034]作為另一種優選，初始時第一推動凸臺711與第一轉動凸臺811之間存在間隙，第二推動凸臺911與第二轉動凸臺821之間接觸，這樣使得第二推動盤91在通過第二轉動盤82帶動第二轉動盤82轉動時，第一圓盤7不會對此運動有干涉。
[0035]采用以上兩種選擇，是為了不讓第一推動凸臺711與第一轉動凸臺811、或第二推動凸臺911與第二轉動凸臺821轉動時不被干涉。
[0036]圖1?圖3所示均為裝置的初始狀態，圖4?圖6所示為圓盤組件的初始狀態。第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3分別驅動第一圓盤7和第二圓盤9轉動，實現了氣動肌肉對拉機制。
[0037]所述圓盤組件6主要包括第一圓盤7、動力輸出圓盤8、水平轉軸11、第一推動盤71、第一轉動盤81、第二轉動盤82、第二推動盤91、第二圓盤9、第三導向輪82、多個軸承、多個用于固定繩索的鋼絲繩卡塊。其中，水平轉軸11的兩端分別通過軸承安置在支撐架I上，可在支撐架I上轉動；第一圓盤7和第二圓盤9分別通過軸承安裝在水平轉軸11上，可相對水平轉軸11轉動，又因為第一推動盤71與第一圓盤7固聯，因此第一推動盤71可隨第一圓盤7 —起相對水平轉軸11轉動；第二推動盤91與第二圓盤9固聯，因此第二推動盤91可隨第二圓盤9 一起繞水平轉軸11轉動。水平轉軸11與動力輸出圓盤8固聯，因此水平轉軸11和動力輸出圓盤8可在第一圓盤7或第二圓盤9的帶動下同步轉動。
[0038]另外，在支撐架I上還安裝有第一拉伸彈簧4和第二拉伸彈簧5。當第一氣動肌肉2充氣收縮時，第一拉伸彈簧4受力被拉伸，處于張緊狀態，同時儲存彈性勢能，當第一氣動肌肉2放氣伸長時，第一拉伸彈簧4縮短恢復自然狀態，同時釋放彈性勢能拉住第一回位繩41，第一圓盤7也拉動第一拉繩21和第一氣動肌肉2，第一拉繩21和第一氣動肌肉2可以一直處于繃直狀態，為動力輸出裝置的正常使用提供了保證。
[0039]同理，第二氣動肌肉2充氣和放氣時，第二拉伸彈簧5的工作也與第一拉伸彈簧相似。
[0040]從動力輸出裝置的初始狀態到完成整個氣動肌肉對拉機制共需經過三個階段，下面詳細說明該三個階段的運動過程。
[0041]圖1所示的動力輸出裝置處于初始狀態，此時優選第一推動凸臺711與第一轉動凸臺811之間存在間隙，第二推動凸臺911與第二轉動凸臺821之間接觸的設計。初始狀態時第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3均處于未充氣的初始狀態。
[0042]第一階段的工作開始時，第一氣動肌肉2充氣收縮，產生拉力，拉動第一拉繩21，從而帶動第一圓盤7由圖4所示的初始狀態逆時針轉動，進而帶動與第一圓盤7相固聯的第一推動盤71逆時針轉動，該過程進行中，第一推動凸臺711與第一轉動凸臺811之間存在間隙，第一推動凸臺711不會帶動第一轉動凸臺811運動，第一推動凸臺711和第一轉動凸臺811的始末相對位置如圖4和圖5所示。第一階段工作完成后，第一氣動裝置體積達到最大，第一推動凸臺711和第一轉動凸臺811接觸。第一階段時，只有第一圓盤7和第一推動盤71轉動，動力輸出圓盤8不轉動。
[0043]第二階段的工作開始時，第一推動凸臺711和第一轉動凸臺811的相對位置如圖5所示，第二推動凸臺911和第二轉動凸臺821的相對位置如圖6所示，即第二推動凸臺911和第二轉動凸臺821還處于初始的位置。此時第二氣動肌肉3充氣收縮，產生拉力，拉動第二拉繩31，從而帶動第二圓盤9由圖1和圖6所示的初始狀態順時針轉動，進而帶動與第二圓盤9相固聯的第二推動盤91順時針轉動，第二推動凸臺911推動第二轉動凸臺821和第二轉動盤82順時針轉動，又因為第二轉動盤82與動力輸出圓盤8固聯，因此動力輸出圓盤8也隨之順時針轉動。
[0044]另外，第二氣動肌肉3充氣的同時，第一氣動肌肉2放氣伸長，第一拉繩21被放松，此時在第一拉伸彈簧4的作用下，第一圓盤7和與之固聯的第一推動盤71 一起發生順時針轉動，以使第一推動凸臺711避讓第一轉動凸臺811，不對動力輸出圓盤8和第一轉動盤81的轉動造成干涉。此時整個圓盤組件6同步發生順時針轉動，這樣就成功實現了氣動肌肉對拉機制。從仿生學的角度來看，依據人體肌肉的收縮特點，所述第一氣動肌肉2相當于人體肌肉中的拮抗肌(被動肌)，所述第二氣動肌肉3相當于人體肌肉中的原動肌(主動肌)。
[0045]第二階段的工作結束以后，第二氣動肌肉3處于最大體積，第一氣動肌肉2完成放氣處于自然狀態。
[0046]此后開始第三階段的工作，第一氣動肌肉2保持自然狀態不工作，第二氣動肌肉3放氣伸長，第二拉繩31被放松，此時在第二拉伸彈簧5的作用下，第二圓盤9和與之固聯的第二推動盤91 一起逆時針轉動。
[0047]經過上述三個階段的動作，實現了氣動肌肉的對拉機制，同時使得動力輸出圓盤8轉動了一定的角度，成功將第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3所提供的動力輸出到外部系統。
[0048]本裝置可以連續工作，其工作過程并不僅僅只限于上述的幾個階段。進行后續工作時，第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3按照前述的三個階段充氣和放氣，以實現動力輸出圓盤8的連續工作。
[0049]前述的第三階段完成后，裝置如果又再次工作，則同理第一氣動肌肉2收縮，第一圓盤7帶動第一推動盤71逆時針轉動，推動第一轉動盤81轉動，從而使得動力輸出圓盤8逆時針轉動至初始位置。
[0050]在第一氣動肌肉2和第二氣動肌肉3不工作的情況下，可以人為轉動動力輸出圓盤8，這可為系統非工作狀態下的執行機構的運動能力評估、故障診斷提供可能，其中這里的執行機構，是指外接的機械臂之類的接收動力的機構。
[0051]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，包括支撐架(1)，支撐架(I)上安裝有第一氣動肌肉(2)、第二氣動肌肉(3)、第一拉伸彈簧(4)、第二拉伸彈簧(5)和圓盤組件(6)，第一拉伸彈簧(4)和第二拉伸彈簧(5)均豎直設置，其特征在于:其中 圓盤組件(6)通過水平轉軸(11)安裝在支撐架(I)上，水平轉軸(11)通過軸承安裝在支撐架(I)上，圓盤組件(6)包括依次安裝在水平轉軸(11)上的第一圓盤(7)、第一推動盤(71)、第一轉動盤(81)、動力輸出圓盤(8)、第二轉動盤(82)、第二推動盤(91)和第二圓盤(9)，第一圓盤(7)和第二圓盤(9)分別通過軸承安裝在水平轉軸(11)上，第一推動盤(71)與第一圓盤(7)固定連接，第二推動盤(91)與第二圓盤(9)固定連接，第一轉動盤(81)和第二轉動盤(82)均固定連接在動力輸出圓盤(8)上，動力輸出圓盤(8)固定連接在水平轉軸(11)上； 所述第一氣動肌肉⑵通過第一拉繩(21)與第一圓盤(7)連接，第一圓盤(7)通過第一回位繩(41)與第一拉伸彈簧(4)連接，第一氣動肌肉(2)充氣時通過第一拉繩(21)拉動第一圓盤(7)逆時針轉動及通過第一回位繩(41)拉動第一拉伸彈簧(4)伸長，第一推動盤(71)上設置有第一推動凸臺(711)，第一轉動盤(81)上設置有第一轉動凸臺(811)，第一推動凸臺(711)能在逆時針轉動時推動第一轉動凸臺(811)轉動； 所述第二氣動肌肉⑶通過第二拉繩(31)與第二圓盤(9)連接，第二圓盤(9)通過第二回位繩(51)與第二拉伸彈簧(5)連接，第二氣動肌肉(3)充氣時通過第二拉繩(31)拉動第二圓盤(9)順時針轉動及通過第二回位繩(51)拉動第二拉伸彈簧(5)伸長，第二推動盤(91)上設置有第二推動凸臺(911)，第二轉動盤(82)上設置有第二轉動凸臺(821)，第二推動凸臺(911)能在順時針轉動時推動第二轉動凸臺(821)轉動。
2.根據權利要求1所述的一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，其特征在于:所述第一氣動肌肉(2)懸掛在支撐架(I)上，第一氣動肌肉(2)的一端較另一端重，第一氣動肌肉(2)較重的一端位于較輕的一端的下方。
3.根據權利要求1所述的一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，其特征在于:所述第一氣動肌肉(2)的一端固定安裝在支撐架(I)上，其另一端與第一拉繩(21)連接，所述第一氣動肌肉(2)與第一圓盤(7)之間設置有第一導向輪(22)，第一拉繩(21)繞過第一導向輪(22)后與第一圓盤(7)連接。
4.根據權利要求1所述的一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，其特征在于:所述第二氣動肌肉(3)懸掛在支撐架(I)上，第二氣動肌肉(3)的一端較另一端重，第二氣動肌肉(3)較重的一端位于較輕的一端的下方。
5.根據權利要求1所述的一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，其特征在于:所述第二氣動肌肉(3)的一端固定安裝在支撐架(I)上，其另一端與第二拉繩(31)連接，所述第二氣動肌肉(3)與第二圓盤(9)之間設置有第二導向輪(32)，第二拉繩(31)繞過第二導向輪(32)后與第二圓盤(9)連接。
6.根據權利要求1所述的一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，其特征在于:所述動力輸出圓盤(8)上連接有用于輸出動力輸出圓盤(8)轉動時的動力的第三拉繩(81)，所述支撐架(I)上安裝有用于對第三拉繩(81)進行導向的第三導向輪(82)。
7.根據權利要求1所述的一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，其特征在于:初始時第一推動凸臺(711)與第一轉動凸臺(811)接觸，第二推動凸臺(911)與第二轉動凸臺(821)之間存在間隙。
8.根據權利要求1所述的一種實現氣動肌肉對拉機制的動力輸出裝置，其特征在于:初始時第一推動凸臺(711)與第一轉動凸臺(811)之間存在間隙，第二推動凸臺(911)與第二轉動凸臺(821)之間接觸。
【文檔編號】B25J19/00GK204209704SQ201420668150
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】熊蔡華, 柳鍇, 王婷, 陳文斌 申請人:華中科技大學