一種人工肌肉及其應用、機器人的制作方法

本發(fā)明屬于動力領域，尤其設計一種人工肌肉。

背景技術：

人工肌肉是機器人的難題，現(xiàn)有技術的人工肌肉伸存在縮快的力量小、力量大的伸縮慢、伸縮百分比不足等諸多問題，難以實際應用，本發(fā)明提出一種實用的一種人工肌肉，實現(xiàn)微動疊加，可以順利的和現(xiàn)有技術對接，可快速普及。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足提出一種人工肌肉，本發(fā)明實現(xiàn)了行程放大。

本發(fā)明具有以下技術內(nèi)容。

1、一種人工肌肉，其特征在于：主要由驅(qū)動體、線狀體、螺旋軌道構成；線狀體的最大長度大于螺旋軌道的總長；線狀體一部分由螺旋軌道限制為螺旋形；螺旋軌道限制線狀體的運動使線狀體的螺旋部分上的質(zhì)點的運動主要為沿螺旋部分的螺旋線滑動；線狀體具有柔性或彈性；驅(qū)動體驅(qū)動螺旋軌道的螺旋直徑伸縮。

2、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：所述的驅(qū)動體為流體壓力致動、電致動、熱致動、磁致動、光致動、電磁致動、化學致動。

3、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：所述螺旋軌道在軸向上至少有2圈。

4、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：所述螺旋軌道在徑向上至少有2圈。

5、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：螺旋管在驅(qū)動體驅(qū)動下的螺旋總長變化大于螺距總長變化。

6、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：所述的螺旋軌道由一個變徑均勻的雙層圓筒構成；雙層圓筒的兩個層的距離大于線狀體直徑小于線狀體直徑的二倍；雙層圓筒的兩個層之間的連接物的至少一段具有線狀體可在其中滑動的通道。

7、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：所述的螺旋軌道由一個變徑均勻的圓柱和至少1個限位環(huán)構成；限位環(huán)位于圓柱一端的柱面上，限位環(huán)的直徑線垂直圓柱軸線；線狀體環(huán)繞在圓柱上，線狀體一端與圓柱體固定連接，線狀體另一端穿過限位環(huán)；線狀體在線狀體與圓柱固定連接點和限位環(huán)之間具有至少一圈螺旋。

8、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：所述的螺旋軌道由一個變徑均勻的圓柱和至少2個限位環(huán)構成；限位環(huán)位于圓柱兩端的柱面上，限位環(huán)的直徑線垂直圓柱軸線；線狀體環(huán)繞在圓柱上，線狀體的兩端分別從限位環(huán)穿出；線狀體在兩個限位環(huán)之間具有至少一圈螺旋。

9、如技術內(nèi)容1所述的一種人工肌肉，其特征在于：其外部還具有伸縮管；線狀體的兩端分別連接在伸縮管的兩端。

10、如技術內(nèi)容6所述的一種人工肌肉，其特征在于：還具有維形彈簧；維形彈簧與伸縮管相連。

11、一種人工肌肉，其特征在于：驅(qū)動體合理的包含運用技術內(nèi)容1-7所述的人工肌肉。

12、一種使用人工肌肉的機器，其特征在于：具有技術內(nèi)容1-7中任意一條所述的人工肌肉。

技術內(nèi)容說明及其有益效果：

本發(fā)明的主要原理：改變線狀體的螺旋直徑來改變線狀體的致動長度，由于螺旋物直徑的改變會導致螺旋部分周長的改變，同一螺旋線的各圈周長的改變會疊加，因此可達成使細微伸縮動作疊加放大的技術效果，這對于克服電磁致動磁作用力隨距離增大急劇變小、流體壓力致動（氣壓、液壓）空間越大動作越慢、逆壓電效應致動（電致動的一種）行程小的等等現(xiàn)有技術的缺陷具有很大的意義；

設螺旋圈數(shù)為N；設單圈螺旋半徑變化前周長為T1、半徑為r1、直徑為R1、螺旋總長為L1；設單圈螺旋半徑變化前周長為T2、半徑為r2、直徑為R2、螺旋總長為L2；

則有公式：（1）、ΔL=L2-L1=ΔT*N=（T2-T1）*N=2πΔr*N；

由上式可知，螺旋變徑的位移放大方式主要與圈數(shù)有關與數(shù)量無關，故而可以通過調(diào)整圈數(shù)N來調(diào)整放大比例；

假設使用本發(fā)明的人工肌肉用于本發(fā)明的驅(qū)動體，并設人工肌肉（非用于驅(qū)動體的）的螺旋軌道的圈數(shù)M、設螺旋總長變化為ΔL'，半徑變化為Δr'；

則有ΔL'=2πΔr'*M；

使用至少一條人工肌肉作為驅(qū)動體，由于螺旋為圈狀，故可以粗略的認定安裝在驅(qū)動體內(nèi)的人工肌肉的位移ΔL理想效果下會導致的人工肌肉的螺旋的半徑變化尺寸Δr'= ΔL/2（采用多條本發(fā)明的人工肌肉作為本發(fā)明的人工肌肉的驅(qū)動體可能有Δr'= ΔL，為了問題簡化不做過多描述；）

則有最：ΔL'=2πΔL/2*M；

上式代入公式（1）則有：ΔL'=2πΔL/2*M=π*（2πΔr*N）*M=2π2*Δr*N*M；

由上可知在本發(fā)明的人工肌肉中使用本發(fā)明的人工肌肉作為驅(qū)動體，調(diào)節(jié)參數(shù)N、M可以獲得非常大的位移放大倍數(shù)；

由上可知本發(fā)明的在結構上是可以遞歸結構（遞歸結構一詞為本發(fā)明人自己定義的，主要指重復非線性的疊加設計結構，在本發(fā)明中遞歸結構是指多層次（大于等于3層）的重復‘使用低層次人工肌肉的線狀體的伸縮來驅(qū)動更高層次的人工肌肉的螺旋軌道的變徑’的設計，構成一條位移放大鏈），從而跳躍式的提高位移放大倍數(shù)（假設第三層螺旋軌道圈數(shù)為B圈，則有ΔL'' = 2π3*Δr*N*M*B，調(diào)節(jié)參數(shù)N、M、B可以獲得非常大的位移放大倍數(shù)）；

以上的運算是為了說明本發(fā)明的放大倍數(shù)主要和螺旋軌道圈數(shù)、遞歸設計層數(shù)相關，即使計算出現(xiàn)少量謬誤也不會對閱讀者的理解造成影響。

詞匯說明。

‘驅(qū)動體’是指驅(qū)動螺旋軌道螺旋直徑變化的實體，驅(qū)動體可以是元件、裝置，也可以是功能模塊，驅(qū)動體可能和其他裝置或元件共用元件或結構，這在機械中是常見情況；驅(qū)動體例如：在一個柱狀基體表面裝大量壓電陶瓷，操控壓電陶瓷在基體的徑向上伸縮；空心可充氣的彈性球等等。

‘線狀體’是指線狀物，比如鐵環(huán)鏈、鋼繩、彈簧等，使用不同性質(zhì)的線狀體時應結合‘公知常識’、‘現(xiàn)有技術’、‘基礎知識’采用不同的設計，不要違背‘設計一個可正常良性運行的人工肌肉‘的技術目的故意將其設置為不能運行的，比如：采用柔性線狀體時應該采用致動時增大螺旋軌道螺旋直徑的方式，且柔性線狀體的松弛部分的長度不能大于致動時收縮長度，又比如：采用彈性線狀體時，應注意線狀體彈力和伸展跨度關系，盡量避免采用彈力很小伸展跨度卻很大彈性線狀體，又比如：應注意驅(qū)動體變徑的力量應足夠克服線狀體的內(nèi)應力，以免出現(xiàn)因為線狀體強度太大而導致線狀體螺旋部分無法變徑的情況，等等。

‘螺旋軌道’是指可將線狀體限制為變徑時圈數(shù)不變的螺旋形的實體或被實體所限制的空間路徑；螺旋軌道可以是元件、裝置、具有螺旋形狀的腔體或槽，構成螺旋軌道的元件、裝置可能和其他裝置或元件共用元件或結構，這在機械領域是常見情況；螺旋軌道比如：螺旋管、圓柱體表面的螺旋槽、多個具有槽的元件將槽排列成的螺旋形狀、圓柱體內(nèi)的螺旋孔等等，螺旋軌道可以是多次螺旋，螺旋軌道整體上可以是彎曲的，應用設計時因盡量避免使用柔性太強的材料制造螺旋軌道；值得注意的是某些技術人員可能會試圖設計一些奇怪的軌道來規(guī)避本申請，但只要其設計的軌道包含了螺旋軌道，且線狀體配合其軌道形成了螺旋則應視其軌道為本申請所述的螺旋軌道；由于螺距的變化會影響螺旋總長故本發(fā)明的螺旋軌道設計時應該盡量避免因螺距變化產(chǎn)生的螺旋總長變化削弱螺旋直徑變化產(chǎn)生的螺旋總長變化的情況；本發(fā)明的螺旋軌道在完全忽略線狀體的情況下，視覺上去判斷去可能不是螺旋形（比如技術內(nèi)容6-8所述的情況是在配合線狀體的纏繞后才能從視覺上得出螺旋形），本發(fā)明的螺旋軌道設計時應考慮螺旋軌道或線狀體的螺旋圈在螺旋軸向上的滑動問題，并通過合理設計進行限定防止出現(xiàn)因螺旋圈的滑動而導致設計出的產(chǎn)品不能伸縮的情況。

‘螺旋軌道限制線狀體的運動使線狀體的螺旋部分上的質(zhì)點的運動主要為沿螺旋部分的螺旋線滑動’由于線狀體的螺旋部分上的質(zhì)點的運動會存在微量的旋動與徑向運動，所以使用‘主要’一詞是符合人類語言習慣的，本申請的閱讀者不應將‘主要’一詞視為模糊詞匯。

‘線狀體一部分由螺旋軌道限制為螺旋形’包含了線狀體在螺旋軌道空間內(nèi)部、線狀體可滑動的包覆在軌道實體外部等會使線狀體受到螺旋軌道約束的連接關系。

‘驅(qū)動體驅(qū)動螺旋軌道的螺旋直徑伸縮’即驅(qū)動體驅(qū)動螺旋直徑的變化。

‘伸縮管’指長度可以被動變化的管。

‘維形彈簧’指用于維護伸縮管外形的彈簧，其彈力不能太大。

‘線狀體的最大長度’指線狀體能夠正常使用時的最大長度，因為有些線狀體是長短可變的，故有此限定。

‘螺旋總長’即螺旋部分展開為直線后直線的長度，也即螺旋軌道各圈周長的總和。

‘螺旋’，人類對螺旋沒有完美精準的定義，人們甚至把多條輻射狀排列的弧線稱為螺旋，為了保證定義的清晰，本發(fā)明的螺旋限定于：至少具有一個完整不自交回旋的連續(xù)點集或線段集的路徑，其中‘完整’是指回旋大于或等于360度，比如彈簧、阿基米德螺線、電磁鐵的螺線管等，螺旋軸可以是直線（螺旋管直時）、曲線（螺旋管彎曲時）、螺旋曲線（螺旋管再次螺旋時是螺旋線），本發(fā)明中的螺旋包括了螺旋線（軸向多圈）路徑、渦線（徑向多圈）路徑、錐形螺線路徑、變距螺旋路徑、變徑螺線路徑、多層螺線路徑以及其他螺旋線形式的路徑以及它們的組合，本發(fā)明的螺旋上可以存在棱角。

本發(fā)明的有益效果：結構簡單，經(jīng)濟實用。

附圖說明 圖1是本發(fā)明一個實施實例示意圖。

圖2是本發(fā)明一個實施實例示意圖。

圖3是本發(fā)明一個實施實例示意圖。

圖4是本發(fā)明一個實施實例示意圖。

圖5是本發(fā)明一個實施實例示意圖。

圖6是本發(fā)明一個實施實例示意圖；圖7是本發(fā)明的一個實施實例的示意圖。

具體實施方式

下面將結合實施實例對本發(fā)明的實施方式進行說明。

實施實例1、如圖1所示， 一種人工肌肉，由層狀電極A1、壓電陶瓷A11、導電圓柱A10、彈簧A3、多個彈簧扣A2構成；彈簧扣A2螺旋排列構成螺旋軌道；彈簧A3纏繞A2構成的螺旋軌道內(nèi)；壓電陶瓷A11覆蓋在導電圓柱A10表面；層狀電極A1覆蓋壓電陶瓷A11表面；導電圓柱A10與導線A50連接；層狀電極A1與導線A5連接；層狀電極A1具有延展能力；給A5、A50通電后壓電陶瓷膨脹，是螺旋軌道螺旋直徑（X）增加，使彈簧A3在螺旋軌道的軸向上（Y）收縮。

實施實例2、如圖2所示， 一種人工肌肉，由橡膠球B1、限向塊B4、鋼絲B3構成；橡膠球B1內(nèi)部有空腔B10,空腔B10有進氣通道B100；橡膠球B1的壁中有螺旋孔腔作為螺旋軌道B2；鋼絲B3纏繞螺旋軌道B2內(nèi)；限向塊B4具有很強的剛性限制橡膠球B1的膨脹方向為螺旋軌道B2徑向方向；通過B100增加B10內(nèi)的氣壓后；橡膠球B1在螺旋軌道B2徑向（X）方向上膨脹，導致螺旋軌道B2的螺旋直徑增大；進而導致鋼絲B3在螺旋軌道的軸向上（Y）收縮；使用時可以將鋼絲B3的兩端連接在需要致動的機械關節(jié)兩端。

實施實例3、如圖3所示， 一種人工肌肉，由導電圓筒C1、彈簧C3、多個壓電陶瓷C2、C20、多個弧形導電板C4、C40，多個圓環(huán)C6構成；圓環(huán)C6呈螺旋排列構成螺旋軌道；將導線C51與C50短接，給導線C50、C5之間通電，壓電陶瓷C20 伸長使彈簧的螺旋直徑縮小，進而使彈簧在伸展；基體為導電圓筒C1，致動體為導電圓筒C1、壓電陶瓷C2、弧形導電板C4、C40；在機械領域各零件功能模塊之間共用元件、結構是常見情況。

實施實例4、在實施實例3的基礎上修改將壓電陶瓷修改為氣動伸縮體。

實施實例5、在實施實例3的基礎上修改將壓電陶瓷修改為氣動伸縮體，把彈簧修改為鋼繩。

實施實例6、在實施實例3的基礎上修改將基體改為可被動伸長縮短的實體，把線狀體全部安裝在基體內(nèi)。

實施實例7、在實施實例2的基礎上修改將增加橡膠球B1壁中螺旋軌道數(shù)量，并使螺旋軌道共軸平行（螺旋線平行的概念參照曲線平行概念），每個螺旋軌道內(nèi)穿入一根或多根鋼繩，增加載荷能力和冗余能力。

實施實例8、設計一條具有韌性的渦狀管，在渦狀管的管壁之間安裝伸縮體，將線狀體穿在渦狀管中。

實施實例9、如圖4在實施實例2的外部增加一個伸縮管D1，將鋼絲連接在伸縮管的兩端，通過進氣通道B100提高橡膠球B1內(nèi)部的氣壓，伸縮管D1就在鋼絲的帶動下收縮，相對實施實例2具有防塵的好處。

實施實例10、如圖5在實施實例9的的伸縮管內(nèi)壁上伸縮管D1和螺旋軌道之間軸向安裝一個彈力很小的彈簧D2，彈簧D2的兩端和伸縮管D1的兩端相連。

實施實例11、如圖6在實施實例10的基礎上增加收縮單元。

實施實例12、實施實例9的基礎上修改使限向塊B4與伸縮管D1的一端固定相連。

實施實例13、將實施實例2改為液壓控制。

實施實例14、將實施實例2改為化學控制控制，使用多種反應物產(chǎn)生氣體來提高腔體內(nèi)壓使橡膠球B1膨脹，并增加一個排泄通道。

實施實例15、將實施實例3壓電陶瓷改為互斥線圈，在互斥線圈間增加導向桿，使互斥線圈間磁力不會導致旋轉(zhuǎn)運動，通電后只進行距離變化的運動。

實施實例16、將實施實例3壓電陶瓷改為黑色的金屬彈片，使用激光加熱金屬彈片使其因熱力而伸縮。

實施實例17、將實施實例3壓電陶瓷改為黑色的金屬彈片，通入不同溫度的流體使金屬彈片產(chǎn)生尺寸變化。

實施實例18、如圖7所示， 一種人工肌肉，由層狀電極E1、壓電陶瓷管E11、層狀電極E10、鋼絲E3、2個環(huán)E2構成；2彈簧扣E2位于壓電陶瓷管E11的兩端；鋼絲E3纏繞壓電陶瓷管E11，鋼絲E3兩端從分別從兩個環(huán)穿出；層狀電極E1覆蓋壓電陶瓷管E11外表面；層狀電極E10覆蓋壓電陶瓷管E11內(nèi)表面；層狀電極E10與導線E50連接；層狀電極E1與導線E5連接；層狀電極E1具有延展能力；給導線E5、導線E50通電后壓電陶瓷管E11膨脹，使鋼絲E3的螺旋直徑增加，使鋼絲E3在鋼絲E3的螺旋的軸向上收縮。

實施實例19、在實施實例10的基礎上改進，在伸縮管內(nèi)加入一定量的潤滑油，用于減小鋼絲的摩擦阻力。

以上為本發(fā)明的可行方案；由于本發(fā)明的人工肌肉是伸縮體，伸縮體可以改變螺旋軌道螺旋半徑的原理在發(fā)明內(nèi)容以上實施實例中已經(jīng)體現(xiàn)，故不贅述；本發(fā)明包含很多種方案，但其原理都是改變螺旋軌道螺旋直徑來改變螺旋周長進而改變線狀體的致動長度，本領域技術人員明白這個核心原理后可以結合‘公知常識’、‘現(xiàn)有技術’對本發(fā)明進行實施設計，故不一一贅述。