一种PVT精确控制人造肌肉制造技术

本发明专利技术公开一种PVT精确控制人造肌肉由结构单元、驱动单元和精确控制单元组成。输液管将保温储液罐、微型水泵和肌肉本体相连形成密闭回路。若使肌肉伸长，微型水泵将液体从储液罐中泵入TPU肌肉腔内，向肌肉内加压使肌肉伸长；若使肌肉缩短，微型水泵将液体从TPU肌肉腔内抽至保温储液罐中，降低肌肉腔内压力使其收缩。在人造肌肉动作过程中，压力传感器对肌肉内压力进行监测并向微型水泵反馈，因肌肉内压力、温度与肌肉形变量存在定量关系，故通过闭环压力控制可实现肌肉较为精确的控制；温度传感器精确测量肌肉内部各位置液体介质的温度，并向反馈电阻加热丝反馈，及时调整液体介质温度。压力和温度双重闭环控制可使人造肌肉按照预设方式精确形变。 1

A PVT precise control of artificial muscles

The invention discloses a PVT precise control of artificial muscle, which is composed of a structural unit, a driving unit and an accurate control unit. The infusion tube connects the heat preservation liquid storage tank, the mini pump and the muscle body to form a closed loop. If the muscle is extended, the micro pump pumps liquid from the storage tank into the TPU muscle cavity and stresses the muscles to extend the muscles. If the muscle is shortened, the micro pump draws the liquid from the TPU muscle cavity to the heat storage tank and reduces the pressure in the muscle cavity to shrink. In the process of artificial muscle movement, the pressure sensor monitors the intramuscular pressure and feedback to the micro pump. Because there is a quantitative relationship between the muscle pressure and the muscle shape, the muscle can be controlled more accurately by the closed loop pressure control. The temperature sensor accurately measures the liquid medium in the muscles inside each position. The temperature is fed back to the feedback resistance heating wire, and the liquid medium temperature is adjusted in time. The dual closed loop control of pressure and temperature can make artificial muscles precisely deform in the preset way. One

【技术实现步骤摘要】
一种PVT精确控制人造肌肉
本专利技术涉及软体机器人领域，具体涉及一种可精确控制形变量的人造肌肉装置。
技术介绍
软体机器人是一类新型机器人，具有结构柔软度高、环境适应性好、亲和性强、功能多样等特点，在工业生产、医疗服务、军事探测等方面具有广阔的应用前景。对于现有气动软体机器人而言，通过气泵向机体内充放气控制形变量，只能实现多级控制且重复精度较低，难以实现无级渐变运动和精确控制其形变量，故无法实现精密致动。例如，专利(CN107234621A)提出采用尺蠖软体机器人内部设有由弹性膨胀变形的膨胀层组成的密封空间设计，向密闭空间内充气使机器人按照要求运动，其气动软体机器人通过形变产生的驱动力较小，难以实现高强度工作条件下的实际应用需求。由于气动软体机器人目前发展还不成熟，上述提出的气动软体机器人短板一定程度限制了其实际应用场景。
技术实现思路
本专利技术针对目前气动软体机器人难以精确控制形变量，产生的力较小等限制。提出一种以PVT精确测量技术为核心的液压人工肌肉，以TPU钢丝管为肌肉基体，以液体为驱动介质。本专利技术采用PVT精确控制的液压驱动肌肉可实现精确控制肌肉形变量并且可产生较大的驱动力，一定程度上拓展了软体机器人的实际应用场景。本专利技术一种PVT精确控制人造肌肉，由结构单元、驱动单元和精确控制单元组成。所述结构单元包括TPU钢丝管、三叉形线缆固定架；所述驱动单元为微型水泵、输液管和保温储液罐；所述精确控制单元包括TPU电缆保护套、电阻加热丝、温度传感器和压力传感器。本专利技术一种PVT精确控制人造肌肉的结构单元是人造肌肉的核心部分，其中两束钢丝嵌入于TPU软管中，并以TPU软管轴线为中心轴分别以顺时针逆时针两方向螺旋排布形成螺旋斜交布局，钢丝与中心轴线夹角为45°至90°之间。当液体以一定压力注入管道腔体内，由于钢丝取向偏向径向方向，对径向形变有一定的束缚作用，使TPU钢丝管以轴向形变为主。TPU钢丝管内部固定安装有TPU材质三叉型线缆固定架，固定架的三个支撑臂间夹角均为120°，每个支撑臂均沿径向均匀排布多个圆孔，圆孔为固定温度传感器之用。线缆固定架中心设置有圆孔，圆孔内径与TPU电缆保护套外径相同。三叉形线缆固定架沿肌肉轴线均匀排布，固定架安装数量和支撑臂上圆孔数量由肌肉尺寸决定，肌肉越长固定架安装数量越多，肌肉直径越大支撑臂上圆孔越多。本专利技术一种PVT精确控制人造肌肉的驱动单元为液压驱动模块。输液管依次将保温储液罐、微型水泵和肌肉本体相连形成密闭回路。若使肌肉伸长，微型水泵需将液体从保温储液罐中通过输液管泵入TPU肌肉腔内，向肌肉内部加压可使肌肉伸长；若使肌肉缩短，微型水泵需将液体从TPU肌肉腔内通过输液管抽出保温储液罐中，降低肌肉腔内压力可使其收缩。保温储液罐可将液体介质预先加热至基础工作温度，并协助肌肉内部电阻加热丝快速加热液体介质至实际工作温度。本专利技术一种PVT精确控制人造肌肉的精确控制单元可通过对肌肉内部压力(P)和温度(T)的测量精确控制肌肉体积(V)的变化。TPU电缆保护套从各三叉形线缆固定架中心环中穿过安装于TPU钢丝管轴线上，TPU电缆保护套中安置有电阻加热丝和温度/压力传感器的信号传输电缆。温度传感器安装在三叉形线缆固定架支撑臂上的圆孔中，压力传感器安装于靠近肌肉首尾两端的三叉形线缆固定架支撑臂上的圆孔中，可精确监测肌肉内部压力变化，并向微型水泵进行反馈，及时调整肌肉内部压力。由于电阻加热丝安装于TPU钢丝管中心轴线位置，故沿径向方向均匀排布温度传感器可精确监测内部液体介质径向温度梯度，并及时向电阻加热丝进行反馈，有助于更精确控制人造肌肉的运动。本专利技术一种PVT精确控制人造肌肉的工作方法是：输液管依次将保温储液罐、微型水泵和肌肉本体相连形成密闭回路。若使肌肉伸长，微型水泵需将液体从保温储液罐中通过输液管泵入TPU肌肉腔内，向肌肉内部加压可使肌肉伸长；若使肌肉缩短，微型水泵需将液体从TPU肌肉腔内通过输液管抽入保温储液罐中，降低肌肉腔内压力可使其收缩。在人造肌肉动作过程中，压力传感器对肌肉内部压力进行监测并向微型水泵反馈，因肌肉内压力、温度和肌肉形变量存在定量关系，故通过闭环压力控制可实现肌肉较为精确的控制；温度传感器精确测量肌肉内部各位置液体介质的温度，并向反馈电阻加热丝反馈，及时调整液体介质温度。由于液体通常存在冷缩热涨现象，对肌肉内部温度精确控制可实现较压力控制对肌肉更为精确的控制。压力和温度双重闭环控制可使人造肌肉按照预设方式精确形变。该肌肉可有三种工作方式：(1)单一肌肉；(2)肌肉束；(3)肌肉关节。对于单一肌肉的工作方式如上文所描述。若单一肌肉无法提供足够驱动力的情况可以采用肌肉束方案，肌肉束是由TPU肌肉套束缚多根人造肌肉并联集成一束，通过肌肉束中每根肌肉的共同伸缩，可使肌肉束整体伸缩，由多根肌肉组成的肌肉束工作状态下可产生更大的驱动力。单一肌肉难以实现弯曲动作，可以采用肌肉关节方案实现，该方案将两根或多根肌肉串联排布，肌肉间由柔性铰链连接。每两根肌肉为一组，一组肌肉的首尾两端设置有固定连接器，其间有细钢缆连接，以限制肌肉首尾间直线距离。当一组肌肉中的某一根或两根肌肉同时舒张或收缩，两根肌肉间的夹角变小或变大，柔性铰链形变，可驱动肌肉关节精确弯曲运动。与传统气动软体机器人相比相比，本专利技术利用PVT精密测量技术与液压驱动技术，突破了因气体驱动导致软体机器人难以产生较大的力；压力和温度双重闭环控制可使人造肌肉按照预设方式精确形变，实现了气体驱动难以实现的精确运动控制(长度/弯曲角度变化)。这一定程度上提高了软体机器人的运动精确程度和驱动力的大小，对未来软体机器人工业化精密化应用有一定推动作用。附图说明图1是一种PVT精确控制人造肌肉原理示意图。图2是一种PVT精确控制人造肌肉内部三叉形线缆固定架示意图。图3是一种PVT精确控制人造肌肉组成的肌肉束方案示意图。图4是一种PVT精确控制人造肌肉组成的肌肉关节方案示意图。图中：1-TPU钢丝管；2-三叉形线缆固定架；3-保温储液罐；4-微型水泵；5-输液管；6-TPU电缆保护套；7-压力传感器；8-温度传感器；9-电阻加热丝；10-固定连接器；11-钢缆；12-柔性铰链；13-TPU肌肉套。具体实施方式本专利技术的技术方案：一种PVT精确控制人造肌肉，由结构单元、驱动单元和精确控制单元组成。图1所述结构单元包括TPU钢丝管1、三叉形线缆固定架2；所述驱动单元为保温储液罐3、微型水泵4和输液管5；所述精确控制单元包括TPU电缆保护套6、电阻加热丝9、温度传感器8和压力传感器7。本专利技术一种PVT精确控制人造肌肉的工作方法是：输液管5将保温储液罐3、微型水泵4和肌肉本体相连形成密闭回路。若使肌肉伸长，微型水泵4需将液体从保温储液罐3中通过输液管5泵入TPU肌肉腔1内，向肌肉内部加压可使肌肉伸长；若使肌肉缩短，微型水泵4需将液体从TPU肌肉腔1内通过输液管5抽出至保温储液罐3中，降低肌肉腔1内压力可使其收缩。在人造肌肉动作过程中，压力传感器7对肌肉内部压力进行监测并向微型水泵4反馈，因肌肉内压力、温度和肌肉形变量存在定量关系，故通过闭环压力控制可实现肌肉较为精确的控制，三叉形线缆固定架示意图如图2所示；而温度传感器8精确测量肌肉内部各位置液本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PVT精确控制人造肌肉，其特征在于：由结构单元、驱动单元和精确控制单元组

【技术特征摘要】
1.一种PVT精确控制人造肌肉，其特征在于：由结构单元、驱动单元和精确控制单元组成，所述结构单元包括TPU钢丝管、三叉形线缆固定架；所述驱动单元为微型水泵、输液管和保温储液罐；所述精确控制单元包括TPU电缆保护套、电阻加热丝、温度传感器和压力传感器。2.根据权利要求1所述的一种PVT精确控制人造肌肉，其特征在于：结构单元是人造肌肉的核心部分，其中两束钢丝嵌入于TPU软管中，并以TPU软管轴线为中心轴分别以顺时针逆时针两方向螺旋排布形成螺旋斜交布局，钢丝与中心轴线夹角为45°至90°之间，液体以一定压力注入管道腔体内。3.根据权利要求1所述的一种PVT精确控制人造肌肉，其特征在于：TPU钢丝管内部固定安装有TPU材质三叉型线缆固定架，固定架的三个支撑臂间夹角均为120°，每个支撑臂均沿径向均匀排布多个圆孔，圆孔内固定温度传感器；线缆固定架中心设置有圆孔，圆孔内径与TPU电缆保护套外径相同；三叉形线缆固定架沿肌肉轴线均匀排布。4.根据权利要求1所述的一种PVT精确控制人造肌肉，其特征在于：驱动单元为液压驱动模块，输液管依次将保温储液罐、微型水泵和肌肉本体相连形成密闭回路；保温储液罐可将液体介质预...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，马昊鹏，谭晶，丁玉梅，谢鹏程，阎华，郎增科，韩风安，
申请(专利权)人：北京化工大学，河北邦泰氨纶科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11