一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块制造技术

一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块，其电机通过驱动输入盘转动，输入盘通过驱动扭力弹簧从而驱动输出盘转动，输出盘上固接的绕线盘旋转，从而拉动驱动绳。驱动绳绕过滑轮，输出线性运动，实现收缩。在被动端，被动绳穿过两块同极相对的圆柱形磁铁，固定在磁铁扣上。当肌肉模块受到外力时。扭力弹簧先产生形变，当外力超过扭力弹簧的最大力时，两块磁铁之间的距离开始缩小，产生非线性的阻抗力。实现类似肌肉的非线性被动机械柔性，在接近被破坏时，阻抗力急剧增大。

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块
本专利技术涉及机器人驱动
，尤其涉及一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块。
技术介绍
在早期的仿生机器人设计中，关节多采用电机通过减速器直接驱动的方式。在有的设计中，通过在减速器和所驱动的关节之间添加弹性元件，甚至是变刚度弹性系统，从而实现柔性驱动，即安全驱动。这类设计拥有精确运动，降低设计难度的优势。在仿生机器人的发展中，机器人朝着更接近于真实人体的方向。现有的基于电机的柔性驱动器方案大多体积较大，很难被设计为类似人体肌肉并应用在基于仿生设计的机器人上。因此设计具有类似人体肌肉形态和性能的人工肌肉，在现如今高仿真机器人的设计中至关重要。大多人体肌肉可以等效为细长柔性线性驱动器。肌肉的被动刚性是非线性的，随着被动拉伸量的增大，被动刚度弹性系数由初始的较低刚度，逐渐增大，在接近末端呈现指数增大。这一特性保护了肌肉在受到较大冲击力时，被动刚度急剧升高，保护肌肉本身和关节。实现这一特性在仿生肌肉设计中也至关重要。因此，将电机的旋转输出高效地转换为线性输出，并在不增大整个装置直径的情况下实现变刚度被动柔性，模拟出肌肉的形态和变刚度的被动性能一直是一个挑战。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提出了一种利用电机实现的紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块。一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块，包括外壳、电机、输入盘、扭力弹簧、输出盘、第一滑轮、驱动绳、外壳盖、磁铁盒、第一磁铁、第二磁铁、磁铁扣和被动绳；电机插入到外壳中，并由螺钉将电机固定在外壳上；输入盘插入到电机输出轴上，扭力弹簧的一脚固定在输入盘，并插在输入盘上；输出盘通过第一轴承固定在输入盘上，输入盘和输出盘之间的扭力弹簧的另一脚固定在输出盘上；输出盘上方有绕线盘，绕线盘上固定驱动绳的一端，驱动绳穿过通过第一螺钉铰接在外壳盖里的第一滑轮，和通过第二螺钉铰接在外壳盖里的第二滑轮，从外壳盖顶部中间穿出；外壳盖通过螺钉固定在外壳上。磁铁盒内按照同极相对的方式放置有两块圆柱形磁铁，分别为第一磁铁和第二磁铁。两块磁铁之间的初始距离经过计算，刚好使得其所在距离的排斥力等于当电机不转动时，拉动驱动绳使得扭力弹簧完全形变所需要的力。磁铁中间有孔，被动绳一端穿过磁铁并固定在磁铁扣上。被动绳另一端穿过磁铁盒盖。磁铁盒盖通过螺钉固定在磁铁盒上，磁铁盒通过螺钉固定在外壳上。本专利技术的工作过程：1、肌肉模块的驱动绳和被动绳，分别连接需要被驱动关节的两端。2、当该肌肉模块收到收缩的指令时，电机旋转，驱动输入盘转动，输入盘通过驱动扭力弹簧驱动输出盘转动。输出盘上固接的绕线盘旋转，从而拉动驱动绳。驱动绳绕过第一滑轮和第二滑轮，从肌肉模块顶端输出线性运动，实现收缩，进而实现关节运动。3、当该肌肉模块的收缩受到限制的时候，由于两块磁铁之间的初始距离经过计算，刚好使得其所在距离的排斥力等于当电机不转动时，拉动驱动绳使得扭力弹簧完全形变所需要的力，扭力弹簧将会先产生形变。当肌肉模块受到的外力增大到超过扭力弹簧能够承受的最大扭力时扭力弹簧将被限制不能继续产生形变，被动绳将会拉动磁铁扣，然而使得两块磁铁之间的距离开始减小。本专利技术的有益效果：1.紧凑型线性输出：该肌肉模块的设计将电机的旋转输出转换为线性输出，并在有限空间内采用滑轮降低了摩擦，最大限度上保证了整个模块的直径。从而便于后续将该肌肉模块应用在利用细长形人工肌肉驱动的机器人上。2.机械柔性：该肌肉模块实现了柔性被动性能。当驱动绳的收缩受到限制时，扭力弹簧产生形变，或者随后磁铁距离减小。防止电机和所驱动设备的损坏。同时实现人员操作安全性。3.非线性被动机械柔性：由于采用了弹簧和磁铁结合的方式，该肌肉模块能够实现非线性被动机械柔性。两块同级相对的磁铁之间的排斥力随着磁铁之间距离的减小将会急剧上升。磁铁的排斥力可以用于模拟肌肉在接近被破坏的阶段阻抗力急剧上升的特性。而前期扭力弹簧收力产生形变，能够模拟肌肉在受到较小外力阶段平缓的被动特性。4.紧凑实现非线性被动机械柔性：相较于其它实现非线性被动机械柔性的方案，由于采用了跟电机直径接近的圆柱形磁铁，肌肉模块的直径不会因此变大。这一特性使得该肌肉模块可以模拟细长形状的人体肌肉，同时实现了类似人体肌肉的非线性被动特性。在后续的应用中，发挥较大的优势。附图说明图1是本专利技术的主视图。图2是本专利技术的侧视图。图3是图1中的A-A剖视图。图4是本专利技术的爆炸视图。具体实施方式如图1、图2、图3和图4所示，一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块，包括外壳1、电机2输入盘3、扭力弹簧4、输出盘5、第一滑轮7、驱动绳11、外壳盖12、磁铁盒14、第一磁铁15、第二磁铁16、磁铁扣17和被动绳19；电机2插入到外壳1中，并由螺钉将电机2固定在外壳1上。输入盘3插入到电机2输出轴上，扭力弹簧4的一脚固定在输入盘3，并插在输入盘3上。输出盘5通过第一轴承13固定在输入盘3上，输入盘3和输出盘5之间的扭力弹簧4的另一脚固定在输出盘5上。输出盘5上方有绕线盘部分，绕线盘上固定驱动绳11的一端。驱动绳11穿过通过第一螺钉8铰接在外壳盖12里的，和通过第二螺钉10铰接在外壳盖12里的第二滑轮9，从外壳盖12顶部中间穿出。外壳盖12通过螺钉固定在外壳1上。如图3、图4所示，磁铁盒14内按照同极相对的方式放置有两块圆柱形磁铁，分别为第一磁铁15和第二磁铁16；两块磁铁之间的初始距离经过计算，刚好使得其所在距离的排斥力等于当电机2不转动时，被动拉动驱动绳11使得扭力弹簧4完全形变所需要的力；第一磁铁15和第二磁铁16中间有孔，被动绳19一端穿过第一磁铁15和第二磁铁16并固定在磁铁扣17上，磁铁扣17卡在第一磁铁15上。被动绳19的另一端穿过磁铁盒盖18；磁铁盒盖18通过螺钉固定在磁铁盒14上，磁铁盒14通过螺钉固定在外壳1上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块，其特征在于：包括外壳(1)、电机(2)输入盘(3)、扭力弹簧(4)、输出盘(5)、第一滑轮(7)、驱动绳(11)、外壳盖(12)、磁铁盒(14)、第一磁铁(15)、第二磁铁(16)、磁铁扣(17)和被动绳(19)；电机(2)插入到外壳(1)中，并由螺钉将电机(2)固定在外壳(1)上；输入盘(3)插入到电机(2)输出轴上，扭力弹簧(4)的一脚固定在输入盘(3)，并插在输入盘(3)上；输出盘(5)通过第一轴承(13)固定在输入盘(3)上，输入盘(3)和输出盘(5)之间的扭力弹簧(4)的另一脚固定在输出盘(5)上；输出盘(5)上方有绕线盘，绕线盘上固定驱动绳(11)的一端，驱动绳(11)穿过通过第一螺钉(8)铰接在外壳盖(12)里的第一滑轮(7)，和通过第二螺钉(10)铰接在外壳盖(12)里的第二滑轮(9)，从外壳盖(12)顶部中间穿出，外壳盖(12)通过螺钉固定在外壳(1)上；磁铁盒(14)内按照同极相对的方式放置有两块圆柱形磁铁，分别为第一磁铁(15)和第二磁铁(16)，第一磁铁(15)和第二磁铁(16)中间有孔，被动绳(19)一端穿过第一磁铁(15)和第二磁铁(16)并固定在磁铁扣(17)上，磁铁扣(17)卡在第一磁铁(15)上。被动绳(19)的另一端穿过磁铁盒盖(18)，磁铁盒盖(18)通过第四螺钉固定在磁铁盒(14)上，磁铁盒(14)通过螺钉固定在外壳(1)上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型具有变刚度被动柔性的人工肌肉模块，其特征在于：包括外壳(1)、电机(2)输入盘(3)、扭力弹簧(4)、输出盘(5)、第一滑轮(7)、驱动绳(11)、外壳盖(12)、磁铁盒(14)、第一磁铁(15)、第二磁铁(16)、磁铁扣(17)和被动绳(19)；电机(2)插入到外壳(1)中，并由螺钉将电机(2)固定在外壳(1)上；输入盘(3)插入到电机(2)输出轴上，扭力弹簧(4)的一脚固定在输入盘(3)，并插在输入盘(3)上；输出盘(5)通过第一轴承(13)固定在输入盘(3)上，输入盘(3)和输出盘(5)之间的扭力弹簧(4)的另一脚固定在输出盘(5)上；输出盘(5)上方有绕线盘，绕线盘上固定驱动绳(11)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：任雷，杨皓森，魏国武，钱志辉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22