[發明專利]一種繩驅同軸人工肌肉執行器及其控制方法

在審

• 申請號: 202210127432.3
• 申請日: 2022-02-11
• 公開（公告）號: CN114406999A
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 趙迪;任雷;王坤陽;錢志輝;梁威;陳魏;盧雪薇;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 邵銘康;朱世林

一種繩驅同軸人工肌肉執行器及其控制方法屬人工肌肉執行器技術領域，本發明具有驅動繩索、后外殼固定繩索和整個人工肌肉執行器在同一軸線上的特點，與天然肌肉具有相似的形狀；本發明的同軸繩驅人工肌肉執行器能主動控制驅動繩索和后外殼固定繩索的張緊力，使其具有與天然肌肉相似的特性；本發明克服了現有技術方案布置難度高、控制精度低的問題，能廣泛應用于各種機械臂和外骨骼裝置中。本發明還提供了一種人工肌肉執行器的閉環主動張緊力控制方法。

技術領域

本發明屬人工肌肉執行器技術領域，具體涉及一種繩驅同軸人工肌肉執行器及其控制方法。

背景技術

人工肌肉是一種模仿天然肌肉的執行器，它可以在外部信號的激勵下自主進行可逆的收縮。人工肌肉具有和天然肌肉相似的柔性，因此比傳統的剛性執行器具有更廣闊的應用前景，在人造外骨骼、仿生機器人等領域均有應用。

人工肌肉的主要評價指標包括最大應力、最大應變、循環壽命、功率密度、效率等指標。目前已有在某些指標上超越天然肌肉的人工肌肉，依托于這些人工肌肉，可以開發性能強大的人造外骨骼和仿生機器人，在康復訓練、災難救援、軍事偵察等領域均有巨大的應用潛力。

根據驅動機制，可將人工肌肉執行器分為六大類。第一類為電場驅動型，即通過對由電活性物質組成的人工肌肉施加特定的電場來驅動其運動。這類執行器已經過長期的發展，控制信號易于產生，但這類肌肉的運動能力低，且具有很強的非線性，不具備實用性。第二類為溫度驅動型，即通過對繩索編織而成人工肌肉進行加熱或冷卻，從而使其收縮，這類執行器缺點是控制信號不易產生，且響應速度慢。第三類為流體驅動型，即通過向囊內填充流體來使人工肌肉收縮，這類人工肌肉是目前唯一被大規模應用的人工肌肉，具有超越天然肌肉的性能，但體積和重量都較大，應用領域有限。第四類為液體吸收驅動，即使繩索編織而成的人工肌肉吸收液體來實現收縮，這一類人工肌肉的控制信號不易產生和控制。第五類為離子驅動，即在通電情況下通過離子的移動來改變人工肌肉內溶液的含量，從而實現對收縮的控制，這類人工肌肉需要在溶液或凝膠中工作，應用領域受限。第六類為通過電機驅動的人工肌肉，這類人工肌肉執行器采用電能作為能源，采用電機作為電能和機械能之間的轉換裝置，并采用滑輪、絲杠、繩索等機械裝置作為傳動裝置，實現運動方向的轉化。這類人工肌肉執行器易于控制、易于制造，同時也具有較高的功率密度和環境適應性，具備廣闊的應用前景。目前已有基于此類人工肌肉執行器的仿生機器人和柔性外骨骼問世。

在設計由電機驅動的人工肌肉執行器時，希望執行器有較大的最大應變和功率密度，所以要減小裝置的體積和重量，同時保持較大的工作行程。同時，人工肌肉要具有柔性，可沿非直線路徑布置。所以此類執行器通常采用繩驅機構作為傳動裝置，以將電機的轉動轉換為執行器的直線運動。

發明內容

本發明克服了現有繩驅人工肌肉執行器集成度低、布置難度高的問題，提出了一種繩驅人工肌肉執行器設計方案，該執行器具有驅動繩索與執行器外殼同軸，以及可以精確測量繩索張緊力的特點，同時提供了該執行器的控制方法。

本發明的繩驅同軸人工肌肉執行器由繞線組件A、前部組件B、后部組件C和繩索Ⅰ1組成，其中：繞線組件A由支架A1、繞線臂A2、繞線軸A3、驅動環2、繩索Ⅱ3、瓷管Ⅰ4和瓷管Ⅱ5組成，支架A1的豎板6上設有孔Ⅰ7，支架A1的橫板8上設有凸臺組9的三個凸臺；繞線臂A2上設有上孔10和中心孔Ⅰ11；繞線軸A3上設有導向銷12、中心孔Ⅱ13和繞線槽14；瓷管Ⅰ4固接于支架A1的孔Ⅰ7；瓷管Ⅱ5固接于繞線臂A2的上孔10；驅動環2、繩索Ⅱ3、支架A1、繞線臂A2和繞線軸A3自前至后順序排列；繩索Ⅱ3前端與驅動環2固接，繩索Ⅱ3后端經瓷管Ⅰ4和瓷管Ⅱ5固接于繞線軸A3的繞線槽14中。