充气伸长型气动柔性驱动器

摘要

本发明公开了一种充气伸长型气动柔性驱动器，加强复合管由初始截面形状为扁平状的弹性橡胶软管以及包裹在该弹性橡胶软管外圆周上的加强网套构成，且螺旋卷绕后形成的轴线方向与加强复合管扁平状初始截面的短半径方向平行；驱动主体套装在导杆上，该驱动主体经加强复合管螺旋卷绕形成的内孔孔壁圆周上均匀地粘接安装有弹性体，弹性体的安装方向平行于驱动主体的轴线方向；驱动主体的一端固联安装有第一端盖，该第一端盖与导杆粘接固联；驱动主体的另一端固联安装有第二端盖，该第二端盖的内孔与导杆之间为间隙配合，并可在导杆上滑动。本发明具有良好柔顺性的直线驱动器，特别适合于诸如医疗康复等应用领域，与人体具有良好的亲和性。

说明书

技术领域

本发明属于气动柔性驱动器，特别是一种充气伸长型气动柔性驱动器。

背景技术

气动柔性驱动器(又称气动肌肉)是近年来发展起来的一种新型驱动装置，它具有柔顺性好、安全性高、功率/重量比大、控制特性类似生物肌肉等优点，所以特别适用于一些对驱动的安全柔顺性要求较高的应用场合，如医疗康复技术应用领域等。目前已经被工业化生产的气动柔性驱动器是由美国人J.L.Mckibben发明的Mckibben型气动肌肉，这种气动柔性驱动器是由内部的橡胶管以及外部的编织网构成，充气后径向方向膨胀、轴向方向收缩，将气体压力转化为轴向的收缩驱动力。目前，很多医疗康复训练器械中都使用了这种气动柔性驱动器作为驱动装置。但由于Mckibben型气动肌肉一方面只能产生单方向的驱动力，即驱动拉力，在很多需要推力的应用场合，则不得不通过设计机械结构来改变力的方向，这大大增加了系统的结构复杂程度；另一方面，Mckibben型气动肌肉所能产生的轴向位移也较小，一定程度上也使它的应用范围受到限制。因此迫切需要一种能产生驱动推力、位移量较大、柔顺性好的驱动装置。

为了解决上述问题，国内外的研究人员提出了一些新型气动柔性驱动器。例如中国专利200520101465.2提出了一种气动柔性驱动器，其驱动主体为一个嵌入了螺旋弹簧的橡胶管，充气后橡胶管膨胀拉伸弹簧产生轴向位移。但受橡胶材料的限制，这种气动柔性驱动器的轴向输出位移较小，驱动力也较小。日本专利P2001-107178提出了一种螺旋管型驱动器，将初始截面为扁平状的橡胶管呈螺旋状缠绕后加以固定，并在螺旋管型驱动器的某一母线位置安装轴向约束件，充气后该母线位置上的橡胶管截面的变形受到限制，而螺旋管圆周的其它位置上的橡胶管膨胀产生位移，从而使螺旋管型驱动器的轴线产生弯曲，实现转动驱动；当去除轴向约束件，并向橡胶管内充气后，螺旋管型驱动器的整个圆周上橡胶管的变形是同步的，因此可产生轴向的伸长位移，实现直线驱动。但由于这种驱动器结构的提出其主要目的是实现弯曲运动的驱动，因此没有考虑直线运动时的导向装置，直线运动的重复性不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充气伸长型气动柔性驱动器，该驱动器在压缩空气的作用下，可提供驱动推力、具有良好的柔顺性、且具有较大的轴向伸长率，特别适用于一些对柔顺性要求较高的直线驱动场合。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种充气伸长型气动柔性驱动器，包括驱动主体、导杆、弹性体、第一端盖和第二端盖，驱动主体是由加强复合管经螺旋形卷绕构成，加强复合管由初始截面形状为扁平状的弹性橡胶软管以及包裹在该弹性橡胶软管外圆周上的加强网套构成，且螺旋卷绕后形成的轴线方向与加强复合管扁平状初始截面的短半径方向平行；驱动主体套装在导杆上，该驱动主体经加强复合管螺旋卷绕形成的内孔孔壁圆周上均匀地粘接安装有弹性体，弹性体的安装方向平行于驱动主体的轴线方向；驱动主体的一端固联安装有第一端盖，该第一端盖与导杆粘接固联；驱动主体的另一端固联安装有第二端盖，该第二端盖的内孔与导杆之间为间隙配合，并可在导杆上滑动。

本发明与现有技术相比，其显著优点：具有良好柔顺性的直线驱动器，特别适合于诸如医疗康复等应用领域，与人体具有良好的亲和性。与传统的Mckibben型气动柔性驱动器相比，本发明为充气伸长型的气动柔性驱动器，即输出力为驱动推力，在很多应用场合可以替代Mckibben型气动肌肉作为驱动器从而简化系统结构设计。而且，本发明充气伸长型气动柔性驱动器的轴向伸长率较高，其最大变形位移量可达初始长度的80％～100％(如：对根据本发明技术方案制作的一个样机的实测数据表明：充气伸长型气动柔性驱动器的初始长度为70mm，在供给气压力为0.2～0.3MPa的条件下，充气伸长型气动柔性驱动器的工作长度为130mm～150mm)。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明充气伸长型气动柔性驱动器的结构剖面示意图。其中，虚线框内为本发明的充放气控制回路示意。

图2表示了构成本发明驱动主体的加强复合管上弹性橡胶软管1a和包裹在外表层上的加强网套1b的相互关系。

图3为加强网套纤维编织的局部放大图。

图4为本发明驱动主体在非工作状态下和通气后的工作状态下工作腔截面变化的对比示意。

图5为本发明在膝关节康复训练器械中的应用实例示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明充气伸长型气动柔性驱动器，包括驱动主体1、导杆2、弹性体3、第一端盖4A和第二端盖4B，驱动主体1是由加强复合管经螺旋形卷绕构成，加强复合管由初始截面形状为扁平状的弹性橡胶软管1a以及包裹在该弹性橡胶软管1a外圆周上的加强网套1b构成，且螺旋卷绕后形成的轴线方向与加强复合管扁平状初始截面的短半径方向平行；驱动主体1套装在导杆2上，该驱动主体1经加强复合管螺旋卷绕形成的内孔孔壁圆周上均匀地粘接安装有弹性体3，弹性体3的安装方向平行于驱动主体1的轴线方向；驱动主体1的一端[L端]固联安装有第一端盖4A，该第一端盖4A与导杆2粘接固联；驱动主体1的另一端[R端]固联安装有第二端盖4B，该第二端盖4B的内孔与导杆2之间为间隙配合，并可在导杆2上滑动。其中，加强复合管呈螺旋状卷绕时每一圈加强复合管都通过强力粘接剂与相临一圈的加强复合管进行粘接。加强复合管的加强网套1b是由柔软的强力纤维经十字交叉编织而成，其纤维的两个相互垂直的编织方向分别与弹性橡胶软管1a的轴向和径向方向平行；加强复合管在伸直的状态下，加强网套1b的轴向长度大于弹性橡胶软管1a的轴向长度。驱动主体1与第二端盖4B粘贴的一端的加强复合管为封闭端，与第一端盖4A粘贴的一端为供/排气口端，加强复合管的封闭端与供/排气口端之间的管道内腔构成了充气伸长型气动柔性驱动器的工作腔。弹性体3由高弹性材料制成，其自由初始长度比驱动主体1的轴向初始长度短，但粘装在驱动主体1的内孔孔壁上时保证其长度与驱动主体1的轴向长度相等。

实施例

结合图1、图2、图3和图4，本发明充气伸长型气动柔性驱动器，包括驱动主体1、导杆2、弹性体3、第一端盖4A和第二端盖4B。初始横截面为扁平状的弹性橡胶软管1a一端封闭，另一端连接有接头，以便与气动控制回路相联接。在弹性橡胶软管1a的外圆周面上包裹着一层高强度的柔软聚酯纤维材质经十字交叉编织而成的加强网套1b，加强网套纤维的两个相互垂直的编织方向分别与弹性橡胶软管1a的轴向和径向平行，加强网套1b的一端与弹性橡胶软管1a的封闭端固联，加强网套1b的轴向长度略大于弹性橡胶软管1a的轴向长度，以弥补本发明驱动主体在制作过程中因螺旋缠绕时内外圆曲率半径不同造成的长度差异。弹性橡胶软管1a和加强网套1b构成了加强复合管，将该加强复合管呈螺旋状卷绕，且螺旋卷绕后形成的轴线方向与加强复合管扁平状初始截面的短半径方向平行，每一圈加强复合管都通过900型强力粘接剂与相临一圈的加强复合管进行粘接，构成了本发明的驱动主体1。弹性体3由弹性材料硅橡胶制成，其自由初始长度比驱动主体1的轴向初始长度略短，但弹性体3沿驱动主体1的轴向方向粘接安装在驱动主体1的内孔孔壁上时，其长度与驱动主体1的轴向尺寸相等，即弹性体3在粘接时产生了少量的初始变形。同样的弹性体3在驱动主体1的内孔圆周方向上共均布安装了四条(条数根据需要而定)。该弹性体的作用是保证驱动主体1在每次工作结束后都可以回复到原来的初始状态。驱动主体1套装在导杆2上，驱动主体1的内孔直径略大于导杆2的直径。驱动主体1的L端安装有第一端盖4A，第一端盖4A与驱动主体1的L端粘接固联，第一端盖4A与导杆2粘接固联；驱动主体1的R端安装有第二端盖4B，第二端盖4B与驱动主体1的R端粘接固联，第二端盖4B与导杆2之间为间隙配合，可在导杆2上滑动。驱动主体1的R端的加强复合管为封闭端，驱动主体1的L端的加强复合管为联接有管接头的供/排气口端，加强复合管封闭端与供/排气口端之间的管道内腔构成了本发明充气伸长型气动柔性驱动器的工作腔。

本发明所述的充气伸长型气动柔性驱动器的工作过程是：当驱动主体的供/排气口连通大气时，充气伸长型气动柔性驱动器处于非工作状态，驱动主体1工作腔的管道截面形状为扁平状，驱动主体1为最大收缩状态，轴向长度最短，无输出力。当给充气伸长型气动柔性驱动器供给压缩空气后，在压缩空气的作用下，驱动主体工作腔体积膨胀，轴线方向长度伸长。由于驱动主体1的R端与第二端盖4B固联，因此驱动主体1的轴向位移转化为第二端盖4B在导杆轴线方向的位移，并通过第二端盖4B对外输出驱动力。在这一过程中，弹性体3伸长，产生弹性阻力。当切换充气伸长型气动柔性驱动器的供/排气口使之通大气后，工作腔内的压缩空气排出，在弹性体3的作用下，充气伸长型气动柔性驱动器长度回复至初始状态，第二端盖4B回到初始位置。改变压缩空气的供气压力，可以改变驱动器的输出力。

下面说明本发明的一个具体应用实例。如图5所示，将本发明应用于膝关节康复训练器中，该关节康复训练器主要由驱动装置和曲柄滑块机构(包括用于支撑大腿和小腿的杆件及相关的一些连接件、做水平运动的滑块等)构成，其中，驱动装置采用了无杆气缸和本发明充气伸长型气动柔性驱动器共同构成的复合驱动器，复合驱动器推动曲柄滑块机构中的滑块做水平方向的运动，从而带动连杆和曲柄做相应的转动，即带动人体膝关节做一定角度范围内的转动，达到膝关节康复训练的目的。复合驱动器中的无杆气缸完成膝关节康复训练屈膝过程中前面的大部分行程，而屈膝过程末端的一段行程则由本发明所述的充气伸长型气动柔性驱动器完成，由于本发明所述的柔性驱动器具有良好的柔顺性，可有效避免由于施力不当对肌肉和韧带产生过度拉伸从而造成的关节二次损伤。