基于形状记忆合金驱动的新型仿生骨骼肌

摘要

本发明公开了一种仿生骨骼肌，由形状记忆合金丝驱动，包括多个形状记忆合金丝、第一加热电路板、第二加热电路板、至少一个散热绝缘板、柔性绝缘丝和储能弹簧。散热绝缘板在第一加热电路板与第二加热电路板之间，多个形状记忆合金丝的两端分别固定于第一加热电路板和第二加热电路板，并围绕散热绝缘板，形成纺锤形的仿生骨骼肌。柔性绝缘丝纵向穿过仿生骨骼肌并固定于第一加热电路板和第二加热电路板，外界负载力作用在储能弹簧的一端，储能弹簧的另一端与所述柔性绝缘丝相连。本发明通过将多个形状记忆合金丝连接构成纺锤形仿生骨骼肌，实现了适应可变的大负载力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生骨骼肌，尤其涉及一种基于形状记忆合金驱动的仿生骨骼 肌。

背景技术

形状记忆合金(SMA)作为一种智能材料，是一种新型的驱动元件。目前， SMA在航空、医疗等领域都有广泛的应用，很多应用都已经产业化。但是SMA 在仿生肌肉的驱动方面发展相对落后。SMA和人体肌肉，尤其是骨骼肌，有很多 类似的特性，比如高功率密度、大输出力、柔软性、单向收缩、自感知等功能。此 外，SMA驱动简单，电流加热即可实现，从而有条件实现“机构-传感-驱动”于一体 的集成仿生骨骼肌的设计。

现阶段国内外在利用SMA作为人工肌肉驱动仿生假肢的研究相对较多，比如 美国麻省理工学院做的机械手(Kyu-Jin Cho，Harry Asada.Multi-Axis SMA Actuator  Array for Driving Anthropomorphic Robot Hand.Proceedings of the 2005 IEEE  International Conference on Robotics and Automation Barcelona，Spain，April 2005)， 利用SMA实现了多自由度仿生手的驱动。然而该设计仅仅实现了手部的动作，并 没有真正利用上SMA大输出力的特性。人体肌肉，尤其是骨骼肌不仅仅能够实现 关节的运动，更能够适应不同的负载变化。比如人体小腿三头肌在人体正常步态中， 需要承载1.2倍的人体自身重量。SMA作为具有高功率密度，大输出力特性的驱 动元件，有能力实现大负载下的仿生骨骼肌的设计。然而到目前为止，还没有真正 基于SMA驱动的可以适应可变的大负载力的仿生骨骼肌。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种仿生骨骼 肌，由形状记忆合金丝驱动，通过将多个形状记忆合金丝连接构成纺锤形仿生骨骼 肌，实现了适应可变的大负载力。

为实现上述目的，本发明提供了一种仿生骨骼肌，由形状记忆合金丝驱动，其 特征在于，包括多个形状记忆合金丝、第一加热电路板、第二加热电路板、至少一 个散热绝缘板、柔性绝缘丝和储能弹簧；所述散热绝缘板在所述第一加热电路板与 所述第二加热电路板之间；所述多个形状记忆合金丝的两端分别固定于所述第一加 热电路板和所述第二加热电路板，并围绕所述散热绝缘板，形成所述仿生骨骼肌， 所述仿生骨骼肌呈纺锤形；所述柔性绝缘丝纵向穿过所述仿生骨骼肌并固定于所述 第一加热电路板和所述第二加热电路板；外界负载力作用在所述储能弹簧的一端， 所述储能弹簧的另一端与所述柔性绝缘丝相连。

进一步地，所述散热绝缘板为圆形且具有齿状外缘，所述形状记忆合金丝穿过 所述齿状外缘的齿间凹槽。

进一步地，所述各形状记忆合金丝具有相同的长度和直径。

进一步地，通过所述第一加热电路板上的电路和所述第二加热电路板上的电 路，所述多个形状记忆合金丝形成多组彼此并联连接的形状记忆合金丝组。

进一步地，通过所述第一加热电路板上的电路和所述第二加热电路板上的电 路，每个所述形状记忆合金丝组内的各个所述形状记忆合金丝串联连接。

进一步地，各所述形状记忆合金丝组内具有数目相同的所述形状记忆合金丝。

进一步地，所述柔性绝缘丝的表面是绝缘的。

进一步地，所述形状记忆合金丝在通电被加热时收缩。

进一步地，所述柔性绝缘丝在所述形状记忆合金丝发生的伸长量小于所述形状 记忆合金丝的最大可恢复伸长量时处于松弛状态。

在本发明的较佳实施方式中，采用了24根具有相同的长度和直径形状记忆合 金丝，这些形状记忆合金丝固定在第一加热电路板和第二加热电路板之间，两块加 热电路板之间具有两块直径较大的散热绝缘板，由此形成了纺锤形的仿生骨骼肌。 通过第一加热电路板和第二加热电路板上的电路，这些形状记忆合金丝形成了6 组彼此并联的形状记忆合金丝组。其中，每组形状记忆合金丝组均具有4根形状记 忆合金丝。通过第一加热电路板和第二加热电路板上的电路，各组形状记忆合金丝 组内的4根形状记忆合金丝串联连接。在本发明的较佳实施方式中，还包括柔性绝 缘丝，该柔性绝缘丝纵向穿过纺锤形的仿生骨骼肌并固定于第一加热电路板和第二 加热电路板，用以在形状记忆合金丝达到最大形变前承受外界负载力。在本发明的 较佳实施方式中，还包括储能弹簧，用以模拟人体骨骼肌肌腱的能量存储功能。外 界负载力作用在该储能弹簧的一端，该储能弹簧的另一端与柔性绝缘丝相连。外界 负载力通过储能弹簧作用在仿生骨骼肌的形状记忆合金丝上，在非通电状态下，使 这些形状记忆合金丝被动地伸长；而通电状态下，形状记忆合金丝被加热而发生相 变，因而发生主动收缩，产生相应的张力。

因此可见，本发明的仿生骨骼肌通过使用直径较大的散热绝缘板，将多个形状 记忆合金丝排列构成纺锤形仿生骨骼肌，这样可以使仿生骨骼肌的受力集中，并且 保证了形状记忆合金丝的大散热空间。本发明的仿生骨骼肌通过使用柔性绝缘丝， 实现了在形状记忆合金发生塑性形变前承受外部负载力，从而大大减小形状记忆合 金丝的负载力，因此能够保护本发明的仿生骨骼肌的形状记忆合金丝。本发明的仿 生骨骼肌通过使用储能弹簧，模拟人体骨骼肌肌腱的能量存储功能，从而在外界负 载力过大的情况下可以减小形状记忆合金丝主动收缩时所做的功。因此，本发明的 仿生骨骼肌是一种可以适应可变的大负载力的仿生骨骼肌。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的仿生骨骼肌的主视图。

图2是本发明的仿生骨骼肌的俯视图(显示了第一加热电路板的端面)。

具体实施方式

如图1所示，本发明的仿生骨骼肌包括24根形状记忆合金丝3、第一加热电 路板2、第二加热电路板6、两个散热绝缘板4和5、柔性绝缘丝1和储能弹簧7。 散热绝缘板4、5在第一加热电路板2与第二加热电路板6之间，形状记忆合金丝 3的两端分别固定于第一加热电路板2和第二加热电路板6，并围绕散热绝缘板4、 5，形成呈纺锤形的仿生骨骼肌。柔性绝缘丝1纵向穿过本发明的仿生骨骼肌，其 中依次穿过两个散热绝缘板4和5的中心孔。柔性绝缘丝1固定于第一加热电路板 2和第二加热电路板6，可以使用固定螺钉进行固定，如图2所示的固定螺钉11 将柔性绝缘丝1与第一加热电路板2固定在一起。并通过相同的方式将柔性绝缘丝 1与第二加热电路板6固定。为了保证本发明的仿生骨骼肌的整体稳定性，本实施 例中还使用了安装在散热绝缘板4的中心孔处的固定螺钉10，使柔性绝缘丝1固 定在散热绝缘板4上；并且相似地，使用了固定螺钉12使柔性绝缘丝1固定在散 热绝缘板5上。外界负载力作用在储能弹簧7一端，储能弹簧7的另一端与柔性绝 缘丝1相连。

如图2的本发明的仿生骨骼肌的俯视图所示，散热绝缘板4为圆形且具有齿状 外缘，齿状外缘上有均匀分布的齿间凹槽13。形状记忆合金丝3穿过齿状外缘的 齿间凹槽13，均匀地分布以围绕散热绝缘板4。散热绝缘板5与散热绝缘板4构造 相同，为圆形且具有齿状外缘，形状记忆合金丝3穿过散热绝缘板5的齿状外缘的 齿间凹槽，均匀地分布以围绕散热绝缘板5。

第一加热电路板2为圆形，直径小于散热绝缘板4、5的直径，其上具有一圈 圆孔14。圆孔14为通孔，直径较小(但略大于形状记忆合金丝3的直径)，呈均 匀分布，圆孔14的数目和散热绝缘板4、5的齿状外缘的齿间凹槽13的数目相同。 第二加热电路板6与第一加热电路板2构造相同。在本实施例中，形状记忆合金丝 3穿过圆孔14与第一加热电路板2实现机械结构上的固定，并以相同的方式与第 二加热电路板6实现机械结构上的固定，并且由此分别接入第一加热电路板2和第 二加热电路板6上的电路。

第一加热电路板2和第二加热电路板6上都具有电路，通过第一加热电路板2 和第二加热电路板6上的电路，形状记忆合金丝3形成了6组彼此并联的形状记忆 合金丝组。其中，每组形状记忆合金丝组均具有4根形状记忆合金丝。通过第一加 热电路板2和第二加热电路板6上的电路，各组形状记忆合金丝组内的4根形状记 忆合金丝串联连接。通过导线9和置于第一加热电路板2之上的电路导引板8，对 这些经过串联及并联的形状记忆合金丝3加电。

储能弹簧7模拟的是人体骨骼肌肌腱的能量存储功能，当外界负载力过大的时 候将负载力做的功转化成弹性势能，当负载力变小时，释放弹性势能。

外界负载力作用在储能弹簧7的一端，并通过储能弹簧7作用在本发明的仿生 骨骼肌的形状记忆合金丝3上。在非通电状态下，形状记忆合金丝3被动地伸长， 并进入自身的去孪马氏体状态(即非孪晶马氏体态)。此时，本发明的仿生骨骼肌 处于整体被拉伸的状态。需要指出，本发明的仿生骨骼肌并不是随着负载力的增加 而无限伸长的。当形状记忆合金丝3发生的伸长量小于其最大可恢复伸长量时，柔 性绝缘丝1处于松弛状态；但是当负载力过大的时候，本发明的仿生骨骼肌的形状 记忆合金丝3发生的伸长量到达其最大可恢复伸长量(即其伸长状态的最大弹性形 变量)，仿生骨骼肌中的柔性绝缘丝1将受力被拉伸。本发明的仿生骨骼肌的柔性 绝缘丝1的弹性系数应该足够大，以使柔性绝缘丝1起承担负载力的主要作用，从 而减少作用在形状记忆合金丝3上的拉力。因此，柔性绝缘丝1能够起到保护形状 记忆合金丝3的作用。优选地，可以把使柔性绝缘丝1进入受力被拉伸状态的形状 记忆合金丝3发生的伸长量设定为略小于形状记忆合金丝3的最大可恢复伸长量， 以更好地保护形状记忆合金丝3。

通过导线9、电路导引板8、第一加热电路板2和第二加热电路板6，对经过 串联及并联的形状记忆合金丝3加电。在通电状态下，形状记忆合金丝3被加热， 并由于温度升高而发生马氏体相变，从而产生主动收缩动作。当给形状记忆合金丝 3提供足够大的电流的时候，形状记忆合金丝3会在温度升高到一定温度时，全部 进入奥氏体状态，此时本发明的仿生骨骼肌处于最短的状态。在形状记忆合金丝3 收缩过程中，柔性绝缘丝1处于松弛状态，从而不会影响形状记忆合金丝3的力学 特性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。