人工肌肉驱动的新型仿生运动机构 【技术领域】
本发明属于机械工程与自动化及机器人技术领域，涉及一种机电一体化装置，特别涉及一种运用人工肌肉驱动的新型仿生运动机构。
背景技术
人工肌肉由记忆合金(shape-memorial alloys)或电敏聚合材料(electroactive polymers，EAPs)制成。人工肌肉是当今美国、日本等发达国家正在大力发展的一种新材料。此项研究已取得了初步的成功，数种基于记忆合金或电敏聚合材料制成的人工肌肉已在美国日本等国的实验室研制成功。但是这种新材料在各种工程领域的潜在利用价值还没有得到足够的重视。
人工肌肉作为一种新兴的高科技材料，本身并没有任何的功效，就好比一个孤立的电动机一样，起不到任何的作用。它需要与相应的机械电子装置匹配在一起之后才能发挥其作用。现今科技界已经数个将人工肌肉与机电装置相结合的设计案例。但是由于人工肌肉有别于任何其他传统材料的特性，传统地电机装置并不能充分利用其优点。而专门针对人工肌肉的特性而设计的机电装置目前在世界范围还处于起步阶段。在中国，这方面的设计成果几乎还处于空白状态。
在现有技术中，也有一种是采用凝胶体的电化学特征，如名称为“改进的人工管状肌肉及其应用”的中国发明专利，其申请号为98106723，公开了由高分子弹性材料和纤维制成的管状结构，纤维均匀分布在管壁中，管状肌肉在泵的驱动下沿管轴轴向伸缩，而不产生横向扩张；其在泵的驱动下伸缩，就可产生类似肌肉收缩或扩张的作用。在另一名称为“人工肌肉”的中国专利申请中，其申请号为02133908，公开了由单束人工肌肉纤维为构成单元，整块肌肉由多根单束人工肌肉纤维构成；而单束人工肌肉纤维由双螺旋线圈、弹性胶、磁流变液微团构成；当双螺旋线圈两端通电时，单束人工肌肉纤维产生变形，产生类似肌肉收缩的效果。
上述现有技术中所公开的相关内容，都是关于人工肌肉的构成、原理等；都没有人工肌肉运用的详细描述，特别是没有利用该种人工肌肉来制成运动机构的较详细的技术方案，没有利用人工肌肉在电流的作用下产生伸缩的特性来驱动该种机构的运动。
【发明内容】
本发明针对上述没有利用人工肌肉来制成运动机构的技术方案不足，提供一种由人工肌肉驱动的新型仿生运动机构，特别是一种采用由记忆合金或电敏聚合材料构成的人工肌肉驱动的、可代替传统技术中由马达(电机)等驱动的运动机构。
本发明的目的是这样实现的：人工肌肉驱动的新型仿生运动机构，包括脉冲电源线、控制器和电源，控制器的一端与脉冲电源线的一端联接，控制器的另一端与电源联接，其改进之处在于：还包括骨架、人工肌肉和形变感应器，所述骨架由单节或两节或两节以上的椎骨组成，该椎骨表面和内部有孔隙；人工肌肉的两端分别固定在椎骨的相邻孔隙上，并分别与脉冲电源线的另一端相联接；形变感应器固定在骨架上，与控制器电联接；
更进一步的特征为：控制器由整流装置、单片机和集成控制电路组成，相互之间电连接；
椎骨的材质为弹性材料，椎骨之间用胶粘联接，或嵌套联接；
椎骨的材质为刚性材料，椎骨之间用铰链联接。
人工肌肉的材质为记忆合金或电敏聚合材料，人工肌肉的形状为任意几何性质的条形立方体。
本发明摒弃了传统技术中使用的电动机(马达)驱动方式，进而改为采用由记忆合金或电敏聚合材料构成的人工肌肉驱动。其优点是人工肌肉能以比电动机更高的效率将电能转化为机械能，消除了由电动机驱动所带来的摩擦损耗和噪音，无污染；还有非常突出的效率高、体积小等优点；可广泛运用到大众娱乐、水下搜救、工程探矿、水下侦查及水下攻击等各个方面。
【附图说明】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本运动机构结构简图。
图2是本运动机构内部连接示意图。
图3是骨架(件1)第一种实施例结构简图。
图4是骨架(件1)第二种实施例结构简图。
图5是人工肌肉(件2)结构简图。
图6是人工肌肉(件2)与脉冲电源线(件3)连接关系简图。
图7是骨架(件1)和人工肌肉(件2)处于原始状态结构简图。
图8是骨架(件1)和人工肌肉(件2)处于变形状态结构简图。
图9是控制器(件5)内部构造示意图。
图10是本运动机构处于变形状态结构简图(弹性骨架)。
图11是本运动机构处于变形状态结构简图(T字形刚性骨架)。
图12是人工肌肉(件2)与骨架(件1)连接关系简图(T字形刚性骨架)。
图13是人工肌肉(件2)与骨架(件1)连接关系简图(弹性骨架)。
图14是骨架(件1)与多条人工肌肉(件2)连接示意图。
图15是本运动机构与外壳(13)(鱼形外壳)的结构简图。
图16是本运动机构与外壳(13)(水母形外壳)的一种结构简图。
图17是本运动机构与外壳(13)(水母形外壳)的另一种结构简图。
【具体实施方式】
附图中1-骨架，2-人工肌肉，3-脉冲电源线，4-形变感应器，5-控制器，6-电源，7-椎骨，8-孔隙，9-铰链，10-整流装置，11-单片机，12-集成控制电路，13-外壳。
如图1、2、3、4所示，本发明仿生运动机构由骨架1、人工肌肉2、脉冲电源线3、形变感应器4、控制器5及电源6共六部分组成。附图1、2所示为八条人工肌肉2，分别编号为S1至S8；附图所示的椎骨7为四节，八条人工肌肉2被分别固定在骨架1的四节椎骨7两侧。每条人工肌肉2两端分别与一条脉冲电源线3相联。脉冲电源线3接控制器5，并通过控制器5联接电源6。骨架1由单节或两节或两节以上的多节椎骨7组成，椎骨7表面和内部有孔隙8；人工肌肉2的两端分别固定在椎骨7的相邻孔隙8上，并分别与脉冲电源线4的另一端相联接；形变感应器3固定在骨架1上，与控制器5电联接。
本仿生运动机构各部分的组成和功能如下所述：
(一).骨架1
骨架1由单节或任意多节椎骨7组成，本附图以四节椎骨为例以方便示意。椎骨7的材质可为弹性材料，如各种橡胶和高分子聚合物，也可为各种刚性材料，如各种金属合金。根据仿生学和优化设计原理，本发明所述之弹性椎骨7包括所有任意几何形状的条形立方体。此处为了方便示意，各附图中椎骨7和由椎骨7构成之骨架均用多块规则矩形立方体来简化表示。弹性椎骨7之间用胶粘联接，或嵌套联接，或其它各种相对固定(允许部分滑动)的联结方式。
类似弹性椎骨的设计，根据优化设计原理，本发明所述之刚性椎骨7包括任意几何形状的条形立方体。此处为方便示意，各附图中的刚性椎骨7及由其所构成的骨架被简化为工字形和T字形两种典型的外形来表示。刚性椎骨7之间用铰链9联接。
椎骨7表面和内部有孔隙8，供人工肌肉2和脉冲电源线3从中通过。附图所示为两种典型的孔隙8位置设计示例。本机构设计涵盖其他各种类型的椎骨7的孔隙8形状和位置设计。
(二).人工肌肉2
如图5、6、7、8、12、13所示，在本仿生运动机构中，由大量纤维状记忆合金或电敏聚合材料聚合，人工肌肉2组成任意几何外形的条状的人工肌肉束。此处仅为方便示意，在附图中，所有人工肌肉2均以规则矩形长条来简化表示。
每条人工肌肉2的两端被分别固定在椎骨7的两处相邻孔隙8内。每条人工肌肉2的两个固定端分别与骨架1内通过的脉冲电源线3的两个端头联接。本发明所述之设计涵盖焊接、胶粘、嵌套联接、点接触联接、滑动联接等各种联接方式。每条人工肌肉2的外面都是外包皮，内部由大量纤维聚合而成。
(三).脉冲电源线3
如图1所示，脉冲电源线3是为人工肌肉施加脉冲电压和电流的电导线，可为任何导体或半导体构成的导电线路。脉冲电源线的一端联接控制器5，并通过控制器5与外接电源6(如各类蓄电池)相联；另一端与人工肌肉2的一个固定端相连。每条人工肌肉2的两个固定端分别有一根脉冲电源线3与控制器5相联。控制器5通过两根脉冲电源线3能完全控制一条人工肌肉束。脉冲电源线3作为现有技术的一部分，在此不作进一步的描述。
(四).形变感应器4
形变感应器4是由各种压电或弹性导电材料制成的标准化形变感应装置，已经被广泛运动在各种自动化仪器仪表及设备中。在运动机构中，薄片状的形变感应器4被固定在骨架1上，如图1所示。当骨架1发生形状改变时，形变感应器4产生相应的电讯号，并通过电导线将讯号传给控制器5，以使控制器5实时监控骨架1形状的变化情况。形变感应器4作为现有技术的一部分，在此不作进一步的描述。
(五).控制器5
控制器5由整流装置10(或其他各种内置变压器)、单片机11(或其他各种能记录控制程序和接受控制信号的装置)和集成控制电路12组成，如附图9所示。其功能是通过整流装置10将外接电源输入的电压和电流转换为适合记忆合金和电敏聚合材料纤维的工作电压和工作电流，并将工作电压和工作电流以脉冲的方式按一定的时序通过脉冲电源线3输出到人工肌肉2，以使人工肌肉2内的记忆合金或电敏聚合材料纤维在此电流的作用下发生相应的形变。单片机11及其相联的集成控制电路12可记录控制程序，可接受外界输入的控制信号，可接收处理形变感应器4发来的电讯号。控制器5可按输入的程序或控制信号开环控制脉冲电流的发生频率、发生时序、电压强弱和电流大小，以此达到控制每条人工肌肉2形状变化的目的。控制器5也可结合控制程序和形变感应器4的电讯号实现闭环控制。
(六).电源6
本机构设计中的电源6或外接电源为任何能提供电能的装置或介质，如各类蓄电池、光电转换器等。电源6作为现有技术的一部分，在此不作进一步的描述。
作为进一步的改进，本发明中的骨架1可为弹性材料，也可为各种刚性材料。弹性骨架的运动方式与能量转化原理也可以通过使用刚性骨架来实现。附图10与附图11分别以弹性材料的骨架1和T字形椎骨的骨架1为例，示意刚性骨架如何在人工肌肉的形变作用下产生变形。附图11为刚性骨架内部联接设计的一个示例。如前所述，本发明中的刚性骨架及由其所构成的运动机构涵盖其他各种根据优化设计原理取得的类似的形状、位置及联接方式设计。
参考人体和各种动物的骨骼与肌肉的复杂的组合方式，本机构设计所涵盖的骨架1与人工肌肉2设计组合方式是多种多样的。附图14给出了设计所涵盖的一种典型的骨骼与肌肉的组合形式，即一节椎骨7与多条人工肌肉2相连接关系示意图。在本机构设计中的连接组合方式，可扩展至其他多边形截面椎骨和多条人工骨肉组合的方式，同时也涵盖圆柱(圆锥)体与任意多条人工肌肉组合的方式。
同时，本仿生运动机构的应用设计可作如下拓展：
如前所述，当本运动机构可在空中、地表、地下、水面或水下等介质中产生推力，并驱动整个机构在介质中产生相对运动。为实现这一目的，前述的运动机构设计必须与其他一些应用设计相结合。本专利涵盖以下所述的各种相关设计示例及其应用。
附图15、16、17作为本发明运动结构的具体运用，简述如下：
一种实施例，如附图15所示，本仿生运动机构被置于一外壳13中，以避免运动机构与外界(空中、地表、地下、水面、水下或其他各种介质中)的直接接触，从而起到保护运动机构内各机械电子部件的目的。根据仿生学和优化设计原理，本发明所述的外壳13涵盖各种能将全部或部分运动机构包裹在内的任意几何形状的壳体(为方便示意，附图15、16、17所示的外壳均简化为平面闭合曲线表示)。外壳13的材料可搭配使用各种能起到上述包裹和保护目的的工程材料。
当机构中的人工肌肉2在控制器5的控制下驱动骨架1产生附图8、10、11所示意的变形时，整个仿生运动机构连同其外壳13就会产生相应的各种曲线状外形变化。根据流体力学和动物学的研究结果，鱼类、蛇类和蚯蚓类动物正是依靠其身体外形的曲线变化来产生推力，从而实现在水中、地表和地下的运动。所以，本运动机构可以在控制器的操纵下模仿动物的外形曲线变化，从而实现在各种环境中产生运动的目的。
通过如附图15所示的由一节(或两节或多节)椎骨7组成的运动机构可以模仿鱼类的外形变化及运动方式，实现在水中的运动。
第二种实施例，如附图16、17为通过本仿生运动机构(多节椎骨组成的弹性骨架)模仿水母外形及运动方式的示例，实现在水中的运动。
本仿生运动机构的工作原理：
控制器5通过两根脉冲电源线3对一条人工肌肉2的两端施加一定强弱程度的电压和电流，促使该人工肌肉2内的记忆合金纤维或电敏聚合材料纤维产生相应大小的拉伸或紧缩形变。由于人工肌肉2两端被分别固定在骨架1上椎骨7的两处孔隙8内，该人工肌肉2的形变就会牵动骨架1上两个固定点之间的直线距离发生变化，从而使骨架上的一段或多段椎骨产生弯曲变形。如附图7、8所示，附图7为人工肌肉2没有产生变形时的原始状态，而图8所示为一段椎骨7左侧的人工肌肉2被拉抻，同时右侧人工肌肉2产生收缩，使该段椎骨7产生相应弯曲变形。
在任意一个时刻，控制器5可以通过多条脉冲电源线3同时向多条人工肌肉2发生不同强弱程度的脉冲电流，促使骨架1上的多条人工肌肉2在同一时刻产生不同程序的拉伸和收缩形变，以此牵动整个骨架1产生复杂的外形变化。例如附图10所示机构中，骨架1为弹性骨架，由S1、S3、S6、S8表示的四条人工肌肉处于拉伸状态，而由S2、S4、S5、S7表示的另外四条人工肌肉则处于收缩状态，因此整个骨架产生变形，整体呈反S形。
在任意一段时间内，控制器5可以连续向多条人工肌肉2发出不同频率、不同强弱、不同时序的脉冲电流，使每条人工肌肉2两端的电压和电流不断变化，从而使整个骨架的形状在多条人工肌肉束的牵动下不断产生相应的变化。这一过程中，外接电源输入的电能被转化为了材料形变和机构运动的机械能。
机械学和运动学理论已经证明，当本运动机构所设计的骨架被置于空中、地表、地下、水面或水下等介质中时，骨架形状在控制器控制下的规律性变化可以在多个方向上产生推力，从而可以驱动整个机构在介质中产生相对运动，即可以把机械能转化为动能和势能。
发明新型仿生运动机构的目的在于利用高科技材料“人工肌肉”的突出优点和潜在价值，使之转化为各种工程领域中可实际利用的新型装置。
本发明所展示的新型仿生运动机构正是专门针对人工肌肉的特性而设计的一种全新的机电装置。为充分利用人工肌肉能屈能伸的形变特点，本发明运动仿生学的原理，模拟脊椎动物的脊椎骨与肌肉的搭配方式，设计出多种刚性和柔性骨架及其与人工肌肉之间灵活多变的联结方式。通过专利说明书所涵盖的设计思想，这种新型的仿生运动机构完全可以实现像真正的脊椎动物一样灵活、复杂、机变的运动方式。而这是那些传统的以电动机驱动的机电装置所难以实现的。这正是新型仿生运动机构的产生运动、提供动力方面最突出的特性和巨大优势。
除此以外，相对于传统的以电动机驱动的运动装置，包括在自动化生产领域(比如汽车装配流水线、制药生产线等)中被广泛应用的各种机器人手臂以及现在热门研究领域里的仿生机器人，新型的以人工肌肉驱动的仿生运动机构还有非常突出的效率高、体积小、噪音小、无污染等优点。
由于本发明专利的上述特点，此项设计技术可以直接替代以电机驱动的机电装置，被运用到各种自动化生产领域。除此以外，本专利技术也可以被运用到医疗、娱乐、工程勘测及军事领域。比如，用本新型仿生运动机构或以制成假肢并植入人体，帮助残疾病人恢复肌体运动功能；新型仿生运动机构还可以模拟脊椎动物的运动方式，在水面及水下产生各种灵活、复杂、机变的运动，因而可以被制成仿生的机器鱼或机器水母等，运用到大众娱乐、水下搜救、工程探矿、水下侦查及水下攻击等各个方面。