CN110116404B - 平面模块化气动人工肌肉 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种平面模块化气动人工肌肉，包含多个单作用气动人工肌肉模块，每个单作用气动人工肌肉模块，包括：内气缸组，包含多个薄膜气缸，薄膜气缸，包括：框架，在对应的端面设置有内凹结构；薄膜，对应内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔预定距离形成薄型气腔；气缸杆，设置于薄膜上，气缸杆有中空气路通道，与薄型气腔相通；拉动带，与气缸杆相连平行布置于内气缸组两侧，拉动带内包括与气缸杆的气路通道相连通的内置气路；限位带，设置于相邻的薄膜气缸之间，两端分别连接内气缸组两侧的拉动带，用于限制与限位带连接处的拉动带产生相对位移；以及充气部，与拉动带相连，用于连接外置气源后为单作用气动人工肌肉模块充气。

Description

平面模块化气动人工肌肉

技术领域

本公开涉及气动人工肌肉领域，尤其涉及一种平面模块化气动人工肌肉；具体分为单作用类型和双作用类型正压气动人工肌肉。

背景技术

气动人工肌肉是一种在一定气压条件下可以如同肌肉收缩提供输出力的致动器，类似于肌肉的，广泛用于仿生机器人，医疗机器人，外骨骼，工业等场景，具有高功率质量比等特点。

然而由于现有的正压气动人工肌肉会在应用时在厚度方向或径向产生较大的变化，导致其集成化应用出现困难，具体表现为需要相较于其不作用状态时更大的安装空间，造成设备臃肿，浪费使用空间。负压人工肌肉在应用时不会出现厚度方向的变化，但是其受制于负压上限的影响，输出力会受到限制。且速度性远低于正压人工肌肉。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种平面模块化气动人工肌肉，以缓解现有技术中正压气动人工肌肉集成化应用困难，安装空间大，造成设备臃肿，浪费使用空间等技术问题。

(二)技术方案

在本公开中一个方面，提供一种平面模块化气动人工肌肉，其为单作用类型，包含多个单作用气动人工肌肉模块，每个所述单作用气动人工肌肉模块，包括：内气缸组，包含多个薄膜气缸，所述薄膜气缸，包括：框架，在对应的端面设置有内凹结构；薄膜，对应所述内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔预定距离形成薄型气腔；气缸杆，设置于所述薄膜上，所述气缸杆有中空气路通道，与所述薄型气腔相通；拉动带，与所述气缸杆相连平行布置于所述内气缸组两侧，所述拉动带内包括与气缸杆的气路通道相连通的内置气路；限位带，设置于相邻的薄膜气缸之间，两端分别连接内气缸组两侧的拉动带，用于限制与限位带连接处的拉动带产生相对位移；以及充气部，与所述拉动带相连，用于连接外置气源后为所述单作用气动人工肌肉模块充气。

在本公开中另一个方面，还提供一种平面模块化气动人工肌肉，其为双作用类型，包括多个双作用人工肌肉模块，每个所述双作用人工肌肉模块，包括：内气缸组，包含多个薄膜气缸，所述薄膜气缸，包括：框架，在对应的端面设置有内凹结构；薄膜，对应所述内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔一定距离形成薄型气腔；气缸杆，设置于所述薄膜上，所述气缸杆有中空气路通道，与所述薄型气腔相通；拉动带，与所述气缸杆相连平行布置于所述内气缸组两侧，所述拉动带内包括与气缸杆的气路通道相连通的内置气路；外气缸组，设置于所述拉动带的外侧，包括多个外气缸，所述外气缸包括：外气缸框架，一侧端面设置有内凹结构；外气缸薄膜，对应所述外气缸框架的内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔一定距离形成薄型气腔；以及外气缸杆，设置于所述外气缸薄膜上，所述外气缸杆有中空气路通道，与所述薄型气腔相通。

在本公开实施例中，所述的平面模块化气动人工肌肉，当从充气部充入压缩气体时，气体经气缸杆内的气路通道进入所述薄形气腔，压力升高使薄膜被顶起，带动所述气缸杆向外动作产生输出力。

在本公开实施例中，所述的平面模块化气动人工肌肉，其制备方式包括：一体成型注塑、3D打印或MEMS。

在本公开实施例中，所述充气部包括气管和充气带，所述充气带有中空气路与拉动带中内置气路连通。

在本公开实施例中，所述外气缸组与所述内气缸组分别设置于所述拉动带两侧。

在本公开实施例中，所述的平面模块化气动人工肌肉，同一拉动带两侧的外气缸杆作用方向与气缸杆作用方向相反。

在本公开实施例中，所述外气缸与内气缸间隔设置。在本公开实施例中，所述外气缸组表面具有贴合使用表面的性质。

在本公开实施例中，所述外气缸包括仅与拉动带连接侧设置有外气缸杆。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开平面模块化气动人工肌肉至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)集成度高，采用模块化设计，适用于注塑等大批量制造；

(2)不使用传统软体机器人基于表面膨胀的驱动方式，可靠性高，输出力高；

(3)相较传统人工肌肉更高的灵活性可拓展性；

(4)气动肌肉空腔体积小，耗气量小，速度性高；

(5)可以根据不同的应用场景设计不同的模块参数以及模块布局，以获得不同的收缩率、输出力；

(6)可以使用更好的材料获得更良好性能获得的气压上限，在有限的尺寸下获得更理想的输出力。

附图说明

图1(a)为本公开实施例平面模块化气动人工肌肉中薄膜气缸的初始状态的平面示意图。

图1(b)为本公开实施例平面模块化气动人工肌肉中薄膜气缸的充气状态的平面示意图。

图2(a)为本公开实施例平面模块化气动人工肌肉中薄膜气缸的初始状态的三维视图。

图2(b)为本公开实施例平面模块化气动人工肌肉中薄膜气缸的初始状态的三维透视图。

图3(a)为本公开实施例单作用平面模块化气动人工肌肉中单作用气动人工肌肉模块的原始结构示意图。

图3(b)为本公开实施例单作用平面模块化气动人工肌肉中单作用气动人工肌肉模块的充气状态的结构示意图。

图4为本公开实施例单作用平面模块化气动人工肌肉的三维视图。

图5为本公开实施例双作用平面模块化气动人工肌肉的三维视图。

图6为本公开实施例平面模块化气动人工肌肉在柔性外骨骼方面的应用示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-框架；2-薄膜；3-气缸杆；

4-外气缸框架；5-外气缸薄膜；6-外气缸杆。

具体实施方式

本公开提供了一种平面模块化气动人工肌肉，所述平面模块化气动人工肌肉为了获得更高的输出力，且在作用时厚度不会发生较大变化，采用一种平面模块化气动正压人工肌肉，可以兼具更高的输出力以及更好的集成度、速度性。所述平面模块化气动人工肌肉可以用于柔性外骨骼***，仿生机器人***，医疗机器人***，工业等应用场景。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种平面模块化气动人工肌肉，其为单作用类型，结合图1(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)以及图4所示，所述单作用类型平面模块化气动人工肌肉，包含多个单作用气动人工肌肉模块，每个所述单作用气动人工肌肉模块，包括：

内气缸组，包含多个薄膜气缸，所述薄膜气缸，包括：

框架1，在两个相对的端面设置有内凹结构；

薄膜2，对应所述内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔一定距离形成薄型气腔；

气缸杆3，设置于所述薄膜2上，所述气缸杆3有中空气路通道，与所述薄型气腔相通；

拉动带，与所述气缸杆3相连平行布置于所述内气缸组两侧，所述拉动带内包括与气缸杆3的气路通道相连通的内置气路；

限位带，设置于相邻的薄膜气缸之间，两端分别连接内气缸组两侧的拉动带，用于限制与限位带连接处的拉动带产生相对位移；

充气部，与所述拉动带相连，用于连接外置气源后为所述单作用气动人工肌肉模块充气，包括气管和充气带，所述充气带有中空气路与拉动带中内置气路连通。

当从气缸杆充入压缩气体时，薄形气腔内压力升高薄膜2被顶起，带动气缸杆3向外动作产生输出力。当停止充气时，薄膜气腔内压力降低，薄膜2由于回复力自动回复初始位置。所述薄膜2及气缸杆可以通过一体成型如注塑、3D打印等制造，尺寸可以根据使用需要改变，如需要更大的输出力即提高薄膜2面积，如需更低的厚度，即减小框架尺寸。

在本公开实施例中，结合图3、图4所示为单作用平面模块化气动人工肌肉结构截面原理图及三维图，其中包括框架1，薄膜2，气缸杆3，拉动带，充气带，通气孔，气管，内置气路，限位带，薄膜气缸。其中薄膜气缸纵向间隔布置，中间布置有限位带，用于限制固定点处的拉动带的横向位移。拉动带平行布置于薄膜气缸两侧，内部有内置气路，利用通气孔与薄膜气缸的气缸杆3的气口相连，形成气路。充气带布置于上部，与拉动带垂直，内部有内置气路，通过通气孔与拉动带内置气路相连，形成气路，通过气管连接外部气源，压缩空气通过内置气路进入薄形气腔。气缸杆3推动拉动带向外变形，由于限位带的限位作用，拉动带最终呈“M”样变化，如图3(b)所示。使得整体单作用气动人工肌肉纵向长度缩短，向外输出力作用。所述横向指气缸杆运动方向，纵向指垂直气缸杆的运动的方向，所述此种布置可独立应用适用于只需要一条肌肉的应用场景。

在本公开中，如图5所示，还提供一种平面模块化气动人工肌肉，其为双作用类型，所述双作用平面模块化气动人工肌肉包括多个双作用人工肌肉模块，每个所述双作用人工肌肉模块，包括：

内气缸组，包含多个薄膜气缸，所述薄膜气缸，包括：

框架1，在两个相对的端面设置有内凹结构；

薄膜2，对应所述内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔一定距离形成薄型气腔；

气缸杆3，设置于所述薄膜2上，所述气缸杆3有中空气路通道，与所述薄型气腔相通；

拉动带，与所述气缸杆3相连平行布置于所述内气缸组两侧，所述拉动带内包括与气缸杆3的气路通道相连通的内置气路；

外气缸组，成对设置于相邻的薄膜气缸之间，包括多对外气缸，所述外气缸包括：

外气缸框架4，一侧端面设置有内凹结构；

外气缸薄膜5，对应所述外气缸框架4的内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔一定距离形成薄型气腔；

外气缸杆6，设置于所述外气缸薄膜5上，所述外气缸杆6有中空气路通道，与所述薄型气腔相通；

所述成对设置的外气缸的外气缸杆6作用方向，与薄膜气缸的气缸杆3作用方向相反，使对应处的两侧拉动带产生向内的相对位移；加大了所述双作用平面模块化气动人工肌肉的纵向收缩能力。

充气部，与所述拉动带相连，用于连接外置气源后为所述双作用平面模块化气动人工肌肉充气，包括气管和充气带，所述充气带有中空气路与拉动带中内置气路连通。

内气缸组位于相邻的拉动带之间；内气缸与外气缸非别位于同一拉动带两侧。

在本公开实施例中，如图5所示为双作用平面模块化气动人工肌肉三维图，其为两条拉动带的情况，可根据使用条件扩充数量。其中包括拉动带，充气带，气管，薄膜气缸。原理与单作用类似，但是拉动带两边外侧分别布置外气缸，依据内气缸和外气缸分布布置通气孔。内部形成内置气路，通过气管连接外部气源，压缩空气通过内置气路进入薄形气腔。充气时，相对设置的外气缸的外气缸杆同时向内推动拉动带，因此不需要限位带的布置，减少质量，同时又加强了双作用平面模块化气动人工肌肉的纵向收缩能力。内气缸组的气缸杆3推动拉动带分别向外变形，最终使每条拉动带呈“S”样变化。此种布置适合需要输出力比较大的场合，多条拉动带布置，提高输出力。(长度比参数)双作用设计作用时不仅在厚度方向基本不发生变化，且在宽度方向也不会发生变化，可集成性相较单作用设计更高。且可以设计成任意宽度任意长度，在柔性外骨骼方面有宽广应用空间，采用MEMS(Microfabrication Process，微制造)工艺制造进一步降低厚度，可以实现如同衣物一般的穿着感。

由于模块的分布布置，气动肌肉具有贴合使用表面的性质，可以通过改变设计参数使得气动肌肉最大可弯曲曲率半径更小。可以根据具体使用条件更改设计参数，选择一体成型或分体制造的方法。一体成型包括3D打印，注塑，MEMS工艺等。分体制造可以选用不同材料，例如拉动带材料选择抗拉强度高的材料，以提高整体人工肌肉的刚度。

如图6所示为平面模块化气动人工肌肉在柔性外骨骼方面的应用图，其采用双作用平面模块化气动人工肌肉，包括多条沿着手臂方向的拉动带，一端固定于肘关节上部，一端固定于肘关节下部，通过充气，可以提供手臂伸展收缩的助力。并且由于厚度方向基本不变，因此不会对皮肤造成挤压，穿戴感良好。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开平面模块化气动人工肌肉有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种平面模块化气动人工肌肉，所述平面模块化气动人工肌肉为了获得更高的输出力，且在作用时厚度不会发生较大变化，采用一种平面模块化气动正压人工肌肉，可以兼具更高的输出力以及更好的集成度、速度性。所述平面模块化气动人工肌肉可以用于柔性外骨骼***，仿生机器人***，医疗机器人***，工业等应用场景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面模块化气动人工肌肉，其为单作用类型正压气动人工肌肉，包含多个单作用气动人工肌肉模块，每个所述单作用气动人工肌肉模块，包括：

内气缸组，包含多个薄膜气缸，所述薄膜气缸，包括：

框架（1），在对应的端面设置有内凹结构；

薄膜（2），对应所述内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔预定距离形成薄型气腔；

气缸杆（3），设置于所述薄膜（2）上，所述气缸杆（3）有中空气路通道，与所述薄型气腔相通；

拉动带，与所述气缸杆（3）相连平行布置于所述内气缸组两侧，所述拉动带内包括与气缸杆（3）的气路通道相连通的内置气路；

限位带，设置于相邻的薄膜气缸之间，两端分别连接内气缸组两侧的拉动带，用于限制与限位带连接处的拉动带产生相对位移；以及

充气部，与所述拉动带相连，用于连接外置气源后为所述单作用气动人工肌肉模块充气。

2.一种平面模块化气动人工肌肉，其为双作用类型正压气动人工肌肉，包括多个双作用人工肌肉模块，每个所述双作用人工肌肉模块，包括：

内气缸组，包含多个薄膜气缸，所述薄膜气缸，包括：

框架（1），在对应的端面设置有内凹结构；

薄膜（2），对应所述内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔一定距离形成薄型气腔；

气缸杆（3），设置于所述薄膜（2）上，所述气缸杆（3）有中空气路通道，与所述薄型气腔相通；

拉动带，与所述气缸杆（3）相连平行布置于所述内气缸组两侧，所述拉动带内包括与气缸杆（3）的气路通道相连通的内置气路；

外气缸组，设置于所述拉动带的外侧，包括多个外气缸，所述外气缸包括：

外气缸框架（4），一侧端面设置有内凹结构；

外气缸薄膜（5），对应所述外气缸框架（4）的内凹结构设置，其与内凹结构的表面间隔一定距离形成薄型气腔；以及

外气缸杆（6），设置于所述外气缸薄膜（5）上，所述外气缸杆（6）有中空气路通道，与所述薄型气腔相通。

3.根据权利要求1或2所述的平面模块化气动人工肌肉，当从充气部充入压缩气体时，气体经气缸杆（3）内的气路通道进入所述薄型气腔，压力升高使薄膜（2）被顶起，带动所述气缸杆（3）向外动作产生输出力。

4.根据权利要求1或2所述的平面模块化气动人工肌肉，其制备方式包括：一体成型注塑、3D打印或MEMS。

5.根据权利要求1或2所述的平面模块化气动人工肌肉，所述充气部包括气管和充气带，所述充气带有中空气路与拉动带中内置气路连通。

6.根据权利要求2所述的平面模块化气动人工肌肉，所述外气缸组与所述内气缸组分别设置于所述拉动带两侧。

7.根据权利要求2所述的平面模块化气动人工肌肉，同一拉动带两侧的外气缸杆（6）作用方向与气缸杆（3）作用方向相反。

8.根据权利要求2所述的平面模块化气动人工肌肉，所述外气缸与内气缸间隔设置。

9.根据权利要求2所述的平面模块化气动人工肌肉，所述外气缸组表面具有贴合使用表面的性质。

10.根据权利要求2所述的平面模块化气动人工肌肉，所述外气缸包括仅与拉动带连接侧设置有外气缸杆。

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