CN117001641A - 可配置网格结构气动人工肌肉及功能器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软体机器人气动人工肌肉领域，提供了一种可配置网格结构气动人工肌肉及功能器件，包括一个或多个阵列结构，每个阵列结构包括多个连接在一起的网格单元，每个网格单元包括主动气腔以及与主动气腔不连续相连的被动连接层；阵列结构具有初始状态和最终状态，当对处于初始状态的阵列结构进行正压激励时，阵列结构中的主动气腔会膨胀伸直进而带动被动连接层自适应形变，因此阵列结构会产生水平伸长运动和竖直收缩运动，直到阵列结构到达最终状态。本发明通过采用正压收缩的可配置网格状气动人工肌肉，实现了同时兼具高收缩率和高输出力的正压收缩气动人工肌肉，可配置性好，具有质量轻、成本低、柔顺性好和综合性能优异等优点。

Description

可配置网格结构气动人工肌肉及功能器件

技术领域

本发明涉及软体机器人气动人工肌肉领域，具体地，涉及一种可配置网格结构气动人工肌肉及功能器件，尤其涉及一种高收缩率、高输出力的可配置网格结构气动人工肌肉。

背景技术

由软材料或柔性材料组成的气动人工肌肉，在驱动上相较于传统的电机和气缸更具柔顺性，因此在构建人机友好交互的机械***(例如仿生机器人，软体外骨骼和柔性抓手)中展现出了巨大的应用前景。

目前气动人工肌肉可以分为正压驱动和负压驱动两类。正压驱动的气动人工肌肉主要有Mckibben型、Pouch型以及它们的变体，这些人工肌肉虽然可以产生较大阻塞力，但是他们能达到的最大收缩率较小；难以在高收缩率工作状态下保持高输出力；构型和驱动模式单一，可配置性不足。负压驱动的气动人工肌肉可以实现高收缩率和优异的可配置性，但是负压的驱动压力通常小于一个大气压，限制了负压气动人工肌肉的机械性能。因此，基于新结构，设计具有高收缩率、高输出力和优异可配置性的正压驱动气动人工肌肉具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可配置网格结构气动人工肌肉及功能器件。

根据本发明提供的一种可配置网格结构气动人工肌肉，包括一个或多个阵列结构，每个所述阵列结构包括多个连接在一起的网格单元，每个所述网格单元包括主动气腔以及与所述主动气腔不连续相连的被动连接层；

所述阵列结构具有初始状态和最终状态，当对处于所述初始状态的阵列结构进行正压激励时，能够使得所述阵列结构中的主动气腔膨胀伸直进而带动所述被动连接层自适应形变并由于所述膨胀伸直使得所述阵列结构产生水平伸长运动和竖直收缩运动并最终使得所述阵列结构处于所述最终状态。

优选地，所述主动气腔为外形相匹配且正对布置的气腔上层复合薄膜和气腔下层复合薄膜边缘连接形成的密闭腔体。

优选地，所述气腔上层复合薄膜和气腔下层复合薄膜通过热压熔融的方式实现所述边缘连接，其中，所述气腔上层复合薄膜和气腔下层复合薄膜之间通过阻焊层实现设定边缘宽度的热压熔融。

优选地，所述气腔上层复合薄膜和气腔下层复合薄膜均采用TPU双面覆膜梭织织物面料，所述阻焊层采用硅油纸。

优选地，所述被动连接层为锯齿状结构的复合薄膜，每相邻的两个锯齿之间通过内凹圆弧进行过渡，所述被动连接层采用TPU双面覆膜梭织织物面料。

优选地，所述主动气腔的宽度和所述网格单元的边长的比例能够被调整以匹配不同需求的最大收缩率。

优选地，所述阵列结构为多个竖向网格结构从左到右依次连接形成，所述竖向网格状结构为从上到下按照主动气腔、被动连接层、主动气腔、被动连接层、……、主动气腔、被动连接层的连接形式形成的结构。

优选地，所述气腔上层复合薄膜上设置有气嘴，所述阵列结构上所有的所述气嘴相连并通过同一个气源进行驱动。

优选地，所述气嘴采用TPU材质并通过粘稠的氰基丙烯酸酯粘合剂或热压的方式连接到气腔上层复合薄膜上。

根据本发明提供的一种功能器件，包括所述的可配置网格结构气动人工肌肉。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明创造性地提出了集成柔性网格结构和气压驱动的方法，设计了正压收缩的可配置网格状气动人工肌肉，实现了同时兼具高收缩率和高输出力的正压收缩气动人工肌肉，其最大收缩率可以通过主动气腔宽度和菱形单元边长的比例来进行调整，调整的范围为0％-100％的开区间。

2、本发明提升了气动人工肌肉的可配置性和通用性。其组成部分中的主动气腔和被动连接层的几何形状可以进行变化，将人工肌肉的平面网格结构变为期望的面外网格结构，从而产生变化的构型和运动；其每行和每列的网格单元个数可以根据实际应用调整，具有良好的通用性。并利用覆有热塑性材料的薄膜材料设计制造气动人工肌肉，具有质量轻、成本低、柔顺性好和综合性能优异等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为阵列结构处于中间状态时的结构示意图；

图2为本发明一实施方式中人工肌肉驱动示意图；

图3为本发明一实施方式中人工肌肉菱形单元工作原理图；

图4为本发明一实施方式中主动气腔的组成与制造工艺图；

图5为本发明一实施方式中被动连接层结构图；

图6为本发明一实施方式中人工肌肉制造工艺图；

图7为本发明一实施方式中不同气压激励下人工肌肉力-位移关系图；

图8为本发明其他实施方式中拱形构型人工肌肉结构示意图。

图中示出：

主动气腔1；

气腔上层复合薄膜11；

气嘴12；

阻焊层13；

气腔下层复合薄膜14

被动连接层2；

锯齿状形状特征21；

与上方主动腔体连接区域22；

与上方主动腔体连接区域23

半圆形主动气腔101

半圆形被动连接层201

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明还提供一种可配置网格结构气动人工肌肉，包括一个或多个阵列结构，每个阵列结构包括多个连接在一起的网格单元，每个网格单元包括主动气腔1以及与主动气腔1不连续相连的被动连接层2，阵列结构具有初始状态和最终状态，当对处于初始状态的阵列结构进行正压激励时，阵列结构中的主动气腔1会膨胀伸直进而带动被动连接层2自适应形变，并由于膨胀使得阵列结构会产生水平伸长运动和竖直收缩运动，直到阵列结构到达最终状态，需要说明的是，本发明从初始状态到最终状态使得整个竖直方向的长度变短，实际上通过正压激励的方式使得整个气动人工肌肉进行收缩进而实现相应的驱动功能。

阵列结构为多个竖向网格结构从左到右依次连接形成，竖向网格状结构为从上到下按照主动气腔1、被动连接层2、主动气腔1、被动连接层2、……、主动气腔1、被动连接层2的连接形式形成的结构。

具体地，主动气腔1为外形相匹配且正对布置的气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14边缘连接形成的密闭腔体，当阵列结构处于最终状态时，主动气腔1膨胀，横截面呈圆形或椭圆形结构，气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14通过热压熔融的方式实现边缘连接，在热压熔融的过程中，气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14之间通过阻焊层13实现设定边缘宽度的热压熔融。气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14均优选采用TPU双面覆膜梭织织物面料，TPU双面覆膜梭织织物面料具有热塑性的TPU能够在热压工艺下实现薄膜面料之间可靠的连接，梭织织物则能够提供优异的强度。阻焊层13优选采用硅油纸，硅油纸具有与熔融状态下的TPU不粘接的特性，通过将阻焊层13设置在气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14之间能够有效防止加工过程中薄膜面料之间不期望的连接以及加强气体流通，即气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14之间不需要熔融连接的部位通过阻焊层13隔开。

被动连接层2为锯齿状结构的复合薄膜，采用TPU双面覆膜梭织织物面料。每相邻的两个锯齿之间通过内凹圆弧进行过渡，被动连接层2包括与上方主动腔体连接区域、下方主动腔体连接区域和剩余区域，锯齿状形状特征用于适应网格结构中主动气腔1在气压激励下的变形，减少结构内力。

气腔上层复合薄膜11上设置有气嘴12，阵列结构上所有的气嘴12相连并通过同一个气源进行驱动。气嘴12可与薄膜之间热压或胶水连接，并且可选尺寸、构型丰富，本身具有良好地韧性。

本发明还提供了一种功能器件，包括可配置网格结构气动人工肌肉，功能器件可以应用到多个领域，例如功能器件为机器人等。本发明通过设计柔性网格结构驱动器，实现了具有高收缩率、高输出力、多构型的气动人工肌肉，另外其具备质量轻、成本低和易于制造的特点，可以广泛应用于多个领域。

本发明在自然状态下具有较好的柔顺性和较大的拉伸性；在正压激励下，主动气腔1膨胀并逐渐水平伸直，网状单元结构将水平伸长运动转化为竖直的收缩运动。通过调整主动气腔1和被动连接层2的几何形状可以将人工肌肉设计成其他期望的构型，例如半圆拱形构型等。本发明通过设计柔性网格结构驱动器，实现了具有高收缩率、高输出力、多构型的气动人工肌肉，另外其具备质量轻、成本低和易于制造的特点，可以广泛应用于机器人和医疗领域。

实施例2：

本实施例为实施例1的优选例，图1～图8所示，本实施例提供了一种高收缩率、高输出力的可配置网格结构气动人工肌肉，包括一个阵列结构，本实施例中的阵列结构包括15个网格单元，形成了三排竖向网格状结构，每个竖向网格状结构包括5对主动气腔1和被动连接层2，最终形成了3列5行菱形单元阵列的网格结构，如图2、图3所示，最左侧为人工肌肉处于初始状态时的结构，最右侧为人工肌肉处于最终状态时的结构，通过人工肌肉的正压激励作用使得负载跟随人工肌肉的形变发生位置变化。

本实施例中的功能器件为机器人，阵列结构的下方连接有负载，阵列结构通过正压激励使得自身从竖直方向长度变短，进而能够带动负载做相应运动，如图1所示，为机器人处于初始状态和最终状态之间的中间状态时的结构图，在中间状态时每个网格单元呈菱形结构。

如图4所示，主动气腔1包括气腔上层复合薄膜11、气嘴12、阻焊层13和气腔下层复合薄膜14。气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14均采用TPU双面覆膜梭织织物面料，尺寸相同，区别在于气腔上层复合薄膜11具有安装气嘴12的小孔。将一张气腔上层复合薄膜11和一张气腔下层复合薄膜14对齐，一张阻焊层13采用硅油纸并置于两层复合薄膜之间，阻焊层13的外形均均小于气腔上层复合薄膜11和气腔下层复合薄膜14，小的区域为热粘区域，通过热压方式熔融TPU并冷却连接边缘形成密闭气腔。气嘴13采用TPU材质，通过粘稠的氰基丙烯酸酯粘合剂连接到气腔上层复合薄膜11上。

进一步地，如图5所示，被动连接层2也采用TPU双面覆膜梭织织物面料，具有锯齿状形状特征21，其包括与上方主动腔体连接区域22、与下方主动腔体连接区域23和剩余区域，与上方主动腔体连接区域22和与下方主动腔体连接区域23交错分布。

气动人工肌肉在制作时，5对主动气腔1和被动连接层2预先进行之字形折叠，然后按照主动气腔-被动连接层…主动气腔-被动连接层的顺序连接，如图6所示，其中每对主动气腔和被动连接层呈镜像连接，组成菱形网格状结构，被动连接层2在与上方主动腔体连接区域22处与上方主动腔体通过热压进行连接4次，在与下方主动腔体连接区域23处与下方主动腔体通过热压进行连接3次。

本实例中的气动人工肌肉通过上述设置，最大收缩率可以通过主动气腔宽度和菱形单元边长的比例来进行调整，调整的范围为0％-100％的开区间。如图7所示，此基础实例中的气动人工肌肉能够实现在高收缩率状态下保持高输出力。

本实施例中，气腔上层复合薄膜11、阻焊层13、气腔下层复合薄膜14和被动连接层2可以采用AutoCAD自动化软件按需设计。

本实施例中，气腔上层复合薄膜11、阻焊层13、气腔下层复合薄膜14和被动连接层可以利用激光切割机切割得到。

本实施例中，被动连接层2中最窄处的宽度应合适，避免太窄引起结构拉伸强度不足，同时避免太宽阻碍主动气腔1充气变形。

本实施例中，可以将气嘴13直接粘接在气腔上层复合薄膜11外侧，也可以从气腔上层复合薄膜11内侧向外粘接，仅留嘴头在外侧。

需要说明的是，每个阵列结构中的菱形网格单元不局限数量，可根据具体的应用场景灵活设置，以满足实际产品的需求。主动气腔1和被动连接层2不局限于直线型长条状，如图8所示，半圆形主动气腔101和半圆形被动连接层201也可以连接形成曲面网格结构的气动人工肌肉。由此可见，主动气腔1和被动连接层2的形状、对数、连接区域可以根据实际的应用场景进行多种变化和组合以适应实际的需求。

本发的工作原理如下：

可配置网格状气动人工肌肉在不充气的自然状态下，具有较好的柔顺性和较大的拉伸性，在较小的预紧力下可以达到结构所能实现的最大长度，如图2、图3中的初始状态；正压气压激励时，压缩空气通过气嘴13进入各个主动气腔1，主动气腔1膨胀，从之字形折叠状态逐渐水平伸直，带动被动连接层2运动、变形，人工肌肉的网格单元结构将水平伸长运动转化为竖直的收缩运动，逐渐进入中间状态、最终状态。被动连接层2的锯齿状形状特征21有利于适应结构中主动气腔1的变形，减少结构内力，增加结构稳定性。

本发明中可配置网格状气动人工肌肉的最大收缩率取决于主动气腔宽度和菱形单元边长的比例，由于两者是独立的变量，因此最大收缩率可以在0％-100％的开区间内进行设计。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，包括一个或多个阵列结构，每个所述阵列结构包括多个连接在一起的网格单元，每个所述网格单元包括主动气腔(1)以及与所述主动气腔(1)不连续相连的被动连接层(2)；

所述阵列结构具有初始状态和最终状态，当对处于所述初始状态的阵列结构进行正压激励时，能够使得所述阵列结构中的主动气腔(1)膨胀伸直进而带动所述被动连接层(2)自适应形变并由于所述膨胀伸直使得所述阵列结构产生水平伸长运动和竖直收缩运动并最终使得所述阵列结构处于所述最终状态。

2.根据权利要求1所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述主动气腔(1)为外形相匹配且正对布置的气腔上层复合薄膜(11)和气腔下层复合薄膜(14)边缘连接形成的密闭腔体。

3.根据权利要求2所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述气腔上层复合薄膜(11)和气腔下层复合薄膜(14)通过热压熔融的方式实现所述边缘连接，其中，所述气腔上层复合薄膜(11)和气腔下层复合薄膜(14)之间通过阻焊层(13)实现设定边缘宽度的热压熔融。

4.根据权利要求3所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述气腔上层复合薄膜(11)和气腔下层复合薄膜(14)均采用TPU双面覆膜梭织织物面料，所述阻焊层(13)采用硅油纸。

5.根据权利要求1所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述被动连接层(2)为锯齿状结构的复合薄膜，每相邻的两个锯齿之间通过内凹圆弧进行过渡，所述被动连接层(2)采用TPU双面覆膜梭织织物面料。

6.根据权利要求1所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述主动气腔(1)的宽度和所述网格单元的边长的比例能够被调整以匹配不同需求的最大收缩率。

7.根据权利要求1所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述阵列结构为多个竖向网格结构从左到右依次连接形成，所述竖向网格状结构为从上到下按照主动气腔(1)、被动连接层(2)、主动气腔(1)、被动连接层(2)、……、主动气腔(1)、被动连接层(2)的连接形式形成的结构。

8.根据权利要求2所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述气腔上层复合薄膜(11)上设置有气嘴(12)，所述阵列结构上所有的所述气嘴(12)相连并通过同一个气源进行驱动。

9.根据权利要求8所述的可配置网格结构气动人工肌肉，其特征在于，所述气嘴(12)采用TPU材质并通过粘稠的氰基丙烯酸酯粘合剂或热压的方式连接到气腔上层复合薄膜(11)上。

10.一种功能器件，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的可配置网格结构气动人工肌肉。