CN116619346B - 一种内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，包括可伸长变形的柔性腔和设置在预拉伸后的柔性腔内的线笼型支撑结构；支撑结构包括自上而下平行设置的外形轮廓相同的至少三块支撑板、相邻的两块支撑板之间通过数条不可伸长柔性线竖直连接，柔性线沿着支撑板的边缘等间距均匀分布构成柔性线组，形成线笼型的支撑结构；顶部支撑板中心开设气孔为负压驱动使用，除顶部支撑板和底部支撑板之外的所有中间支撑板的中部开孔；柔性腔为圆筒形，将柔性腔沿周向预拉伸至其内径等于支撑结构外径后，将支撑结构放置于柔性腔内，然后密封柔性腔，得到人工肌肉驱动器。本发明解决了负压气动人工肌肉驱动器输出特性的不确定性和可控性差的问题。

Description

一种内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器

技术领域

本发明涉及人工肌肉驱动技术领域，尤其是一种内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器。

背景技术

人工肌肉是指能够模拟生物肌肉的变形特点，并具有柔性的一类驱动器，在柔性/软体机器人、可穿戴设备、医疗器械、康复设备等领域具有重要应用价值。目前，负压气动人工肌肉因其功率密度高、输出应变大、安全性好、结构紧凑、环境友好等优点极具发展潜力。当前，负压气动人工肌肉驱动器主要由支撑结构(如弹簧、折纸结构、橡胶梁等)和不可伸长的柔性腔(如塑料袋、塑料腔、织物袋等)两部分组成。在负气压作用下，软体腔将向内部收缩，通过在其内部设计合适的支撑结构，可以引导软体腔的变形方式，进而实现收缩变形模拟肌肉的驱动功能。通过不同的支撑结构和柔性腔设计，可以获得不同的负压气动驱动器。但是，在负气压作用下，柔性腔将向内部收缩，同时人工肌肉沿着轴向收缩，在此过程中，不可伸长的柔性腔将产生褶皱和屈曲变形，褶皱和屈曲变形的随机性导致该类人工肌肉驱动器的变形和输出力存在一定的不确定性，无法应用于准确度要求高的实际场景。

为了削弱该类人工肌肉驱动器收缩过程中表皮褶皱变形的不确定性，一种方法是通过对表皮进行折纸结构设计，通过对表皮边角进行折纸设计，使的人工肌肉收缩过程中，表皮按照折痕实现有序变形，由此削弱褶皱变形的不确定性，获得变形准确度高，可控性良好的负压气动人工肌肉驱动器。该类人工肌肉能够模拟肌肉的收缩变形，但由于依赖于不可拉伸的柔性腔材料，收缩变形过程中柔性腔随机产生褶皱和屈曲变形，降低了该类驱动器变形的准确性和可控性，对实际应用带来限制。而且负压作用下人工肌肉驱动器变形过程中，褶皱的产生也在一定程度上削弱了驱动器整体的柔顺性。另外，通过折纸设计，可以使得柔性腔随着人工肌肉驱动器收缩变形而实现有序变形，但该方法无法适用于圆形截面驱动器，同时带来设计的复杂性。

发明内容

为了解决负压气动人工肌肉驱动器输出特性的不确定性和可控性差的问题，本发明提供一种内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器。

本发明提供的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，包括可伸长变形的柔性腔和设置在预拉伸后的柔性腔内的线笼型的支撑结构。

所述支撑结构包括自上而下平行设置的外形轮廓相同的至少三块支撑板、相邻的两块支撑板之间通过数条不可伸长柔性线竖直连接。所有柔性线的长度相等，均等于两块支撑板之间的间距，柔性线沿着支撑板的边缘等间距均匀分布构成柔性线组，形成线笼型的支撑结构。位于支撑结构顶部的支撑板中心开设气孔为负压驱动使用，除顶部支撑板和底部支撑板之外的所有中间支撑板的中部开孔。所述支撑板的外形可以为圆形、半圆形或多边形中的一种。优选的一种是，所述支撑板为圆形，除顶部支撑板和底部支撑板之外的所有中间支撑板为中部开圆孔的圆环形。

预拉伸后的柔性腔由初始柔性腔沿圆周方向拉伸后得到。初始柔性腔由硅橡胶、Ecoflex、水凝胶中的一种材料通过铸造或3D打印成型。初始柔性腔为一端开口的圆筒形；圆筒形的初始内径小于支撑结构的外径，将初始柔性腔沿周向预拉伸至其内径等于支撑结构外径后，将支撑结构放置于柔性腔内，对柔性腔进行支撑，然后密封柔性腔开口，得到内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器。

优选的是，所述支撑板由树脂、塑料、金属或木质材料中的一种制成。

优选的是，所有支撑板上下等间距设置。

优选的是，所述柔性线选用棉线、麻线、尼龙线中的一种；柔性线与支撑板之间通过粘接或锚定连接。

本发明的人工肌肉驱动器被动伸长变形：在外界负载作用下，人工肌肉驱动器将发生伸长变形，支撑结构之间距离增大，使得柔性线伸展，通过约束柔性腔向外变形，直到柔性线完全伸直，达到初始设计长度，该过程是驱动器被动伸长过程。

在负压作用下的驱动器主动收缩过程：在负气压作用下，柔性腔向内收缩，使得柔性线内部产生张力，张力作用于支撑结构上，使得支撑结构收缩，输出驱动力。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)本发明提供的人工肌肉驱动器利用不可伸长的柔性线组与支撑结构连接形成线笼型结构，利用可拉伸变形的软材料作为柔性腔，并对柔性腔沿着周向提前预拉伸，并由线笼型结构进行支撑，使其内部存在一定的预应变。在负压作用下人工肌肉收缩过程中，柔性腔内部的预应变随着变形逐渐释放，保证了柔性腔不产生褶皱或屈曲变形，同时保持该类驱动器的大输出应力和输出应变等优点。

(2)通过内置预应变的思想解决了负压气动人工肌肉驱动器输出特性的不确定性和可控性差的问题，获得了驱动行为可准确描述且可控的新型负压气动人工肌肉。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、本发明的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器的结构示意图。

图中标号：

1-支撑板、2-柔性线、3-初始柔性腔、4-预拉伸后柔性腔、5-人工肌肉驱动器、6-支撑结构、7-气孔、8-中部开孔、9-密封盖板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，包括可伸长变形的初始柔性腔3和设置在预拉伸后柔性腔4内的线笼型的支撑结构6。

所述支撑结构6包括自上而下平行设置的外形轮廓相同的至少三块支撑板1、相邻的两块支撑板1之间通过数条不可伸长柔性线2竖直连接。所有柔性线2的长度相等，均等于两个支撑板1之间的间距，柔性线2沿着支撑板1的边缘等间距均匀分布构成柔性线组，最终形成线笼型的支撑结构6。顶部支撑板中心开设气孔7为负压驱动使用，除顶部支撑板和底部支撑板之外的所有中间支撑板的中部开孔8。所述支撑板的外形可以为圆形、半圆形或多边形中的一种。优选的一种是，所述支撑板1为圆形，除顶部支撑板和底部支撑板之外的所有中间支撑板为中部开圆孔的圆环形；中间支撑板有多个，相邻的支撑板之间等间距设置。

预拉伸后柔性腔4由初始柔性腔3沿圆周方向拉伸后得到。初始柔性腔3由硅橡胶、Ecoflex、水凝胶中的一种材料通过铸造或3D打印成型。初始柔性腔3为一端开口的圆筒形。初始柔性腔3的初始内径小于支撑结构6的外径，沿圆周方向对初始柔性腔3进行预拉伸获得预拉伸后柔性腔4，使其材料内部沿着圆周方向预存一定的应变，预拉伸后柔性腔4内径与支撑结构6直径相同，将支撑结构6放置于预拉伸后柔性腔4内，对预拉伸后柔性腔4进行支撑，然后用密封盖板9密封预拉伸后柔性腔4，得到内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器5。在初始状态下，由于柔性腔预应变的存在将使得人工肌肉驱动器收缩，使得柔性腔高度和支撑结构高度相同。密封盖板9的材质和柔性腔使用的材料相同，也是由硅橡胶、Ecoflex、水凝胶等柔性材料制成。密封盖板9与预拉伸后柔性腔4之间可以通过粘接来固定密封，但不仅限于这一种固定形式。

本发明线笼结构的设计可以使驱动器被动伸长或主动收缩变形过程中柔性腔的变形得到约束，即柔性线组将始终与柔性腔贴合在一起，柔性线的不可伸长特性将柔性腔的变形转化为拉力作用于支撑结构，保证了该类驱动器的大输出力和输出变形等优点。

通过对初始柔性腔进行预拉伸，使其内部提前存在预应变，在其收缩变形中，内部应变逐渐释放但始终不为零，由此保证柔性腔壁面不发生褶皱或屈曲变形，实现稳定的，准确可控的变形行为。

总之，本发明利用线笼型结构结合可拉伸变形柔性腔，通过内置预应变的思想解决了负压气动人工肌肉驱动器输出特性的不确定性和可控性差的问题，获得了驱动行为可准确描述且可控的新型负压气动人工肌肉，同时兼顾了负压气动人工肌肉驱动器的被动伸长和主动收缩变形，且保持了该类驱动器的大输出应力和输出应变特性。该类驱动器结构紧凑、制作成本低，有利于生产生活的实际应用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，包括可伸长变形的柔性腔和设置在预拉伸后的柔性腔内的线笼型支撑结构；

所述支撑结构包括自上而下平行设置的外形轮廓相同的至少三块支撑板、相邻的两块支撑板之间通过数条不可伸长柔性线竖直连接，所有柔性线的长度相等，均等于两块支撑板之间的间距，柔性线沿着支撑板的边缘等间距均匀分布构成柔性线组，形成线笼型的支撑结构；位于支撑结构顶部的支撑板中心开设气孔为负压驱动使用，所有中间支撑板的中部开孔，底部支撑板未开孔；

预拉伸后的柔性腔由初始柔性腔沿圆周方向拉伸得到；初始柔性腔为一端开口的圆筒形，圆筒形的初始内径小于支撑结构的外径，将初始柔性腔沿周向预拉伸至其内径等于支撑结构外径后，将支撑结构放置于柔性腔内，对柔性腔进行支撑，然后密封柔性腔开口，得到内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器。

2.如权利要求1所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所述支撑板为圆形、半圆形或多边形中的一种。

3.如权利要求2所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所述支撑板由树脂、塑料、金属或木质材料中的一种制成。

4.如权利要求1所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所有支撑板上下等间距设置。

5.如权利要求1所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所述柔性线选用棉线、麻线、尼龙线中的一种。

6.如权利要求5所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所述柔性线与支撑板之间通过粘接或锚定连接。

7.如权利要求1所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所述初始柔性腔由硅橡胶通过铸造或3D打印成型。

8.如权利要求1所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所述初始柔性腔由Ecoflex通过铸造或3D打印成型。

9.如权利要求1所述的内置预应变的负压气动人工肌肉驱动器，其特征在于，所述初始柔性腔由水凝胶通过铸造或3D打印成型。