CN109794960A - 一种几何尺寸可变和容积恒定的可膨胀管，机械臂和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变几何尺寸和容积恒定的可膨胀管(1)，可膨胀管包括一可膨胀封套(4)，可膨胀封套具有一中心轴线(A)。提供应力承载装置，其包括属于封套(4)的同一纵向半平面(P1)的一对第一不可伸展的连接装置(5)和第二不可伸展的连接装置(6)，第一装置(5)沿着第一纵向方向定向，第一纵向方向相对于中心轴线(A)倾斜，而第二装置(6)沿着第二纵向方向定向，第二纵向方向也相对于中心轴线(A)倾斜，但是其穿过中心轴线(A)上的所述第一方向。可膨胀管(1)可围绕第一或第二枢轴弯曲，然后施加在封套(4)上的纵向拉伸应力集中在中心轴线(A)上。

Description

一种几何尺寸可变和容积恒定的可膨胀管，机械臂和机器人

技术领域

本发明涉及高细长比的多关节机械臂的关节领域，其中高细长比的多关节机械臂指的是具有外径很小且长度很长的臂，以允许检查那些人们觉得拥挤，难以进入且对人造成威胁(存在化学或辐射风险)的环境或者大环境。

本发明尤其涉及一种几何尺寸可变和容积恒定的可膨胀管，并涉及一种包括至少一个这种可膨胀管的机械臂，还涉及一种装有所述机械臂的机器人。

背景技术

高细长比的机器人是已知的，这种机器人具有通过枢轴，滑动或滑动枢轴型连杆铰接的刚性节段。可以非常精确地操作这类机器人，但是刚性节段的重量和连接这些刚性节段的机械连杆的重量使得机器人的部署变得困难，同时限制了在实际中可以实现的细长比。

可膨胀机械结构，例如容积恒定的关节，也是已知的。

法国专利FR2960468B1和法国专利申请FR3004376A1中提出了一种可膨胀铰接结构，如图1和2所示，这种可膨胀铰接结构一方面包括一可膨胀管状封套100，可膨胀管状封套100含有加压流体且具有可变几何尺寸部分101，可变几何尺寸部分两侧有两个固定的几何尺寸部分102，另一方面，包括用于扭曲所述部分101的装置，该装置与封套100一起布置，以使所述部分101弯曲，使得封套100基本保持定容积。

扭曲装置可包括与连接到封套100的电缆103相关联的致动器，使得拉动其中一根电缆，通过在所述部分101的中心轴线A3的任一侧上产生长度差来引起所述部分101变形，同时保持所述部分101的横截面基本保持不变。

法国专利FR2960468B1进一步提出提供基本上垂直于中心轴线A3的折叠，该折叠为环形并且设置有沿着两条缝合线彼此缝合的部分，所述两条缝合线在中心轴线A3的两侧上对称延伸，并且所述折叠还设置有自由部分，自由部分也在中心轴线A3的两侧上对称延伸。由于这些接缝位于应力集中区域，因此结构的机械强度和负载能力由接缝质量所决定，所述接缝在工业应用中变得相当复杂。

为了克服这种困难，申请FR3004376A1提出了提供应力承载装置，该应力承载装置包括两个条带104，其沿着封套100的纵向方向附接到封套100，位于直径上相对的位置处；孔眼105，其安装在条带104中的专门用于安装孔眼的孔中，且在纵向方向上间隔开来；以及不可伸展的柔性连杆106，其穿过所述孔眼105，以在条带104下(在隧道形成部分)和上交替前进。连杆106的端部被绑到焊接到封套100上的条带104的端部处的突片107上，使得在连杆106的第二端部之前的一个拉力被施加到相应的突片107，这导致在条带部分中形成至少一个折叠，条带部分位于两个支柱108之间，每个支柱108均位于隧道形成部分中。可变几何尺寸部分101的长度缩短50％，导致形成折叠，折叠允许所述部分101弯曲，其中所述部分101的弯曲是通过在所述部分101的半平面P中拉动电缆103约90°实现的，所述电缆103的一端附接到封套100，且所述部分101的两侧设置有扭曲装置。为了说明这种弯曲，图3中示出了一门式拱形支撑结构，该支撑结构由设置有示意性示出的三条条带104的封套100所形成，其中一条条带位于封套100的中间，另外两条则对称布置在所述封套100的中间的两侧上，以获得三个连续的弯曲部分。

图1至图3中所示的可膨胀铰接结构的缺点在于，在实践中，只要可变几何尺寸部分保持其容积不变或增大其容积，则其可以呈现预期之外的任何形状，例如S形或肘形，这可能导致凸起的出现。在可膨胀铰接结构用作机械臂的一部分时，这种凸起是引导臂的主要缺点。

因此，必须避免可变几何尺寸部分采用不同于所需形状的形状，这反过来需要将所述部分约束成所需形状。这种约束将通过所述部分的特定致动来获得，这将精确地选择这种致动，因为这允许获得所需形状。

这种可膨胀铰接结构的另一个缺点是它只允许在一个平面内运动，也就是说，在其两侧设有扭曲装置的半平面内运动。

然而，应该理解，对于具有一个机械臂的应用，具有允许不限于单个平面的运动的解决方案将是特别有利的。

目前，唯一允许在多个平面中运动的可膨胀接头是截面限制：两个可膨胀部分仅在一个点处连接，如一串香肠。不幸的是，很容易理解这种具有截面限制的接头不具有任何扭转刚度，因为接头的二次曲面是零，这使得其在实际中不可用。

因此，本发明旨在满足对恒定容积接头的需要，该接头允许运动不限于单个平面，同时具有令人满意的扭转刚度。

发明内容

根据本发明，这种需要可以通过一种可膨胀管来满足，该可膨胀管设有允许纵向拉伸应力的装置，该纵向拉伸应力由可膨胀管内的内部压力施加在可膨胀管的中心轴线上，而不是像现有技术那样施加在表面上。因此，对于具有截面限制的接头，在这种可膨胀管中，所有拉伸应力都出现在中心轴线上的至少一个点上，但是，由于可膨胀管的横截面不为零，可膨胀管具有一定的扭转刚度，这种扭转刚度使其可用于实践中，例如用于具有一个机械臂的应用。

因此，本发明的主题是一种可变几何尺寸和容积恒定的可膨胀管，该可膨胀管包括一可膨胀封套，可膨胀封套由不可渗透的柔性材料制成并具有一中心轴线，该可膨胀管还包括用于承载由封套内的内部压力施加到封套上的纵向拉伸应力的装置，其特征在于，承载拉伸应力的装置包括在封套内延伸的成对的第一和第二不可伸展的连接装置，该对装置分布在封套的N个纵向半平面内，每个半平面在封套的中心轴线和封套的表面的相应母线之间延伸。N是360的整数除数且大于或等于2，并且在每个纵向半平面中，所述纵向半平面的一个或多个第一不可伸展的连接装置沿着第一纵向方向定向，所述第一纵向方向相对于封套的中心轴线倾斜并且一个或多个第二不可伸展的连接装置沿第二纵向方向定向，所述第二纵向方向以与第一纵向方向相同的倾斜角度也相对于封套的中心轴线倾斜，并且一个或多个第一和一个或多个第二不可伸展的连接装置在第一端连接到封套表面的所述相应母线，并穿过或终止于封套的中心轴线(A)，由此可膨胀管可绕N个第一枢转轴线弯曲，每个第一枢转轴线均位于相应的纵向半平面中并且垂直于封套的中心轴线，并且围绕N个第二枢转轴线，每个第二枢转轴线垂直于中心轴线并垂直于N个第一枢轴线中的相应一个，通过封套内的内部压力施加到封套的纵向拉伸应力通过一个或多个第一不可伸展的连接装置和一个或多个第二不可伸展的连接装置集中在中心轴线上，无论可膨胀管是否弯曲。

在本申请中，不可伸展的连接装置的取向是沿着不可伸展的连接装置传递由内部压力施加到封套上的纵向拉伸应力的方向。

优选地，N个纵向半平面彼此具有相等的角距离。

根据本发明的特定实施例，所述或每个第一不可伸展的连接装置和所述或每个第二不可伸展的连接装置分别由第一和第二不可伸展的连杆形成。

对于每个纵向半平面，应力承载装置可以包括一系列第一不可伸展的连杆和一系列第二不可伸展的连杆，所述不可伸展的连杆沿着封套的中心轴线布置在彼此后面，以形成一系列成对的第一不可伸展的连杆和第二不可伸展的连杆。

其中布置有成对的第一和第二不可伸展的连接装置的纵向半平面的数量N可以是偶数，由此所述成对的第一和第二不可伸展的连接装置分布在N/2个成对的纵向半平面中，所述纵向半平面限定为使得任何纵向半平面平行于与之形成一对的另一个纵向半平面，两个纵向半平面的第一不可伸展的连接装置属于由一个第一不可伸展的连杆或一系列第一不可伸展的连杆形成的同一对，所述两个纵向半平面的第二不可伸展的连接装置由第二不可伸展的连杆或一系列第二不可伸展的连杆所形成，所述一个或多个第一不可伸展的连杆穿过在封套的中心轴线上的一个或多个第二不可伸展的连杆，一个或多个第一不可伸展的连杆和一个或多个第二不可伸展的连杆的第一端附接到封套的第一区域，而一个或多个第一不可伸展的连杆和一个或多个第二不可伸展的连杆的第二端附接到封套的第二区域，所述封套的第一区域和第二区域沿着封套的中心轴线的方向布置在所述第一纵向方向和所述第二纵向方向的交叉处的两侧上，所述一个或多个第一不可伸展的连杆和所述一个或多个第二不可伸展的连杆拉近封套的所述第一区域和所述第二区域，从而当压力过大时，第一区域和第二区域不具有任何纵向拉伸。

假设应力承载装置包括这种一系列第一不可伸展的连杆和这种一系列第二不可伸展的连杆，这允许了可膨胀管在封套的较长长度上弯曲：由此增加了运动幅度。

根据优选的特定布置，在任意对的纵向半平面中形成第一和第二不可伸展的连接装置的第一不可伸展的连杆和第二不可伸展的连杆彼此足够靠近，使得每个第一不可伸展的连杆穿过第二不可伸展的连杆，反之亦然，第一和第二不可伸展的连杆均附接到单个第三不可伸展的连杆，所述第三不可伸展的连杆沿着封套的中心轴线延伸，或者属于同一对纵向半平面的所有第一和第二不可伸展的连杆附接到沿着封套的中心轴线延伸的相应不可伸展的连杆上。这种不可伸展的连杆的布置再次允许增加可膨胀管的运动范围。沿着封套的中心轴线延伸的不可伸展的连杆用于防止所述封套在运动期间由于增大的幅度被拉得过紧。

这里要指出的是，在实践中，只要不可伸展的连杆彼此交叉并且假设它们具有非零厚度，它们就不会完全位于纵向半平面中。两个不可伸展的连杆之间的交叉点也是如此。因此，很容易理解，本发明还包括这样的情况，即，其中不可伸展的连接装置不完全属于纵向半平面，但是只要施加到封套上的纵向拉伸应力可以沿着不可伸展的连接装置的第一方向和第二方向进行传递以集中在封套的中心轴线上，那么所述不可伸展的连接装置就会稍微偏移所述纵向半平面。

例如，其中分布有成对的第一和第二不可伸展连接装置的纵向半平面的数量N等于4，并且两对纵向半平面优选彼此垂直。

根据本发明的另一个实施例，属于同一纵向半平面的第一和第二不可伸展连接装置包括由纤维不可伸展材料制成的条带，纤维不可伸展材料的第一纤维沿所述第一纵向方向取向，纤维不可伸展材料的第二纤维沿所述第二纵向方向取向，每个条带在所谓的外部纵向边缘处附接到封套，并且在所谓的内部纵向边缘处连接到不可伸展的连杆。

例如，其中分布有成对的第一和第二不可伸展的连接装置的纵向半平面的数量N等于4，并且纵向半平面彼此具有相等的角距离，该可膨胀管包括第一条带组件，第一条带组件由在封套的第一纵向中平面中延伸的所述条带的第一条带和第二条带形成；以及第二条带组件，其由所述条带的第三条带和第四条带形成，所述第三条带和所述第四条带在封套的第二纵向半平面中延伸，所述第二纵向半平面垂直于所述第一纵向半平面，材料的第一条带至第四条带中的每一个在所谓的内部纵向边缘处连接到不可伸展的连杆，所述不可伸展的连杆沿着封套的中心轴线延伸，并且材料的第一条带至第四条带中的每一个在所谓的外部纵向边缘处附接到所述封套。

根据本发明，在上述两个实施例中，可膨胀管将能够被动地运动，也就是说通过可膨胀管外的动作，例如正如在现有技术中的那样，通过拉动一个或多个致动电缆，可膨胀管将能够被动地运动。为此，封套可沿其外表面具有导引用于弯曲可膨胀管的至少一个控制电缆的装置。

或者，仍然根据本发明，在上述两个实施例中的任何一个实施例中，可膨胀管将能够主动地运动，也就是说通过改变在封套中限定的不同独立容积内的内部压力，可膨胀管将能够主动地运动。

因此，当应力承载装置在封套内部限定由不可伸展的连接装置彼此分开的N个隔室时，封套将能够具有N个膨胀室，每个膨胀室形成在相应的隔室中或由相应的隔室形成，每个膨胀室包括流体入口和流体出口，以允许所述膨胀室的膨胀和收缩。很容易想象，管因此可以分成3个隔室，4个隔室等。

腔室中的过压导致其容积增加，并因此导致可膨胀管的相应弯曲。因此，如果在封套中限定了四个隔室，例如，如果位于封套的所述第一纵向中平面的同一侧的两个腔室都被过度加压，则可膨胀管将在围绕第一枢轴的相反方向上弯曲。

优选地，所述封套由织物形成，所述织物的纤维相对于所述封套的中心轴线倾斜地布置，优选地以45°的角度布置。这允许可膨胀管更好地传递在一端施加到其上的扭转应力。

本发明的主题还是一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括：

-至少一个如上所述的可膨胀管，或几个这样的可膨胀管，它们连续流体连通或不连续流体连通，

-在臂的远端处承载的工具，该远端由膨胀管的端部形成，该膨胀管例如通过接缝或通过工具闭合，

-用于启动上述工具的装置，

-用于密封连接到流体注入装置的装置，例如在可膨胀管连续流体连通时在臂的近端处将流体注入臂中，或者在每个可膨胀管处将流体注入臂中，所述近端由可膨胀管的闭合或未闭合的一端所形成，以及

-用于控制该可膨胀管或每个可膨胀管围绕一个或多个第一N个和一个或多个第二N个枢轴运动的装置。

本发明的主题还是一种机器人，其特征在于，机器人包括至少一个如上所述的机械臂，以及流体注射装置，流体注射装置密封地连接到至少一个机械臂，例如连接到机械臂的近端或其每个可膨胀管处，以将流体注入至少一个机械臂以使其膨胀，以及控制装置，该控制装置用于控制所述或每个可膨胀管的运动方式，以及驱动所述工具的装置。

本发明还涉及一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括：

-至少一个如上所述的可膨胀管，或几个这样的可膨胀管，它们连续流体连通，或不连续流体连通，

-在臂的远端处承载的工具，该远端由膨胀管的端部形成，该膨胀管例如通过接缝或通过工具闭合，

-用于驱动上述工具的装置，

-用于将流体注入臂的流体注入装置，例如在可膨胀管连续流体连通时在臂的远端处将流体注入臂中，或者在每个可膨胀管处将流体注入臂中，所述近端由可膨胀管的闭合或未闭合的一端所形成，以及

-用于控制该可膨胀管或每个可膨胀管围绕一个或多个第一N个和一个或多个第二N个枢轴运动的装置。

本发明还涉及一种机器人，其特征在于，机器人包括至少一个如上所述的机械臂；用于控制流体注入装置的装置；控制所述可膨胀管或每个可膨胀管的运动的装置；以及用于驱动所述工具的装置。

因此，可以使用诸如纯净气体、气体混合物、液体等的流体来使可膨胀管膨胀。

流体注入装置可以是外部流体进口源或加压流体内部源，例如蓄气筒。

附图说明

为了更好地说明本发明的主题，下面将参考附图描述其几个特定实施例。

在这些附图中：

图1和图2分别是根据现有技术，即根据专利申请FR3004376A1所述的机器人臂和可变几何尺寸部分的一部分的示意图；

图3是根据专利申请FR3004376A1所述的门式结构的示意性主视图；

图4是根据本发明第一实施例所述的机械臂的一部分的透视示意图；

图5和图6是图4中的臂的透视示意图，其在分别围绕第一枢转轴线和第二枢转轴线弯曲后示出；

图7是根据第一实施例所述的变型的臂的透视示意图；

图8是图7中的臂的透视示意图，其在围绕第二枢转轴线弯曲后示出；

图9是根据本发明第二实施例所述的可膨胀管的透视示意图；

图10是第二实施例的变型的透视示意图；

图11是根据第二实施例及其变型所述的可膨胀管的示意图，其在围绕第一枢转轴线弯曲后示出；

图12是根据示例性制造方法制造的根据第二实施例所述的可膨胀管的示意图；和

图13是通过这种示例性制造方法获得的可膨胀管的透视示意图。

具体实施方式

首先，参考图4，可以看出，其示意性地示出了根据本发明第一实施例所述的机械臂的一部分。

这种机械臂包括可膨胀管1，可膨胀管1被构造成由空气流体或液态流体，甚至由包含固体的非均匀混合物膨胀，并且可膨胀管1具有流体入口端2和流体出口端3。流体入口端2和流体出口端3可以有利地组合。

流体入口端2和流体出口端3在图4中示意性地示出。因此，流体入口端2可以密封地连接到压缩机或风扇，以便使流体流到流体出口端3，从而使可膨胀管1膨胀。流体入口端2也可以闭合，气体盒使流体流到流体出口端3，以使可膨胀管1膨胀。

流体出口端3依次闭合，并且当可膨胀管1用在机械臂或机器人上时，流体出口端3可以携带工具。

可膨胀管1包括由不可渗透的柔性材料制成的封套4，柔性材料例如为乙烯薄膜、涂有聚氨酯的聚酰胺织物、聚氯乙烯(PVC)等。

在图中所示的非限制性实施例中，封套4具有圆形横截面，但是本发明当然不限于这样的方面，并且封套4可以具有任何横截面，例如，正方形横截面或椭圆形横截面。但是，封套4有一个中心轴线A。

可膨胀管1是值得注意的，因为它还包括一第一不可伸展的连杆5和一第二不可伸展的连杆6，这两个连杆形成应力承载装置，以允许施加在封套4上的纵向拉伸应力集中在封套4的中心轴线A上。

为此，第一不可伸展的连杆5的第一端5a附接到封套4的内表面，并位于封套4的第一区域4a中，并且第一不可伸展的连杆5的第二端5b也附接到封套4内表面，但位于封套4的第二区域4b中。选择第一不可伸展的连杆5的端部5a，5b附接到封套4的位置，使得第一不可伸展的连杆5穿过封套4的中心轴线A。换句话说，第一不可伸展的连杆5属于封套4的第一纵向中平面P1。

同样，第二不可伸展的连杆6具有与第一不可伸展的连杆5相同的长度，并且在其第一和第二端6a，6b处分别附接到封套4的内表面，并分别位于封套4的第一区域4a和第二区域4a中。进一步选择第二不可伸展的连杆6所附接的位置，一方面，使得位置也属于所述第一平面P1，另一方面，同第一伸展连杆5的第一端5a和第二端5b一样，使得第一端6a和第二端6b位于封套4的同一横截面中。

因此，第一和第二不可伸展的连杆5，6在交叉点C处彼此交叉，交叉点C位于封套4的中心轴线A上。

此外，选择不可伸展的连杆5，6的所述端部5a，5b，6a，6b所附接的封套4的两个横截面，使得这两个横截面在附接所述不可伸展的连杆5，6之前彼此间隔开一段距离，所述距离稍大于附接所述不可伸展的连杆5，6之后的两个横截面之间的距离。因此，不可伸展的两杆5，6一旦附接，会使两个区域4a，4b更加靠近，避免封套4因为例如褶皱F的形成而被纵向拉得很紧。换而言之，在这种一种状态下，即在收缩或没有超压的状态下，封套4在其表面上不会有任何纵向拉伸。

示意性地示出穿过构件7，例如类似于图1至图3中所示的专利申请FR3004376A1的突片107的类型，穿过构件7沿着两条线均匀分布在封套4的外部，两条线正好相反且属于第一平面P1。这种穿过构件7用于引导电缆8，电缆8连接由控制可膨胀管1的运动的装置。

这里应该指出的是，为了更清楚地看到附图，在第一平面P1中仅示出了两条穿过构件7的线。然而，同样地，将提供穿过构件7的两条线，这两条线正好相对且属于垂直于所述第一平面P1的第二纵向中平面P2，电缆8也沿着这样的每一条线延伸。

如在现有技术中那样，每根电缆8的一端连接到封套4，这里是第一区域4a，而另一端连接到控制电缆的装置。

现在，参考图5，可以看出，在拉动在第二平面P2中延伸的一根电缆8之后，在图5中示出了可膨胀管1，从而使得在观察图5时可膨胀管1向右弯曲。封套4的第一区域4a相对于第二区域4b移动，好像它围绕第一枢转轴线A1枢转，第一枢转轴线A1在此处是竖直的。第一枢转轴线A1穿过中心轴线A并属于第一平面P1。

现在，参考图6，可以看出，在拉动位于图1的封套4上方且在第一平面P1中延伸的所述电缆8之后，在图6中示出了可膨胀管1，从而使得在观察图6时可膨胀管1向上弯曲，封套4的第一区域4a相对于第二区域4b移动，好像它围绕第二枢转轴线A2枢转，第二枢转轴线A2在此处是水平的。第二枢转轴线A2穿过中心轴线A并属于第二平面P2。

因此，可以注意到，根据本发明所述的可膨胀管1允许不限于一个平面的运动，同时保持恒定容积和非零二次曲面，因此具有令人满意的扭转刚度。

这是可能的，由于第一和第二不可伸展连杆5，6集中在它们的交叉点C处，其原因是它们附接到封套4的表面并且是不可伸展的，也就是说在封套4的中心轴线A上，施加在封套4的表面上的纵向拉伸应力由封套4内的内部压力产生。因此，交叉点C将构成可膨胀管1可围绕其弯曲的枢轴中心。

现在，参考图7和8，可以看出，在其中示意性地示出了根据图4至图6中的第一实施例所述的变型的可膨胀管。

这种也由附图标记1表示的可膨胀管与图4至图6所示的可膨胀管的区别仅在于，提供了一系列彼此平行的第一不可伸展的连杆5和一系列同样彼此平行的且第二不可伸展的连杆6，第二不可伸展的连杆6的数量与第一不可伸展的连杆5相同。

第一和第二不可伸展的连杆5，6布置成彼此足够靠近，以便每个第一不可伸展的连杆5穿过若干第二不可伸展的连杆6，反之亦然。然而，第一和第二不可伸展连杆5，6有利地成对布置，使得每个第一不可伸展的连杆5具有相应的第二不可伸展的连杆6，相应的第二不可伸展的连杆6在封套4的中心轴线A上的交叉点C处交叉。

为了避免封套4被拉紧，第三不可伸展的连杆9通过任何合适的方式在所有交叉点C处连接到第一和第二不可伸展的连杆5，6。换句话说，第三个不可伸展的连杆9也沿着封套4的中心轴线A延伸。第三不可伸展的连杆9比封套4短，以避免封套4被拉紧。第三不可伸展的连杆9越短，运动幅度越大。

可膨胀管1在此同样包括穿过构件7和电缆8，并且可以设定成围绕第一和第二枢转轴线A1和A2运动。在图8中，可膨胀管1示出在类似于图6的位置，也就是说在围绕第二枢转轴线A2弯曲之后的位置。

如图7和8所示的第一和第二不可伸展的连杆5，6的构造的效用是增加可膨胀管1的运动幅度。

图4至8中所示的第一实施例仅是构成本发明基础的原理的特定构造。在这样的第一实施例中，可以认为一个或多个第一不可伸展的连杆5和一个或多个第二不可伸展的连杆6分布在封套4的一对纵向半平面P11和P12中，其中仅一个或多个第一不可伸展的连杆5和一个或多个第二不可伸展的连杆6的痕迹在图4中示出，并且每个纵向半平面P11和P12在中心轴线A和封套4的相应母线之间延伸，该母线属于第一纵向中平面P1。因此，第一和第二不可伸展的连杆5，6分别在每个半平面P11和P12中形成本发明的第一和第二不可伸展的连接装置。

上述第一实施例的好处在于，相同的不可伸展的连杆在封套的两个纵向半平面中形成不可伸展的连接装置。

当然，对于每个半平面P11和P12，可以提供一对第一和第二不可伸展的连杆，其第一端连接到封套的相应端部区域，并且其第二端连接到封套的中心轴线的位置处。

现在，参考图9至13，可以看出，其中示出了根据本发明第二实施例所述的可膨胀管10，该实施例基于以下这一相同的原理，即当可膨胀管10增压时，通过不可伸展的连接装置将施加在封套上的纵向拉伸应力集中在中心轴线A上。

同第一实施例的端部2和3的原理一样，可膨胀管10在此同样包括流体入口12和流体出口13，以及封套4。

可膨胀管10值得注意的是，不可伸展的连接装置不仅在封套14的第一纵向中平面P1中延伸，还在第二纵向中平面P2中延伸，从而将封套14的内部分成四个隔室Cp1，Cp2，Cp3和Cp4。

当可膨胀管10弯曲时，这种构造允许将应力更好地分布在封套14中。

在图9中以示意性方式示出了封套14由织物制成的事实，其中织物的纤维相对于封套14的中心轴线A倾斜地布置，这允许沿着可膨胀管10更好地传递扭转应力。特别地，第一纤维沿着所述第一纵向方向取向，而第二纤维沿所述第二纵向方向取向。这里应该指出，封套14的这种特征也应用与根据第一实施例所述的封套4。

在该第二实施例中，不可伸展的连接装置由第一平面P1中的第一条带组件15和第二平面P2中的第二条带组件16形成，组件15，16在封套14的中心轴线A上彼此交叉。

第一条带组件15包括纤维不可伸展材料的第一和第二条带15a，15b，其第一纤维F1沿所述第一纵向方向取向，其第二纤维F2沿所述第二纵向方向取向。同样，第二条带组件16包括纤维不可伸展材料的第三和第四条带16a，16b，其第一纤维F1沿所述第一纵向方向取向，其第二纤维F2沿所述第二纵向方向取向。

不可伸展的连杆17沿中心轴线A延伸，并且不可伸展材料的第一至第四条带15a，15b，16a，16b通过任何合适的装置连接到不可伸展的连杆17上。

很容易理解，由于所述纤维F1和F2的取向，不可伸展材料的第一至第四条带具有相同的功能，即在可膨胀管10增压时，将施加在封套4上的纵向拉伸应力集中在封套4的中心轴线A上。

因此，虽然没有示出，但是这里也可以通过拉动电缆来提供穿过构件和电缆以使可膨胀管10被动地运动。

然而，如图10所示，形成第二操作模式的基础的原理的优点在于，可以在每个隔室Cp1，Cp2，Cp3和Cp4中提供膨胀室Ch1，Ch2，Ch3，Ch4，所述膨胀室Ch1，Ch2，Ch3，Ch4将独立于其它腔室。因此，每个腔室Ch1，Ch2，Ch3，Ch4将设置有流体入口和流体出口，流体入口和流体出口将被有利地组合。

因此，腔室Ch1，Ch2，Ch3，Ch4形成用于通过过压腔室Ch1，Ch2，Ch3，Ch4中的一些并使其它腔室收缩来控制可膨胀管10的运动的装置。

例如，在图11中，当位于第一平面P1的相同侧，并位于第二平面P2任一侧上的腔室Ch1和Ch3(未示出)被过压，而收缩腔室Ch2和Ch4(未示出)时，示出可膨胀管10：可膨胀管10以同第一实施例的图5中示出的相同方式一样围绕第一枢转轴线A1弯曲。

同样：

-腔室Ch2和Ch4中的过压以及腔室Ch1和Ch3的收缩导致可膨胀管10围绕第一枢转轴线A1弯曲，但沿与图11中所示的方向相反的方向弯曲；

-腔室Ch3和Ch4中的过压以及腔室Ch1和Ch2的收缩导致可膨胀管10围绕第二枢转轴线A2弯曲，其弯曲方式与第一实施例的图6中所示的相同；以及

-腔室Ch1和Ch2中的过压以及腔室Ch3和Ch4的收缩导致可膨胀管10围绕第二枢转轴线A2弯曲，但是沿相反方向弯曲。

因此可以注意到，可膨胀管10允许不限于一个平面的运动，同时保持恒定容积和非零的二次曲面，并因此具有令人满意的扭转刚度，并且设定主动运动。

腔室Ch1，Ch2，Ch3，Ch4可以由插入不同隔室Cp1，Cp2，Cp3，Cp4的囊状物形成，或者可以由所述隔室直接形成，在这种情况下，封套14和材料的第一至第四条带15a，15b，16a，16b将由不透水材料制成。

在此应该指出的是，如同图4至8所示的所示的第一实施例那样，在图9至11所示的第二实施例中，也可以考虑第一和第二条带组件15，16分布在两对纵向半平面中：对于每个纵向半平面，第一和第二不可伸展的装置由相应条带15a，15b，16a，16b的纤维形成。

现在，参考图12和13，将描述制造可膨胀管10的示例性方法，其中封套14和第一至第四条带15a，15b，16a，16b彼此一起形成。

在第一步骤中，两块矩形的织物M1和M2(图12)，其第一纤维沿着所述第一纵向方向倾斜，其第二纤维沿所述第二纵向方向倾斜，在此相对于织物片的轴向方向的倾斜布置在彼此的顶部。

这两块织物M1和M2沿其中心线彼此连接，例如通过缝合连接。

如图12所示，在相同的接缝上制作皱褶F，通过在其顶部缝合不可伸展的连杆17来阻挡皱褶F。提供这样的褶皱F允许增加所获得的可膨胀管10的运动幅度。

在这个阶段，不可伸展的连杆17将每块织物M1，M2分成不可伸展的连杆17两侧的两个区域。对于位于顶部的一块M1，围绕折叠线L1(图13)将图12中不可伸展的连杆17左侧的区域向上折叠，然后沿着圆弧将外部区域向内带回，而不可伸展的连杆17右侧的区域首先沿着不可伸展的连杆17向上转动，然后围绕折叠线L2向外折叠，然后沿着圆弧将外部区域向下带回。

织物M2的步骤也是如此，沿着折叠线L3将不可伸展的连杆17的右侧上的区域向下折叠，然后沿着圆弧将该区域向内带回，同时沿着不可伸展的连杆17向下折叠左侧的区域，接着沿着折叠线L4向外折叠，最后沿着圆弧将该区域向上带回。

然后获得图12中所示的构造，其中自由纵向边缘通过任何合适的装置(例如通过缝合)连接到织物M1或M2的相邻部分，以获得可膨胀管10。

因此可以注意到，可以在工业环境中轻松实现可膨胀管10的制造。

当然，提供本发明的上述实施例仅用于说明而不是作为限制，并且在不脱离本发明的范围的情况下可以对其进行修改。

因此，例如，可以使用由图4至图8中的第一实施例中使用的那些类型的不可伸展的连杆形成的不可伸展的连接装置来将可膨胀管分成独立的隔室。属于第一平面P1的不可伸展的连杆可以附接到第三不可伸展的连杆，而属于第二个平面P2的不可伸展的连杆可以附接到第四不可伸展的连杆，其原理与图7和8中所示的相同。或者，所有不可伸展的连杆，无论它们是否属于第一平面P1或第二平面P2，其均可附接到沿着封套14的中心轴线A延伸的相同的第三不可伸展的连杆上。

同样，尽管在附图中示出了以下布置：成对的第一和第二不可伸展的连接装置分布在两个纵向半平面(第一实施例)或四个纵向半平面(第二实施例)，但是本发明当然不限于N个纵向半平面，并且可以规定，所述成对的第一和第二不可伸展的连接装置分布在三个，五个，六个等纵向半平面中，没有规定成对的第一和第二不可伸展的连接装置彼此间的角距离必须相同。不可伸展的连接装置可以是，例如，由如上所述的纤维不可伸展材料制成的不可伸展的连杆或条带，每个连杆或条带在同一对的两个纵向半平面中延伸或仅在同一对的两个纵向半平面中的一个中延伸。

Claims (20)

1.一种可变几何尺寸和容积恒定的可膨胀管(1；10)，所述可膨胀管(1；10)包括一可膨胀封套(4；14)，所述可膨胀封套(4；14)由不可渗透的柔性材料制成并具有一中心轴线(A)，所述可膨胀管(1；10)还包括用于承载由所述封套(4；14)内的内部压力施加到所述封套(4；14)上的纵向拉伸应力的装置，其特征在于，所述应力承载装置包括在所述封套(4；14)内延伸的成对的第一不可伸展的连接装置(5；15)和第二不可伸展的连接装置(6；16)，该对装置分布在所述封套(4；14)的N个纵向半平面(P11，P12)内，每个半平面在所述封套(4；14)的所述中心轴线(A)和所述封套(4；14)的表面的相应母线之间延伸，N是360的整数除数且大于或等于2，并且在每个纵向半平面(P11，P12)中，所述纵向半平面(P11，P12)的至少一个第一不可伸展的连接装置(5；15)沿着第一纵向方向定向，所述第一纵向方向相对于所述封套(4；14)的所述中心轴线(A)倾斜并且所述至少一个第二不可伸展的连接装置(6；16)沿第二纵向方向定向，所述第二纵向方向以与所述第一纵向方向相同的倾斜角度也相对于所述封套(4；14)的中心轴线(A)倾斜，并且所述至少一个第一不可伸展的连接装置(5；15)和所述至少一个第二不可伸展的连接装置(6；16)在第一端(5a,6b,5b,6a)连接到封套(4；14)表面的所述相应母线，并与所述封套(4；14)的所述中心轴线(A)具有一个交点，由此所述可膨胀管(1；10)绕N个第一枢转轴线(A1)弯曲，每个第一枢转轴线(A1)均位于相应的纵向半平面(P11，P12)中并且垂直于所述封套(4；14)的中心轴线(A)，并且围绕N个第二枢转轴线(A2)，每个第二枢转轴线(A2)垂直于所述中心轴线(A)并垂直于N个第一枢轴线(A1)中的相应一个，通过至少一个第一不可伸展的连接装置(5；15)和至少一个第二不可伸展的连接装置(6；16)，将由所述封套(4；14)内的内部压力施加到所述封套(4；14)的所述纵向拉伸应力集中在所述中心轴线(A)上，无论所述可膨胀管(1；10)是否弯曲。

2.根据权利要求1所述的可膨胀管(1)，其特征在于，所述至少一个第一不可伸展的连接装置(5)和所述至少一个第二不可伸展的连接装置(6)分别由第一不可伸展的连杆(5)和第二不可伸展的连杆(6)形成。

3.根据权利要求2所述的可膨胀管(1)，其特征在于，对于每个纵向半平面(P11，P12)，所述应力承载装置可以包括一系列第一不可伸展的连杆(5)和一系列第二不可伸展的连杆(6)，所述不可伸展的连杆(5，6)沿着所述封套(4)的中心轴线(A)布置在彼此后面，以形成一系列成对的第一不可伸展的连杆(5)和第二不可伸展的连杆(6)。

4.根据权利要求2所述的可膨胀管(1)，其特征在于，其中布置有成对的第一和第二不可伸展的连接装置(5，6)的纵向半平面(P11，P12)的数量N是偶数，由此所述成对的第一和第二不可伸展的连接装置(5，6)分布在N/2个成对的纵向半平面(P11，P12)中，所述纵向半平面(P11，P12)限定为使得任何纵向半平面(P11，P12)平行于与之形成一对的另一个纵向半平面(P11，P12)，属于同一对的两个纵向半平面(P11，P12)的第一不可伸展的连接装置(5)由一个第一不可伸展的连杆(5)形成，所述两个纵向半平面(P11，P12)的第二不可伸展的连接装置(6)由一个第二不可伸展的连杆(6)所形成，所述第一不可伸展的连杆(5)与在所述封套(4)的中心轴线(A)上的所述第二不可伸展的连杆(6)相交，所述第一不可伸展的连杆(5)和所述第二不可伸展的连杆(6)的第一端(5a，5b)附接到所述封套(4)的第一区域(4a)，而所述第一不可伸展的连杆(5)和所述第二不可伸展的连杆(6)的第二端(5b，6b)附接到所述封套(4)的第二区域(4B)，所述封套(4)的第一区域和第二区域(4A，4B)沿着所述封套(4)的中心轴线(A)的方向布置在所述第一纵向方向和所述第二纵向方向的交叉处(C)的两侧上，所述第一不可伸展的连杆(5)和所述第二不可伸展的连杆(6)拉近所述封套(4)的所述第一区域(4a)和所述第二区域(4b)，从而当压力过大时，所述第一区域(4a)和所述第二区域(4b)不具有任何纵向拉伸。

5.根据权利要求3所述的可膨胀管(1)，其特征在于，其中布置有成对的第一和第二不可伸展的连接装置(5，6)的纵向半平面(P11，P12)的数量N是偶数，由此所述成对的第一和第二不可伸展的连接装置(5，6)分布在N/2个成对的纵向半平面(P11，P12)中，所述纵向半平面(P11，P12)限定为使得任何纵向半平面(P11，P12)平行于与之形成一对的另一个纵向半平面(P11，P12)，属于同一对的两个纵向半平面(P11，P12)的所述第一不可伸展的连接装置(5)由一系列第一不可伸展的连杆(5)形成，而所述两个纵向半平面(P11，P12)的所述第二不可伸展的连接装置(6)由一系列第二不可伸展的连杆(6)形成，所述第一不可伸展的连杆(5)与在所述封套(4)的中心轴线(A)上的所述第二不可伸展的连杆(6)相交，所述第一不可伸展的连杆(5)和一个或所述第二不可伸展的连杆(6)的第一端(5a，6a)附接到所述封套(4)的第一区域(4a)，而所述第一不可伸展的连杆(5)和所述第二不可伸展的连杆(6)的第二端(5b，6b)附接到所述封套(4)的第二区域(4B)，所述封套(4)的第一区域和第二区域(4A，4B)沿着所述封套(4)的中心轴线(A)的方向布置在所述第一纵向方向和所述第二纵向方向的交叉处的两侧上，所述第一不可伸展的连杆(5)和所述第二不可伸展的连杆(6)拉近所述封套(4)的所述第一区域(4a)和所述第二区域(4b)，从而当压力过大时，所述第一区域(4a)和所述第二区域(4b)不具有任何纵向拉伸。

6.根据权利要求5所述的可膨胀管(1)，其特征在于，形成任意对的纵向半平面(P11，P12)中的第一和第二不可伸展的连接装置(5，6)的第一不可伸展的连杆和第二不可伸展的连杆(5，6)设置成彼此足够靠近，使得每个第一不可伸展的连杆(5)与所述第二不可伸展的连杆(6)相交，反之亦然，所述第一和第二不可伸展的连杆(5，6)均附接到一单个第三不可伸展的连杆(9)，所述第三不可伸展的连杆(9)沿着所述封套(4)的中心轴线(A)延伸。

7.根据权利要求5所述的可膨胀管(1)，其特征在于，其中分布有成对的第一和第二不可伸展连接装置的纵向半平面(P11，P12)的数量N等于4，并且两对纵向半平面(P11，P12)优选彼此垂直。

8.根据权利要求1所述的可膨胀管(10)，其特征在于，属于同一纵向半平面的所述第一和第二不可伸展的连接装置包括由纤维不可伸展材料制成的条带(15a，15b，16a，16b)，所述纤维不可伸展材料的第一纤维(F1)沿所述第一纵向方向取向，所述纤维不可伸展材料的第二纤维(F2)沿所述第二纵向方向取向，每个条带(15a，15b，16a，16b)在所谓的外部纵向边缘处附接到所述封套(4)，并且在所谓的内部纵向边缘处连接到不可伸展的连杆(17)。

9.根据权利要求8所述的可膨胀管(10)，其特征在于，其中分布有成对的第一和第二不可伸展的连接装置的纵向半平面的数量N等于4，并且所述纵向半平面彼此之间相距相等的角距离，所述可膨胀管(10)包括第一条带组件(15)，第一条带组件(15)由在所述封套(14)的第一纵向中平面(P1)中延伸的第一条带和第二条带(15a，15b)形成；以及第二条带组件(16)，其由第三条带和第四条带(16a，16b)形成，所述第三条带和所述第四条带(16a，16b)在所述封套(14)的第二纵向半平面(P2)中延伸，所述第二纵向半平面(P2)垂直于所述第一纵向半平面(P1)，材料的第一条带至第四条带(15a，15b，16a，16b)中的每一个在所谓的内部纵向边缘处连接到不可伸展的连杆(17)，所述不可伸展的连杆(17)沿着所述封套(4)的中心轴线(A)延伸，并且材料的第一条带至第四条带(15a，15b，16a，16b)中的每一个在所谓的外部纵向边缘处附接到所述封套(14)。

10.根据权利要求1所述的可膨胀管(1；10)，其特征在于，所述封套(4；14)沿其外表面具有导引用于弯曲所述可膨胀管(1；10)的至少一个控制电缆(8)的装置(7)。

11.根据权利要求3所述的可膨胀管(10)，其特征在于，所述应力承载装置在所述封套(14)内部限定由所述不可伸展的连接装置彼此分开的N个隔室(Cp1，Cp2，Cp3，Cp4)时，所述封套(14)具有N个膨胀室(Ch1，Ch2，Ch3，Ch4)，每个膨胀室在相应的隔室(Cp1，Cp2，Cp3，Cp4)中形成，每个膨胀室(Ch1，Ch2，Ch3，Ch4)包括流体入口和流体出口，以允许所述膨胀室(Ch1，Ch2，Ch3，Ch4)的膨胀和收缩。

12.根据权利要求8所述的可膨胀管(10)，其特征在于，所述应力承载装置在所述封套(14)内部限定由所述不可伸展的连接装置彼此分开的N个隔室(Cp1，Cp2，Cp3，Cp4)时，所述封套(14)具有N个膨胀室(Ch1，Ch2，Ch3，Ch4)，每个膨胀室在相应的隔室(Cp1，Cp2，Cp3，Cp4)中形成，每个膨胀室(Ch1，Ch2，Ch3，Ch4)包括流体入口和流体出口，以允许所述膨胀室(Ch1，Ch2，Ch3，Ch4)的膨胀和收缩。

13.根据权利要求1所述的可膨胀管(1；10)，其特征在于，所述封套(4；14)由织物形成，所述织物的纤维相对于所述封套(4；14)的中心轴线(A)倾斜地布置，其中倾斜角度为45°。

14.根据权利要求1所述的可膨胀管(1；10)，其特征在于，所述N个纵向半平面(P11，P12)彼此之间相距相等的角距离。

15.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括：

-至少一个根据权利要求1所述的可膨胀管(1；10)，

-在所述臂的远端处承载的工具，该远端由膨胀管(1；10)的闭合的端部形成，

-用于驱动上述工具的装置，

--用于密封连接到流体注入装置的装置，用于将流体注入所述臂，以及

-用于控制所述至少一个可膨胀管(1；10)围绕所述第一N个和所述第二N个枢轴(A1，A2)运动的装置(8)。

16.根据权利要求15所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括若干个可膨胀管(1；10)。

17.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括至少一个根据权利要求15所述的机械臂，流体注射装置密封地连接到所述至少一个机械臂，以将流体注入所述至少一个机械臂以使其膨胀，并包括控制装置，所述控制装置用于控制装置(8)以控制所述至少一个可膨胀管的运动方式，还包括驱动所述工具的装置。

18.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括：

-至少一个根据权利要求1所述的可膨胀管(1；10)，

-在所述臂的远端处承载的工具，该远端由膨胀管(1；10)的闭合的端部形成，

-用于驱动上述工具的装置，

-用于将流体注入所述臂的流体注入装置，以及

-用于控制所述至少一个可膨胀管(1；10)围绕所述第一N个和所述第二N个枢轴(A1，A2)运动的装置。

19.根据权利要求18所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂包括若干个可膨胀管(1；10)。

20.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括根据权利要求18所述的指示一个机械臂；用于控制所述流体注入装置的装置；控制装置，用于装置(8)以控制控制所述至少一个可膨胀管(1；10)的运动；以及用于驱动所述工具的装置。