CN110802574A - 一种软体肌肉 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种软体肌肉，包括两个端部和柔性的腔体侧壁，端部或腔体侧壁上具有进出口，腔体侧壁具有折纸结构，折纸结构包括若干个环状脊、若干个侧脊和若干个折叠面，环状脊包括凸起设置的凸脊和凹陷设置的凹脊，折叠面设置在两个相邻侧脊以及对应的凹脊和凸脊之间，在闭合腔体内流体压强变化时，折纸结构能够产生形变，以实现折纸结构沿闭合腔体轴向的折叠或伸展。在使用软体肌肉时，通过进出口输入或排出压力流体，驱动折叠面绕环状脊转动张合，通过环状脊、侧脊和顶点加强了软体肌肉的结构强度和稳定性，使得软体肌肉能够在不借助外部限制结构的前提下稳定地做直线运动，并且能够输出较大的力。

Description

一种软体肌肉

技术领域

本申请涉及软体机器人领域，特别涉及一种软体肌肉。

背景技术

在传统的驱动方案中，实现直线驱动时，需要通过减速器和传动结构(例如，丝杠螺母，连杆)将电机的快速转动转化为理想的直线输出，因此具有参与部件多，重量大，设计要求高，装配润滑复杂，成本高的缺点。

为了解决上述缺点，有的技术方案中采用了软体结构，具体的，软体结构内部具有闭合腔体，通过充胀其内部闭合腔体，使得软体结构产生径向扩张同时周向收缩的形变，输出轴向拉力。但是，这一形变原理难以实现可观的推力，而且实现该功能需要借助软体结构外部包覆的网状编织结构的限制。

事实上，软体结构的结构稳定性不足极大限制了软体结构的用途。市面上的波纹管，例如用于给气球打气的脚踩式气泵，若作为驱动，在对其内腔加压或减压时，波纹管能够产生轴向的收缩或伸展运动，当轴向运动受到外界阻挡的时候，便会产生推拉力。但是由于波纹管结构的不稳定性，在推动外界物体的过程中，波纹管很容易产生不必要的屈曲，甚至是波纹结构的塌缩，使驱动效果大打折扣，甚至起不到驱动的作用。有的技术方案采用上述网状编织结构或其他限制结构来保护和限制软体结构。这种技术方案使得产品的生产成本大大增加，而且由于软体结构的自身结构并没有实质性增强，能够输出的力的大小十分有限，故而有待改进。

发明内容

本申请提供一种软体肌肉，用以解决现有软体结构输出力不足和依赖限制结构的问题。

本申请所提供的一种软体肌肉，包括：

两个端部，所述两个端部彼此面对；

和柔性的腔体侧壁，所述腔体侧壁设置在两个端部之间，所述腔体侧壁的两侧分别延伸到对应的端部，并沿端部的周向围合，形成闭合腔体；

所述端部或腔体侧壁上具有进出口，所述进出口用于供压力流体进出闭合腔体；

所述腔体侧壁具有折纸结构，所述折纸结构包括若干个环状脊、若干个侧脊和若干个折叠面，所述环状脊包括凸起设置的凸脊和凹陷设置的凹脊，在所述环状脊中，所述凸脊和凹脊交替首尾连接形成环状结构，所述环状脊沿闭合腔体的轴向依次排布，且每个环状结构的凸脊与相邻环状结构的凹脊对应，每个环状结构的凹脊与相邻环状结构的凸脊对应；

所述环状脊中凸脊和凹脊的连接点为顶点，所述侧脊从一个环状脊的顶点延伸至相邻环状脊的对应顶点，所述折叠面设置在两个相邻侧脊以及对应的凹脊和凸脊之间，在所述闭合腔体内流体压强变化时，所述折纸结构能够产生形变，以实现折纸结构沿闭合腔体轴向的折叠或伸展。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述环状结构为平面对称结构。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述环状结构为六边形，所述六边形的六个边包括三个凸脊和三个凹脊，三个凸脊和三个凹脊间隔设置，且首尾依次连接形成环状结构。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所有环状脊的凸脊的长度均相同，所有环状脊的凹脊的长度均相同，所述凸脊的长度与凹脊的长度不同，使得每个折叠面都呈梯形。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述凸脊的长度短于凹脊的长度。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述环状脊和侧脊的厚度大于折叠面的厚度。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述腔体侧壁具有非折叠段，所述非折叠段位于折纸结构的中部，将折纸结构在闭合腔体的轴向上分隔成第一折叠段和第二折叠段，所述第一折叠段和第二折叠均与所述非折叠段密封连接，所述进出口位于所述非折叠段。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述端部具有端面，所述端面垂直于闭合腔体的轴心线，所述进出口位于所述端面。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述端部具有端面和安装面，所述端面垂直于闭合腔体的轴心线，所述安装面位于所述端面朝向腔体侧壁的一侧，且沿所述端面的周向设置，所述安装面的径向长度自腔体侧壁所在一侧向端面所在一侧逐渐缩小，所述安装面用于安装法兰。

作为所述软体肌肉的进一步改进，所述端部具有端盖，所述端盖垂直于闭合腔体的轴心线，所述端盖设有外接安装孔，所述外接安装孔用于实现软体肌肉与其他部件的连接。

本申请的有益效果：

由于腔体侧壁设置了折纸结构，在使用软体肌肉时，通过进出口输入或排出压力流体，驱动折叠面绕环状脊转动张合，实现软体肌肉的伸长和缩短，通过环状脊、侧脊和顶点加强了软体肌肉的结构强度和稳定性，使得软体肌肉能够在不借助外部限制结构的前提下稳定地做直线运动。由于软体肌肉的结构稳定，能够承受更大的流体压力并将流体压力转化为直线方向的输出力，不会出现普通软体结构在受力时结构坍塌，导致其内部流体压力被软体结构自身损耗或出现输出方向屈曲改变的情形，所以该软体肌肉能够输出较大的力。

附图说明

图1为本申请一种实施例中软体肌肉的立体图；

图2为本申请一种实施例中软体肌肉的侧视图；

图3为本申请一种实施例中软体肌肉的局部剖视图；

图4为本申请一种实施例中软体肌肉沿闭合腔体轴向的剖视图；

图5为本申请一种实施例中软体肌肉沿闭合腔体径向的剖视图；

图6为本申请另一种实施例中带端盖的软体肌肉的立体图；

图7为本申请另一种实施例中带端盖的软体肌肉的侧视图；

图8为本申请另一种实施例中带端盖的软体肌肉的俯视图；

图9为本申请第三种实施例中进出口在端部且具有非折叠段的软体肌肉的结构示意图；

图10为本申请第四种实施例中进出口在端部且不具有安装面的软体肌肉的结构示意图；

图11为本申请第五种实施例中进出口在中部且不具有安装面的软体肌肉的结构示意图。

附图标记：1000、软体肌肉；1100、端部；1110、端面；1120、安装面；1130、端盖；1131、安装孔；1200、腔体侧壁；1210、环状脊；1211、凸脊；1212、凹脊；1220、侧脊；1230、折叠面；1240、非折叠段；1300、进出口；1400、连接管。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明，其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

本实施例提供一种软体肌肉1000。

请参考图1和2，该软体肌肉1000包括两个端部1100和柔性的腔体侧壁1200。

请参考图1和2，两个端部1100彼此面对。

端部1100或腔体侧壁1200上具有进出口1300，进出口1300用于供压力流体进出闭合腔体；

腔体侧壁1200具有折纸结构，折纸结构包括若干个环状脊1210、若干个侧脊1220和若干个折叠面1230，环状脊1210包括凸起设置的凸脊1211和凹陷设置的凹脊1212，在环状脊1210中，凸脊1211和凹脊1212交替首尾连接形成环状结构，环状脊1210沿闭合腔体的轴向依次排布，且每个环状结构的凸脊1211与相邻环状结构的凹脊1212对应，每个环状结构的凹脊1212与相邻环状结构的凸脊1211对应；

环状脊1210中凸脊1211和凹脊1212的连接点为顶点，侧脊1220从一个环状脊1210的顶点延伸至相邻环状脊1210的对应顶点，折叠面1230设置在两个相邻侧脊1220以及对应的凹脊1212和凸脊1211之间，在闭合腔体内流体压强变化时，折纸结构能够产生形变，以实现折纸结构沿闭合腔体轴向的折叠或伸展。

由于腔体侧壁1200设置了折纸结构，在使用软体肌肉1000时，通过进出口1300输入或排出压力流体，驱动折叠面1230绕环状脊1210形变张合，实现软体肌肉1000的伸长和缩短。相对于平滑的面来说，折纸结构的脊增加了闭合腔体对内部压强和外部负载的结构韧性，保持在大负载、大输入压强时的结构稳定性，增加软体肌肉1000对静态或者动态负载，甚至冲击负载的承受能力。从而通过环状脊1210、侧脊1220和顶点加强了软体肌肉1000的结构强度和稳定性，使得软体肌肉1000能够在不借助外部限制结构的前提下稳定地做直线运动，并且能够输出较大的力。

请参考图1和4，软体肌肉1000经过局部的折纸结构的运动复合，形成闭合腔体的宏观运动，而这种绕脊的张合也是折纸结构对腔体宏观运动的限制。具体的，请参考图4，图4中箭头A所标注的方向为折叠面张合形变的方向。本实施例的闭合腔体内部压力改变时，压力作用在各个折纸结构的折叠面1230上，借助折纸结构对于变形运动的引导限制作用来实现闭合腔体在一个方向的直线运动。

本实施例的软体肌肉1000克服了传统驱动方案中需要通过电机、减速器和传动机构(例如，丝杠螺母，连杆)将电机的快速转动转化为理想的直线输出时，参与部件多，重量大，设计要求高，装配润滑复杂，成本高的缺点。同时相较现有软体肌肉1000，组成更加简单(最优地，可使用一种材料来生产整个肌肉)，加工过程更加简洁高效，能够直接量产。在相同重量下能输出更大的推力。通过设计软体机肉的几何参数来获得理想输出的过程更加直接。

请参考图1-5，本实施例中软体肌肉1000的另一个优点在于，折纸结构使腔体在伸缩时保持了在垂直于轴向的任意截面的有效受压面积保持不变。从而在通过作用在两端面1110的压强推动两端面1110向伸长方向运动时，如果碰到外部阻碍，端面1110输出力与内部压强成线性关系。需要说明的是，有效受压面积我们认为是肌肉外径圆和内径圆之间的一个指定区域的面积，是通过实验和理论对比验证得出的，在本实施例的软体肌肉1000中，即为图5中B所标注的区域的面积，由于气压或者液压的原理，肌肉输出力相对于内部压力的线性是与这个有效受压面积直接相关的。因此本实施例软体肌肉1000的折纸结构能够非常接近地做到在伸长缩短的时候保持内径和外径的不变，即，保持了有效受压面积的不变，因而表现出线性的输出。此外，由于软体肌肉1000是柔性的，可以通过借助外部限制或者导向实现软体肌肉1000弯曲和扭转，进一步拓展软体肌肉1000的应用范围。

请参考图1和5，在一种实施例中，环状结构为平面对称结构。具体的，环状结构可以是平面对称的多变形，例如六边形等，具体形状可以根据实际需要灵活选择。在实际应用中，软体肌肉1000的折纸结构的每一个折叠面1230都可以不相同。凸脊1211和凹脊1212的排布，以及每一个环状结构的几何参数、构型，都可以根据需求做特定的设计。

请参考图1和5，在一种实施例中，环状结构的形状包括六边形，环状结构为六边形，六边形的六个边包括三个凸脊1211和三个凹脊1212，三个凸脊1211和三个凹脊1212间隔设置，且首尾依次连接形成环状结构。

请参考图1和5，在一种实施例中，环状脊1210的凸脊1211的长度均相同，环状脊1210的凹脊1212的长度均相同，凸脊1211的长度与凹脊1212的长度不同，使得每个折叠面1230都呈梯形。通过上述方案，使得折叠面1230均为相同的梯形，梯形的折叠面1230有利于进一步提升软体肌肉1000的结构强度和稳定性。

请参考图1和5，在一种实施例中，凸脊1211的长度短于凹脊1212的长度。使得折叠面1230、凸脊1211和凹脊1212形成以凸脊1211为短边，以凹脊1212为长边的梯形，有利于进一步提升软体肌肉1000的结构强度和稳定性。

在其他实施例中，也可以是凸脊1211的长度长于凹脊1212的长度或凸脊1211的长度与凹脊1212的长度相同。

请参考图1-5，在一种实施例中，环状脊1210和侧脊1220的厚度大于折叠面1230的厚度。通过增大环状脊1210和侧脊1220的厚度，有利于进一步提升软体肌肉1000的结构强度和稳定性。

请参考图1-5，在一种实施例中，腔体侧壁1200具有非折叠段1240，非折叠段1240位于折纸结构的中部，将折纸结构在闭合腔体的轴向上分隔成第一折叠段和第二折叠段，第一折叠段和第二折叠均与非折叠段1240密封连接，进出口1300位于非折叠段1240。通过增加非折叠段1240，使得进出口1300能够开设在腔体侧壁1200的中部，有利于增加软体肌肉1000结构布局的多样性，使得软体肌肉1000能够适用于更广泛的工作场景。

请参考图9，在一种实施例中，腔体侧壁1200具有非折叠段1240，但开口不是设在非折叠段1240，而是设在端面1110。

请参考图1、10和11，在另一种实施例中，端部1100具有端面1110，端面1110垂直于闭合腔体的轴心线，进出口1300位于端面1110。通过将进出口1300设置在端部1100，有利于增加软体肌肉1000结构布局的多样性，使得软体肌肉1000能够适用于更广泛的工作场景。

请参考图1和9，在一种实施例中，端部1100具有端面1110和安装面1120，端面1110垂直于闭合腔体的轴心线，安装面1120位于端面1110朝向腔体侧壁1200的一侧，且沿端面1110的周向设置，安装面1120的径向长度自腔体侧壁1200所在一侧向端面1110所在一侧逐渐缩小，安装面1120用于安装法兰。通过增设安装面1120，使得法兰能够顺利安装到软体肌肉1000的端部1100，增强了在软体肌肉1000上安装法兰的便利性。

请参考图6-8，在另一种实施例中，端部1100具有端盖1130，端盖1130垂直于闭合腔体的轴心线，端盖1130设有外接安装孔1131，外接安装孔1131用于实现软体肌肉1000与其他部件的连接。在采用端盖1130时，端盖1130的外表面即为端面。具体的，当需要将软体肌肉1000与其他部件连接时，可以利用端盖1130的通孔，通过插销、螺栓或螺钉等部件将端盖1130与其他部件连接，方便于实现软体肌肉1000与其他部件的连接。

请参考图6-8，在一种实施例中，端盖1130与腔体侧壁1200一体成型。在其他实施例中，端盖1130与腔体也可以是分别成型再组装到一起。具体的，可以采用注塑、3D打印或其他合适的方式实现端盖1130与腔体侧壁1200的成型。

请参考图1-11，在一些实施例中，进出口1300处凸起设置有连接管1400，连接管1400的一端与进出口1300连通。在使用软体肌肉1000时，可以将输送压力流体的管道与连接管1400连接，方便于实现软体肌肉1000与外部管道的连接。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种软体肌肉，其特征在于，包括：

两个端部，所述两个端部彼此面对；

和柔性的腔体侧壁，所述腔体侧壁设置在两个端部之间，所述腔体侧壁的两侧分别延伸到对应的端部，并沿端部的周向围合，形成闭合腔体；

所述端部或腔体侧壁上具有进出口，所述进出口用于供压力流体进出闭合腔体；

所述腔体侧壁具有折纸结构，所述折纸结构包括若干个环状脊、若干个侧脊和若干个折叠面，所述环状脊包括凸起设置的凸脊和凹陷设置的凹脊，在所述环状脊中，所述凸脊和凹脊交替首尾连接形成环状结构，所述环状脊沿闭合腔体的轴向依次排布，且每个环状结构的凸脊与相邻环状结构的凹脊对应，每个环状结构的凹脊与相邻环状结构的凸脊对应；

所述环状脊中凸脊和凹脊的连接点为顶点，所述侧脊从一个环状脊的顶点延伸至相邻环状脊的对应顶点，所述折叠面设置在两个相邻侧脊以及对应的凹脊和凸脊之间，在所述闭合腔体内流体压强变化时，所述折纸结构能够产生形变，以实现折纸结构沿闭合腔体轴向的折叠或伸展。

2.如权利要求1所述的软体肌肉，其特征在于，所述环状结构为平面对称结构。

3.如权利要求2所述的软体肌肉，其特征在于，所述环状结构为六边形，所述六边形的六个边包括三个凸脊和三个凹脊，所述三个凸脊和三个凹脊间隔设置，且首尾依次连接形成环状结构。

4.如权利要求2所述的软体肌肉，其特征在于，所有环状脊的凸脊的长度均相同，所有环状脊的凹脊的长度均相同，所述凸脊的长度与凹脊的长度不同，使得每个折叠面都呈梯形。

5.如权利要求2所述的软体肌肉，其特征在于，所述凸脊的长度短于凹脊的长度。

6.如权利要求1所述的软体肌肉，其特征在于，所述环状脊和侧脊的厚度大于折叠面的厚度。

7.如权利要求1-6任一项所述的软体肌肉，其特征在于，所述腔体侧壁具有非折叠段，所述非折叠段位于折纸结构的中部，将折纸结构在闭合腔体的轴向上分隔成第一折叠段和第二折叠段，所述第一折叠段和第二折叠均与所述非折叠段密封连接，所述进出口位于所述非折叠段。

8.如权利要求1-6任一项所述的软体肌肉，其特征在于，所述端部具有端面，所述端面垂直于闭合腔体的轴心线，所述进出口位于所述端面。

9.如权利要求1-6任一项所述的软体肌肉，其特征在于，所述端部具有端面和安装面，所述端面垂直于闭合腔体的轴心线，所述安装面位于所述端面朝向腔体侧壁的一侧，且沿所述端面的周向设置，所述安装面的径向长度自腔体侧壁所在一侧向端面所在一侧逐渐缩小，所述安装面用于安装法兰。

10.如权利要求1-6任一项所述的软体肌肉，其特征在于，所述端部具有端盖，所述端盖垂直于闭合腔体的轴心线，所述端盖设有外接安装孔，所述外接安装孔用于实现软体肌肉与其他部件的连接。

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