CN113650007A

CN113650007A - 一种人工肌肉

Info

Publication number: CN113650007A
Application number: CN202110829579.2A
Authority: CN
Inventors: 王宏强; 张瀚文; 丁梓钧; 陈诺; 张一鸣; 郭上堃; 徐国杰
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2041-07-22
Also published as: CN113650007B

Abstract

本发明公开了一种人工肌肉，其中，包括：驱动单元，多个所述驱动单元堆叠设置；其中，所述驱动单元包括多个元胞，所述元胞的中部设有一活动空间，相邻的所述元胞的首尾相连接，或/和相邻所述驱动单元之间的元胞相连接。本发明通过将具有活动空间的多个元胞连接形成驱动单元，并将多个驱动单元堆叠设置，使得各个元胞均可以单独控制收缩运动，也可同时控制不同层级的元胞收缩运动，或者控制整个驱动单元中的元胞同时进行收缩运动。本发明实施例中的人工肌肉具有堆叠设置的结构方式，同一层级的元胞可以实现独立控制，从而使得人工肌肉更具有灵活性，控制更加简单，扩展了人工肌肉的使用场景。

Description

一种人工肌肉

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，特别涉及一种人工肌肉。

背景技术

结构多样化可以反映功能多样性，但现有人工肌肉结构功能单一，控制系统复杂，因此环境适应性较差，难以在复杂环境中使用。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种人工肌肉，为制造具有拓扑复杂性的结构提供途径，从而解决现有技术中的人工肌肉应用范围受限的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种人工肌肉，其中，所述人工肌肉包括：

驱动单元，多个所述驱动单元堆叠设置；

其中，所述驱动单元包括多个元胞，所述元胞的中部设有一活动空间，相邻的所述元胞的首尾相连接，或/和

相邻所述驱动单元之间的元胞相连接。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，所述元胞包括：

活动元件，两个所述活动元件对称设置且两端分别相连接，且两个所述活动元件的中部形成所述活动空间。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，所述活动元件包括：

通电片；

绝缘层，所述绝缘层设于所述通电片的外侧；

电线，所述电线穿过所述绝缘层与所述通电片相连接。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，所述人工肌肉还包括盖板，所述盖板设于最上一层的所述驱动单元的顶部和最下一层的所述驱动单元的底部。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，所述驱动单元首尾相接呈环形设置。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，单个所述驱动单元包括至少三个元胞。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，多个所述元胞直线连接形成所述驱动单元。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，若干层叠加的所述驱动单元呈纵横交错设置。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，所述活动元件的形状呈U型。

作为进一步的改进技术方案，所述的人工肌肉中，所述通电片为碳钢片，所述绝缘层的材质为聚氯乙烯。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

本发明通过将具有活动空间的多个元胞连接形成驱动单元，并将多个驱动单元堆叠设置，使得各个元胞均可以单独控制收缩运动，也可同时控制不同层级的元胞收缩运动，或者控制整个驱动单元中的元胞同时进行收缩运动。本发明实施例中的人工肌肉具有堆叠设置的结构方式，同一层级的元胞可以实现独立控制，从而使得人工肌肉更具有灵活性，控制更加简单，扩展了人工肌肉的使用场景。

附图说明

图1为本发明提供的一种人工肌肉的结构示意图；

图2为本发明提供的一种人工肌肉的第一种实施结构示意图；

图3为本发明提供的一种人工肌肉中的驱动单元的第一种结构示意图；

图4为本发明提供的一种人工肌肉中的驱动单元的第二种结构示意图；

图5为本发明提供的一种人工肌肉的第二种实施结构示意图；

图6为本发明提供的一种人工肌肉中的元胞的结构示意图；

图7为本发明提供的一种人工肌肉中的活动元件的结构示意图；

图8为本发明提供的一种人工肌肉中的驱动单元的第三种结构示意图；

图9为本发明提供的一种人工肌肉的第三种实施结构示意图；

图10为本发明提供的一种人工肌肉的第四种实施结构示意图；

图11为本发明提供的一种人工肌肉的第五种实施结构示意图。

图中：100、驱动单元；10、元胞；20、活动空间；30、活动元件；31、通电片；32、绝缘层；33、电线；200、盖板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。

还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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发明和简化描述，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，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

层级组织结构是自然界中普遍存在的层级组织结构(细胞-组织-器官-系统-生物体)的启发，将机器人的设计演化为不同层级结构之间的拓扑关系，可极大地丰富了机器人的种类和复杂性。

层级组织结构，以从自下而上的角度出发，首先构建底层层级单元：一维运动基础功能单元(细胞)，然后通过层级组织方式构建更高层级单元：二维运动复合功能单元：伸缩功能、弯曲功能(组织)，接着构建更高层级单元：三维运动复合单元(扭转运动)(组织)，最后赋予运动单元传感功能，构建更高层层级单元：融合运动功能和传感功能(器官),……依次类推，构建层级组织结构(细胞-组织-器官-系统-生物体)。从低层级到高层级的跃升实现功能的跨越。即高层级可以实现低层级实现不了的功能，复杂性由此产生。同一层级的单元可以实现相互交融，多样性由此产生。

实施例：

请参阅图1，所述人工肌肉包括：驱动单元100，多个所述驱动单元100堆叠设置；其中，所述驱动单元100包括多个元胞10，所述元胞10的中部设有一活动空间20，相邻的所述元胞10的首尾相连接，或/和相邻所述驱动单元100之间的元胞10相连接。

在本发明实施例中，如图1所示，所述驱动单元100呈上下堆叠设置，共计三层驱动单元100，每一层的驱动单元100中具有2个元胞10，2个元胞10依次首尾相连并相互传递运动；三层驱动单元100共计6个元胞10，每个元胞10都可以进行独立控制，所述活动空间20用于供元胞10进行收缩；当然，还可将驱动单元100堆叠成不同形状的人工肌肉，如图2所示的弯曲的形状。具体的，在实际使用中可以通过在元胞10的两端部通电(两端分别接入正负极)，通过电流的通断来控制元胞10进行收缩运动，例如通电时在高压电场的作用下所述元胞10静电吸合从而朝所述活动空间20内收缩，断电时则复位；同理，当需要控制一个驱动单元100动作时，可以对该驱动单元100内的每一个元胞10通电，通过对于不同位置的元胞10通电，以使不同位置的元胞10进行收缩动作，进一步地，还可根据需求动作大小的程度来控制通入元胞10的电流大小，例如，通入大的电流驱动元胞10则收缩程度更大一些，相应的活动空间20也压缩至更小，同理，通入小的电流驱动元胞10则收缩程度小一些，活动空间20压缩程度较轻。当然，还可以同时对一个驱动单元100中的所有元胞10都进行通电，以控制整个驱动单元100同时动，可将一个驱动单元100的所有元胞10视为一个小组，分组控制更加便捷。

具体来说，以图1为例，将图1最上层的驱动单元100中的2个元胞10通电，则最上层的2个元胞10朝所述活动空间20收缩，当断电时最上层的2个元胞10则复位，同理，还可以单独对最上层中的任意一个元胞10通电，使其收缩，因此，本发明实施例中提供的人工肌肉中的所有元胞10均可以实现独立控制，从而使得人工肌肉更具有灵活性，能适应复杂环境，且控制更加简单，进而扩展了人工肌肉的使用场景。

具体的，还可以将单个元胞10上下叠加的方式形成一个驱动单元100，上下叠加的元胞10可通过粘接剂连接，如图3所示，3个元胞10上下叠加组成驱动单元100；进一步地，还可通过外形配合的方式形成一个驱动单元100，如图4所示，4个元胞10通过外形配合的方式组成一个驱动单元100；更进一步地，还可以由位于不同方向上的多个元胞10连接组成一个驱动单元100，如图5所示，上下左右方向各有3个元胞10，共计12个元胞10组成一个驱动单元100。

进一步地，请参阅图6，所述元胞10包括：活动元件30，两个所述活动元件30对称设置且两端分别相连接，且两个所述活动元件30的中部形成所述活动空间20。具体的，两个活动元件30具较薄且具有一定的柔韧性，两个活动元件30结构一致，且相对贴合设置，两个活动元件30的两端相对连接，可选的，两个活动元件30的两端设置有粘接剂(图中未示出)，两个活动元件30的中间部分未接触，形成一中空状态，即形成所述活动空间20，可选的，所述活动元件30的形状呈U型，两个活动元件30上的U型开口互相连接，形成活动空间20。当任意一个活动元件30连接电源正极，另一个连接电源负极时，这两个活动元件30会吸附在一起，所述活动空间20会产生压缩，当两个活动元件30断电后，则两个活动元件30相分离，活动空间20恢复原始大小。其中，两个活动元件30之间还滴有液体电介质，可以实现电场击穿自修复，输出一定的力与运动，并且增大两个活动元件30之间的吸附力，具体的，所述液体电介质位于活动空间20内，靠近于两活动元件30相连接处，可选的，所述液体电介质为硅油。

更进一步地，请参阅图7，所述活动元件30包括：通电片31、绝缘层32和电线33；其中，所述通电片31即所述活动元件30的核心，所述通电片31的外形与整个活动元件30的外形一致均呈U型，整个活动元件30的外形随着通电片31的外形变化而变化；当然，在实际使用中还可以将所述通电片31设置为其他的形状，只要满足通电可复位的效果即可。所述绝缘层32设于所述通电片31的外侧，所述绝缘层32用于保护所述通电片31以及起到绝缘的作用；所述电线33穿过所述绝缘层32与所述通电片31相连接，被所述绝缘层32夹在中间，用于连接通电片31和电源的正极或负极；可选的，所述通电片31为碳钢片，厚度选为0.01～0.07mm，具有更好的韧性，在通电时可收缩，断电时可复位；所述绝缘层32的材质为聚氯乙烯(PVC)，当然，在实际使用中，所述通电片31和绝缘层32还可以选用其他的材料，本发明不做限定。

在一些实施方式中，请一并参阅图8和图9，所述人工肌肉还包括盖板200，所述盖板200设于最上一层的所述驱动单元100的顶部和最下一层的所述驱动单元100的底部。

在具体的实施例中，所述盖板200呈圆形，起固定支撑作用，所述盖板200通过粘接剂与所述驱动单元100相连接，所述盖板200由硬质材料制成，例如亚克力板等。在两块盖板200之间设有两个驱动单元100，每个驱动单元100均包括若干个元胞10，例如，如图8所示，单个所述驱动单元100至少包括三个元胞10，三个元胞10首尾相连形成一个驱动单元100，且所述驱动单元100首尾相接呈环形设置，因此整个人工肌肉呈现为一个圆柱状。当然，也可以将四个或者多个元胞10首尾相连成驱动单元100，选择三个元胞10的目的在于更容易形成环形结构，对于单个驱动单元100中的元胞10数量本发明不做限定，同时，对于两个盖板200之间的驱动单元100的层数也不做限定。具体的，如图9所示，可视为一个简易版的圆柱形人工肌肉，由2层驱动单元100组成，每层驱动单元100共有3个元胞10，共有6个元胞10组成，其中，每个元胞10由2根电线33正负极连接，一共12根电线33。可将单独一层的电线33通电以实现这一层的收缩，将单独一列的电线33通电可实现这一列的收缩(因为其他2列未收缩，整体上看就是人工肌肉的弯曲)，根据每一层中元胞10的数量，可以改变人工肌肉的弯曲自由度。

在另一些实施方式中，请参阅图10，多个所述元胞10直线连接形成所述驱动单元100，若干层叠加的所述驱动单元100呈纵横交错设置。

在具体的实施例中，如图10所示，可视为一个立方型人工肌肉，其中一个驱动单元100中设置有三个元胞10，三个元胞10依次相连呈直线状；每一层上有三个驱动单元100，每一层上的三个驱动单元100平行设置，两相邻且处于叠加状态的驱动单元100为纵横交错状态。同理，每个元胞10中均连接有两根电线33，则每层有9个元胞10，总有6层，一共54根电线33，在控制时可将单独一层的电线33通电以实现这一层所有元胞10的收缩，或者将单独一列的电线33通电可实现这一列元胞10的收缩，在实际使用中，可以将众多电线33集成模块化(如将单独一行、一列、一面的元胞10所对应的电线33统一管理，和其他位置的元胞10区分分组)，则可以实现分组控制。

下面结合具体的使用场景对上述人工肌肉的原理做详细说明：

以图11所示结构为例，可视为一个简易版的人工肌肉，由4个驱动单元100组成，分别位于前后左右四个方向，每个驱动单元100共有12个元胞10，整个人工肌肉具有48个元胞10；其中，每个元胞10由2根电线33正负极连接，一共96根电线33(该图中未示出)。当需要控制最左边一个的驱动单元100动作时，可将最左边的电线33通电以实现这一层所有元胞10的收缩，当需要控制最右边一个驱动单元100动作时，可将最右边的电线33通电以实现这一层所有元胞10的收缩，同理，前后方向上的驱动单元100也是同样的控制方式；当然，还可进行更加复杂的动作，例如可将某一个驱动单元100中单独一列的电线33通电可实现这一列的收缩，或者是给不同列中不同位置的元胞10通电，以实现更加复杂的运动。

综上所述，本发明提供了一种人工肌肉，其中，包括：驱动单元，多个所述驱动单元堆叠设置；其中，所述驱动单元包括多个元胞，所述元胞的中部设有一活动空间，相邻的所述元胞的首尾相连接，或/和相邻所述驱动单元之间的元胞相连接。本发明通过将具有活动空间的多个元胞连接形成驱动单元，并将多个驱动单元堆叠设置，使得各个元胞均可以单独控制收缩运动，也可同时控制不同层级的元胞收缩运动，或者控制整个驱动单元中的元胞同时进行收缩运动。本发明实施例中的人工肌肉具有堆叠设置的结构方式，同一层级的元胞可以实现独立控制，从而使得人工肌肉更具有灵活性，控制更加简单，扩展了人工肌肉的使用场景。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的方案后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本方案未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims

1.一种人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉包括：

驱动单元，多个所述驱动单元堆叠设置；

相邻所述驱动单元之间的元胞相连接。

2.根据权利要求1所述的人工肌肉，其特征在于，所述元胞包括：

3.根据权利要求2所述的人工肌肉，其特征在于，所述活动元件包括：

通电片；

绝缘层，所述绝缘层设于所述通电片的外侧；

电线，所述电线穿过所述绝缘层与所述通电片相连接。

4.根据权利要求3所述的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉还包括盖板，所述盖板设于最上一层的所述驱动单元的顶部和最下一层的所述驱动单元的底部。

5.根据权利要求4所述的人工肌肉，其特征在于，所述驱动单元首尾相接呈环形设置。

6.根据权利要求5所述的人工肌肉，其特征在于，单个所述驱动单元包括至少三个元胞。

7.根据权利要求1所述的人工肌肉，其特征在于，多个所述元胞直线连接形成所述驱动单元。

8.根据权利要求7所述的人工肌肉，其特征在于，若干层叠加的所述驱动单元呈纵横交错设置。

9.根据权利要求2所述的人工肌肉，其特征在于，所述活动元件的形状呈U型。

10.根据权利要求3所述的人工肌肉，其特征在于，所述通电片为碳钢片，所述绝缘层的材质为聚氯乙烯。