CN114222858B - 用作致动器、泵或压缩机的可收缩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可收缩装置。该装置包括一主体，其具有包含镶嵌元件的壁。该主体可通过在第一延伸状态和第二收缩状态之间对主体内的流体加压而变形，在第二收缩状态中，与第一正常状态相比，主体的轴向长度减小且内部容积增加。所述镶嵌元件可以包括一系列突出结构和侵入结构，其被布置成使得主体通过在其正常状态和变形状态之间的变形而基本上保持圆柱形。镶嵌元件的突出结构和侵入结构可以是突出棱锥和侵入棱锥的形式。
Description
背景技术
本发明涉及一种可收缩装置，更具体地但不排他地涉及一种包括圆柱形加压形状的可收缩装置。所述可收缩装置通常是流体致动器、泵或压缩机。
流体致动器、泵和压缩机是在加压流体体积变化形式的能量与机械力和位移形式的能量之间转换的装置。流体波纹管和McKibben致动器是此类设备的示例。流体波纹管是由基本不可拉伸且流体不可渗透的材料组成的结构，其形成是为了有利于小的局部变形，因为当内部流体压力和体积发生变化时，会导致大的整体位移。波纹管式致动器、泵和压缩机设计几乎只在受到内部正流体压力的作用下轴向延伸。相比之下，McKibben致动器在受到正致动流体压力时会收缩，但与波纹管不同的是，它们的设计必须有利于较大的局部变形。这一要求可通过使用不可延伸但可变形的螺旋织物和单独的含流体材料来满足。
波纹管型设计的小局部变形允许良好的制造和材料选择并有承受高工作压力的能力。然而，波纹管在伸展(从内部压力产生输出力)或压缩泵送(从输入力产生内部压力)驱动时需要抵抗整体屈曲，在不添加重型支撑结构时会限制它们的整体操作力。相比之下，McKibben致动器在受到正向的内部工作压力时会收缩，产生使结构处于张紧状态的外力，从而消除了整体屈曲的可能性，并且与延伸装置相比，其带来了提高的力重比性能。然而，McKibben装置的复杂复合设计减少了制造和材料选择，增加了设备故障可能并限制了操作压力。虽然还有其他可变形的可收缩致动器，但只有McKibben(或非常相似的那些致动器)在加压时保持圆柱形，而不是球形/气球状。这意味着McKibben装置可以制造为理想的纵横比，从而在启动时保持空间的有效利用。
如上所述，流体波纹管允许在有限的局部材料变形下实现整体位移。这通常通过促进坚固的铰链状区域的局部弯曲的形式来实现。多个弯曲铰链的组合结果可以是大的整体变形。在US 3,469,502中可以看到典型的波纹管致动器的示例。在该装置中，通过增加包含在波纹管内的流体的压力，它相对于该装置的圆柱形形状轴向延伸。典型的波纹管泵或压缩机是类似的，例如参见US 5,308,230。在该装置中，向波纹管施加拉力以增加所包含的流体体积，当该力反向时，所包含的流体被压缩。目前也已经提出了不同横截面的波纹管设计。例如，参见公开了方形横截面的US 2013/0340875或公开了星形横截面的US 5,181,452。
由于波纹管执行器不使用基于传统气缸或活塞的流体执行器的滑动密封件，因此它们的结构更加简单，更适合在恶劣环境中运行，可以处理腐蚀性工作流体，并且可以通过减轻重量来提高可靠性。此外，由于操作需要有限的材料变形，它们可以由一系列低成本的基本刚性的材料制成，同时附带了有益的制造工艺和高强度。例如，US 4,464,980公开了一种热塑性弹性体材料的吹塑波纹管。US 9,624,911公开了一种使用大规模制造技术形成的波纹管，例如吹塑、注塑、旋转模塑、3维(3D)印刷或挤出。Griffith等人特别教导了聚合物聚对苯二甲酸乙二酯(PET)在波纹管制造中的用途。US 2,534,123描述了一种已知的制造金属波纹管的方法，而US 2015/0070904描述了多种形式的织物-弹性体复合波纹管致动器。
上述已知的波纹管型设计的一个问题是，在对内部流体加压时，它们会轴向延伸，这意味着如果对负载做功(或者如果负载对泵/压缩机外壳中的流体做功，它们会处于压缩状态))，从而导致具有显著长径比的设备发生弯曲和故障。在致动器中，可以通过在波纹管内产生真空而不是加压来克服这一问题，如按照Jin-Gyu Lee和Hugo Rodrigue(Origami-Based Vacuum Pneumatic Artificial Muscles with Large Contraction Ratios,SoftRobotics,Feb 2019,http://doi.org/10.1089/soro.2018.0063)的建议。在这种情况下，设备将在承受负载、材料处于张力下时收缩，从而有效地防止设备整体弯曲。然而，可以使真空波纹管变形的最大工作压力被限制在一个大气压(约1bar)。考虑到典型的气动系统在大约6bar下运行，而现代高性能液压系统在近350bar下运行，这尤其成为问题。
为了克服伸缩波纹管型致动器的屈曲限制，人们对开发提供拉力的可收缩装置给予了很大的关注，其中最大的系列通常被称为McKibben致动器。这些致动器通常包括能够在压力下变形的包含流体的圆柱形膜和不可延伸材料的螺旋编织物，该螺旋编织物在可变形膜的外部或结合到可变形膜中。这个概念可以追溯到US 2,041,950、US 2,296,947和US2,238,058，以及US 2,483,088和US 2,844,126中描述的类似装置。然而，该装置在1950年代被Joseph McKibben推广用于矫形装置，如Baldwin,H,Muscle-like contractivedevices,1963，Bionics Symposium.pp.1-8中所述的。普利司通开发了一种商业版本的气动肌肉，称为RubbertuatorTM，其在EP 0 161 750 B1和US 5,052,273中有所描述。US 5,165,323描述了对装置的显著改进，即在致动器内添加刚性滑动圆柱形套筒，由此套筒和标准膜之间的空腔被加压。例如，标准McKibben型设备在GB 2 390 400和US 9,541,196中进行了描述。这些说明书中描述的装置往往具有与流体不可渗透的膜分离的不可延伸的编织物，这会导致编织物摩擦和潜在的故障。所述膜通常是弹性材料，并且变形导致能量损失和性能滞后，并且易于故障。为了提高抗故障能力，GB 2 435 308建议使用固定周长、不可延伸的气囊。然而，由于强度问题，此类设备尚未在40bar以上的压力下运行[M.Mori,K.Suzumori,M.Takahashi,T.Hosoya,Very High Force Hydraulic McKibben ArtificialMuscle with a p-Phenylene-2,6-benzobisoxazole Cord Sleeve,Advanced Robotics,vol 24,Apr 2010,pp 233-254.]。因此，这些设备通常作为气动设备运行。
如US 6,349,746、WO 2000/061951、US 2005/0093293和US 2005/0265870中所述，通过将编织物结合在膜材料内作为柔性基质复合材料，已经生产出更坚固的McKibben型装置配置。虽然这些设备更坚固，但它们仍受限于6至8bar左右的工作压力。这些装置中使用的复合材料具有额外的缺点，即增加了制造的复杂性和成本。学术界也探索了类似的装置，例如参见Shan、Ying等人，"Nonlinear-elastic finite axisymmetric deformation offlexible matrix composite membranes under internal pressure and axial force."Composites Science and Technology 66.15(2006):3053-3063。
改进流体致动器和波纹管泵和压缩机领域所需的是一种装置，该装置具有波纹管型装置的材料和制造选择以及由此产生的成本和强度优势以及McKibben型装置的收缩位移和产生的力的优势。有两个致动器的例子接近这一点，尽管两者似乎都没有用更刚性的材料实现。第一个设备是Daerden、Frank等人描述的褶式致动器。"Pleated pneumaticartificial muscles:actuators for automation and robotics."IEEE/ASMEInternational Conference on Advanced Intelligent Mechatronics(IEEE/ASME高级智能机电一体化国际会议)，2001年第2卷，以及在US 2015/0070904的说明书中有所描述。第二装置公开在US 4,939,982中。这些示例与McKibben致动器之间的主要区别在于设备在致动时的整体形状。虽然McKibben将保持圆柱形(当明显不受夹紧端的影响时)，但这些其他收缩形式会导致大致球形的几何形状。这对它们施加了实际的纵横比限制(它们必须相对较短和较宽)，这意味着作为驱动横截面积的比率产生的力小于McKibben装置[Tondu,Bertrand."Artificial muscles for humanoid robots."Humanoid Robots,Human-likeMachines.InTech,2007].这些因素可能表明了为什么迄今为止只有McKibben型致动器已商业化。
鉴于上述情况，需要提供一种改进的流体致动器或泵/压缩机，其是可收缩的波纹管，并复制了McKibben装置及其衍生产品，例如US 5,165,323中描述的套筒芯，的功能。
因此，本发明的一个目的是提供一种将至少部分地解决上述缺点的装置。
本发明的另一个目的是提供一种装置，该装置将成为现有波纹管和McKibben型装置的有用替代品。
发明内容
根据本发明，提供了一种可收缩装置，其包括中心轴、内部容积、垂直于所述中心轴的半径r2和具有包括镶嵌元件的壁的主体，其中所述主体可以通过对内部的流体加压而在第一正常状态和第二变形状态之间变形，所述第一正常状态具有第一轴向长度L1和第一内部容积V1，所述第二变形状态具有第二轴向长度L2和第二内部容积V2，其中与第一正常状态的第一轴向长度L1和第一内部容积V1相比，所述主体的第二轴向长度L2是减小的并且第二容积V2是增加的。所述镶嵌元件可以包括一系列突出结构和侵入结构，其被布置成使得主体通过在其正常状态和变形状态之间的变形而基本上保持圆柱形。
根据本发明的第二方面，可收缩装置可以包括具有中心轴、内部容积V、垂直于所述中心轴22的半径r2和包括镶嵌元件的壁的主体。所述主体可以通过主体的延伸而在具有第二轴向长度L2和第二内部容积V2的第二正常状态和具有第一轴向长度L1和第一内部容积V1的第一变形状态之间变形，其中与第一正常状态的第一轴向长度L1和第一内部容积V1相比，所述主体12的第二轴向长度L2是减小的并且第二容积V2是增加的。所述镶嵌元件可以包括一系列突出结构和侵入结构，其被布置成使得主体通过在其正常状态和变形状态之间的变形而基本上保持圆柱形。
根据本发明的又一方面，可收缩装置可以包括具有中心轴、内部容积V、垂直于所述中心轴的半径r2和包括镶嵌元件的壁的主体。所述主体可以沿中心轴在具有第一轴向长度L1和第一内部容积V1的第一状态和具有第二轴向长度L2和第二内部容积V2的第二状态之间轴向变形，其中与第一轴向长度L1和第一内部容积V1相比，所述主体的第二轴向长度L2是减小的并且第二容积V2是增加的。所述镶嵌元件可以包括一系列突出结构和侵入结构，其被布置成使得主体通过在其第一轴向长度和第二轴向长度之间的变形基本上保持圆柱形。
半径r2垂直于中心轴并且可以沿中心轴的长度变化。r2描述了沿致动器主体长度的大致圆柱形轮廓。突出结构可以远离中心轴径向地延伸并且可以径向远离地中心轴线从圆柱半径r2径向地延伸。侵入结构可以朝向中心轴径向地延伸并且可以从圆柱形半径r2朝向中心轴径向地延伸。
所述镶嵌元件可以包括包括侵入结构和突出结构的多个元件，其中所述多个元件可以装配在一起，无间隙的或者重叠的重复。所述突出结构和侵入结构可以包括基部节点(base node)。所述基部节点可以定位在距中心轴半径r2处。所述突出结构的基部节点可以与侵入结构的基部节点重合。所述突出结构和侵入结构可以包括基部边(base edge)。所述基部边可以定位在距中心轴半径r2处。突出结构的基部边可以与侵入结构的基部边重合。
所述镶嵌元件的突出结构和侵入结构可以包括或呈现为突出棱锥和侵入棱锥的形式，优选四棱锥和/或六棱锥。
在一个实施例中，所述突出棱锥可以是四棱锥的形式，优选地是截头四棱锥，并且所述侵入棱锥可以是六棱锥的形式。可以通过在每个棱锥中包括楔形结构来形成包括四棱锥的突出结构和包括六角棱锥的侵入结构。分别包括在四棱锥和六棱锥中的楔形结构的定向可以相对于各自的棱锥反向，从而形成截头四棱锥和六棱锥。所述楔形可以由棱锥的轴向横截面形成，其中窄端靠近中心轴而宽端远离中心轴。
处于其第一状态的可收缩装置可以在突出结构和侵入结构的所述基部边与中心轴线22之间限定角度α。更具体地，在由中心轴和基部边的节点定义的平面P和所述基部边之间。角度α可以小于55度。或者，角度α可以在25度和30度之间。
所述可收缩装置可以是弹性构件。所述装置的主体可以具有沿中心轴方向的刚度k，其用于将主体从第二变形状态返回到第一正常状态。
所述装置可以包括用于减少镶嵌元件的顶点处的应力集中的结构。用于减小应力集中的结构可以包括位于顶点区域中的应力减小结构，其减小或消除顶点处的高斯曲率。
位于顶点区域中的应力减小结构可以是孔的形式。或者，位于顶点区域中的应力减小结构可以是相对于下方的顶点几何形状倒置的圆锥、棱锥等形式。在又一个实施例中，位于顶点区域中的应力减小结构可以是相对于下方的顶点几何形状平坦和/或弯曲部分的形式。
所述突出结构和侵入结构可以包括在其顶点之间延伸的边，并且所述边可以进行倒圆处理，以减少所述边的区域中的应力集中。所述突出结构和侵入结构可以包括用于减少在它们的各个边之间延伸的面的平面内拉伸和平面外弯曲的结构。
所述突出结构和侵入结构的面区域可以由与所述突出结构和侵入结构的顶点和边缘区域中的材料相比具有增加的刚度的材料制成。
与边缘和顶点中的突出结构和侵入结构的区域相比，所述突出结构和侵入结构的面区域可以具有增加的壁厚。所述增加的壁厚可以由突出结构和侵入结构的面所承载的外部和/或内部突出物形成。
所述装置的主体可以包括由位于限定了承载镶嵌元件的壁的第一结构内的第二结构限定的第二内壁，其中第一和第二壁之间的空间限定了其中可容纳工作流体的第一容积，并且其中第二壁内的内部空间限定了独立于第一容积的第二容积。
限定第二壁的结构优选地是拉胀结构(auxetic structure)。限定第二壁的结构可以是波纹管型结构或凹入结构。
承载镶嵌元件的壁优选地包括单一材料，即没有增强的材料。可以使用增材制造、热成型、锻造和冲压或复合制造工艺来制造带有镶嵌元件的壁。
承载镶嵌元件的壁可由选自包括热聚合物乙缩醛尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乙烯(高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE))、聚氯乙烯(PVC)、聚醚醚酮(PEEK))、聚苯硫醚(PPS)、聚苯乙烯、聚砜、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚碳酸酯和聚丙烯(均聚物和共聚物)的组中的任何材料制成。
或者，承载镶嵌元件的壁可由任何热固性塑料材料制成，优选选自包括环氧树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、硅酮、乙烯基和天然橡胶的组。
或者，承载镶嵌元件的壁可以由超弹性合金制造。
或者，承载镶嵌元件的壁可以由使用玻璃纤维(E、AR和S玻璃)；可以是高模量(HM)和/或高强度(HS)的碳；硼；聚酰胺聚酯/>聚苯并恶唑(PBO、/>聚苯并噻唑(PBT)；聚苯并咪唑(PBI)或超高分子量聚乙烯/>的复合材料制造。
在另一个实施例中，可以由所述可收缩装置移动一阀门。在这样的实施例中，所述可收缩装置可以是能引起阀门故障打开或关闭的弹性构件。
附图说明
现将详细叙述本发明,仅通过举例方式,并参照附图,其中：
图1示出了根据本发明的可收缩装置的第一实施方式的透视图，其中该装置被示出为处于未致动、延伸状态的致动器，其中内部流体压力等于外部压力；
图2示出了图1的装置在其致动或收缩状态下的透视图，其中内部流体压力大于外部压力；
图3示出了用于两级泵或压缩机布置的图1的装置，所示出的布置处于其工作循环的前半部分；
图4示出了图3的两级泵或压缩机布置，所示出的布置处于其工作循环的后半部分；
图5示出了图1的装置的壁的一部分的放大图，其中突出显示了构成各元件的镶嵌元件的单个外凸出棱锥和单个内凸入棱锥；
图6示出了图1的装置的镶嵌元件的第一理论上理想的实施方式，其中透视图、前视图、顶视图和侧视图分别在图6(a)至6(d)中以延伸状态示出；
图7示出了图1的装置元件的镶嵌元件的第二实施方式，其中透视图、前视图、顶视图和侧视图分别在图7(a)至7(d)中以延伸状态示出，在图7(e)至7(h)中分别以对应的收缩状态示出；
图8示出了图1的装置元件的镶嵌元件的第三实施方式，其中透视图、前视图、顶视图和侧视图分别在图8(a)至8(d)中示出，在图8(e)至8(h)中分别以对应的收缩状态示出；
图9示出了图1的装置的镶嵌元件的第四实施方式，其中透视图、前视图、顶视图和侧视图分别在图9(a)至9(d)中示出，在图9(e)至9(h)中分别以对应的收缩状态示出；
图10示出了根据本发明的可收缩装置的一实施方式的透视图，其中该装置被示出为处于延伸、未致动状态的致动器；
图11示出了图10的装置的顶视图；
图12示出了沿图11中示出的A-A线截取的图10的装置的横截面图；
图13示出了根据本发明的可收缩装置的第三实施方式的透视图，其中该装置被示出为处于其未致动、延伸状态的致动器，其中突出显示了单个矩形镶嵌单元；
图14示出了图13的装置的镶嵌元件的实施方式，其中图14(a)至14(c)分别示出了透视图、顶视图和沿B-B截取的横截面图；
图15示出了图13的装置的镶嵌元件的替代实施方式，其中壁厚增加，其中图15(a)至图15(c)分别示出了透视图、顶视图和沿C-C截取的横截面图；
图16示出了图13的装置的镶嵌元件的替代实施方式，其中各个孔位于其各个顶点处，其中图16(a)至图16(c)分别示出了透视图、顶视图和沿D-D截取的横截面图；
图17示出了图13的装置的镶嵌元件的替代实施方式，其中各圆锥或棱锥位于其各顶点处，其中图17(a)至图17(c)分别示出了透视图、顶视图和沿E-E截取的横截面图；
图18示出了图13的装置的镶嵌元件的替代实施方式，其中平坦和弯曲部分位于其各顶点处，其中图18(a)至图18(c)分别示出了透视图、顶视图和沿F-F截取的横截面图；
图19示出了根据本发明的可收缩装置的第四实施方式的透视图，其中该装置被示出为处于其未致动状态的致动器，其中内部波纹管型结构位于镶嵌结构内；
图20示出了图19的装置的顶视图；
图21示出了沿图20所示G-G截取的图19装置的横截面图；
图22示出了根据本发明的可收缩装置的第五实施方式的透视图，其中该装置被示出为处于其未致动状态的致动器，其中内部凹入结构位于镶嵌结构内；
图23示出了图22的装置的顶视图；以及
图24示出了沿图23所示H-H截取的图22装置的横截面图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在以下附图中示出的各构造的细节和各部件的布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。因此，在各个实施例或附图中描述的特征的任何组合都包括在本发明中，即使本文没有明确公开。此外，应当理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应被视为限制性的。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变体意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变体是宽泛使用的，包括直接和间接的安装、连接、支撑和耦合，因此旨在包括两个构件之间没有任何其他构件插入其中的直接连接，以及构件之间插入一个或多个其他构件的间接连接。此外，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。此外，词语“下”、“上”、“向上”、“下方”和“向下”表示附图中供参考的方向。所述术语包括上面所列的词语、它们的派生词和相似的词语或外来词汇。应注意，如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述”以及任何词语的任何单数使用包括复数指示对象，除非明确且毫不含糊地限于一个指示对象。如本文所用，术语“包括”及其语法变体旨在是非限制性的，使得列表中的项目的引用不排除可以替换或添加到所列项目的其他类似项目。
本发明能够在许多情况下替换线性致动器或活塞。尤其是，本发明适用于致动阀门，尤其适合用作故障关闭或故障打开阀致动器。
参考各附图，其中相同的数字表示相同的特征，根据本发明的装置的第一实施例的非限制性示例主要由附图标记10表示。
在本发明的第一实施例中，装置10为波纹管型装置的形式，其可在第一、正常、延伸状态和第二、收缩、变形状态之间操作，所述第一、正常、延伸状态如图1所示具有第一轴向长度L1、第一压力P1和第一内部容积V1，所述第二、收缩、变形状态如图2所示具有第二轴向长度L2、第二压力P2和第二内部容积V2。装置10可具有大致圆柱形的主体12，其沿着中心轴线22在两个纵向相对端，分别为第一端14.1和第二端14.2，之间延伸。端部14.1、14.2的每一个都带有端盖或配件16，该端盖或配件16提供与其他部件的连接。如图1和2所示，位于端部14.1的端盖16带有用于将流体输送进和/或输送出主体12的内部容积(V)的装置。用于输送流体的装置可以包括阀18，导管20连接到阀18。在使用中，导管20与流体源流体连通，例如储液器，使得流体可以被输送进和输送出主体12的内部容积(V)。主体12基本上是不可渗透的，使得流体可以保留在其内部容积(V)中。在该特定实施例中，主体12由不可渗透材料制成。然而，可以设想在替代实施例中，主体12可以配备例如不可渗透的内衬。
回到图1和2所示的实施例，主体12可以由不可伸长的材料制成，使得在使用中，当流体被输送到主体12的内部容积V或内部容积V内的流体压力P增加时，装置10(特别是主体12)收缩。换言之，装置10，特别是主体12，在从其第一正常状态移动到其第二变形状态时收缩，第一轴向长度L1长于第二轴向长度L2，第一压力P1低于第二压力P2和/或第一内部容积V2小于第二内部容积V2。在图1和图2中能清晰看到所述收缩。装置10因此也被称为可收缩装置。
在装置10被配置为致动器的应用中，它将产生在与圆柱形主体12的纵向中心轴线22基本一致的方向上作用的收缩运动和/或张力。如图2所示，这种工作动作促进了波纹管型主体12的径向膨胀和由此导致的主体12的内部容积V中所含流体体积的总增长。然而，与已知的可收缩波纹管型装置不同，本发明的装置10在致动时保持基本圆柱形的形式。参考图2，装置10的主体12在其变形状态时在其长度的主要部分上保持圆柱形，其中其长度的主要部分可包括从邻近的第一端14.1延伸到邻近的第二端14.2的中心部分14.3。只有在紧邻刚性端盖16的端部区域中，主体12没有保持其圆柱形形状。
图3和4示出了第二实施例，示出了装置10用作泵或压缩机的应用。在该特定应用中，需要将装置10配置为使得主体12在其具有第二轴向长度L2和第二内部容积V2的第二正常状态下收缩，然后变形为具有第一轴向长度L1和第一内部容积V1的延伸的第一状态。当用在图3所示的泵或压缩机应用中时，例如通过诸如由电机26驱动的曲轴24之类的机构施加轴向拉伸载荷，导致径向收缩、从轴向长度L2到轴向长度L1的轴向延伸以及流体体积的总体减少和/或流体压力的增加。这种由拉伸载荷引起的变形如图3和图4所示。在这些附图中，示出了两级布置，其中使用了两个装置10。这些设备彼此相邻安装，并分别由附图标记10.1和10.2表示。然而，设想可以使用其中使用多个装置的多级布置。因此，本发明不限于所使用的任何特定数量的装置10。在典型的两级或多级布置中，装置10使用带有止回阀或检验阀30的导管28彼此流体连通。在这样的应用中，通常会使用体积连续减小的装置10。
本发明的致动装置10能够收缩高达其未变形或延伸长度的约35％。换言之，主体12的轴向长度在其变形或收缩状态下比其正常状态短约35％。其结果是，在第一实施例中，当以高应变配置的起始长度加压并保持固定时，装置10可以在主体的横截面上产生与标准活塞执行器相比时相当于输入流体压力五倍的归一化力。机械功输出可以近似为内部流体体积变化和该流体压力的乘积。
为了实现装置10的所需变形能力，波纹管型主体12的壁11包括镶嵌元件15。这些元件在图5和图6(a)至(d)中以第一延伸状态更详细地示出。在装置10的该图示实施例中，各元件的第一实施例包括突出结构41和侵入结构42，每个结构具有椎体结构，其分别包括突出和侵入四边形棱锥。在图5中，镶嵌的单个单元或元件40被突出显示。图6(a)至(d)更详细地显示了元件40。
图6(a)至(d)中所示的元件40是理论上理想的元件，以在其被构建在平坦表面上时形成镶嵌物，即如同用在具有无限半径r1的圆柱体上一样。突出结构或棱锥41可以包括基部节点41.1、41.2、41.3和41.4，基部边41.12、41.23、41.34和41.41在它们之间延伸，以及中心顶点41.5。轴向边41.25和41.45分别在中心顶点41.5和基部节点41.2和41.4之间延伸，并且周向边41.15和41.35分别在中心顶点41.5和基部节点41.1和41.3之间延伸。基部节点41.1和41.2定义了基部边41.12的第一和第二端，基部节点41.2和41.3定义了基部边41.23的第一和第二端，基部节点41.3和41.4定义了基部边41.34的第一和第二端，基部节点41.4和41.1定义了基部边41.41的第一和第二端。
类似地，突出结构或棱锥42可以包括基部节点42.1、42.2、42.3和42.4，基部边42.12、42.23、42.34和42.41在它们之间延伸，以及中心顶点42.5。轴向边42.25和42.45分别在中心顶点42.5和基部节点42.2和42.4之间延伸，并且圆周边42.15和42.35分别在中心顶点42.5和基部节点42.1和42.3之间延伸。基部节点42.1和42.2定义了基部边42.12的第一和第二端，基部节点42.2和42.3定义了基部边42.23的第一和第二端，基部节点42.3和42.4定义了基部边42.34的第一和第二端，基部节点42.4和42.1定义了基部边42.41的第一和第二端。
节点41.3和41.4可以分别与节点42.2和42.1重合。因此，突出结构41的基部边41.34可以与侵入结构42的基部边42.12重合。元件40重复以形成主体12的镶嵌元件15，因此形成侵入结构42和突出结构41的其他基部边41.12、41.23、41.41、42.23、42.34、42.41和节点41.1、41.2、42.3、42.4与和它们相邻的侵入结构和突出结构的相应基部边和节点重合。
图6(b)示出了纵向延伸状态下的装置。图6(b)中所示的角度α很重要，并且对主体12在受压时从第一延伸状态产生的变形具有显著影响。在装置10的这个特定实施例中，角度α必须小于55°，以使主体12发生任何收缩。进一步确定的是，当角度α在大约25°到30°的范围内时，实现了最大的变形。
如图6b所示，当突出结构在前视图或平面视图中，当致动器处于具有轴向长度L1的第一延伸状态时，突出结构41或侵入结构42的基部边41.12、41.23、41.34、41.41、42.12、42.23、42.34和42.41与中心轴22之间形成角度α。具体地，在相应的基部边41.12、41.23、41.34、41.41、42.12、42.23、42.34和42.41(它们连接相应结构41、42的轴向边41.25、41.45、42.25和42.45和周向边41.15、41.35、42.15 41、42、42.35和42.35的节点)和
由中心轴22及基部边的节点41.2、41.4、42.2、42.4定义的平面P之间形成角度α。角度α可以小于55度。或者，角度α可以在25度和30度之间。
主体12内相同轴向位置处的结构或棱锥51、52应具有相同或至少接近相同的几何形状。然而，这在距离中心轴22具有有限半径r2的真实圆柱体上是无法实现的。取而代之的是，该条件可以近似，并且镶嵌元件15中使用的元件的第二实施例在图7(a)至(h)中示出并且由附图标记50表示。元件50同样具有突出棱锥51和侵入棱锥52。棱锥51同样具有包括基部节点51.1到51.4的基部、在其间延伸的相应基部边51.12、51.23、51.34和51.41以及顶点51.5，而棱锥52具有包括基部节点52.1到52.4的基部、在其间延伸的相应基部边52.12、52.23、52.34和52.41以及顶点52.5。在元件50中，突出棱锥51和侵入棱锥52的顶点51.5和52.5分别从圆柱半径r2等距偏移，使得轴向边53、54、55和56都长度相等。这保持了接近理想的几何形状(前文的元件40的无限圆柱半径r1示例)，其中所有变形都通过容易的铰链弯曲而不是困难的膜拉伸发生。同样，基部节点51.3和51.4分别与基部节点52.2和52.1重合。因此，突出棱锥51.34的基部边与基部边52.12重合。
所述镶嵌中使用的元件的第三实施例如图8(a)至(h)所示，并由附图标记60表示。同样，元件60具有突出棱锥61和侵入棱锥62。棱锥61同样具有包括基部节点61.1到61.4的基部、在其间延伸的相应基部边61.12、61.23、61.34和61.41以及顶点61.5，而棱锥62具有包括基部节点62.1到62.4的基部、在其间延伸的相应基部边62.12、62.23、62.34和62.41以及顶点62.5。在元件60的该实施例中，与在元件50的第二实施例的情况下相同的顶点偏移半径的条件被放宽。相反，周向边63、64、65和66的长度都相等。这保持了接近理想的几何形状(前文的元件40的无限圆柱半径r1示例)，其中所有变形都通过容易的铰链弯曲而不是困难的膜拉伸发生。同样，基部节点61.3和61.4分别与节点62.2和62.1重合。因此，突出棱锥61.34的基部边与基部边62.12重合。
在实施例中，两个、三个和四个元件的r2垂直于中心轴22并且可以在沿其轴向长度L的任何点处限定真实圆柱体的圆柱半径。r2的值可以沿所述轴向长度L变化并随着元件的变形而增加或减少。具体而言，r2可能朝向元件的末端而减小。
角度α可以在图7b和图8b中看到，并且以与上述理论理想元件类似的方式形成。
所述镶嵌中使用的元件的第四实施例如图9(a)至(h)所示，并由附图标记70表示。概念上，元件70同样具有突出结构或棱锥71和侵入结构或棱锥72，但在该实施例中，在每个棱锥71和72的两个半部之间分别插入楔形结构73、74。楔形部73、74可以由棱锥的轴向横截面形成。棱锥71具有基本包括节点71.1至71.4的基部、在其间延伸的相应基部边71.12、71.23、71.34和71.41以及两个顶点71.5和71.6。轴向边71.25和71.26从基部节点71.2延伸，轴向边71.45和71.56分别从基部节点71.4延伸到中心顶点71.5和71.6，周向边71.15和71.36分别在中心顶点71.5和71.6与基部节点71.1和71.3之间延伸。顶点71.5和71.6形成楔形部73的基部节点，其具有分别与节点71.2和71.4重合的顶点。因此，楔形部73有效地添加了两个三角形面，它们分别由节点71.5、71.6和71.2以及节点71.5、71.6和71.4定义。侵入棱锥72基本上具有基部节点72.1至72.6、在其间延伸的相应基部边72.12、72.23、72.34、72.45、72.56和72.61以及顶点72.7。轴向边72.27、72.37、72.57和72.67分别在中心顶点72.7和基部节点72.2、72.3、72.5、72.6之间延伸，并且周向边72.17和72.47分别在中心顶点72.7和基部节点72.1、72.4之间延伸。在棱锥72中，这些节点72.2、72.3、72.5和72.6形成楔形部74的基部节点，其具有与棱锥72的顶点72.7重合的顶点。同样，基部节点71.3和71.4分别与节点72.2和72.1重合。因此，突出棱锥71的基部边71.34与侵入棱锥72的基部边72.12重合。在该实施例中，侵入棱锥72的楔形部74的基部边72.23和72.56与和它们轴向相邻的侵入棱锥72的楔形部74的相应基部边重合。
楔形部73和74的方向相对于棱锥71和72相反，楔形部的窄端靠近中心轴22而宽端远离中心轴22，使得由棱锥71、72形成的结构71、72和由它们的基部节点定义的楔形部73、74的形状遵循有限半径r2。以这种方式，突出棱锥或结构71和侵入棱锥或结构72的几何形状保持相同，从而类似于图6所示的元件40的实施例的理想几何形状。换言之，根据图6的理想几何形状，突出结构或棱锥71和侵入结构或棱锥72的几何形状保持相同，尽管通过在每个棱锥71、72的两个半部之间插入楔形部73、74而得到有限半径r2。
应当理解，突出结构71和侵入结构72在结构和形状上可以是椎体形状的。突出结构71可以包括类似于任何前述实施例的棱锥41、51、61，并且还包括楔形部73，其中楔形部73被插入以将所述棱锥41、51、61与中心轴22对齐分开，从而创建截断或扩大的棱锥71。还应理解，侵入结构72可以包括类似于任何前述实施例的棱锥42、52、62，并且还包括楔形部74，其中楔形部74被插入以将棱锥72与中心轴22对齐分开，从而创建六角棱锥72。
在元件70的这个实施例中，由节点71.5、71.2和71.6限定的楔形部角使镶嵌围绕主体12的圆柱形状旋转，从而允许突出棱锥71和侵入棱锥72的面的几何形状相同。节点71.2和节点71.6之间的边的长度等于节点72.2和节点72.7之间的边的长度。此外，节点71.6和节点71.3之间的边的长度等于节点72.7和节点72.1之间的边的长度。
在元件70的实施例中，棱锥71的基部实际上是多边形，特别是四边形，更特别是平行四边形。在图9(b)中能最清楚地看到节点71.1和71.2与节点72.3和72.4之间的侧边长度相等。反之，节点71.4和71.1以及节点71.1和71.2之间的侧边的长度相等。在图9(c)中能最清楚地看到，在棱锥71内包含楔形部73能有效地将棱锥71转变为截头棱锥。换言之，纳入楔形部73创建了与截去棱锥71的顶部或最外部部分的截头棱锥的形状基本一致的形状。其结果是，代替具有点形式的顶点(类似棱锥72和其他实施例的棱锥)，棱锥的顶点是在节点71.5和71.6之间延伸的边或线的形式。因此应当理解，在整个说明书中，术语“顶点”应当被广义地解释为指棱锥体的顶部或最高部分，并且不限于以点的形式描述顶点。因此，术语“顶点”用于描述棱锥体的顶部或最外部，也可称为棱锥体的顶峰、峰顶或顶点。
棱锥72的基部实际上是多边形，特别是六边形，更特别是不规则的六边形，因为它的边长不完全相等。在图9(b)中可以清楚地看到，节点72.1和72.2、节点72.3和72.4、节点72.4和72.5以及节点72.6和72.1之间的侧边长度相等。反之，节点72.2和72.3以及节点72.5和72.6之间的侧边的长度相等。棱锥72的六边形形状是通过将楔形部73的基部节点包括在棱锥的基部内而形成的。如果没有楔形部73，棱锥的基部将与棱锥71的基部相同。
图9(b)示出了处于延伸状态的致动器元件。如图9(b)所示，当在如图9b中从前视图或平面视图径向观察突出结构71或侵入结构72时，在致动器处于第一延伸状态时，其具有轴向长度L1，在突出结构71的基部边71.12、71.23、71.34、71.41或者，侵入结构72的基部边72.12、72.34、72.45和72.61和中心轴22之间形成第四实施例中的角度α。具体地，在相应的基部边71.12、71.23、71.34、71.41、72.12、72.34、72.45、72.61(它们连接相应结构71、72的轴向边71.25、71.26、71.45、71.46、72.27、72.37、72.57、72.67和周向边71.15、71.36、72.17、72.47的节点)和中心轴22，以及
由中心轴22及相应基部边的节点71.2、71.4、72.2、72.3、72.5、72.6定义的平面P之间形成角度α。
从以上描述应该理解，元件40、50、60和70实际上是中空多面体的形状。该多面体通常具有基部，其可以是在顶点处相交的四个或更多、优选地四到六个三角形面的任何多边形。各三角形边也称为侧面或侧表面。
上述实施例均使用单个突出结构41、51、61、71和单个侵入结构42、52、62、72示出，各实施例包括镶嵌元件15的各元件40、50、60、70。镶嵌元件15的是由多个所述元件40、50、60、70组成的重复图案，包括突出结构41、51、61、71和侵入结构42、52、62、72，它们无间隙或重叠地装配在一起。因此，如上所述，在以元件的重复图案形成致动器的主体12的圆柱形或大致圆柱形壁11的镶嵌元件15中，突出结构41、51、61、71的基部节点41.1、41.2、41.3、41.4、51.1、51.2、51.3、51.4、61.1、61.2、61.3、61.4、71.1、71.2、71.3、71.4和基部边41.12、41.23、41.34、41.41、51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41与相邻的侵入结构42、52、62、72的基部节点42.1、42.2、42.3、42.4、52.1、52.2、52.3、52.4、62.1、62.2、62.3、62.4、72.1、72.2、72.3、72.4、72.5、72.6和基部边42.12、42.23、42.34、42.41、52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61是重合的。特别地，突出结构41、51、61、71的基部节点41.1、41.2、41.3、41.4、51.1、51.2、51.3、51.4、61.1、61.2、61.3、61.4、71.1、71.2、71.3、71.4和/或基部边41.12、41.23、41.34、41.41、51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41与相邻的侵入结构42、52、62、72的基部节点42.1、42.2、42.3、42.4、52.1、52.2、52.3、52.4、62.1、62.2、62.3、62.4、72.1、72.2、72.3、72.4、72.5、72.6和/或基部边42.12、42.23、42.34、42.41、52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61是重合的。因为突出结构的基部节点和/或基部边各自与侵入结构的相应基部节点和/或基部边是相同的。其中，突出结构41、51、61、71的每个基部节点41.1、41.2、41.3、41.4、51.1、51.2、51.3、51.4、61.1、61.2、61.3、61.4、71.1、71.2、71.3、71.4和/或基部边41.12、41.23、41.34、41.41、51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41界定所述突出结构41、51、61、71的面，侵入结构42、52、62、72的基部节点42.1、42.2、42.3、42.4、52.1、52.2、52.3、52.4、62.1、62.2、62.3、62.4、72.1、72.2、72.3、72.4、72.5、72.6和/或基部边42.12、42.23、42.34、42.41、52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61界定所述侵入结构42、52、62、72的面。其中，突出结构41、51、61、71的面的每个基部节点41.1、41.2、41.3、41.4、51.1、51.2、51.3、51.4、61.1、61.2、61.3、61.4、71.1、71.2、71.3、71.4和/或基部边41.23、41.34、41.41、51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41、71.41与侵入结构42、52、62、72的相邻面的相应基部节点42.1、42.2、42.3、42.4、52.1、52.2、52.3、52.4、62.1、62.2、62.3、62.4、72.1、72.2、72.3、72.4、72.5、72.6和/或基部边42.12、42.23、42.34、42.41、52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61是重合的。
现在参考图10至图12，根据本发明的装置的第二实施例的非限制性示例总体上由参考数字110表示。
可单独使用或与上述实施例的装置10结合使用的替代布置，装置110可具有大致圆柱形的主体112并具有第一端114.1和第二端114.2。端盖或配件116同样位于每个端部114.1、114.2处。位于第一端114.1的端盖116承载用于输送流体的装置，例如软管连接器或配件118。在使用中，用于将流体输送到主体112的软管可以连接到软管配件118。在装置110的这个替代实施例中，每个端盖116带有用于连接到外部部件的连接装置。在该实施例中，连接装置表示为接头，例如杆端轴承120，以创建能够传递力的机械连接。在使用中，杆端轴承120将机械载荷和位移传递或传递到外部装置和机构。本发明的装置110的该第二实施例包括所述镶嵌的最基本实施例。所述镶嵌包括如上面分别参考图7、8和9所述的任何元件50、60或70。
现在参考图13，根据本发明的装置的第三个实施例的非限制性示例总体上由参考数字210表示。除了所述镶嵌元件的设计之外，装置210基本上类似于装置110。因此，将仅详细描述用于镶嵌的元件的设计。
在装置210的镶嵌中使用的元件设计旨在提供更大的致动器强度和改进的整个装置210的刚度分布，特别是其包括镶嵌的主体212。如图13所示，所述镶嵌中使用了基本呈矩形单元或元件形式的元件240。装置210的镶嵌同样包括突出棱锥和侵入棱锥，但是，代替如图6至9所示的元件40、50、60和70中包括两个完全形成的棱锥的元件240，矩形元件240被选择为包括两个半个突出棱锥241和侵入棱锥242。下面使用矩形元件240来说明用于通过应力减小结构来减小镶嵌元件15的突出棱锥241和侵入棱锥242的顶点和边缘处的应力集中的以下结构。
元件240在图14(a)至(c)中更详细地示出。元件240包括节点或顶点243.1至243.9。线244.1到244.4表示突出棱锥241和侵入棱锥242的各个半部之间的连接或接头。棱锥241、242的边缘或拐角被倒圆处理以减少这些区域中的应力集中。倒圆边由附图标记245表示。
设想为了由单一材料制造包括由元件240构成的镶嵌的主体212，通常需要使用较软的材料，例如聚氨酯弹性体。工作流体压力通常也会受到限制。通常需要这些措施以防止高应力集中，特别是在顶点243.1至243.9处，以及非倒圆面246.1至246.8的平面内拉伸和平面外弯曲，从而防止主体212的性能损失或故障。
为了解决元件240的限制，设想可以通过在顶点区域中使用比在元件240的其余部分中使用的材料更软的材料来减少顶点243.1到243.9处的应力集中。顶点243.1至243.9的区域中的较软材料通常比元件其余部分(例如平面或面246.1至246.8)中使用的材料具有更高的失效应变。进一步设想，倒圆边245和顶点243.1至243.9的区域以及棱锥241、242之间的接头244.1至244.4可以由具有相对低弯曲模量的高强度材料制成，例如在软聚合物基质(例如聚氨酯基质)中的纤维。在面246.1至246.8的区域中，元件240可以由比倒圆边、顶点和接头中使用的材料更硬的材料制成。例如，所述更硬的材料可以是碳纤维环氧树脂复合材料。通过在元件240中使用这种材料配置，主体212以及因此得到的装置210能够承受更高的工作流体压力。
在图15(a)至(c)中示出了在装置210的镶嵌中使用的元件的替代实施例。图15的这个实施例由数字250表示并且除了面246.1到246.8的区域之外基本上类似于元件240。在元件250中，元件的壁厚在面246.1至246.8的区域中在内部和外部均增加了。在倒圆边(fillet)245、顶点243.1至243.9和接头244.1至244.4的区域中，向内延伸的突出物257和向外延伸的突出物258同样以壁厚减小的倒角边(chamfers)259结束。元件250的该实施例减少了面246.1至246.8的平面内拉伸和平面外弯曲，同时仍然允许主体212由单一材料制造。尽管在图15中显示壁厚在内部和外部都增加了，但可以设想，在附图中未示出的替代实施例中，壁厚可以仅在内部或外部增加。进一步设想，虽然增加壁厚的区域257、258被显示为使用倒角边(chamfer)259连接到倒圆区域245，但也可以使用其他几何形状的连接，例如直坠式(straight drop)、倒圆边(fillet)等。因此，本发明不限于厚度增加的区域与厚度不增加的区域之间的任何特定连接形状，例如倒圆区域245、顶点243.1至243.9和接头244.1至244.4。
进一步设想，可以通过参考在根据本发明的镶嵌中使用的元件的其他实施例描述的任何方法来减小顶点243.1到243.9的区域中的任何应力集中。
在图16(a)至(c)中示出了在装置210的镶嵌中使用的元件的另一实施例。图16的这个实施例由数字260表示并且除了顶点中的元件区域之外基本上类似于元件250。在元件260中，元件的壁厚基本上与元件250类似地增加，因此将不再描述。然而，元件260与元件250的不同之处在于元件260包括用于减少在其顶点243.1至243.9的区域中的应力集中的结构。在元件260的这个实施例中，用于减小应力集中的结构是位于顶点区域中的孔261的形式。尽管孔261在图16中显示为圆形，但本发明不限于圆形孔。应当理解，本发明涵盖了去除顶点处的材料以减小顶点处的应力集中的原理。
为了保持主体212的流体不可渗透性，使用单独的膜或薄膜262。不可渗透膜基本上沿着整个主体212在内部延伸。膜262优选地由柔软的弹性材料制成。
在图17(a)至(c)中示出了在装置210的镶嵌中使用的元件的另一实施例。图17的这个实施例由数字270表示并且包括用于减小在其顶点243.1到243.9的区域中的应力集中的替代结构。元件270与元件240基本相似，因此，将仅详细描述用于减少其顶点处的应力集中的结构。在元件270的这个实施例中，用于减小应力集中的结构是不同于元件260中使用的孔261的应力减小结构的形式。在该特定实施例中，应力减小结构是圆锥或棱锥271的形式，其相对于下方的顶点几何形状是倒置的。
在图18(a)至(c)中示出了在装置210的镶嵌中使用的元件的又一实施例。图18的这个实施例由数字280表示并且包括用于减少在其顶点243.1到243.9的区域中的应力集中的替代结构。元件280与元件270基本相似，因此，将仅详细描述用于减少其顶点处的应力集中的结构。在元件280的该实施例中，用于减小顶点处的应力集中的应力减小结构是相对于下方的球形顶点几何形状的平坦281或弯曲282应力减小结构或部件的形式。
应该理解，在元件270和280中使用的用于减少顶点处的应力集中的应力减小结构271、281、282有效地减小或消除了顶点处的高斯曲率。因此应当理解，本发明不限于附图中所示的应力减小结构的几何形状。进一步设想可以组合来自上述实施例的顶点和面处的不同应力减小构造的特征。
现在参考图19，根据本发明的装置的第四个实施例的非限制性示例总体上由参考数字310表示。装置310基本上类似于装置210。装置310同样具有基本上圆柱形的主体312，其包括镶嵌元件15。主体312的元件可以是以上参照装置10、110、210的其他实施例描述的任何元件。装置310同样具有第一端314.1和第二端314.2，以及位于各端部的端盖或配件316。装置310同样具有软管连接器或配件318和用于连接到外部部件的连接装置320。
然而，装置310与其他装置10、110、210之间最显著的区别在于其主体312是多层的。在该特定实施例中，主体312具有第一侧壁312.1和第二侧壁312.2。第一侧壁312.1由包括如上所述的镶嵌元件15的第一结构322限定，第二侧壁312.2由位于第一结构内的第二结构324限定。在装置310中，第二结构324是波纹管型结构的形式。在图21中能最清楚地看到，波纹管型结构324布置在第一结构322内部，使得波纹管326与第一结构322的峰或突出部分328重合。
第一结构322和第二结构324布置成使得装置310限定彼此独立的第一或初级容积330和第二或次级容积332。在这种配置中，内部容积330、332内的流体可以被独立地加压。仍然参考图21，可以看出软管接头318与限定在第一侧壁312.1和第二侧壁312.2之间(即，在第一结构322和第二结构324之间)的第一内部容积330流体连通。在使用中，第一容积330内的流体充当用于致动或泵送/压缩的工作流体。然而，设想第二容积332内的流体可用于影响致动。
现在参考图22，根据本发明的装置的第五个实施例的非限制性示例总体上由参考数字410表示。装置410基本上类似于装置310，除了内部波纹管型结构324被替换为凹入结构424。
凹入结构424在图24中能看得最清楚。类似地，对于装置310，凹入结构424同样布置成使得其峰426与第一结构422的峰428重合。在使用中，在装置410，特别是主体412的第一结构422和第二结构424变形时，第一容积430的容积面积增加。应该清楚的是，这种容积的增加是由于第一容积430内的流体压力增加导致的变形时凹入结构424的径向收缩。由于装置410变形时容积的增加，实现了致动器功输出的增加。
尽管第二内部结构424被描述为凹入结构，但可以设想为任何拉胀结构(auxeticstructure)，即具有负泊松比的结构，都可以使用。
本发明的装置310、410的一个优点是角度α应该小于55°的约束可以被放松，同时仍然能实现收缩致动。换言之，装置310、410在致动时仍将轴向收缩，即内部压力增加，即使角度α大于55°。
可以设想本发明的装置10、110、210、310、410，特别是其主体12、112、212、312、412可以使用多种增材制造工艺中的任一种制造，例如熔丝制造(FFF)，也称为熔融沉积成型(FDM)、粉末床、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、立体光刻和PolyJet工艺。或者，本发明的装置10、110、210、310、410可以使用热成型工艺制造，例如吹塑成型、注塑成型和旋转成型。进一步设想，根据本发明的装置可以使用金属通过锻造和冲压制造。或者，可以使用复合制造工艺。复合材料制造工艺包括但不限于在高压釜内外使用预浸渍和干燥材料，以及热成型、铺带和树脂传递模塑。
进一步设想可以使用一系列不同的材料来制造本发明的装置10、110、210、310、410，特别是包括镶嵌元件15的主体12、112、212、312、412。所述材料包括但不限于热聚合物乙缩醛尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚乙烯(高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE))、聚氯乙烯(PVC)、聚醚醚酮(PEEK))、聚苯硫醚(PPS)、聚苯乙烯、聚砜、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚碳酸酯和聚丙烯(均聚物和共聚物)。本发明的装置10、110、210、310、410，特别是其主体12、112、212、312、412，也可以全部或部分由热固性塑料制成，例如环氧树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、硅酮、乙烯基和天然橡胶。进一步设想，本发明的装置，特别是其主体，可以由金属制成，特别是如果使用超弹性合金的话。还可以设想，当使用玻璃纤维(E、AR和S玻璃)、碳(HM和HS)、硼、聚酰胺/>聚酯/>聚苯并恶唑(PBO、/>聚苯并噻唑(PBT)、聚苯并咪唑(PBI)或超高分子量聚乙烯/>
从以上对根据本发明的装置的描述中，应当理解，该装置的显著优点是获得McKibben型致动器而不需要已知McKibben致动器的复杂编织物和膜。其结果是，本发明的装置可以由单一材料制造，即不含增强物。这允许本发明的装置由一系列材料和使用与已知的McKibben致动器不兼容的工艺生产。本发明的另一个显著优点是该装置能够承受的压力超出已知的收缩致动器所能达到的压力。本发明的装置还适合在恶劣的操作环境中用作泵或压缩机。
通过使用包括包括四棱锥的突出和侵入结构41、42、51、52、61、62、71、72的镶嵌的壁11，本发明的装置10能够以某种方式将内部压力与外部力联系起来，这在某种程度上等同于McKibben式致动器。收缩致动，也称为由于致动过程中产生的张力而导致的拉伸收缩，是在内部流体压力P增加时实现的，同时施加拉伸泵送力会导致所含流体体积减少，同时保持圆柱形。
根据本发明的流体波纹管型收缩装置通过波纹管设计保持了McKibben类致动器的高重量比性能和圆柱形加压形式，从而允许通过可获得的增材制造技术、低成本热成型工艺和从高性能复合材料制造。这些制造和材料选择分别实现了超过已知波纹管或McKibben型流体装置中已实现现有技术的改进的可定制性、降低的成本和增加的力重比(致动和泵/压缩机构造中的更高操作压力)。
虽然本发明的主要功能是从加压流体或向加压流体传递能量(作为致动器或泵/压缩机)，但该致动器可以充当弹性构件，其中装置10的主体12具有沿中心轴22的方向的刚度k。因此，当装置10从第一正常状态变形到第二变形状态时，装置10在此过程中存储材料弹性能，产生力f，该力f用于使装置10从第二变形位置返回到第一正常位置。这允许本发明充当弹簧，当流体压力被移除时，施加与致动力方向相反的力。因此，本发明可以在它们当前作为两个单独但连接的部件应用的应用中同时替换致动器和弹簧，例如在故障关闭或故障打开的阀致动器中。
刚度k可以在使致动器返回到第一正常状态的方向上提供力F。力F在使用中足以使致动器及其作用于其上的负载恢复到正常状态。刚度k可以大于1N/mm。
应当理解，以上描述仅提供了本发明的一些实施例，并且在不脱离本发明的精神和/或范围的情况下可以有许多变化。从本申请中可以容易地理解，本发明的特定特征，如在附图中大体描述和图示的，可以根据多种不同的配置来布置和设计。这样，提供本发明的描述和相关附图不用于限制本发明的范围，而仅代表选定的实施例。
本领域技术人员将理解，给定实施例的技术特征实际上可以与另一个实施例的特征组合，除非另有说明或这些特征显然是不兼容的。此外，除非另有说明，给定实施例中描述的技术特征可以与该实施例的其他特征分离。
Claims (36)
1.一种可收缩装置（10、210），包括主体（12），其具有中心轴（22）、内部容积（V）、垂直于所述中心轴（22）的半径r2和包括镶嵌元件（15）的壁（11），其中所述主体（12）可通过对主体（12）内的流体加压而在具有第一轴向长度（L1）和第一内部容积（V1）的第一正常状态和具有第二轴向长度（L2）和第二内部容积（V2）的第二变形状态之间变形，其中与第一正常状态的第一轴向长度（L1）和第一内部容积（V1）相比，所述主体（12）的第二轴向长度（L2）是减小的并且第二容积（V2）是增加的，其中镶嵌元件（15）包括一系列突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72），其布置成使得主体（12）通过在其正常状态和变形状态之间的变形保持大致圆柱形，所述镶嵌元件包括装配在一起、无间隙或重叠地重复的多个多边形元件，其中元件以直线铰链连接，且其中，所述突出结构和所述侵入结构各自包括多个基部边，且所述突出结构的基部边与所述侵入结构的基部边重合。
2.一种可收缩装置（10、210），包括主体（12），其具有中心轴（22）、内部容积（V）、垂直于所述中心轴（22）的半径r2和包括镶嵌元件（15）的壁，其中所述主体（12）可通过主体（12）的延伸而在具有第二轴向长度（L2）和第二内部容积（V2）的第二正常状态和具有第一轴向长度（L1）和第一内部容积（V1）的第一变形状态之间变形，其中与第一变形状态的第一轴向长度（L1）和第一内部容积（V1）相比，所述主体（12）的第二轴向长度（L2）是减小的并且第二容积（V2）是增加的，其中镶嵌元件（15）包括一系列突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72），其布置成使得主体（12）通过在其正常状态和变形状态之间的变形保持大致圆柱形，所述镶嵌元件包括装配在一起、无间隙或重叠地重复的多个多边形元件，其中元件以直线铰链连接，且其中，所述突出结构和所述侵入结构各自包括多个基部边，且所述突出结构的基部边与所述侵入结构的基部边重合。
3.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（51、61、71）和侵入结构（52、62、72）包括距中心轴（22）半径r2定位的基部节点（51.1、51.2、51.3、51.4、61.1、61.2、61.3、61.4、71.1、71.2、71.3、71.4、52.1、52.2、52.3、52.4、62.1、62.2、62.3、62.4、72.1、72.2、72.3、72.4、72.5、72.6）。
4.根据权利要求3所述的可收缩装置（10、210），其中每个突出结构（51、61、71）的每个基部节点（51.1、51.2、51.3、51.4、61.1、61.2、61.3、61.4、71.1、71.2、71.3、71.4）与侵入结构（52、62、72）的基部节点（52.1、52.2、52.3、52.4、62.1、62.2、62.3、62.4、72.1、72.2、72.3、72.4、72.5、72.6）重合。
5.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（51、61、71）和侵入结构（52、62、72）均包括基部边（51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41、52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61）。
6.根据权利要求5所述的可收缩装置（10、210），其中所述基部边（51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41、52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61）距中心轴（22）半径r2定位。
7.根据权利要求6所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（51、61、71）的每个基部边（51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41）与侵入结构（52、62、72）的基部边（52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61）重合。
8.根据权利要求5所述的可收缩装置（10、210），处于第一状态时，其中所述突出结构（51、61、71）和侵入结构（52、62、72）在所述基部边（41.12、41.23、41.34、41.41、51.12、51.23、51.34、51.41、61.12、61.23、61.34、61.41、71.12、71.23、71.34、71.41、42.12、42.23、42.34、42.41、52.12、52.23、52.34、52.41、62.12、62.23、62.34、62.41、72.12、72.34、72.45、72.61）和中心轴（22）之间限定一角度α，该角度α小于55度。
9.根据权利要求8所述的可收缩装置（10、210），其中所述角度α在25至30度的范围内。
10.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210），其中所述镶嵌元件（15）的突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）包括突出棱锥（41、51、61、71）和侵入棱锥（42、52、62、72）。
11.根据权利要求10所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出棱锥（41、51、61、71）和侵入棱锥（42、52、62、72）为四棱锥或六棱锥。
12.根据权利要求11所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出棱锥（41、51、61、71）为四棱锥的形式，所述侵入棱锥（42、52、62、72）为六棱锥的形式。
13.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（71）和侵入结构（72）包括通过在每个棱锥（71、72）中包含楔形结构（73、74）而形成的四棱锥和六棱锥，其中分别包括在四棱锥（71）和六棱锥（72）的楔形结构（73、74）的方向相反，以形成截头四角突出棱锥（71）和六角侵入棱锥（72）。
14.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210），包括用于减少镶嵌元件（15）的顶点（243）处的应力集中的结构。
15.根据权利要求14所述的可收缩装置（10、210），其中用于减小应力集中的结构包括位于顶点（243）的区域中的应力减小结构，其减小或消除顶点处的高斯曲率。
16.根据权利要求15所述的可收缩装置（10、210），其中位于所述顶点（243）的区域中的所述应力减小结构为孔的形式。
17.根据权利要求15所述的可收缩装置（10、210），其中位于所述顶点（243）的区域中的所述应力减小结构为相对于下方的顶点几何形状倒置的圆锥或棱锥的形式。
18.根据权利要求15所述的可收缩装置（10、210），其中位于所述顶点（243）的区域中的应力减小结构为相对于下方的顶点几何形状的平坦和/或弯曲部分的形式。
19.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）包括在其各顶点之间延伸的边（245）并且其中边（245）被倒圆处理以减少边缘（245）区域中的应力集中。
20.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）包括在其各顶点之间延伸的边（245），以在各边（245）之间限定面（246），并且其中突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）包括用于减少面（246）的平面内拉伸和平面外弯曲的装置。
21.根据权利要求20所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）的面（246）的区域由与所述突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）的顶点（243）和边（245）的区域中的材料相比具有增加的刚度的材料制造。
22.根据权利要求20所述的可收缩装置（10、210），其中所述突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）的面（246）的区域具有与所述突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）的边（245）和顶点（243）的区域相比增大的壁厚。
23.根据权利要求22所述的可收缩装置（10、210），其中增加的壁厚由突出结构（41、51、61、71）和侵入结构（42、52、62、72）的面（246）承载的外部和/或内部突出物形成。
24.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、310），其中所述主体（12、312）包括由位于限定了承载镶嵌元件（15）的壁的第一结构（322）内的第二结构（324）限定的第二内壁，其中第一壁（312.1）和第二壁（312.2）之间的空间限定了其中可容纳工作流体的初级容积，并且其中第二壁内的内部空间限定了独立于初级容积的次级容积（332）。
25.根据权利要求24所述的收缩装置（10、310），其中限定所述第二壁（312.2）的结构是拉胀结构。
26.根据权利要求25所述的可收缩装置（10、310），其中限定所述第二壁（312.2）的所述第二结构（324）是波纹管型结构或凹入结构。
27.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210、310），其中承载所述镶嵌元件（15）的所述壁包括单一材料。
28.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210、310），其中承载所述镶嵌元件（15）的壁是使用增材制造、热成型、锻造、冲压或复合制造工艺制造的。
29.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210、310），其中承载所述镶嵌元件（15）的壁由选自包括热聚合物乙缩醛Delrin®、尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯、热塑性聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚砜、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯和聚丙烯的组中的任何材料制成。
30.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210、310），其中承载所述镶嵌元件（15）的壁由任何热固性塑料材料制成。
31.根据权利要求30所述的可收缩装置（10、210、310），其中所述热固性塑料材料选自包括环氧树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、硅酮、乙烯基和天然橡胶的组。
32.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210、310），其中承载所述镶嵌元件（15）的壁由超弹性合金制成。
33.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210、310），其中承载所述镶嵌元件（15）的壁由使用玻璃纤维、碳、硼、聚酰胺、聚酯、聚苯并恶唑、聚苯并噻唑、聚苯并咪唑或超高分子量聚乙烯的复合材料制成。
34.根据权利要求1或2所述的可收缩装置（10、210、310），其为弹性构件，其中装置（10）的主体（12）在中心轴22的方向上具有刚度k，其作用于使主体从变形状态返回到正常状态。
35.一种阀，其由前述权利要求中任一项所述的可收缩装置（10、210、310）移动。
36.根据权利要求35所述的由可收缩装置（10、210、310）移动的阀，其中所述可收缩装置是弹性构件，其为故障关闭或故障打开的阀致动器。
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