CN204893948U - 柔性气动肌肉及柔性机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种可靠性高、适于广泛应用的柔性气动肌肉及柔性机器人。本实用新型的柔性气动肌肉，包括至少部分管壁为预折叠弹性管壁的封闭气室，所述封闭气室上设有与封闭气室相通的管接头，通过管接头向封闭气室注入空气或抽真空可使预折叠弹性管壁伸展和收缩。本实用新型的柔性气动肌肉，可以将弹性变形限制在可控的范围内，提高了可靠性，利于商业化应用，而采用该结构的柔性机器人，不但可以通过直管，弯管和变径管道，而且可以依靠主动弯曲进入交叉的支管。由于具有运动稳定、牵引力大、越障能力强、对管道适应能力强、破坏性小等优点，在各种管道探测、检测、疏通、修复等方面具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种柔性机器人，尤其是一种柔性气动肌肉及柔性机器人。
背景技术
管道机器人是一种可以代替人类进入管道内部进行管道维护、探测等作业的智能机器人系统。随着管道在国民经济各行业中的应用增多，对管道机器人的需求也越来越多。国内外学者研究开发了各种各样的管道机器人机构来满足实际需求。
大部分管道机器人采用刚性支撑结构制造，但刚性支撑结构对管道壁造成损伤比较大，并且不易小型化，存在在小型管道中转弯困难等问题，对于小型、微型管道的适应能力差，使用效果不好。
而若采用非刚性结构，则柔性仿生肌肉的方向比较合适，在仿生肌肉的研究中，记忆合金的成本高，而利用气动驱动的肌肉可以像生物的肌肉一样伸缩变形，具有功率质量比大、收缩比大、柔软性好、质量轻等特点，但当前研究的气动肌肉均停留在在利用弹性材料自然变形的阶段上，如上海理工大学专利号为201220193597.22的管道内柔性微小机器人系统中，其技术特征为空心圆柱形桶体；同样的哈尔滨工业大学一种小型化的气动肌肉驱动器201310110986.3，其中的气动肌肉也仅仅是简单的橡胶软管，这种结构单纯的靠柔性材料的弹性变形，对材料壁厚均匀度要求高，会常常因为壁厚不均匀导致发生的弹性形变偏离预期，并且在环境复杂的管道中，非常容易被异物毛刺等刺破、划伤而损坏，而且对于变形方向不容易控制，可靠性比较低。
北京邮电大学柔性蠕动的管道机器人200810106352.X是通过磁铁吸附在管道壁上，而对于大量常用的PVC管道则不适合。
以上机器人的共同问题是不能将柔性弹性形变限制在预期的范围内，存在使用不可控不可靠的问题，因而不适合商业化使用。
实用新型内容
本实用新型提供了一种可靠性高、适于广泛应用的柔性气动肌肉及柔性机器人。
实现本实用新型目的之一的柔性气动肌肉，包括至少部分管壁为预折叠弹性管壁的封闭气室，所述封闭气室上设有与封闭气室相通的管接头，通过管接头向封闭气室注入空气或抽真空可使预折叠弹性管壁伸展和收缩。
所述封闭气室由一个预折叠弹性长管和位于预折叠弹性长管两端的堵头构成，所述管接头位于堵头上。
所述封闭气室由一个环形的预折叠弹性管构成。
所述封闭气室的工作面管壁设有加厚部。
所述封闭气室的加厚部上设有连接孔，所述连接孔内穿入保护绳索并可与其它气动肌肉并联使用。
实现本实用新型目的之二的柔性机器人，包括两个导向头、两个环形膨胀肌肉和三个纵向伸缩肌肉，每个所述导向头通过三个平行四边形伸缩固定机构连接一个环形膨胀肌肉，两个所述环形膨胀肌肉分别通过连接环固定在三个纵向伸缩肌肉的两端；三个纵向伸缩肌肉组成可控弯曲角度和方向的机械臂，一个所述导向头上设有摄像头和铰刀，所述铰刀与电机相连；
所述环形膨胀肌肉包括一个由环形的预折叠弹性管构成的第一封闭气室，所述第一封闭气室上设有与第一封闭气室相通的管接头；
所述纵向伸缩肌肉包括一个由预折叠弹性长管和位于预折叠弹性长管两端的堵头构成的第二封闭气室，所述第二封闭气室上设有与第二封闭气室相通的管接头。
所述平行四边形伸缩固定机构的一个角固定在导向头上，对应的另一个角通过弹簧固定在环形膨胀肌肉上。
所述第一封闭气室和第二封闭气室的工作面管壁设有加厚部。
本实用新型的柔性气动肌肉及柔性机器人的有益效果如下：
本实用新型的柔性气动肌肉，可以将弹性变形限制在可控的范围内，提高了可靠性，利用商业化应用，而采用该结构的柔性机器人，不但可以通过直管，弯管和变径管道，而且可以依靠主动弯曲进入交叉的支管。由于具有运动稳定、牵引力大、越障能力强、对管道适应能力强、破坏性小等优点，在各种管道探测、检测、疏通、修复等方面具有很大的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型的柔性气动肌肉实施例1的部分剖视结构示意图。
图2为本实用新型的柔性气动肌肉实施例2的部分剖视结构示意图。
图3为本实用新型的柔性机器人的结构示意图。
图4为本实用新型的柔性机器人的环形膨胀肌肉的连接示意图。
具体实施方式
柔性气动肌肉实施例：
实施例1
如图1所示，本实用新型的柔性气动肌肉，包括封闭气室1，所述封闭气室1上设有与封闭气室1相通的管接头4，所述封闭气室1由一个预折叠弹性长管2和位于预折叠弹性长管2两端的堵头3构成，所述管接头4位于堵头3上；通过管接头4向封闭气室1注入空气或抽真空可使预折叠弹性长管2伸展和收缩。所述封闭气室1的工作面管壁设有加厚部5。所述封闭气室1的加厚部5上设有连接孔6，所述连接孔6内穿入保护绳索并可与其它气动肌肉并联使用，可以保护气动肌肉的安全，并实现向不同的方向转向等运动。
当通过管接头4注入压缩空气时，预折叠的折叠部分伸展，从而引起柔性肌肉伸展，而管接头4抽真空时，柔性气动肌肉按照折叠的结构收缩。通过控制注入空气的压力可以调节其伸展的长度，而加厚部5作为工作接触面，不但耐摩擦，而且在其上设有匀布的连接孔6，通过该孔可以与其它的气动肌肉在相对的位置连接固定后，组成并联机械臂，通过对不同的气动肌肉注入气体和抽真空可以实现向不同的方向转向等动作，例如，其中一个保持抽真空，而并联的另外一个注入压缩空气，可控制机械臂向抽真空的方向弯曲，同时也可以穿入保护绳索，以保护气动结构安全。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的基本结构和原理相同，不同的是：所述封闭气室1由一个环形的预折叠弹性管7构成。
当通过管接头4注入压缩空气时，预折叠的折叠部分伸展，从而引起柔性肌肉向环形外侧膨胀，而通过管接头4抽真空时，柔性气动肌肉按照折叠的结构收缩。通过控制注入空气的压力可以调节其膨胀的宽度，而加厚部5为工作接触面，不但耐摩擦，而且可以起到支撑作用。
如图3、4所示，本实用新型的柔性机器人，包括两个导向头12、两个环形膨胀肌肉10和三个纵向伸缩肌肉11组成的机械臂，每个所述导向头12通过三个平行四边形伸缩固定机构13连接一个环形膨胀肌肉10，所述平行四边形伸缩固定机构13的一个角固定在导向头11上，对应的另一个角通过限位弹簧15固定在环形膨胀肌肉10上；两个所述环形膨胀肌肉10分别通过连接环14固定在三个纵向伸缩肌肉11的两端；三个纵向伸缩肌肉11组成可控弯曲角度的机械臂，一个所述导向头12上设有摄像头16和铰刀17，所述铰刀17与电机相连。
所述环形膨胀肌肉10包括一个由环形的预折叠弹性管构成的第一封闭气室，所述第一封闭气室上设有与第一封闭气室相通的管接头；
所述纵向伸缩肌肉11包括一个由预折叠弹性长管和位于预折叠弹性长管两端的堵头构成的第二封闭气室，所述第二封闭气室上设有与第二封闭气室相通的管接头。
所述第一封闭气室和第二封闭气室的工作面管壁设有加厚部。
本实用新型的柔性机器人的工作原理如下：
进入管道时，后面的环形膨胀肌肉充气膨胀，使自己牢固的支撑在管道内壁上，然后纵向伸缩肌肉充气伸长，将头部向前推出，当推出到限定位置时，位于头部的环形膨胀肌肉充气膨胀，使头部胀环支撑在管道内壁上，然后尾部的环形膨胀肌肉抽真空，收缩，离开管道壁，进一步的纵向伸缩肌肉抽真空，带动尾部环形膨胀肌肉向前移动，从而使得整个机器人在管道内壁向前移动。
如果管道出现转弯时，可以调整三个纵向伸缩肌肉的充气量或抽真空程度，使得机器人的头部可向任意方向转弯。
由于采用了柔性结构，对管道压力均匀可控，不会因为压力不均匀和压力不受控造成对管道壁的破坏，对管道的影响最小，最安全，同时可以向任意方向转向。
本实用新型由于采用了预折叠的弹性材料肌肉，令机器人可在系统的控制下在管道内壁，实现直线的运动和管道内的任意转弯，大大提高了运动效率和速度，大大提高了系统的越障能力、安全性能，同时对管道适应能力强、破坏性小、可靠性高，更适合商业化应用。
上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.柔性气动肌肉，其特征在于：包括至少部分管壁为预折叠弹性管壁的封闭气室，所述封闭气室上设有与封闭气室相通的管接头，通过管接头向封闭气室注入空气或抽真空可使预折叠弹性管壁伸展和收缩。
2.根据权利要求1所述的柔性气动肌肉，其特征在于：所述封闭气室由一个预折叠弹性长管和位于预折叠弹性长管两端的堵头构成，所述管接头位于堵头上。
3.根据权利要求1所述的柔性气动肌肉，其特征在于：所述封闭气室由一个环形的预折叠弹性管构成。
4.根据权利要求1～3任一所述的柔性气动肌肉，其特征在于：所述封闭气室的工作面管壁设有加厚部。
5.根据权利要求4所述的柔性气动肌肉，其特征在于：所述封闭气室的加厚部上设有连接孔，所述连接孔内穿入保护绳索。
6.柔性机器人，其特征在于：包括两个导向头、两个环形膨胀肌肉和三个纵向伸缩肌肉，每个所述导向头通过三个平行四边形伸缩固定机构连接一个环形膨胀肌肉，两个所述环形膨胀肌肉分别通过连接环固定在三个纵向伸缩肌肉的两端；三个纵向伸缩肌肉组成可控弯曲角度和方向的机械臂，一个所述导向头上设有摄像头和铰刀，所述铰刀与电机相连；
所述环形膨胀肌肉包括一个由环形的预折叠弹性管构成的第一封闭气室，所述第一封闭气室上设有与第一封闭气室相通的管接头；
所述纵向伸缩肌肉包括一个由预折叠弹性长管和位于预折叠弹性长管两端的堵头构成的第二封闭气室，所述第二封闭气室上设有与第二封闭气室相通的管接头。
7.根据权利要求6所述的柔性机器人，其特征在于：所述平行四边形伸缩固定机构的一个角固定在导向头上，对应的另一个角通过弹簧固定在环形膨胀肌肉上。
8.根据权利要求6或7所述的柔性机器人，其特征在于：所述第一封闭气室和第二封闭气室的工作面管壁设有加厚部。
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