闭合腔体、软体肌肉、软体机器人驱动系统和机器人系统的制作方法

本实用新型涉及软体机器人技术领域，具体而言涉及闭合腔体、软体肌肉、软体机器人驱动系统和机器人系统。

背景技术：

近年来，软体执行器由于其具有较好的依从性、较高的安全性和较强的动力而日益引起研究人员的注意，这促进了其在日常使用和工业使用中的发展。例如，软体肌肉由于其具有独特的被动柔性和可适应性，从而在任何一个工作点上都不是绝对的刚性，在外力作用下可以在一定范围内产生形变，因此在发生碰撞、撞击等意外情况下，软体肌肉具有传统机器人执行器无法比拟的可适应性和安全性。软体肌肉尤其适用于可穿戴机器人设备或工作于通用环境下的服务机器人等应用场合。

US7779747B2公开了这样一种软体肌肉，其包括具有第一端、第二端和在这两端之间延伸且可径向膨胀的囊组件的执行器，该执行器外接有压力流体源。囊组件还包括内腔。此外，内腔里设有大致固定容积的容器。其中囊组件构造成当从容器向内腔中引入一定体积的流体时能够径向扩张且轴向收缩。但这种软体肌肉由于收缩比较低且需要较高的驱动压力才能产生相同的作用力而仍需要进一步改进。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种改进的适于应用于软体肌肉的闭合腔体。

本实用新型还旨在提供一种应用上述改进的闭合腔体的软体肌肉，能够在较低驱动压力下产生较高的收缩比。

本实用新型还旨在提供一种应用上述改进的软体肌肉的软体机器人驱动系统。

本实用新型还旨在提供一种应用上述改进的软体机器人驱动系统的机器人系统。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种闭合腔体，其具有折纸结构并限定出内腔，其中，所述折纸结构包括：本体，其具有两个轴向端部和交汇至轴向末端的多个第一轴向折叠凸脊，所述两个轴向端部中的至少一个轴向端部具有朝轴向末端渐缩的折角；至少一对端部折叠凸脊，其一体形成在所述本体上，其中每个端部折叠凸脊朝向轴向末端渐缩；以及中部折叠凸脊，其一体形成在所述本体上并连接在所述至少一对端部折叠凸脊之间；其中，闭合腔体构造成能通过充胀所述内腔从折叠状态转变为径向扩张且轴向收缩的展开状态。

当可充胀的内腔中填充有压力流体时，闭合腔体借助于展开轴向折叠凸脊、端部折叠凸脊和中部折叠凸脊而实现在径向上的膨胀或扩张，这种膨胀或扩张仅需较小的驱动压力就可以实现。同时闭合腔体借助于折角的角度变化可以实现其整体在轴向上的收缩，避免由于端面膨胀对一部分轴向收缩力进行抵消而导致降低所能够产生的最大作用力。该闭合腔体的构造简单且易于操作，并具有较高的安全性。

优选地，所述中部折叠凸脊包括相间隔的多个第二轴向折叠凸脊。这样，提供了一种结构简单的中部折叠凸脊。

优选地，所述中部折叠凸脊包括多个波纹折叠凸脊。这样，提供了另一种结构简单的中部折叠凸脊。

优选地，所述折纸结构由柔性不可伸缩的薄膜材料制成。这样，避免了材料自身的拉伸特性对压力流体产生的作用力造成抵消，降低软体肌肉的力重比。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种软体肌肉，其中，包括：前述的闭合腔体；可变形地包围所述闭合腔体以将径向膨胀转化为轴向收缩的限制机构；连接至所述限制机构的端部连接件；以及穿过所述端部连接件并与所述闭合腔体的内腔相连通的管路。

在闭合腔体被加压而径向扩张时，包围其的限制机构随之发生变形，产生轴向收缩和径向膨胀，将闭合腔体的径向扩张转化为轴向收缩。同时，限制机构可有效约束闭合腔体，防止其在径向上过度膨胀，提高闭合腔体可以承受的最大内压，并由此提高了可以产生的最大收缩冲程和最大收缩力。由于内部的闭合腔体可以在外力作用下发生被动形变，该软体肌肉在任何一个工作状态下均具有一定程度的被动柔性和可适应性，即在外力作用下软体肌肉的长度可以在一定范围内发生被动改变。因此无论被驱动与否，该软体肌肉沿径向方向始终具有被动柔性，可以任意被径向弯转，而不阻碍轴向方向的运动和在产生拉力。

优选地，所述限制机构包括网状编织结构。网状编织结构的几何关系特性有助于将闭合腔体的径向扩张转化为轴向收缩。

优选地，所述端部连接件包括：环圈，其具有凸缘以及适于所述管路穿过的轴向通孔；锁紧环，其套在所述环圈上用于锁定所述限制机构的端部；以及保持盖，其连接至所述环圈并将所述锁紧环保持在所述凸缘上。这样，提供了一种结构简单、易于实现的端部连接件。

优选地，所述锁紧环包括内环和外环，其中内环和外环之间设置有交错的凹凸锁紧结构，限制机构的端部被锁紧在所述凹凸锁紧结构之间。

优选地，所述端部连接件由适于3D打印的塑料材料制成。

根据本实用新型的又一个方面，提供了一种软体机器人驱动系统，其中，包括：气压源；前述的软体肌肉，其中所述内腔适于由气体充胀；以及控制气体流向和流量的控制阀。

根据本实用新型的又一个方面，提供了一种软体机器人驱动系统，其中，包括：液压源；前述的软体肌肉，其中所述内腔适于由液体充胀；以及控制液体流向和流量的控制阀。

根据本实用新型的又一个方面，提供了一种机器人系统，其中，包括多个前述的包括气压源的软体机器人驱动系统或多个前述的包括液压源的软体机器人驱动系统，其中至少部分软体机器人驱动系统由共用的控制阀所控制。由此，共用控制阀的软体机器人驱动系统将同时产生运动。

根据本实用新型的又一个方面，提供了一种机器人系统，其中，包括多个前述包括气压源的软体机器人驱动系统或多个前述的包括液压源的软体机器人驱动系统，其中每个软体机器人驱动系统由独立控制阀所控制。

本实用新型的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本申请后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。由此，通过独立控制阀控制的软体机器人驱动系统将相互独立的产生运动。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中：

图1是根据本实用新型的实施例的闭合腔体的示意图；

图2是根据本实用新型的实施例的闭合腔体的本体的局部示意图；

图3是根据本实用新型的实施例的闭合腔体的端部折叠凸脊的局部示意图；

图4是根据本实用新型的实施例的闭合腔体的中部折叠凸脊的局部示意图；

图5是根据本实用新型的实施例的闭合腔体在折叠状态下的示意图，其中设有三条第一轴向折叠凸脊；

图6是根据图5的闭合腔体在展开状态下的示意图；

图7是根据本实用新型的实施例的闭合腔体在折叠状态下的示意图，其中设有四条第一轴向折叠凸脊；

图8是根据图7的闭合腔体在展开状态下的示意图；

图9是根据本实用新型的实施例的闭合腔体在折叠状态下的示意图，其中设有五条第一轴向折叠凸脊；

图10是根据图9的闭合腔体在展开状态下的示意图；

图11是根据本实用新型的实施例的软体肌肉的示意图，其中闭合腔体处于展开状态；

图12是根据图11的软体肌肉的示意图，其中闭合结构处于折叠状态；

图13是根据本实用新型的实施例的端部连接件与网状编制结构相配合的示意图；

图14是根据图13的局部剖视图；

图15和图16是对实验和理论结果的描述。

在本实用新型中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

附图标记说明：

1.软体肌肉；10.闭合腔体结构；100.本体；101.轴向端部；102.轴向端部；103.第一轴向折叠凸脊；105.折角；200.端部折叠凸脊；300.中部折叠凸脊；301.第二轴向折叠凸脊；303.波纹折叠凸脊；400.内腔；500.限制机构；600.端部连接件；601.环圈；602.凸缘；603.轴向通孔；604.锁紧环；605.保持盖；606.内环；607.外环；700.管路。

具体实施方式

现参考附图，详细说明本实用新型所公开的机器人系统的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本实用新型的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本实用新型的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。

在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“内”、“外”、“上方”、“下方”和其它方向性术语，将被理解为具有其正常含义并且指正常看附图时所涉及的那些方向。除另有指明，本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。

本实用新型中所使用的术语“第一”、“第一个”、“第二”、“第二个”及其类似术语，在本实用新型中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。

参考图1至图4，具体示出了根据本实用新型的实施例的闭合腔体10的示意图，其包括折纸结构和由折纸结构限定出的可充胀的内腔400(参考图11和图12)。如图所示，折纸结构包括纵长的本体100(waterbomb pattern)、一体形成在本体100上的端部折叠凸脊(tree leaves pattern)200和中部折叠凸脊(miura-ori pattern)300。内腔400适于填充压力流体例如液体或气体。本体100沿其轴线方向具有相对的两个轴向端部101和102，其中每个轴向端部设有向轴向末端交汇的四条第一轴向折叠凸脊103，将端面四等分并构造出朝轴向末端渐缩的折角105。在向内腔400中填充/泄放压力流体过程中，该折角105的角度会随着闭合腔体10的径向扩张或收缩而发生变化，从而引起闭合腔体10在轴向上的收缩或伸长。在一个未示出的实施例中，两个轴向端部101和102中的一个形成有折角105，同样也能在闭合腔体10径向扩张时实现轴向收缩。

端部折叠凸脊200和中部折叠凸脊300分别一体形成在本体100上。图1示出了一种实施例的端部折叠凸脊200。如图所示，一对稍小的端部折叠凸脊200相对布置在本体100的两端，在其外侧布置有另一对稍大的端部折叠凸脊200。其中每个端部折叠凸脊200朝着轴向末端渐缩。图3示出的是更多的端部折叠凸脊200，它们在本体100上套叠而成。中部折叠凸脊300形成在端部折叠凸脊200之间。图1示出的实施例中，中部折叠凸脊300由相互平行且间隔开的多个第二轴向折叠凸脊301构成。图4所示的实施例中，中部折叠凸脊300包括多个z字形的波纹折叠凸脊303。

这种闭合腔体10的内腔400通过管路与外界连通。当例如填充加压气体/液体使内腔400的内部压力高于外部压力时，由于多个折叠凸脊103、200、300以及折角105的存在，闭合腔体10沿径向扩张/膨胀，同时沿着轴线方向收缩。由此，在制成闭合腔体10的材料(例如薄膜材料)所能允许的最大范围内，闭合腔体10随内部压力大小而从原始的折叠状态转变为径向扩张且轴向收缩的展开状态。闭合腔体10的轴向收缩与径向扩张的比例可以通过改变各折叠凸脊的设计来进行控制。同样原始长度和直径且制成闭合腔体10的材料厚度相同的情况下，第一轴向折叠凸脊103的数量越多，径向膨胀的比例就越大。一般情况下，第一轴向折叠凸脊103为3-8条，即每个端面由3-8个同样的结构进行等分。

图5至图10示出了几种闭合腔体10从端部看过去的示意图，其中图5、图7和图9分别是三种闭合腔体10在折叠状态下的示意图，而图6、图8和图10分别是这三种闭合腔体10在展开状态下的示意图，这些附图中，实线表示自然状态下的折叠凸脊的顶部折线，虚线表示自然状态下的折叠凸脊的底部折线。参考图5和图6，闭合腔体10在端部形成有将端面三等分的三条第一轴向折叠凸脊103(即N＝3)。图5的闭合腔体10展开后形成如图6所示的类似于截角等边三角形的形状。参考图7和图8，闭合腔体10在端部形成有将端面四等分的四条第一轴向折叠凸脊103(即N＝4)。图7的闭合腔体10展开后形成如图8所示的类似于截角正方形的形状。参考图9和图10，闭合腔体10在端部形成有将端面五等分的五条第一轴向折叠凸脊103(即N＝5)。图9的闭合腔体10展开后形成如图10所示的类似于截角正五边形的形状。

优选地，闭合腔体10由柔性不可伸缩的薄膜材料制成，以避免由于材料自身拉伸而抵消压力流体产生的作用力所导致的收缩比下降。这里的“柔性不可伸缩材料”是本领域技术人员所知晓的那些材料，本申请不涉及对材料方面的改进。为了便于填充压力流体，闭合腔体10可以呈一端封闭而另一端具有开孔形式以便于插接管路。

优选地，闭合腔体10可以借助于3D打印完成，从而使其具有较好的可重复性以及较高的精度。

上述的闭合腔体10在应用于软体肌肉中时能够在很大程度上提高软体肌肉的性能，因为它能够有效降低膨胀过程中的能量损耗。闭合腔体10中的折纸结构借助于重新排布和弯曲边缘而产生运动，避免弹性材料制成的腔体在膨胀时导致的内部材料拉伸。此外，折纸结构也使得最大工作压力与腔体壁厚无关。

下面将对应用上述闭合腔体10的软体肌肉(或称纤维增强折纸机器人执行器，Fiber-reinforced Origamic Robotic Actuator，缩写为FORA)进行详细描述。

参考图11和图12，图11具体示出了根据本实用新型的一个实施例的软体肌肉1处于展开状态(或称激活状态)时的示意图，图12具体示出了该软体肌肉处于折叠状态(或称自然状态)时的示意图。如图所示，软体肌肉1包括闭合腔体10、包围该闭合腔体10的用于约束和运动导向的限制机构500以及安装至限制机构500两端的端部连接件600。其中闭合腔体10可以是前述的任一种能够在充入压力流体后轴向收缩而径向膨胀的闭合腔体。在示出的实施例中，采用的是图1所示的闭合腔体10。

限制机构500被设置在闭合腔体10之外。自然状态下，限制机构500的轴向长度大于闭合腔体10的轴向长度，端部连接件600只与限制机构500连接而不与闭合腔体10接触。在闭合腔体10被加压而径向膨胀成激活状态时，限制机构500随之发生变形，将闭合腔体10的径向膨胀转化为轴向收缩。同时，限制机构500作为外部约束机构可有效防止闭合腔体10在径向上过度膨胀，从而提高闭合腔体10可以承受的最大内压，并由此提高可以产生的最大收缩冲程和最大收缩力。

参考图11和图12，限制机构500优选为网状编织结构，其借助于两根螺旋延伸的纤维条带相互交叉构成。从任一节点延伸出的条带可绕该节点摆动。如图11，其示出了闭合腔体10处于展开状态时软体肌肉1的示意图。随着闭合腔体10的径向膨胀，限制机构500整体在轴向上收缩而径向上扩张。接着参考图12，其示出了闭合腔体10处于折叠状态时软体肌肉1的示意图。随着内腔400中填充的压力流体被排出，限制机构500也随之径向收缩而轴向伸长。通过网状编织纤维结构的几何关系特性，有效将闭合腔体10的加压径向膨胀转化为轴向长度的缩短。

端部连接件600可选用金属或塑料等刚性材料制成，优选采用适于3D打印的材料。这里“适于3D打印的材料”是指本领域技术人员所知的那些材料，并不涉及对材料的改进。端部连接件600从两端施加至限制机构500，以将限制机构500有效固定并为进一步连接外部其它系统提供安装基础。参考图13和图14，具体示出了根据本实用新型的一个实施例的端部连接件600，包括具有凸缘602和轴向通孔603的环圈601、套在环圈601上的锁紧环604以及套在环圈601上部并将锁紧环604压紧在凸缘602上的保持盖605。环圈601的轴向通孔603适于穿过为闭合腔体10供应压力流体的管路700。保持盖605例如螺纹接合在环圈601上，可用于进一步连接外部其它系统。限制机构500的网状编制结构被锁紧环604锁紧。

锁紧环604包括可拆分的内环606和外环607。如图所示，内环606套在环圈601上，外环607例如螺纹接合在内环606上。

优选在内环606与外环607之间形成交错的凹凸锁紧结构以防止限制机构500的端部脱出。在图14示出的实施例中，内环606和外环607各自沿轴向形成有邻接的凹部和凸部。接合状态下，内环606的凸部插接入外环607的凹部中，而外环607的位于端部的凸起插接入内环606与环圈601之间的间隙中。由此，内环606和外环607之间的多个凸起和凹部形成了轴向上交错的凹凸锁紧结构。网状编制结构的端部纤维被锁紧在该凹凸锁紧结构中难以脱出，从而被有效固定。凹凸锁紧结构通过扩大接触面积来增加最大受力，提高端部连接件600的最大负载。虽然图14以示例的方式具体示出了凹凸锁紧结构，但是本领域技术人员将会明白，凹凸锁紧结构的具体形态不限于此，凸起和凹部的具体数量和形状可以根据实际需要而设定，只要凸起在轴向上相互错开并在接合后突伸入对应的凹部中，在一定程度上都能起到锁紧限制机构500的端部纤维的作用。

上述的软体肌肉由压力流体例如气压或液压驱动。在被驱动时沿轴向缩短，并且可以产生轴向拉力。同时，由于内部的闭合腔体10可以在外力作用下发生被动形变，该软体肌肉在任何一个工作状态下均具有一定程度的被动柔性和可适应性，即在外力作用下软体肌肉的长度可以在一定范围内发生被动的改变。在本实用新型的所示的实施例中，软体肌肉的最大收缩冲程可以达到50％。无论被驱动与否，该软体肌肉沿着径向方向始终具有被动柔性，可以任意被径向弯转，而不阻碍轴向方向的运动和产生拉力。

本实用新型的软体肌肉具有极高的拉力重量比，并可以由很低的压力驱动。经实验证明，在1个标准大气压(1Bar)的驱动压力下，自重20克的被动直径30毫米的该种肌肉可以产生最大280牛顿的轴向拉力，拉力重量比达到惊人的1440。同时，该肌肉可以实现较大冲程，在充分驱动的情况下可以实现接近0.5的收缩比。与现有气动软体肌肉不足0.3的最大冲程比较，提高60％以上。在驱动和受力方面，本实用新型的软体肌肉在同等材料、尺寸和重量下，所需驱动压力更低、产生的拉力更高，性能有着显著提高。

图15和图16描述了实验和理论结果。其中，图15示出自由空间(free space)测试，对本申请涉及的FORA(图中标示为I)、购买自Shadow Robot company的PAMs(以下称为Shadow，在图中标示为II)以及来自Festo company的气动执行器(Pneumatic Actuator)(以下称为Festo，在图中标示为III)的实验结果进行对比。此外，图15还示出了FORA的模拟结果(modeled results)。从图15可以清楚地看出，Shadow和Festo存在阈值压力。由于内腔的非线性弹性，当压力分别低于50kPa和100kPa时，Shadow和Festo不会产生行程位移。而FORA没有阈值压力，其收缩快速增加。具体来说，上述实验显示在100kPa(14.4psi)驱动压力下的最大收缩比为45％。这个结果也被静态模拟所证明。与传统的PAMs相比，FORA的冲程已经提高了近50％。

图16示出了等张测试(Isotonic test)，显示了FORA(图中标示为I)和Shadow(图中标示为II)的实验结果，以及FORA的模拟结果。如图所示，拉力随着收缩的增加而降低，直到达到最大收缩。施加100kPa压力时，与Shadow相比，FORA在相同收缩时显示出比Shadow更高的拉力。

上述的软体肌肉尤其适于应用到软体机器人驱动系统中。

根据一个实施例，软体机器人驱动系统通过液压源向闭合腔体10的可充胀内腔400中充入液体。液体的流量和流向可以借助于控制阀，例如电磁阀来控制。

根据另一个实施例，软体机器人驱动系统通过气压源向闭合腔体10的可充胀内腔400中充入气体。气体的流量和流向可以借助于控制阀，例如电磁阀来控制。

这就意味着，本实用新型的软体机器人驱动系统对流体压力源的形式没有严格的限定，由于闭合腔体10的存在，可以根据需要填充液体或气体，而无需担忧密封等问题。这不同于那些由于密封条件限制只能使用单一种类流体压力源的现有系统。

多个，例如20个上述的软体机器人驱动系统相结合可以用于组建机器人系统。或者，也可以是20个以下的软体机器人驱动系统相结合，具体数量要根据实际情况确定。这些软体机器人驱动系统，可以是全部采用液压源的系统，也可以是全部采用气压源的系统，或者可以是部分采用气压源而另一部分采用液压源的系统。

这些软体机器人驱动系统可以全部由共用的控制阀所控制，这样所有的软体机器人驱动系统将会同时产生动作。或者，其中一部分的软体机器人驱动系统可以由共用的控制阀所控制，另一部分软体机器人驱动系统各自具有独立的控制阀，由此，共用控制阀的这些软体机器人驱动系统将会同时产生动作，而具有独立控制阀的软体机器人驱动系统将会独立产生动作。当然，也可以是所有的软体机器人驱动系统各自具有独立的控制阀，这样所有的软体机器人驱动系统将会相互独立的产生动作。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。