一种长度变化的柔性管及其使用该柔性管的装置的制作方法

本实用新型属于伸缩控制技术领域，特别涉及一种长度变化的柔性管及其使用该柔性管的装置。

背景技术：

机器人越来越深入地进入人的生活。近年来，大量出现与人直接相处的机器人，例如，康复机器人、协作机器人等。与人共处的机器人必须最大限度地避免对人体造成伤害，因此，柔性的驱动机构大量被应用到该类机器人的设计当中。

在柔性驱动机构中使用到长度变化的柔性管。人工肌肉是一种典型的柔性驱动机构。如附图6所示，柔性管1′和两端的端盖2′形成密闭腔3′。通过通孔4′向密闭腔3′内充高压气体使柔性管1′膨胀而变短，进而产生拉力，如图7所示。人工肌肉具有结构柔软的优点，即使与人发生碰撞，也不会对人体构成伤害。然而，它的缺点也非常明显，主要包括以下几点：

（1）驱动力不足。人工肌肉依靠柔性管的膨胀变形的张紧力来产生驱动力。柔性管弹性材质的材料特性限制了其内部的高压气体的最高压力。压力过高会导致弹性材质膨胀过度，形成永久变形或是破裂，这就限制了人工肌肉的驱动力。

（2）单方向驱动。人工肌肉只能在充气的过程中产生拉力；在放气的过程中，人工肌肉依靠其弹性材质的自身收缩力恢复到原来的形状和长度，只能产生极其微小的推力。因此，人工肌肉只能产生拉力而无法产生有效的推力。

（3）结构刚度接近零。当人工肌肉处于非充气状态时，柔性管是一个零刚度的结构，在任意方向上都无法承受外部负载。即使是在充气状态时，人工肌肉也只是在长度方向上具有一定的刚度。

（4）因为（3），技术人员在使用人工肌肉时，不得不使用其他刚性材料来搭建支撑架，例如在申请号为cn201911237501.0的专利中公开了一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，人工肌肉固定在刚性支架上。而在人机共存的环境中，刚性材料的支架对人体构成潜在的伤害，所以这也削弱了人工肌肉作为一种柔性驱动机构的优点。

（5）力特性具有极强的非线性，且难以通过控制补偿。人工肌肉依靠柔性材质的膨胀变形的张紧力来产生力。因为人工肌肉的材料特性具有很强的非线性和不确定性，这导致了人工肌肉的拉力和其他变量（例如收缩长度、充气压力等）的关系具有很强的非线性和不确定性，进而导致了力的控制很困难。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种长度变化的柔性管及其使用该柔性管的装置，提高了柔性管的驱动力和刚性，还能够产生有效推力，而且，柔性管的力的控制容易和精准，提高其安全性。

本实用新型是这样实现的，提供一种长度变化的柔性管，包括柔性管以及固定在柔性管两端的左端定位件和右端定位件，柔性管和两端的定位件构成中空的腔体，在腔体内设置伸缩机构，伸缩机构能在柔性管的长度方向上发生长度变化，并能抑制柔性管在长度方向以外的方向上的弯曲变形；在左端定位件或者右端定位件上设置通孔，通孔与腔体连通，通过通孔向腔体内部通入压力流体使得柔性管膨胀从而使其在长度方向上缩短。

进一步地，所述伸缩机构包括左端固定件和右端固定件，左端固定件与左端定位件连接，右端固定件与右端定位件连接，左端固定件和右端固定件能在柔性管的长度方向上相对移动，在柔性管的长度方向以外的方向上相互约束。

进一步地，所述左端固定件和右端固定件分别是相互滑动配合连接的滑杆和套筒，滑杆的一端连接在左端定位件上，其另一端则套接在套筒的内腔中，套筒的一端与右端定位件相连接。

进一步地，伸缩机构的固定件与其连接的柔性管的定位件的连接方式是铰链连接。

进一步地，所述的伸缩机构能够在柔性管的长度方向产生收缩力和扩张力。

进一步地，所述伸缩机构包括左端固定件和右端固定件，左端固定件和右端固定件是相互滑动配合连接的滑杆和套筒，滑杆的一端连接在左端定位件上，其另一端则套接在套筒的内腔中并设置活塞，套筒的一端连接在右端定位件上，活塞在套筒的内腔中滑动，在长度变化的柔性管上还分别设置第一压力控制通路和第二压力控制通路，第一压力控制通路与活塞左侧部的套筒内腔连通，第二压力控制通路与活塞右侧部的套筒内腔连通。

进一步地，所述伸缩机构包括左端固定件和右端固定件，左端固定件包括固定杆和滑块，右端固定件包括电机和丝杆，固定杆的一端连接在左端定位件上，滑块设置在固定杆的另一端，电机与丝杆连接并驱动丝杆转动，电机连接在右端定位件上，滑块套接在丝杆上并设置与丝杆配合的螺纹，电机驱动丝杆转动，从而使滑块在丝杆上移动。

进一步地，通入柔性管的中空腔体和伸缩机构内的压力流体为气体、水或者油液。

本实用新型是这样实现的，还提供一种使用如前所述的长度变化的柔性管的装置，所述装置为人工肌肉，或者为康复机器人，或者为协作机器人，或者为爬行机器人。

与现有技术相比，本实用新型的长度变化的柔性管及其使用该柔性管的装置具有以下特点：

1.增强柔性管的拉力，改善了现有的人工肌肉的技术缺点（1）。

2.伸缩驱动机构还能产生推力，弥补了现有的人工肌肉技术不能产生有效的推力的缺点（2）。

3.伸缩驱动机构通过在柔性管内设置刚性的伸缩结构，抑制了柔性管在长度变化方向以外的方向上的变形或是弯曲，同时，又保留了人工肌肉的柔软触感。改善现有人工肌肉的缺点（3）和（4）。

4.伸缩驱动机构的部分或是全部部件采用刚性材料，不存在像柔性材料那样的非线性和不确定性，因此，伸缩驱动机构所产生的力与相关的控制变量之间的关系非常明确清晰（例如，活塞的力与活塞两侧的压力关系是线性关系），力的控制就变得非常地容易和准确。那么，我们可以通过控制伸缩驱动机构的力来补偿柔性管的非线性特性，进而提高伸缩驱动机构的力的可控性。于是，现有的人工肌肉的技术缺点（5）也得到了改善。

附图说明

图1为本实用新型的长度变化的柔性管一较佳实施例的平面示意图；

图2为图1的长度变化的柔性管处于膨胀状态下的平面示意图；

图3为本实用新型实施例3的平面示意图；

图4为本实用新型实施例4的平面示意图；

图5为本实用新型实施例5的平面示意图；

图6为现有人工肌肉的平面示意图；

图7为图6的人工肌肉处于膨胀状态下的平面示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

请同时参照图1以及图2所示，本实用新型长度变化的柔性管的较佳实施例，包括柔性管1以及固定在柔性管1两端的左端定位件2和右端定位件3。

柔性管1和两端的左端定位件2和右端定位件3构成中空的腔体5，在腔体5内设置伸缩机构4。伸缩机构4能在柔性管1的长度方向发生长度变化。伸缩机构4的部分或全部材质采用刚性材质，能抑制柔性管1在长度方向以外的方向上的弯曲变形。

在左端定位件2或者右端定位件3上设置通孔6。本实施例的通孔6设置在左端定位件2上。通孔6与腔体5连通，通过通孔6向腔体5内部通入压力流体使得柔性管1膨胀从而使其长度缩短，即，在柔性管1的长度方向上左端定位件2和右端定位件3之间的距离缩短。

通入腔体5内的压力流体为气体、水或者油类。在本实施例中，压力流体为压缩空气。

实施例2

请同时参照图1以及图2所示，作为本实用新型的长度变化的柔性管的第二种实施例，伸缩机构4包括左端固定件和右端固定件，左端固定件与左端定位件2连接，右端固定件与右端定位件3连接，左端固定件和右端固定件能在柔性管1的长度方向上相对移动，在柔性管1的长度方向以外的方向上相互约束。

在本实施例中，所述左端固定件和右端固定件分别是滑杆7和套筒8，滑杆7和套筒8是滑动配合连接，滑杆7的一端连接在左端定位件2上，另一端则套接在套筒8的内腔中，套筒8的一端与右端定位件3相连接。随着柔性管1的膨胀和收缩，滑杆7在套筒8腔体内左右移动，产生在柔性管1的长度方向上的长度变化。伸缩机构4的滑杆7和套筒8采用刚性材料加工制作且在柔性管1的长度方向以外的方向上相互约束，因此，伸缩机构4不会产生弯曲变形，也能够抑制柔性管1的弯曲变形。其他的结构和作用与实施例1相同，不再赘述。

本实施例通过在柔性管1内设置刚性材质的伸缩机构4，抑制了柔性管1在长度方向以外的方向上的变形或是弯曲，同时，又保留了整个机构的柔软触感。

实施例3

所述伸缩机构4的两端的固定件与其连接的柔性管1的两端的定位件采用铰链连接。请参照图3所示，该实施例与实施例2的不同点在于，在左端定位件2与左端固定件（即滑杆7）的连接处设置铰链9，使左端定位件2具有一定的转动自由度，便于左端定位件2与其他部件的连接固定。类似地，右端定位件3与右端定位件（即套筒8）的连接也可设置为铰链连接。其他的结构和作用与实施例2相同，不再赘述。

实施例4

所述伸缩机构4能够在柔性管1的长度方向上产生收缩力和扩张力。请参照图4所示，作为本实用新型的长度变化的柔性管的第四种实施例，所述伸缩机构4包括左端固定件和右端固定件，左端固定件和右端固定件分别是相互滑动配合连接的滑杆7和套筒8。滑杆7的一端连接在左端定位件2上，其另一端则套接在套筒8的内腔中并设置有活塞10。套筒8的一端连接在右端定位件3上。活塞10在套筒8的内腔中滑动。在长度变化的柔性管上还分别设置有第一压力控制通路11和第二压力控制通路12，第一压力控制通路11与活塞10左侧部的套筒8内腔连通，第二压力控制通路12与活塞10右侧部的套筒8内腔连通。在本实施例中，第一压力控制通路11和第二压力控制通路12设置在右端定位件3上。

活塞10把套筒8的内腔空间分隔成为两个腔室。两个腔室的流体压力施加力在活塞10上。通过控制两个腔室的流体压力的大小就可以控制活塞10的力的大小和方向。例如，如果提高第一压力控制通路11的压力，活塞10通过滑杆7施加一个拉紧左端定位件2和右端定位件3的力。如果提高第二压力控制通路12的压力，活塞10通过滑杆7施加一个推开左端定位件2和右端定位件3的力。

其它结构与实施例2相同，不再赘述。

实施例5

请参照图5所示，作为本实用新型的长度变化的柔性管的第五种实施例，所述伸缩机构4包括左端固定件和右端固定件，左端固定件包括固定杆16和滑块13，右端固定件8包括电机14和丝杆15。固定杆16的一端连接在左端定位件2上，固定杆16的另一端设置滑块13，电机14与丝杆15连接并驱动丝杆15转动，电机14连接在右端定位件3上，滑块13套接在丝杆15上并设置与丝杆15配合的螺纹（图中未示出），电机14驱动丝杆15转动，从而使滑块13在丝杆15上移动。电机14驱动丝杆15转动，从而通过滑块13的移动带动左端定位件2向右端定位件3所在方向相互靠近或远离。通过控制电机14的电压大小和正负极关系来控制施加在左端定位件2和右端定位件3上的力。

伸缩机构4的部分或是全部部件采用刚性材料，不存在像柔性材料那样的非线性和不确定性，因此，伸缩机构4所产生的力和位移与相关的控制变量之间的关系非常明确清晰（例如，活塞的力与活塞两侧的压力关系是线性关系，滑块13的位移与电机14的转角是线性关系），力和位移的控制就变得非常地容易和准确。那么，我们可以通过控制伸缩机构的力和位移来补偿柔性管的非线性特性，进而提高整个装置的力的可控性。

本实用新型还公开一种使用如前所述的长度变化的柔性管的装置，所述装置为人工肌肉，或者为康复机器人，或者为协作机器人，或者为爬行机器人。使用本实用新型的长度变化的柔性管后提高了柔性管的驱动力和刚性，还能够在柔性管的长度方向上产生拉力和推力，而且，柔性管的力的控制变得容易和精准，提高其安全性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。