一种仿生肌肉制作方法与流程

本发明属于仿生肌肉领域，具体涉及一种仿生肌肉制作方法。

背景技术：

随着机器人以及人工智能开发的不断深入，人们对智能机械系统功能的需求越来越高，而现有机器人的运动机构依旧是刚性连接，采用如电机、液压等驱动方式，动作不够灵活。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，如人体肌肉作为人类运动的驱动部分，具有很高的功率密度和力重量比。仿生学便是人们研究生物体结构与功能的工作原理，并根据这些原理发明出新的设备和工具，创造出适用于生产，学习和生活的技术。仿生肌肉因具有功率质量比大、收缩比大、柔软性好、质轻和无噪声等优点得到研究开发。

现有技术中，围绕仿生肌肉方面也出现了多篇专利，都是以产品形式体现，都是采用将弹性腔体与编织网管两种现有产品进行结合，利用编织网管结构本身的特性，实现对弹性腔体轴向和径向方向形变的约束。

以申请号为cn201310229074.8的一种气动仿生肌肉专利为例。该专利将编织网管包裹在橡胶软管的外表面上，编织网管与橡胶软管为分离状态，利用编织网管结构本身的特性，实现对橡胶软管轴向和径向方向形变的约束，但该专利方案在具体应用中存在如下不足之处：其一是仿生肌肉在轴向方向上的受力通过编织网管约束，编织网管设置在橡胶软管的外表面，因编织网管与橡胶软管为分离状态，其轴向方向受力时主要作用在两端的固定处，因而仿生肌肉经长时间使用后，编织网管在其两端固定处被拉伸脱位，降低对仿生肌肉轴向方向变形的约束；其二是，现有技术的编织网管，通过机械编织，其编织密度较大，没有肉眼可见的网格，尤其是采用单根线编织时编织密度更大，对仿生肌肉径向膨胀的约束过大，使得轴向方向的收缩效果并不明显；其三是，现有技术中，采用多根线交叉编织获得的编织网管，相交的两根线之间仅是相叠，并没有连结，当仿生肌肉径向膨胀时，相交的线会在仿生肌肉表面滑移，滑移过程中，会发生对仿生肌肉进行切割，编织网管径向膨胀越大时，相交的线滑移越大，且对仿生肌肉切割越严重，进而使仿生肌肉在切割处破裂。

以申请号为cn201210085756.1的一种仿生肌肉纤维专利为例，该专利为由经线和纬线或网格线编织而成的网管、和复合在所述网管内表面或/和外表面的弹性材料所组成的中空管，可知该专利在已有的网管内表面或/和外表面复合弹性材料。以申请号为cn201410082243.4的一种液压仿生肌肉专利为例，该专利所述弹性胶囊为两端设有管口的管状体，其管壁由内层、中间层及面层复合而成，内层为弹性密闭层，中间层为各向异性的非均质材料层，面层为弹性材质编织的网格保护层。对于上述两个专利，它们的仿生肌肉都是在两种不同材料层表面进行界面复合，得到一体结构的仿生肌肉。能够有效克服编织网管与橡胶软管为分离状态的仿生肌肉的不足。但因存在的复合界面，导致复合界面两侧材料层受力后的受力效果不一致，进而破坏复合界面，从而破坏其复合成的一体结构。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿生肌肉制作方法，规避了复合界面的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿生肌肉制作方法，所述仿生肌肉制作方法包括如下步骤：

制作所述仿生肌肉的弹性腔体，所述弹性腔体沿其轴线方向设有相对的第一开口和第二开口；以所述弹性腔体轴线为轴，于所述弹性腔体的外表面，从所述第一开口至所述第二开口，沿第一螺旋方向形成多条第一螺旋凹槽，沿第二螺旋方向形成多条第二螺旋凹槽，其中，所述第一螺旋方向与所述第二螺旋方向相反；所述第一螺旋凹槽与所述第二螺旋凹槽相交汇，于所述弹性腔体的外表面形成网状凹槽；

分别在所述第一螺旋凹槽和所述第二螺旋凹槽中布置抗拉伸线，于所述第一螺旋凹槽和所述第二螺旋凹槽相交汇处，相交的抗拉伸线形成连结；

对所述弹性腔体外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体外表面上布置有所述抗拉伸线的所述网状凹槽；

在所述弹性腔体的所述第一开口和所述第二开口上分别安装连接头，其中，所述连接头中设有使所述弹性腔体与外界连通的通道。

进一步地，所述仿生肌肉制作方法还包括：对所述弹性腔体外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体外表面上布置有所述抗拉伸线的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体外表面形成新的所述网状凹槽，新的所述网状凹槽的深度小于当前被消除的所述网状凹槽的深度。

进一步地，所述弹性腔体外表面形成有所述网状凹槽的方法包括：

制作所述弹性腔体的芯模和第一外模，所述第一外模内壁形成有所述弹性腔体的型腔，所述第一外模由相互配合的第一左半外模和第一右半外模对合组成，所述第一外模上形成有连通所述型腔的注塑通道；所述第一外模与所述芯模合模，所述第一外模的所述型腔和所述第一外模的所述型腔相对的所述芯模表面共同形成注塑空间；

于所述第一外模的所述型腔表面上，沿所述第一螺旋方向的形成有多条第一螺旋凸棱，沿所述第二螺旋方向的形成有多条第二螺旋凸棱，所述第一螺旋凸棱与所述第二螺旋凸棱相交，于所述弹性腔体的外表面形成网状凸棱；

将制作所述弹性腔体的流体原料通过所述注塑通道注入所述注塑空间，经冷却后开模，获得外表面具有所述网状凹槽的所述弹性腔体。

进一步地，对所述弹性腔体外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体外表面上布置有所述抗拉伸线的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体外表面形成新的所述网状凹槽的方法包括：

在所述弹性腔体的所述第一开口和所述第二开口上分别安装所述连接头；

制作安装有所述连接头的所述弹性腔体外表面的第二外模，所述第二外模由相互配合的第二左半外模和第二右半外模对合组成，于所述第二外模内表面形成有所述网状凸棱，所述第二外模内表面的所述网状凸棱的高度小于当前待消除的所述网状凹槽的深度；

密封所述弹性腔体一端的连接头，并将所述第二左半外模和所述第二右半外模对合固定在所述弹性腔体外表面；

于所述弹性腔体另一端的连接头向所述弹性腔体注入设定压力的气体，并且对所述第二外模进行加热，消除当前所述弹性腔体外表面上布置有所述抗拉伸线的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体外表面形成新的所述网状凹槽。

进一步地，对所述弹性腔体外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体外表面上布置有所述抗拉伸线的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体外表面形成新的所述网状凹槽后，制作所述仿生肌肉的方法包括：

在所述弹性腔体外表面形成的新的所述网状凹槽中布置所述抗拉伸线，位于所述第一开口处的所述抗拉伸线延伸出所述第一开口，位于所述第二开口处的所述抗拉伸线延伸出所述第二开口；

将延伸出所述第一开口的所述抗拉伸线固定在安装于所述第一开口的所述连接头上；将延伸出所述第二开口的所述抗拉伸线固定在安装于所述第二开口的所述连接头上。

进一步地，所述第一螺旋方向与所述第二螺旋方向互成镜像。

进一步地，同一深度的所第一螺旋凹槽均匀分布在所述弹性腔体外表面，同一深度的所第二螺旋凹槽均匀分布在所述弹性腔体外表面，以形成网格相同的所述网状凹槽。

进一步地，不同深度的所述网状凹槽错位分布。

进一步地，所述抗拉伸线采用纤维线或者金属线；所述弹性腔体由橡胶材料或者硅胶材料制成；所述第一外模和所述第二外模均由金属材料制成。

进一步地，所述弹性腔体为纺锤状弹性腔体或圆筒状弹性腔体。

本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

本发明提供一种仿生肌肉制作方法，制作弹性腔体，通过第一螺旋凹槽和第二螺旋凹槽于弹性腔体外表面形成网状凹槽，第一螺旋凹槽和第二螺旋凹槽中布置抗拉伸线，于相交的两根抗拉伸线连结，本发明仿生肌肉的制作方法规避了复合界面的问题；使本发明仿生肌肉在径向膨胀、轴向收缩时不会发生抗拉伸线滑移的问题，避免了抗拉伸线滑移时对仿生肌肉的切割；对弹性腔体外表面加热、加压处理，消除弹性腔体外表面的第一螺旋凹槽和第二螺旋凹槽，抗拉伸线表面与弹性腔体充分结合，在抗拉伸线承担轴向约束功能时不会发生抗拉伸线脱位的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明弹性腔体表面形成有第一螺旋凹槽和第二螺旋凹槽的示意图；

图2为本发明通过本发明获得的仿生肌肉示意图；

图3为本发明芯模和第一外模合模状态的截面示意图；

图4为本发明第一外模合模在弹性腔体表面的截面示意图。

图中，1-弹性腔体；2-抗拉伸线；3-连接头；4-芯模；5-第一外模；501-网状凸棱；6-第二外模；101-第一开口；102-第二开口；103-第一螺旋凹槽；104-第二螺旋凹槽；301-通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种仿生肌肉制作方法，所述仿生肌肉制作方法包括如下步骤：

制作所述仿生肌肉的弹性腔体1，所述弹性腔体1沿其轴线方向设有相对的第一开口101和第二开口102；以所述弹性腔体1轴线为轴，于所述弹性腔体1的外表面，从所述第一开口101至所述第二开口102，沿第一螺旋方向形成多条第一螺旋凹槽103，沿第二螺旋方向形成多条第二螺旋凹槽104，其中，所述第一螺旋方向与所述第二螺旋方向相反；所述第一螺旋凹槽103与所述第二螺旋凹槽104相交汇，于所述弹性腔体1的外表面形成网状凹槽；

分别在所述第一螺旋凹槽103和所述第二螺旋凹槽104中布置抗拉伸线2，于所述第一螺旋凹槽103和所述第二螺旋凹槽104相交汇处，相交的抗拉伸线2形成连结；

对所述弹性腔体1外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体1外表面上布置有所述抗拉伸线2的所述网状凹槽；

在所述弹性腔体1的所述第一开口101和所述第二开口102上分别安装连接头3，其中，所述连接头3中设有使所述弹性腔体1与外界连通的通道301。

通过上述方案，本发明可以获得无复合界面的一体结构的仿生肌肉，解决了现有技术一体结构的仿生肌肉的以下不足：现有技术一体结构的仿生肌肉将编织好的网管和弹性腔体1两种不同材料在它们表面进行界面复合，因存在的复合界面，导致复合界面两侧材料层受力后的受力效果不一致，进而破坏复合界面，从而破坏其复合成的一体结构。

同时通过本发明上述的制作方法获得的一体结构的仿生肌肉，与现有技术编织网管与弹性腔体1分离状态的仿生肌肉相比，现有技术采用多根线交叉编织获得的编织网管，相交的两根线之间仅是相叠，并没有连结，当仿生肌肉径向膨胀时，相交的线会在仿生肌肉表面滑移，滑移过程中，会发生对仿生肌肉进行切割，编织网管径向膨胀越大时，相交的线滑移越大，且对仿生肌肉切割越严重，进而使仿生肌肉在切割处破裂。本发明获得一体结构的仿生肌肉，于所述第一螺旋凹槽103和所述第二螺旋凹槽104相交处，相交的两根所述抗拉伸线2连结，使本发明的仿生肌肉在径向膨胀、轴向收缩时不会发生抗拉伸线2滑移的问题，避免了抗拉伸线2滑移时对仿生肌肉的切割。

本发明获得一体结构的仿生肌肉，其轴向方向受力时主要作用在两端的固定处，由于本发明对所述弹性腔体1外表面加热、加压处理，直至消除弹性腔体1外表面的所述第一螺旋凹槽103和所述第二螺旋凹槽104，所述抗拉伸线2表面与所述弹性腔体1充分结合，在所述抗拉伸线2承担轴向约束功能时不会发生抗拉伸线2脱位的问题。

现有技术的编织网管，通过机械编织，其编织密度较大，尤其是采用单根线编织时编织密度更大，将已有的编织网管应用到仿生肌肉中时，对仿生肌肉径向膨胀的约束过大，使得轴向方向的收缩效果并不明显，反而限制了仿生肌肉发挥最大效果。与之相比，本发明通过在所述弹性腔体1表面开设螺旋方向相反的第一螺旋凹槽103和第二螺旋凹槽104，通过第一螺旋凹槽103和第二螺旋凹槽104布置抗拉伸线2，以形成具有较大的网格，较大的网格因其各个角的两根抗拉伸线2都是连结状态，在仿生肌肉径向膨胀时，较大的网格在径向方向被拉伸形变的同时其在轴向方向进行收缩，从而实现本发明获得仿生肌肉的轴向收缩，较大的网格其形变能力也就较大，从而使本发明获得的仿生肌肉具有更好的收缩效果。

另外，与通过在上下两层弹性腔体1中布置抗拉伸网获得一体结构的仿生肌肉相比，通过在上下两层弹性腔体1中布置抗拉伸网后，需要对上下两层弹性腔体1的其中任一层弹性腔体1加热处理，但是热量弹性加热面进入两层弹性腔体1的分层界面是通过弹性腔体1自身材料的热传导，现有技术中，制作弹性腔体1的橡胶材料、硅胶材料其热传导性能较差，导致加热面和分层面的温差较大，将分层界面融熔为一体的热处理工艺控制难度较大，制成的一体结构的仿生肌肉极容易存在复合界面。而本发明通过在弹性腔体1外表面形成螺旋凹槽，这样在进行热处理时，热量通过空气传导能够均匀分布在弹性腔体1外表面(包括螺旋凹槽面)，再通过加压使螺旋凹槽消失，而且本发明不用考虑复合界面的问题，通过本发明方案规避了复合界面的问题。

本发明中，所述连接头3设置在所述弹性腔体1的两端的开处，一方面用于将仿生肌肉与机械臂连接，其与机械臂连接可采用常规技术的螺丝连接、焊接等方式固定在机械臂上；另一方面，通过所述连接头3上的所述通道301接入外部动力，外部动力可以为气压动力，也可以为液压动力。

上述方案在实际应用中，所述网状凹槽的网格不能太小，否则难以在网格中布线，因而在实际应用中，所述网状凹槽的网格大小要适于布线，这样仅布置一层线，而同时网格又偏大的情况下，仿生肌肉的径向膨胀极限承受力就会变小，对此本发明给出如下改进方案：

所述仿生肌肉制作方法还包括：对所述弹性腔体1外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体1外表面上布置有所述抗拉伸线2的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体1外表面形成新的所述网状凹槽，新的所述网状凹槽的深度小于当前被消除的所述网状凹槽的深度。

该改进方案通过多层布线解决网格大小对仿生肌肉径向膨胀极限承受力的影响。

对于在所述弹性腔体1外表面布置所述网状凹槽，可以利用数控机床在所述弹性腔体1外表面进行开槽，该方案的缺点是，首先要制成所述弹性腔体1，然后再在所述弹性腔体1外表面开槽，工艺上分成了两步。对此，如图3所示，本发明提供一种一次成型的方法，具体为：

所述弹性腔体1外表面形成有所述网状凹槽的方法包括：

制作所述弹性腔体1的芯模4和第一外模5，所述第一外模5内壁开设所述弹性腔体1的型腔，所述第一外模5由相互配合的第一左半外模和第一右半外模对合组成，所述第一外模5上开设有连通所述型腔的注塑通道301；所述第一外模5与所述芯模4合模，所述第一外模5的所述型腔和所述第一外模5的所述型腔相对的所述芯模4表面共同形成注塑空间；

于所述第一外模5所述型腔上，沿所述第一螺旋方向的形成有多条第一螺旋凸棱，沿所述第二螺旋方向的形成有多条第二螺旋凸棱，所述第一螺旋凸棱与所述第二螺旋凸棱相交，于所述弹性腔体1的外表面形成网状凸棱501；

将制作所述弹性腔体1的流体原料通过所述注塑通道301注入所述注塑空间，经冷却后开模，获得外表面具有所述网状凹槽的所述弹性腔体1。

如图4所示，对于在所述弹性腔体1进行多层布线，本发明提供如下具体的优选方案：

进一步地，对所述弹性腔体1外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体1外表面上布置有所述抗拉伸线2的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体1外表面形成新的所述网状凹槽的方法包括：

在所述弹性腔体1的所述第一开口101和所述第二开口102上分别安装所述连接头3；

制作安装有所述连接头3的所述弹性腔体1外表面的第二外模6，所述第二外模6由相互配合的第二左半外模和第二右半外模对合组成，于所述第二外模6内表面形成有所述网状凸棱501，所述第二外模6内表面的所述网状凸棱501的高度小于当前待消除的所述网状凹槽的深度；

密封所述弹性腔体1一端的连接头3，并将所述第二左半外模和所述第二右半外模对合固定在所述弹性腔体1外表面；

于所述弹性腔体1另一端的连接头3向所述弹性腔体1注入设定压力的气体，并且对所述第二外模6进行加热，消除当前所述弹性腔体1外表面上布置有所述抗拉伸线2的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体1外表面形成新的所述网状凹槽。

该方案中，通过对所述弹性腔体1注入设定压力的气体，对所述第二外模6进行加热，实现对所述弹性腔体1外表面进行热处理时，通过所述弹性腔体1膨胀挤压所述第二外模6，使所述弹性腔体1外表面的所述网状凹槽消除。

对所述弹性腔体1外表面加热、加压处理，消除当前所述弹性腔体1外表面上布置有所述抗拉伸线2的所述网状凹槽同时，于所述弹性腔体1外表面形成新的所述网状凹槽后，制作所述仿生肌肉的方法包括：

在所述弹性腔体1外表面形成的新的所述网状凹槽中布置所述抗拉伸线2，位于所述第一开口101处的所述抗拉伸线2延伸出所述第一开口101，位于所述第二开口102处的所述抗拉伸线2延伸出所述第二开口102；

将延伸出所述第一开口101的所述抗拉伸线2固定在安装于所述第一开口101的所述连接头3上；将延伸出所述第二开口102的所述抗拉伸线2固定在安装于所述第二开口102的所述连接头3上。

优选地，所述第一螺旋方向与所述第二螺旋方向互成镜像。该方案下在所述弹性腔体1表面形成第一螺旋凹槽103和第二螺旋凹槽104时，因第一螺旋凹槽103和第二螺旋凹槽104仅是螺旋方向不同，实现优化制作螺旋凹槽的工艺。

本发明中，优选地，同一深度的所第一螺旋凹槽103均匀分布在所述弹性腔体1外表面，同一深度的所第二螺旋凹槽104均匀分布在所述弹性腔体1外表面，以形成网格相同的所述网状凹槽。该方案下，这样所述第一螺旋方向的所述抗拉伸线2和所述第二螺旋方向的所述抗拉伸线2相交，在所述弹性腔体1表面获得的网格，其在径向方向和在轴向方向都是对称的，这样可以保证网格每条边的所述抗拉伸线2受力大小是相同的，提高本发明获得的仿生肌肉的径向膨胀极限承受力。

本发明中，优选地，不同深度的所述网状凹槽错位分布。该优化方案获得的仿生肌肉，其径向膨胀时，表面受力更为分散且均匀，解决网格过大时，每个网格约束的仿生肌肉在仿生肌肉径向膨胀时，因表面受力不均导致网格中的仿生肌肉出现的鼓包问题。

本发明中，所述抗拉伸线2可以采用纤维线或者金属线；所述弹性腔体1可以由橡胶材料或者硅胶材料制成；所述第一外模5和所述第二外模6均可以由金属材料制成。

本发明中，所述弹性腔体1可以为纺锤状弹性腔体1或者圆筒状弹性腔体1，需要指出的是当为纺锤状弹性腔体1其两端的开口直径膨胀最大时，需要大于纺锤状弹性腔体1未发生膨胀时的最大直径，以实现在制作纺锤状弹性腔体1时，将芯模4取出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。