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TWI848432B - 機器人致動器及其配置方法 - Google Patents

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TWI848432B
TWI848432B TW111143182A TW111143182A TWI848432B TW I848432 B TWI848432 B TW I848432B TW 111143182 A TW111143182 A TW 111143182A TW 111143182 A TW111143182 A TW 111143182A TW I848432 B TWI848432 B TW I848432B
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corrugated sleeve
actuator
corrugated
robotic
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阿金加薩朗 巴特
臣華 姚
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新加坡國立大學
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Abstract

本發明敘述軟機器人致動器。每一個機器人致動器由波狀套筒、可充氣的氣囊和鎖元件組成。波狀套筒具有中空的通道及沿著通道延伸的多個褶皺，且中空的通道沿著波狀套筒的長度延伸。可充氣的氣囊可拆卸地插入中空的通道，且藉由鎖元件固定在波狀套筒內。在使用應用中，流體介質在壓力下可通過形成在鎖元件上的管口傳送到氣囊中，使氣囊產生可逆的充氣。氣囊的充氣造成氣囊壓在波狀套筒上，並使波狀套筒變形，從而產生輸出力和控制機器人致動器的伸展/彎曲。

Description

機器人致動器及其配置方法
本發明涉及軟機器人致動器；這些機器人致動器由模組化組件製成，因此可以重組。每一個模組化組件可能在機械和/或尺寸的特性彼此不同；這些模組化組件的不同單元可以自由組合成子組件並重組以形成軟機器人致動器，其可控地執行所需的伸展和/或彎曲的運動，並提供所需的輸出力。
本發明主張申請於2021年11月11日的新加坡專利申請案10202112568Y為優先權，本申請引用所述申請案的全文。
軟機器人技術是一類機器人技術，涉及通過使用兼容機制或材料創建兼容設計。軟氣動式致動器是採用兼容材料的軟致動器中的主要一類；由於它們在醫療保健、可穿戴機器人、手術、運動、對精巧物體的軟操作等方面的實用性，使它們越來越受歡迎。傳統軟氣動式致動器由三種主要材料製成，即有機矽聚合物、熱塑性胺甲酸酯(thermoplastic polyurethane，TPU)和織物；這些已知的氣動式致動器使用TPU來氣密式密封氣動室。單獨來看，這些材料中的每一種都帶來了挑戰。如圖1示出用於設計軟氣動式致動器的傳統材料及其特性。每種材料在機械性能和可製造性方面都有其優勢，但也需要權衡取捨。矽膠一直是製造軟氣動式致 動器的最常用材料。由於矽膠的高臨界應變，使其具有高形變的特性，但其低楊氏模數(Young’s Modulus)往往會限制單獨的輸出力。使用纖維增強和外部約束的方法試圖提高輸出力或可編程性，但這會導致使用更高的輸入壓力。以TPU為主要成分的致動器通常藉由3D列印製造，這使得它們比製造軟機器人的其他技術更有可重複性。然而，儘管TPU致動器提供了很大的輸出力，TPU的剛度的增加仍導致非常高的壓力需求。這些致動器也因為其具有的高剛度，而具有最高的能量耗損。第三類致動器由TPU背襯織物製成；織物提供一致性，而TPU作為氣密式密封。織物致動器通常透過熨燙或超聲波焊接將背對背的兩薄片將TPU-TPU接觸面熱密封製成。這些設計的能量耗損低於TPU致動器，但由於其製造技術，它們的設計複雜性受到限制。熱密封也容易在接縫處破裂，因此，這些致動器通常不能承受超過150kPa的壓力。鑑於這些局限性，顯示有需求去開發具有一些特徵和/或特性能解決至少一些上述習知技術中固有的缺點的軟機器人致動器。
下面呈現簡單的發明內容，以提供對本發明的基本理解。發明內容並非涵蓋本發明的所有面向，且旨不在識別本發明的關鍵特徵。相反地，它是以概括的形式呈現本發明的一些發明概念作為下方實施方式的序。
本發明尋求提供軟機器人致動器執行所需的伸展和/或彎曲運動，並傳遞所需的輸出力。
在一個實施例中，本發明提供了一種機器人致動器，包括：波狀套筒，由沿著第一端延伸至第二端的波狀褶皺形成，並界定內部的通道；及氣囊，可拆卸地設置在波狀套筒的內部的通道內；其中，當流體介質被 供應到氣囊內時，氣囊充氣，從而壓縮內部的通道，使波狀套筒變形且給機器人致動器提供輸出力，並當流體介質釋放時，氣囊可逆地洩氣。
在一個實施例中，波狀套筒為圓柱形；在另一個實施例中，波狀套筒基本上為半圓柱形且包括一個平坦表面，這造成內部的通道基本上為半圓柱形。優選地，氣囊的輪廓基本上緊貼合內部的通道。
優選地，波狀褶皺之間以有規律的間距分開。優選地，每一個波狀褶皺的外表面和內部的通道的壁都是彎曲的或拱形的。在另一實施例中，每一個波狀褶皺在內部的通道的壁基本上是平坦的。可能的是，每一個波狀褶皺在外表面的寬度具有比每一個波狀褶皺在內部的通道的寬度大。可以沿平坦表面改變材料的抗拉剛度以控制波狀套筒的彎曲；或者，可以沿平坦表面連接織物以控制彎曲。
優選地，從內部的通道輻射並延伸至波狀套筒的兩端形成輻射狀的多個裂縫。
優選地，機器人致動器還包括鎖元件可將氣囊可拆卸地固定在波狀套筒內。在一個實施例中，鎖元件包括連接在波狀套筒的一端的母連接器和連接到氣囊的一端的公連接器，使得母連接器和公連接器藉由旋轉運動接合或分離。在另一個實施例中，鎖元件包括連接在波狀套筒的一端的母連接器和連接到氣囊的一端的公連接器，使得母連接器和公連接器藉由滑動運動接合或脫離。
優選地，氣囊由比波狀套筒的材料剛度更低的材料製成，使得氣囊為氣密式密封且可藉由流體介質充氣，同時波狀套筒藉由充氣氣囊以控制機器人致動器的伸展或彎曲。在一個實施例中，氣囊材料是矽膠，而波狀套筒的材料是熱塑性胺甲酸酯(TPU)。
在另一個實施例中，本發明提供了一種用於配置機器人致動器的伸展或彎曲的方法，所述方法包括：藉由形成從第一端延伸至第二端的波狀褶皺來配置波狀套筒，且以波狀套筒界定內部的通道；且將氣囊可拆卸地固定在波狀套筒內，其中氣囊為氣密式密封以接受流體介質，其中氣囊由比波狀套筒的材料剛度更低的材料形成；其中，當流體介質被供應到氣囊內時，氣囊的充氣作用於內部的通道，從而造成機器人致動器的輸出力和伸展。
優選地，所述方法還包括沿著波狀套筒形成多個裂縫以改變波狀套筒的剛度，使得輸出力增加並且使機器人致動器朝向裂縫的位置彎曲。附加地或替代地，所述方法更包括形成具有一個平坦表面的波狀套筒以獲得半圓柱形的通道，從而降低波狀套筒朝向平坦表面彎曲的剛度，且機器人致動器藉由朝向平坦表面彎曲來響應。
優選地，將氣囊可拆卸地固定在波狀套筒內，包括連接到波狀套筒的一端和氣囊的一端的鎖元件。
在又一個實施例中，本發明提供了一種使用上述機器人致動器配置輔助機構的方法；所述方法包括：將氣囊插入波狀套筒內部，其中氣囊為氣密式密封以接受流體介質，且由比波狀套筒的材料剛度更低的材料形成氣囊；以鎖元件將氣囊的一端可拆卸地固定至波狀套筒的相應端；安裝另一鎖元件在波狀套筒的相對端；且將每一個鎖元件固定在構成關節的肢體上；其中充氣的氣囊會產生輸出力，使機器人致動器的伸展和彎曲產生圍繞關節的輔助運動，而洩氣的氣囊使機器人致動器的運動反向。
優選地，關節由義肢或外骨骼構成。
100、200:子組件
110、110a、110b、210、210a:波狀套筒
111、211:通道
112、212:褶皺
113、213:第一端
114、214:第二端
116:(第一端的)邊緣
118、218:(褶皺的)最外邊緣
119、219:(褶皺的)最內邊緣
120、220:氣囊
150、250:扇形區
151、251:裂縫
152、252:壁
260:平坦表面
300、400:機器人致動器
370、480:鎖元件
371、481:公連接器
372、482:母連接器
373:環形溝槽
375:內側臂
376:半圓形元件
377:部分圓形臂
378:通口
484:固定物
485:板元件
487:三角塊
489:通孔
p:間距
h:高度
本發明將通過本發明的非限制性實施例並參考附圖進行描述，其中：圖1示出可用於製造軟機器人致動器的各種材料的特性；圖2示出本發明一實施例的機器人致動器用於伸展驅動的子組件；圖3示出圖2中所示的子組件的剖視圖；圖4示出另一個實施例的機器人致動器用於彎曲和伸展驅動的子組件；圖5示出圖4中所示的子組件的剖視圖。
圖6示出本發明另一實施例的機器人致動器；圖7示出另一實施例的機器人致動器；圖8示出由蕭氏硬度(Shore hardness)為60A、85A、95A的TPU波狀套筒構成的機器人致動器的相對延伸率的圖表。
圖9-圖10示出由蕭氏硬度為85A和95A的TPU的波狀套筒構成的機器人致動器的彎曲曲線圖，壓力以5kPa的速率增加；圖11示出由蕭氏硬度為60A、85A和95A的TPU的波狀套筒構成的機器人致動器的彎曲的壓力-曲率關係圖；圖12示出藉由彎曲具有圓柱形氣囊且蕭氏硬度為60A、85A和95A的TPU波狀套筒構成的機器人致動器所得的阻力輸出圖；圖13示出藉由彎曲具有圓柱形和半圓柱形氣囊且蕭氏硬度為60A和85A的TPU的波狀套筒構成的機器人致動器比較阻力輸出圖；圖14示出藉由伸展蕭氏硬度為85A和95A的TPU的波狀套筒構成的機器人致動器所得的阻力輸出圖；和圖15和圖16為示出了機器人致動器作為肘部輔助機構使用。
參照附圖描述本發明的一個或多個具體或替代的實施例。然而，對於本發明所屬領域具通常知識者來說顯而易見的是本發明沒有這些具體細節也可以實施。一些細節可能不會詳細描述以免混淆本發明。為了便於參考，當參照附圖中共同的相同或相似的特徵時，會在所有附圖中使用相同的數字或序號。
術語「皮膚」和「波狀套筒」用於代表佈置在氣囊外部以限制本發明的軟機器人致動器的形變、移動和/或操作的部件；術語「氣囊」用於代表軟機器人致動器的內部組件，其接收流體介質以控制使氣囊周圍的皮膚或波狀套筒變形。
術語「氣囊」用於代表軟機器人致動器的內部組件，其接收流體介質以控制使氣囊周圍的皮膚或波狀套筒變形。
圖2至圖7示出軟機器人致動器300、400和構成軟機器人致動器的組件的子組件100、200的各種實施例。一般來說，每一個機器人致動器300、400或子組件100、200都包括兩個模組，即，波狀套筒110、210和氣囊120、220。氣囊120、220由低剛度的材料(例如矽膠)製成並以氣密式密封，而波狀套筒110、210由比氣囊的材料剛度更高的材料(例如熱塑性胺甲酸酯(TPU))製成，且當流體介質被供應到氣囊內時，波狀套筒可作為約束氣囊120、220變形(伸展和/或彎曲)的外皮。由於波狀套筒110、210和氣囊120、220為模組化組件，因此獲得的機器人致動器可根據所需的運動和所需的輸出力使氣囊充氣/洩氣和使波狀套筒變形進行重組。
如圖2和圖3所示，波狀套筒110由多個圓形的褶皺112形成，類似於手風琴，並且形成具有基本地內部的通道111的波狀圓柱體。通道111從波狀套筒110的第一端113延伸至第二端114，波狀套筒110的褶皺112被製造成具有一定尺寸並被布置成幾何結構。氣囊120可拆卸地插入通 道111內，並且優選地，在波狀套筒110內從第一端113延伸到第二端114。在使用應用中，流體介質在壓力下通過位於氣密式密封的氣囊120的一端的管道開口充進氣囊120中，以可逆地使氣囊120充氣；藉由流體介質的充氣使氣囊120擠壓波狀套筒110並使其變形，從而使由波狀套筒110和氣囊120構成的機器人致動器產生輸出力並伸展。流體介質可以是基於氣動式或液壓式。用於給氣囊120充氣的氣動式的介質可以是大氣、氮氣、二氧化碳、氬氣、氦氣或任何氣體。液壓式的介質可以是水、乙二醇、油等。
如圖2和圖3所示，褶皺112的最外邊緣118是彎曲或拱形的形狀且共同限定了圓柱形的波狀套筒110的外表面；同樣地，褶皺112的最內邊緣119是彎曲的或拱形的形狀且共同限定了通道111。在一個實施例中，每一個褶皺112具有厚度大約0.5至2mm的壁152，褶皺112的壁152的厚度相對低於習知的致動器的厚度；例如，波狀褶皺112由3D列印製造，壁152的厚度基本上是3D印表機噴嘴尺寸的2倍。在另一個實施例中，褶皺112的最內邊緣119是平坦的以提供氣囊120的更大的接觸面積。
在一實施例中，褶皺112之間形成有規則的間距p；間距p基本上為8mm，但不限於此；間距p可隨著壁152的厚度而變化且可取決於用於製造波狀套筒110的3D印表機的特性。當間距p為有規律時，褶皺112沿外表面的寬度與沿通道111的寬度可大致相同。在另一實施例中，即使間距p有規律，褶皺112沿外表面的寬度與沿通道111的寬度也可以不同。優選地，沿著波狀套筒110外表面的褶皺112的寬度大於沿通道111的褶皺的寬度。如圖3所示，褶皺的環形高度h依照機器人致動器300、400的應用，可以大約為12mm，或者在大約10到15mm的範圍之間。
在圖3中，波狀套筒110的第一端113顯示為開放的，而第二端114為閉合的。波狀套筒110在開放的第一端113周圍的邊緣116抬高，例如，以加固波狀套筒110開放的第一端113。
在圖2和圖3中的氣囊120是細長形且尺寸緊貼合於波狀套筒110的通道111內。氣囊的壁厚度範圍可以基本上為2至4mm。在圖2中，氣囊120的右手端124為封閉。
氣囊120由低剛度的材料(例如矽膠)製成且為氣密式密封；波狀套筒110由較高剛度的材料製成，以提供外皮去限制氣囊120的充氣；以這種方式配置的機器人致動器300、400的波狀套筒110不需要氣密式密封，因此與由單一熱塑性胺甲酸酯(TPU)形成的習知的機器人致動器相比，波狀套筒110能以較低的厚度來製造。厚度的減少使得組裝的機器人致動器300、400能夠在較低的流體壓力下操作，因為壁152厚度較少的波狀套筒變形所需的能量較低。
在另一個實施例中，褶皺112具有多個縱向裂縫151(如圖2所示)以形成用於構成機器人致動器的波狀套筒110a(未單獨示出於圖式中)的另一種幾何構造。在一實施例中，裂縫151自通道111徑向輻射且以規律的間隔排列，並將波狀套筒110a分成有規律的扇形區150；裂縫151降低了波狀套筒110a的伸展剛度。通過這種幾何結構，當氣囊120充氣時，與沒有裂縫的波狀套筒110相比，波狀套筒110a在較低的流體壓力下藉由在基本縱向方向上伸展而變形。在另一個實施例中，裂縫151在通道111周圍呈不規則排列，由此得到的波狀套筒110b(未單獨示出於圖式中)配置為既可伸展又可彎曲，其中彎曲時背向裂縫151所在的一側(但此圖中未說明)。
圖4示出了組合波狀套筒210和氣囊220的子組件200，而圖5示出了內部佈置的剖面圖。與採用上述的波狀套筒110、110a、110b的機 器人致動器相比，使用子組件200的機器人致動器被配置為可產生更大程度的彎曲。如圖4所示，波狀套筒210基本上為半圓柱形，且形成一個半圓柱形的波狀套筒210。平坦的平面表面260沿波狀套筒210的縱向延伸，使得波狀套筒內部的通道211也呈半圓柱形。由於具有褶皺212的波狀套筒210相對於平坦表面260可以彎曲更多，所以當設置在內部的通道211中的氣囊220充氣時，波狀套筒210變形導致朝向平坦表面260彎曲。
在另一個實施例中的波狀套筒210a形成縱向裂縫251(如圖4所示)，類似於上述的裂縫，以減少波狀套筒210a(未示出於圖示中)的伸展剛度或增加所得子組件200a的靈活性。褶皺和裂縫的製作性質如上所述，在此不再贅述。
在一個變形例中，波狀套筒210、210a的平坦表面260略微彎曲。在進一步的變形中，平坦表面260可被製造成在不同部分具有不同的厚度或剛度，以用於調節彎曲運動的比例和程度。根據上述實施例和變形例，通道211內可以安裝如上所述的圓柱形氣囊120。優選地，採用半圓柱形的氣囊220；具有平坦正面的半圓柱形的氣囊220能夠緊貼合通道211(如圖4、圖5所示)內，從而提供對波狀套筒210、210a的伸展和/或彎曲更有效的控制。
如圖6示出了本發明一實施例的機器人致動器300。機器人致動器300由上述子組件200、200a和位於第一端213的鎖元件370組成，波狀套筒210、210a的第二端214為閉合(如圖3所示)。在使用的配置中，兩個或更多個波狀套筒210、210a可以串聯且遠端可以配備末端執行器。
鎖元件370將氣囊220可移除地固定在波狀套筒210、210a內。如圖所示，鎖元件370由公連接器371與母連接器372旋轉接合而組成。優選地，母連接器372基本上為半環形的元件，位於波狀套筒210、210a 的端壁上，並形成有環形溝槽373。公連接器371為半圓形元件376，連接到氣囊220的一端，且具有與環形溝槽373接合的部分圓形臂377。部分圓形臂377具從半圓形元件376延伸的固定端，且部分圓形臂377懸在半圓形元件376的部分的圓邊上，使半圓形元件376和部分圓形臂377之間形成裂口。上述裂口的寬度大於圍繞環形溝槽373的內側壁375的厚度，使得部分圓形臂377可以可旋轉地接合在環形溝槽373內，以利於將氣囊220可拆卸地固定在波狀套筒內210、210a。在一個實施例中，公連接器371和母連接器372均由用於形成波狀套筒210、210a的熱塑性胺甲酸酯(TPU)材料形成。公連接器和母連接器也可由具有更高蕭氏硬度值的TPU形成
如圖6所示，公連接器371設置有通口378，通口378接收用於將加壓流體介質供應到氣囊220內的管道。在一個變形例中，通口378被佈置成與氣囊220的開口重合，以便在機器人致動器300的操作期間供應流體介質。通口378還可以提供以接收輸送流體介質的管道和來自感測器的導線，這些感測器可用於監測機器人致動器300或任何附帶的末端執行器的伸展和彎曲。
圖7示出本發明另一實施例的機器人致動器400。機器人致動器400由上述子組件200、200a和分別設置在子組件的兩端的鎖元件480構成。在另一個實施例中，機器人致動器可以配置成有兩個或更多個子組件串聯，並將鎖元件480連接到一端，而相對端可以配備末端執行器。
每一個鎖元件480由連接到氣囊220的公連接器481和連接到波狀套筒210、210a的一端的母連接器482組成。母連接器482為U字形，並具有固定物484。固定物484可通過側開口放進，側開口用於滑動接收和接合匹配的公連接器481的板元件485。雖然未示出，但板元件485連接 到氣囊220，使得公連接器481與母連接器482可滑動接合以形成機器人致動器400的組件。
在圖7中，公連接器481基本上顯示為三角塊487，具有位於公連接器481的面邊緣的板元件485。在公連接器481的另一個面邊緣設有通孔489，用於將流體介質連通到氣囊220內或將感測器的導線穿進通道211。舉例來說，在用於患者復健，像是肘部輔助機構的應用中，公連接器481作為患者肢體、義肢或外骨骼的安裝點。
上述機器人致動器性能測試：由於TPU的高彈性係數，使用單一TPU材料的傳統機器人致動器需要高輸入壓力才能產生變形。雖然這樣能產生更高的輸出力，但在習知的機器人致動器本身的變形會消耗大量能量。在本發明中，藉由使用基於TPU的波狀套筒110、110a、110b、210、210a和作為用於容納流體介質的氣密式密封的內部的氣囊120、220，可以規避這種限制。因此，氣囊120、220配置成將力傳遞到波狀套筒110、110a、110b、210、210a上，以此作為可編程或可控制的限制。因此，由於模組化配置，波狀套筒110、110a、110b、210、210a可以用更複雜的配置來製造與可以分離。這允許使用者改變氣囊120、220和波狀套筒110、110a、110b、210、210a的組合以改動機器人致動器300、400的特性。本發明示出了機器人致動器的彎曲和伸展的兩種驅動模式。這兩種模式是軟機器人應用最常應用的驅動模式，其應用範圍從機器人運動到醫療保健和復健。如上所述，每個機器人致動器300、400由至少三個模組化部件的組合構成。第一部件為使用3D列印的熱塑性胺甲酸酯(TPU)製造的波狀套筒110、110a、110b、210、210a。波狀套筒110、110a、110b、210、210a控制機器人致動器300、400的變形輪廓。第二部件氣囊120、220由矽膠成形(可從美國Smooth-On的DragonSkin-10獲得)。氣囊120、220為氣密式密封。第 三部件為3D列印的TPU鎖元件370、480，鎖元件370、480使氣囊120、220能夠可拆卸地固定在波狀套筒110、110a、110b、210、210a內；鎖元件370、480還用於將流體介質引導至氣囊內。此外，鎖元件480還作為機器人致動器400的安裝點。TPU材料絲為BCN3D TPU 95A(已停產)或X6，BCN3D TPU 95A可從Ninjaflex NinjaTek 85A或Polyilex Polymaker 95A獲得，蕭氏硬度為60A的X6可從Diabase Engineering獲得。
藍色標記放置在機器人致動器300、400的波狀套筒上，以在跟蹤軟體上取得形變數據。然後將機器人致動器垂直安裝在鐵架上。流體壓力以每5kPa增加。跟蹤器(Open-Source Physics)用於處理影像並提取機器人致動器變形的坐標。如此以獲得原始數據接著使用Matlab處理，並繪製機器人致動器的變形(伸展和彎曲)。
如圖8示出了構成多個機器人致動器的波狀套筒110、110a的延伸率，波狀套筒110、110a由蕭氏硬度為60A、85A和95A的TPU製成。最初，三種TPU材料的延伸率變化相似。這可能是因為當壓力約為45kPa或更低時，在通道111的氣囊120從最初的膨脹到接觸波狀套筒。從大約60kPa的壓力開始，較軟的TPU材料製成的波狀套筒開始有較多的形變。由於TPU材料的楊氏模數隨著材料的蕭氏硬度的增加而增加，很明顯的，在給定的壓力下，60A的波狀套筒的伸展量最大，而95A的波狀套筒的伸展量最小。
將上述具有用蕭氏硬度為60A、85A和95A的TPU製造的波狀套筒210、210a的機器人致動器300、400執行彎曲性能測試。流體壓力以每5kPa的間隔增加，直到機器人致動器的自由端捲曲並接觸到保持在鐵架上的末端。圖9示出由85A TPU製成的波狀套筒在大約65kPa時彎曲達到最大值。相反的，圖10示出了具有由95A TPU製成的波狀套筒製成的機器 人致動器捲曲，且在大約在85kPa時彎曲達到最大值，這表明95A TPU的剛度更高。圖11示出85A和95A TPU的另一個壓力-曲率關係圖；忽略大約20kPa以下的初始誤差，由95A TPU製成的機器人致動器表現出更高的剛度，而85A TPU在較低的大約50kPa壓力下達到最大值。上述測試結果表明，上述機器人致動器的驅動壓力小於約150kPa，是可穿戴致動器系統的理想壓力。
機器人致動器的輸出力也決定了它們的應用；舉例而言，可穿戴的輔助裝置代表機器人致動器執行任務的能力。使用帶有測力計的立式自動手持式測試儀(新加坡測量儀器技術公司的JSV H1000)測量上述機器人致動器的輸出力。由60A、85A和95ATPU的波狀套筒110、110a、110b製成並配備有圓柱形氣囊120的機器人致動器以倒置的狀態安裝，在測力計上施加壓縮力以抵抗重力。然後以5kPa的增量對機器人致動器加壓；並對每一個機器人致動器採集三個數據集，並繪製輸出力的平均值和變異數。如圖12示出了藉由在彎曲模式下驅動的機器人致動器的輸出阻力。從圖12可以看出在相同壓力下，相較於較高剛度的機器人致動器，較低剛度的機器人致動器能提供更高的輸出力。這是因為較低剛度的機器人致動器使用較少的能量彎曲，從而允許較低剛度的機器人致動器將較高比例的流體壓力傳遞執行有用的工作。較高剛度的機器人致動器由於具有相對較高的楊氏模數，所以可承受較高的壓力。儘管缺乏與較軟的同類產品相同壓力的輸出力，但表現出較高剛度的85A和95A TPU的機器人致動器通常仍被選擇於應用，因為它們可產生更高的最高輸出力和不易機械故障。
如圖13示出了使用圓柱形氣囊120和使用半圓柱形氣囊(半圓管)220的機器人致動器300、400彎曲的阻力曲線。具體地，使用60A和85A TPU的波狀套筒210、210a並繪製了阻力曲線。依照測試結果來看，在相 同壓力下，使用相同材料的半圓柱形氣囊220的機器人致動器會產生更多大約20%的力。這是因為圓柱形氣囊120必須先膨脹以接觸半圓柱形通道211，因此最初的力傳遞無法執行有用的工作。因此，緊貼在波狀套筒210內的半圓柱形氣囊220是更好的使用選擇。氣囊的緊密貼合也轉化為使用半圓柱形氣囊220多個測試之間的較低的變異數。
圖14示出使用圓柱形氣囊120和由85A和95A TPU製成的圓柱形的波狀套筒110所組成的機器人致動器300、400伸展的阻力曲線。從圖14可以看出，在高於10kPa壓力下，具有更高剛度的95A TPU的機器人致動器能傳遞更大的力。這可能是因為具有圓柱形氣囊120的機器人致動器伸展時在氣囊和圓柱形的波狀套筒110之間的傳遞損失較小，且10kPa是圓柱形氣囊膨脹並沿圓柱形通道111緊密接觸圓柱形波狀套筒110的初始壓力。
圖7示出了可用於輔助肘部外骨骼的機器人致動器400。圖15和圖16示出了機器人致動器400在肘部的應用，其中在兩端的鎖元件480為安裝點。在這種輔助機構中，機器人致動器400能產生足夠大的力的能力是理想的。肘部是需要高輔助力矩的上半身關節，因為它需要承重且承受來自抓取物體處的手的巨大力臂。
雖然已經描述和說明了具體實施例，但是應當理解為在不脫離本發明的範圍的情況下，可以對本發明在文中所揭示的敘述和附圖進行多種轉換、修飾、變化和變化的組合。例如，可以將織物附著到氣囊120、220的一側以控制氣囊的彎曲；也可以將織物附著到半圓柱形套筒的平坦表面260以控制半圓柱形套筒210、210a的彎曲。織物是柔韌的，但具有比TPU更高的抗拉剛度。
210:波狀套筒
212:褶皺
214:第二端
251:裂縫
260:平坦表面
400:機器人致動器
480:鎖元件
481:公連接器
482:母連接器
484:固定物
485:板元件
487:三角塊
489:通孔

Claims (22)

  1. 一種機器人致動器，包括：由從第一端延伸到第二端的多個波狀褶皺形成的波狀套筒，且該波狀套筒界定內部的通道；和藉由鎖元件可拆卸地配置在該波狀套筒的該內部的通道內的氣囊；其中，當流體介質被充進該氣囊時，該氣囊充氣，從而壓縮該內部的通道，使該波狀套筒變形且給該機器人致動器提供輸出力，當該流體介質釋放時，該氣囊可逆洩氣。
  2. 如請求項1所述的機器人致動器，其中該鎖元件包括連接在該波狀套筒的一端的母連接器和公連接器，使得該公連接器和該母連接器藉由旋轉運動結合或分離。
  3. 如請求項1所述的機器人致動器，其中該鎖元件包括連接在該波狀套筒的一端的母連接器和公連接器，使得該公連接器和該母連接器藉由滑動運動結合或分離。
  4. 如請求項1所述的機器人致動器，其中該波狀套筒為圓柱形。
  5. 如請求項1所述的機器人致動器，其中該波狀套筒基本上為半圓柱形且包括一平坦表面，使該內部的通道基本上為半圓柱形。
  6. 如請求項4或5所述的機器人致動器，其中該氣囊的輪廓基本上緊貼合於該內部的通道。
  7. 如請求項1所述的機器人致動器，其中該些波狀褶皺之間以有規律的間距分開。
  8. 如請求項1所述的機器人致動器，其中每一該些波狀褶皺在外表面和該內部的通道的壁為彎曲或拱形。
  9. 如請求項1所述的機器人致動器，其中每一該些波狀褶皺在該內部的通道的壁基本上是平坦的。
  10. 如請求項8所述的機器人致動器，其中每一該些波狀褶皺在該外表面的寬度比每一該些波狀褶皺在該內部的通道的寬度大。
  11. 如請求項1所述的機器人致動器，其中從該內部的通道輻射並延伸至該波狀套筒的兩端形成輻射狀的多個裂縫。
  12. 如請求項1所述的機器人致動器，其中該氣囊由比該波狀套筒的材料剛度更低的材料製成，使得該氣囊為氣密式密封且可藉由該流體介質充氣，而該波狀套筒藉由充氣該氣囊控制該機器人致動器的伸展或彎曲。
  13. 如請求項12所述的機器人致動器，其中該氣囊材料為矽膠，而該波狀套筒的材料為熱塑性胺甲酸酯(TPU)。
  14. 如請求項1所述的機器人致動器，更包括沿著該氣囊的一側附著的織物，該織物用於控制該氣囊的彎曲的方向。
  15. 如請求項5所述的機器人致動器，更包括附著在該半圓柱形波狀套筒的該平坦表面的織物。
  16. 如請求項5所述的機器人致動器，其中沿著該平坦表面形成的材料具有不同的剛度，以控制該半圓柱形波狀套筒的彎曲。
  17. 一種用於配置機器人致動器伸展或彎曲的方法，該方法包括：藉由形成從第一端延伸至第二端的多個波狀褶皺來配置波狀套筒，且該波狀套筒界定內部的通道；以及 藉由連接鎖元件至氣囊的一端和該波狀套筒的一端，將該氣囊可拆卸地固定在該波狀套筒內，其中該氣囊為氣密式密封以接受流體介質，其中該氣囊由比該波狀套筒的材料剛度更低的材料形成；其中當該流體介質被供應到該氣囊內時，該氣囊的充氣作用於該內部的通道，從而造成該機器人致動器的輸出力和伸展。
  18. 如請求項17所述的方法，更包括沿著該波狀套筒形成裂縫以改變該波狀套筒的剛度，使得輸出力增加且該機器人致動器背向該裂縫的位置彎曲。
  19. 如請求項17所述的方法，更包括使該波狀套筒具一平坦表面以獲得半圓柱形的通道，從而控制該波狀套筒向該平坦表面的彎曲剛度。
  20. 如請求項19所述的方法，其中藉由沿著該平坦表面改變材料剛度或沿著該平坦表面附著的一織物，以控制該波狀套筒的該平坦表面的該彎曲剛度。
  21. 一種用於使用如請求項1-16任一項所述的機器人致動器配置輔助機構的方法，包括：將氣囊插入波狀套筒，其中該氣囊為氣密式密封以接受流體介質，且該氣囊由比該波狀套筒的材料剛度更低的材料形成；以鎖元件將該氣囊的一端可拆卸地固定至該波狀套筒的相應端；以另一鎖元件安裝於該波狀套筒的相對端；且將每一該些鎖元件固定在構成關節的肢體上；其中充氣該氣囊產生輸出力，且使該機器人致動器伸展和彎曲產生圍繞該關節的輔助動作，而洩氣該氣囊使該機器人致動器的運動反向。
  22. 如請求項21所述的方法，其中該關節由義肢或外骨骼構成。
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