象鼻运动与FESTO仿象鼻柔性机械臂

机器人设计的目标是部分代替人完成繁重的重复性劳动，通常需要有手臂进行大范围的抓取与操作。传统的机械臂多数采用多个刚性连杆串联或并联连接而成。德国FESTO公司模仿象鼻肌肉运动原理，研制了一种仿象鼻气动柔性机械臂，2010年申请了发明专利。

本文围绕以下几个问题展开。

象鼻、舌头与触手是何种肌肉组成？

它们的肌肉与运动之间的关系如何？

FESTO仿象鼻柔性机械臂原理是什么？

1. 生物中具有骨骼功能的肌肉结构原理

如果说到大象的象鼻、猫的舌头和章鱼的触手，

还有蛇的舌头、蜥蜴的舌头、乌贼的触手、鹦鹉螺的触手……

大家觉得它们有什么共同之处吗？

它们都是肌肉！

不过，这些器官已经不仅仅是单束肌肉那么简单。因为这些器官除了提供一束肌肉能做到的运动之外，还具有类似于骨骼的功能。

象鼻子有提升功能，大象可以提起重物，比如，大象用它的鼻子能够拔起一颗树。

象鼻能够弯曲、扭转和伸长。

此外，大象的鼻子还能抓取物体、喷水……

象鼻的解剖图如下图所示。

象鼻的肌肉（也称为肌肉纤维）有三大类：

纵向肌肉、横向肌肉和倾斜肌肉。

三种肌肉的共同工作产生了象鼻的所有典型运动类型。

纵向肌肉和倾斜肌肉能够从上图中看到。（横向肌肉未在上图中画出）

纵向肌肉位于象鼻的上方是沿着象鼻长度方向平行排列的。

横向肌肉位于象鼻的中部，与纵向肌肉的方向是垂直的。

倾斜肌肉在象鼻的下方，呈螺旋状，负责象鼻的扭曲动作。

象鼻的横截面如下图。

从中可以看到象鼻的肌肉组成。

象鼻子能够做出多种功能的原因正是这些肌肉的膨胀与收缩带来的。

下图为一个圆柱状肌肉的长度与截面积的变化关系（体积不变）：

看看各种动物的舌头的肌肉组成，会有什么不同？

不同肌肉（横向肌肉、纵向肌肉）的比例大小与分布情况。

乌贼触手的横截面：

猫舌头的横截面：

鹦鹉螺触手的横截面：

蜥蜴舌头的横截面：

蛇的舌头能如何运动？

蛇的舌头能够控制在空中的运动方向，包括左右摆动、上下运动、缩回与伸出。

蛇的舌头横截面在一后一前两个不同的位置剖切后发现肌肉的结构有变化。

蛇的舌头的后方横截面如下图所示。

从肌肉的纹路上可以分出两种，沿着横截面的称为横向肌肉，与横截面接近垂直的称为纵向肌肉。

在下图中，中间是两大组纵向肌肉，围绕着纵向肌肉的有4片横向肌肉。

横向肌肉收缩实现舌头直径减小，使得舌头变长。

蛇的舌头的前方横截面如下图所示。

前方的舌头与后方的舌头结构不同，差不多是相反的：

纵向肌肉位于四周边缘，大约分为4大组纵向肌肉；

最中间的肌肉是横向肌肉。

这样的布置可以实现舌头的弯曲。

在上图中，横向肌肉收缩时，舌头仍然是伸长的。纵向肌肉因为有四组，纵向肌肉中的一组收缩时，就会带来舌头向该收缩纵向肌肉的地方弯曲。

在弯曲中，一方面维持着舌头的直径，另一方面收缩一侧的纵向肌肉，就能达到弯曲，如下图所示。

在弯曲中，横向肌肉的参与也同样重要，横向肌肉负责保持横截面的直径。

如果不维持住横截面的直径，那么仅仅依靠侧面纵向肌肉的收缩将不会造成弯曲的效果，如下图所示。

在象鼻中的倾斜肌肉的作用是让象鼻可以扭转，如下图所示。

其中螺旋带为倾斜肌肉，红线为象鼻的一侧的纵向肌肉。

当倾斜肌肉放松，红线变长时，象鼻发生了扭转。

2. FESTO仿象鼻气动柔性机械臂

2.1 FESTO公司仿象鼻气动柔性机械臂

德国费斯托（FESTO）公司研制的仿象鼻气动柔性机械臂如下图所示。

请看视频：

2.2 仿象鼻气动柔性机械臂发明专利

发明名称：可利用流体运行的操纵器，

专利权人：费斯托股份有限两合公司，德国艾斯林根

发明人：M. 菲舍尔等人，

2010年申请，2015年授权。

仿象鼻气动柔性机械臂的原理：

在不同位置横截面的面积不变的情况下，通过三个气动波纹管实现伸缩，可以达到弯曲的目的。

通过三组串联实现任意空间弯曲（比如C形、S形）弯曲的功能。

专利摘要：

一种可利用流体运行的由多个沿着延伸曲线(10)以堆叠的方式布置的操纵器节段(5、70、80)形成的操纵器，操纵器节段(5、70、80)分别包括至少一个联结板(19、73)和至少两个横向于延伸曲线(10)成间距地布置在联结板(19、73)处的以在流体方面分离的方式构造的流体腔(20、71、81)，其中，流体腔(20、37、71)的每一个具有至少一个可弹性地变形的壁区域(25、72)，该壁区域(25、72)构造成，在利用流体加载各个流体腔(20、37、71)时使的流体腔(20、37、71)的体积变化成为可能以用于基本上平行于延伸曲线(10)的线性运动，并且其中，联结板(19、73)的主延伸面(26)设置成用于至少基本上垂直于延伸曲线(10)布置。根据本发明设置成，至少两个流体腔(20、71、81)与至少一个联结板(19、73)一起构造成单件。