CN103192383A - 一种人工肌肉及其驱动的机械臂装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工肌肉，以及以该人工肌肉为动力源进行驱动的机械臂装置。所述人工肌肉中设有能够通过触电伸缩实现仿肌肉运动的阵列；所述阵列包含若干个串联组；每个所述串联组包含相互连接并形成电路串联的多个所述C型积木式致动器；每个所述C型积木式致动器进一步具有包含上极板、中间电介质和下极板的夹层结构；其中，所述中间电介质是一种电子型电活性聚合物，当所述上极板和下极板之间施加有足够的电压时，所述C型积木式致动器能够受电形变；当去除电压或施加反向电压时，所述C型积木式致动器能够恢复原状，实现人工肌肉的自由伸缩，进而使得以人工肌肉进行驱动的机械臂能够模拟人的手臂运动。

Description

一种人工肌肉及其驱动的机械臂装置

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，尤其是涉及一种人工肌肉，以及以该人工肌肉为动力源进行驱动的机械臂装置，能够基于输入电压的变化模拟人的手臂运动。

背景技术

肌肉是生物学上可收缩的组织，具有信息传递、 能量传递、 废物排除、 能量供给、 传动以及自修复功能，一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源，人类很早就致力于仿生物肌肉的即人工肌肉的研发。上世纪50年代， McKibben 首次研制了气动驱动器，并发展成为商业上的McKibben 驱动器， 但是作为人工肌肉材料， McKibben 驱动器体积大，而且受到辅助系统的限制。形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料，与同时代的驱动材料相比， 具有高能量密度和低比重等特点，但同样存在许多不利因素，如形变不可预知性，响应速度慢以及使用尺寸受限等，这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选料，其响应速度较形状记忆合金快，但是脆性大，只能获得小于1%的应变。由于受材料的限制，人工肌肉的研究一直处于合金响应速度快、密度小、回弹力大，另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等的缓慢发展阶段， 直到一类新型材料——电活性聚合物(Elect roact ive polymers，EAP)的出现。EAP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级，并且较形状记忆EAP 的出现给人工肌肉领域以新的冲击，从上个世纪90 年代初开始，基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。

电活性聚合物驱动材料是指能够在电流、 电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显著特征是能够将电能转化为机械能。人工肌肉研究最大的发展发生在最近十几年，应变可以达到380%甚至更大的材料已被研制出。随着EAP材料研究的不断深入和发展，其巨大的应用前景已呈现在人们面前。EAP材料可作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化，从而推动微电子机械技术的发展。目前国际上研究目标之一是制造昆虫0机器人，可用于军事、医疗等领域。利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器，可用于制造无噪声的微型舰船。基于此构想，电活性聚合物的第一个商业用途早已实现，但仅作为玩具2002年12月，日本大阪的一家公司生产出一种机械鱼，可以在水中自由地游弋。这是聚合物人工肌肉发展史上的一个里程碑。目前已经被开发的科学应用领域主要有：人机械面、飞行器应用、可控制织物、机器人、医疗等，然而大都处于实验阶段。

根据形变产生的机制，电活性聚合物人工肌肉材料可以分为电子型和离子型两大类。电子型即电场活性材料，通过电场以及静电作用(库仑力)驱动，因为驱动体系不需要保持在湿态环境下，也被称为干驱动体系。这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物及液晶弹性体。电致伸缩纸和电致粘弹性弹性体也属于此类，但在本文不做详细说明。

离子型聚合物即电流活性材料，包括聚合物电解质凝胶、碳纳米管复合材料、离子聚合物2金属复合材料和导电聚合物，因为体系需在湿态环境下工作，也称湿驱动体系，主要通过离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的。由于电子比离子移动的更快些，电子型聚合物的反应时间较短，仅几微秒，其能量密度也较大，并可长时间在空气中运行，而离子材料在必须浸浴在液体溶剂中。然而，长期以来电子聚合物要求在很强的电场中才能实现收缩(150MvPm)。由于EAP材料和体系的开发，有些材料或体系的驱动机理已经超越这些分类，于是Otero在2007年SPIE会议上提出新的分类方法，根据其驱动是物理过程还是化学过程分为电机械材料和电化学机械材料。

有碍于国内先进材料技术限制，国内对于仿肌肉模拟组织研究较少，例如气动人工肌肉驱动式激振器，申请号（CN200720031153.8），是一种气动人工肌肉驱动式激振器，包括气源、储气罐，气源和储气罐相连通，气源经输气管与控制阀输入口相连并与储气罐相连，控制阀输出口通过输气管与气动人工肌肉的进气口相连，控制阀的控制端，气动人工肌肉的任意一端与基体连接，另一端与振动主体连接，振动主体两端有弹性元件支撑。控制阀为气动比例控制阀或气动高速开关阀，结构复杂臃肿。

发明内容

本发明的目的是采用新型的电子型电活性聚合物EAP材料克服上述现有技术空白或存在的缺陷而提供一种触电伸缩的仿肌肉运动装置（即，人工肌肉），并把这种装置应用于具体的仿生机械臂装置上，从而基于输入电压的变化来模拟人的手臂运动。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种人工肌肉， 

所述人工肌肉中设有能够通过触电伸缩实现仿肌肉运动的阵列；所述阵列包含若干个串联组；当设置有两个以上的串联组时，所述串联组之间相互电路并联；

每个所述串联组包含相互连接并形成电路串联的多个所述C型积木式致动器；每个所述C型积木式致动器进一步具有包含上极板、中间电介质和下极板的夹层结构；

其中，所述中间电介质是一种电子型电活性聚合物，当所述上极板和下极板之间施加有足够的电压时，所述C型积木式致动器能够受电形变；当去除电压或施加反向电压时，所述C型积木式致动器能够恢复原状。 

优选的所述中间电介质是电子型电活性聚合物中的一种电介质弹性体；所述上极板和下极板分别位于该电介质弹性体厚度方向的两侧，在施加电压时，所述电介质弹性体在厚度方向受到挤压，而在水平方向上得到扩展。

所述C型积木式致动器形成有一个板体构件，所述板体构件长度方向上的两端以相反的方向垂直于该板体构件；

在每个串联组中，任意两个相邻C型积木式致动器上各自有一端相对并通过一个连接构件固定连接；这两个C型积木式致动器的对应极板相互电路连接；在施加电压时，由这两个C型积木式致动器连接构成的开口变大。

每个串联组中由多个C型积木式致动器两两连接构成若干个开口，且任意一个开口与相邻一个开口的方向相反；并且，每个串联组和与其相邻的串联组中，位于同一水平位置的开口的方向不同。

所述阵列固定连接在所述人工肌肉设置的驱动长筒内，所述驱动长筒是一个可形变的圆筒；每个所述串联组连接在该圆筒中设置的两个端盖之间；所述驱动长筒能够根据串联组中C型积木式致动器的受电形变而进行伸缩；

在每个所述串联组中位于两个末端的C型积木式致动器，其各自没有与其他C型积木式致动器连接的一端，分别通过连接构件与一个L型连接端件的其中一边固定连接；所述L型连接端件的另一边固定连接至所述圆筒中对应的端盖处。

所述人工肌肉中设有仿肌肉的填充物覆盖在所述驱动长筒的表面；所述人工肌肉还设有仿皮肤的表皮将填充物及其中的驱动长筒都包裹起来；若干导线的一端分别连接在所述驱动长筒，另一端引出至所述填充物及表皮之外，以通过所述导线向驱动长筒施加电压来控制其伸缩形变。

本发明的另一个技术方案是提供一种人工肌肉驱动的机械臂装置， 

机械臂上装设有如上述的人工肌肉，并基于该人工肌肉的触电伸缩对所述机械臂进行驱动；所述人工肌肉的两端分别连接至所述机械臂的上臂和下臂。

所述机械臂的上臂和下臂之间设有万向旋转装置，由通过电机固定端盖连接至所述万向旋转装置的步进电机，对该万向旋转装置进行驱动，以使所述下臂能够做旋转运动。

所述人工肌肉的两端分别通过铰接件连接至所述机械臂的上臂和下臂，其中一个铰接件位于上臂一端设置的可旋转方块上。

与现有技术相比，本发明的人工肌肉，以及将该人工肌肉作为动力源进行驱动的机械臂装置，其优点在于：利用电子型电活性聚合物的电介质弹性体的特性，来制成能够受电形变的夹层结构，并将该夹层结构应用在每个C形积木式致动器中，将大量的C形积木式致动器作为小致动单元相互串联或并联，组成一个高性能的阵式致动系统，施加相应的电压时，能够使人工肌肉触电变形，去除电压或施加反向电压时，则恢复原状，从而实现人造肌肉的自由伸缩。

与传统的直线形弯曲致动器不同，本发明中的C形积木式致动器是曲线形的。因此，与同等长度直线形弯曲致动器相比，C形积木式致动器能产生多于8％的变形量。受电时它的前半部分和后半部分产生相反力矩形成反曲致动器，这两个力矩产生了整体的位移能够防止末端旋转。这个特点使得反曲致动器特别适合制成阵列式单元。

附图说明

图1是本发明所述人工肌肉的外部结构示意图；

图2是本发明所述人工肌肉的横截面示意图；

图3所示的图3a和图3b，是本发明所述人工肌肉中驱动长筒在施加电压前后的三维断裂示意图；

图4是本发明所述人工肌肉中双薄层电介质的工作原理图；

图5所示的图5a和图5b，是本发明所述人工肌肉中C型积木式致动器正反两面的结构示意图；

图6所示的图6a和图6b，是本发明所述人工肌肉中L型连接端件两个方向的结构示意图；

图7是本发明所述人工肌肉中L型连接端件与圆筒端盖的连接结构示意图；

图8是本发明所述人工肌肉中连接构件的结构示意图；

图9是本发明中以所述人工肌肉为动力源的机械臂装置的爆炸图；

图10是本发明中以所述人工肌肉为动力源的机械臂装置的组装效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

配合参见图1、图2所示，本发明首先提供了一种触电伸缩的仿肌肉运动装置（以下简称为人工肌肉1）。所述的人工肌肉1设有驱动长筒24、仿皮肤的表皮21、填充的硅胶22，以及引出的导线23。其中，所述驱动长筒24沿人工肌肉1的长度方向置于其中心；人工肌肉1的内部由硅胶22或其他类似的物质填充，以使整个装置具有肌肉般柔软的特性；所述表皮21将硅胶22及由硅胶22覆盖的驱动长筒24都包裹起来进行保护；若干导线23在驱动长筒24的末端连接并引出至所述的表皮21之外，经由导线23向驱动长筒24通入电流以施加设定的电压，能够使该驱动长筒24在纵向横向实现伸缩变形，从而对装设有该人工肌肉1的机械臂进行驱动。本实施例中所述的人工肌肉1大致为两头细中间粗的纺锤形。

如图3a所示，所述驱动长筒24设有可形变的圆筒，由固定设置在圆筒内的C型积木式致动器13作为该驱动长筒24的基本动力源。C型积木式致动器13构成为一个个小致动单元，相互串联或并联起来形成一个高性能的阵式致动系统。

图5a、图5b示出了每个C型积木式致动器13的结构示意图，即，所述的C型积木式致动器13的形状，大致相当于将一个板体构件在其长度方向上的两端，以相反方向弯折至与板体构件大约垂直的角度。所述的C型积木式致动器13由上极板18、中间电介质20和下极板19构成三明治状的夹层结构；金属的上极板18和下极板19分别设有电极12，用于电路连接引出的导线23，或者用于通过可导电的连接件等电路连接至其他C型积木式致动器13的上极板18和下极板19。其中，所述的中间电介质20是一种电子型电活性聚合物，优选是一种电介质弹性体，以使该C型积木式致动器13具备受电形变的效果。

电子型电活性聚合物(Electroactive polymers，EAP)是通过分子尺寸上的静电力(库仑力) 作用使聚合物分子链重新排列以实现体积上各个维度的膨胀和收缩。这种电机械转化是一种物理过程，包括两种机制，电致伸缩效应和Maxwell 效应。两种机制所产生的应力和应变都与电场的平方成正比。

电致伸缩效应是由于材料介电性质的改变而引起的应变。电极化与机械应变的关系如下：                                               

。S表示电致伸缩所导致的纵向应变，即在膜厚方向的应变，Q是电致伸缩系数，

是真空介电常数，

是相对介电常数，E是电场强度。介电常数

，由真空介电常数和相对介电常数相乘所得(

 )。若要发生电致伸缩现象，材料结构中必须含有结晶区域。当材料发生预应变时其介电常数增大则预示着电致伸缩效应出现的可能性。材料的介电常数可通过介电分析仪测得。

Maxwell 应力是电介质中电场分布发生变化的结果。。S’ 是膜厚方向上的应变，s是弹性柔量，P是驱动应力，（

）应力与介电常数成比例。这种机理在低模量材料比如具有高应变的电介质弹性体中起主要作用。电子型EAP 的性能是形变大，需要很高的电场强度，这就使得驱动电压一般高于1kv，但是由于电流很低，电能消耗较低。在电子型EAP材料中，选用电介质弹性体作为主要装置材料，电介质弹性体是化学交联的软弹性体，可以提供很大的场致应变( 10%~ 100%) 。

参见图4所示，说明本发明中上述驱动长筒24伸缩形变的原理，上述的C型积木式致动器13实质是一个电介质弹性体驱动器，弹性体膜介于两个平行的金属电极之间，构成为类似三明治结构的平行板电容器。当在两金属电极上施加上千伏的高压直流电压时，两电极板之间产生的静电引力在膜厚方向上挤压弹性体膜，使之在水平方向上扩张，关闭电压或施加反向的电压时，弹性体薄膜恢复原来的形状。即，见图4a，无电压状态下，“电介质弹性体驱动器”具有Z₀高度；而见图4b，在施加电压的情况下，电介质弹性体受到两侧挤压（以σ方向所示箭头表示）产生形变，使得纵向上的高度减小，而同时在横向上向外扩展。因此，以上述结构制成的C型积木式致动器13，能够获得受电形变的效果。

配合参见图3a、图8所示，将任意两个相邻C型积木式致动器13上相对的端部，分别插入到一个连接构件14的上下两个安装槽口中，并通过在所述连接构件14上设置的上下两排固定螺母16，对这两个C型积木式致动器13进行固定连接。相邻C型积木式致动器13的对应极板，也在所述连接构件14中实现电路连接。

多个C型积木式致动器13以上述方式两两连接并形成电路串联，构成堆叠起来的若干个开口结构，且任意一个开口与其纵向相邻的开口方向相反，由此形成一个串联组结构。而在图3a所示的具体实施例中，设置了两个这样的C型积木式致动器13串联组，这两个串联组相互电路并联，且一个串联组与另一个串联组中位于同一水平方向上的C型积木式致动器13的开口方向不同（图示为方向相反）。

配合参见图3a、图6a、图6b、图7所示，所述驱动长筒24的圆筒设有两个端盖17；每个C型积木式致动器13的串联组的两端分别设置有L型连接端件15，通过若干固定螺母16将L型连接端件15较长的一边连接至圆筒的对应端盖17上，进而将这些C型积木式致动器13的串联组固定在所述的圆筒内。所述L型连接端件15上较短的一边，则对应插入到串联组中最末端（即，最上层或最下层）一个C型积木式致动器13的连接构件14中，实现与该C型积木式致动器13的固定连接。所述驱动长筒24的导线23，即可以是连接在串联组最末端（即，最上层或最下层）C型积木式致动器13的电极12上并引出的。

如图3a所示，当所述驱动长筒24上没有施加电压时，各个小致动单元基本保持了C型积木式致动器13原先的直角转角。而如图3b所示，当施加电压后，小致动单元发生变形，在其两端产生了相反的力矩而形成一种反曲致动器，相比图3a，图3b中表现为相邻致动单元连接构成的开口变大，整个驱动长筒24的长度增加。当去除上述电压或施加反向电压后，又会恢复到图3a所示的原本状态，因此，实现了人造肌肉的自由伸缩。

配合参见图9、图10所示，本发明进一步提供了一种装有上述人工肌肉1并利用该人工肌肉1的触电伸缩特性进行驱动的机械臂装置。所述人工肌肉1的两端通过固定短轴11，分别连接至机械臂的上臂4和下臂9上各自设置的铰接件3处。上臂4的一端设有可旋转方块2，其中一个铰接件3可以设置在该可旋转方块2上。利用连接长轴10及螺母7将一个万向旋转装置8连接在下臂9的端部，所述万向旋转装置8通过一个电机固定端盖6连接上臂4的另一端，由设置在所述电机固定端盖6上的步进电机5对该万向旋转装置8进行驱动，以使下臂9能够做旋转运动，从而使该机械臂具有多自由度运动的能力，满足人们对机械臂的不同需要。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述，例如，人工肌肉或驱动长筒的形状，其中C型积木式致动器或其串联组或并联的数量及其各自的开口方向，相邻C型积木式致动器之间或C型积木式致动器与圆筒之间进行固定连接的方式，机械臂装置的具体结构及组成方式，等等，不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种人工肌肉，其特征在于， 

所述人工肌肉（1）中设有能够通过触电伸缩实现仿肌肉运动的阵列；所述阵列包含若干个串联组；当设置有两个以上的串联组时，所述串联组之间相互电路并联；

每个所述串联组包含相互连接并形成电路串联的多个所述C型积木式致动器（13）；每个所述C型积木式致动器（13）进一步具有包含上极板（18）、中间电介质（20）和下极板（19）的夹层结构；

其中，所述中间电介质（20）是一种电子型电活性聚合物，当所述上极板（18）和下极板（19）之间施加有足够的电压时，所述C型积木式致动器（13）能够受电形变；当去除电压或施加反向电压时，所述C型积木式致动器（13）能够恢复原状。

2.要求1所述的人工肌肉，其特征在于，

所述中间电介质（20）是电子型电活性聚合物中的一种电介质弹性体；所述上极板（18）和下极板（19）分别位于该电介质弹性体厚度方向的两侧，在施加电压时，所述电介质弹性体在厚度方向受到挤压，而在水平方向上得到扩展。

3.要求2所述的人工肌肉，其特征在于，

所述C型积木式致动器（13）形成有一个板体构件，所述板体构件长度方向上的两端以相反的方向垂直于该板体构件；

在每个串联组中，任意两个相邻C型积木式致动器（13）上各自有一端相对并通过一个连接构件（14）固定连接；这两个C型积木式致动器（13）的对应极板相互电路连接；在施加电压时，由这两个C型积木式致动器（13）连接构成的开口变大。

4.要求3所述的人工肌肉，其特征在于，

每个串联组中由多个C型积木式致动器（13）两两连接构成若干个开口，且任意一个开口与相邻一个开口的方向相反；并且，每个串联组和与其相邻的串联组中，位于同一水平位置的开口的方向不同。

5.要求3或4所述的人工肌肉，其特征在于，

所述阵列固定连接在所述人工肌肉（1）设置的驱动长筒（24）内，所述驱动长筒（24）是一个可形变的圆筒；每个所述串联组连接在该圆筒中设置的两个端盖（17）之间；所述驱动长筒（24）能够根据串联组中C型积木式致动器（13）的受电形变而进行伸缩；

在每个所述串联组中位于两个末端的C型积木式致动器（13），其各自没有与其他C型积木式致动器（13）连接的一端，分别通过连接构件（14）与一个L型连接端件（15）的其中一边固定连接；所述L型连接端件（15）的另一边固定连接至所述圆筒中对应的端盖（17）处。

6.要求5所述的人工肌肉，其特征在于，

所述人工肌肉（1）中设有仿肌肉的填充物覆盖在所述驱动长筒（24）的表面；所述人工肌肉（1）还设有仿皮肤的表皮（21）将填充物及其中的驱动长筒（24）都包裹起来；若干导线的一端分别连接在所述驱动长筒（24），另一端引出至所述填充物及表皮（21）之外，以通过所述导线向驱动长筒（24）施加电压来控制其伸缩形变。

7.一种人工肌肉驱动的机械臂装置，其特征在于，

机械臂上装设有如权利要求1~6中任意一项所述的人工肌肉（1），并基于该人工肌肉（1）的触电伸缩对所述机械臂进行驱动；所述人工肌肉（1）的两端分别连接至所述机械臂的上臂（4）和下臂（9）。

8.要求7所述的人工肌肉为动力源的机械臂装置，其特征在于，

所述机械臂的上臂（4）和下臂（9）之间设有万向旋转装置（8），由通过电机固定端盖（6）连接至所述万向旋转装置（8）的步进电机（5），对该万向旋转装置（8）进行驱动，以使所述下臂（9）能够做旋转运动。

9.要求7或8所述的人工肌肉为动力源的机械臂装置，其特征在于，

所述人工肌肉（1）的两端分别通过铰接件（3）连接至所述机械臂的上臂（4）和下臂（9），其中一个铰接件（3）位于上臂（4）一端设置的可旋转方块（2）上。

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