CN108115664A - 一种有自传感功能的人工肌肉 - Google Patents

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Abstract

一种有自传感功能的人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。它解决了现有人工肌肉温度及位移测量依赖于外部传感器的问题。本发明的有自传感功能的人工肌肉包括聚合物纤维、热电阻丝、导电涂层和绝缘涂层。其制作方法包括对热电阻丝涂覆绝缘漆，对聚合物纤维丝涂覆导电漆和热电阻丝与聚合物纤维丝共同卷绕；本发明有自传感功能的人工肌肉采用热电阻和导电涂层与聚合物纤维结合制作人工肌肉，在不使用外部传感器的情况下实现了人工肌肉温度和位移的传感，促进了其在控制系统和微小型机器人中的使用。

Description

一种有自传感功能的人工肌肉
技术领域
本发明涉及一种有自传感功能的人工肌肉，属于柔性驱动器技术领域。
背景技术
柔性驱动器一直以来都是机器人领域的重要分支，由于传统刚性驱动器体积、重量大，动作刚度高，在一些应用上存在某些局限性。柔性驱动器具有灵活性高、容易变形等特点，易于布置在柔性机器人或狭小的结构中，又因其具有很强的动作柔顺性，易于实现机器人、环境和人的安全交互，具有广阔的应用前景。
目前常见的柔性驱动器包括电活性聚合物、形状记忆合金、离子聚合物金属复合材料等。这些柔性驱动器价格昂贵，输出力与位移有限，迟滞现象明显，疲劳寿命短，难以满足柔性机器人的需求。
发明内容
本发明为了解决现有人工肌肉温度、位移测量困难的问题，提出了一种有自传感功能的人工肌肉，所采取的技术方案如下：
一种有自传感功能的人工肌肉，所述人工肌肉包括聚合物纤维1、导电涂料层2、热电阻丝3和绝缘涂层4；所述聚合物纤维1采用圆柱形结构，所述热电阻丝3的部分挤压嵌入所述聚合物纤维1中；所述热电阻丝3与导电涂层2间设有绝缘涂层；在所述聚合物纤维1的外表面以覆有导电涂料层2。所述导电涂料2与绝缘涂料3能承受较高的温度。
进一步地，所述人工肌肉的制作步骤包括：
步骤一：将导电涂料2涂覆于聚合物纤维1的外表面；将绝缘涂料4涂覆于热电阻丝3的外表面；
步骤二：将热电阻丝3压紧于聚合物纤维1上，并与聚合物纤维1共同卷绕形成螺旋结构：
步骤三：对步骤二所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
进一步地，所述人工肌肉的制作步骤包括：
第一步：将绝缘涂料4涂覆于热电阻丝3的外表面；
第二步：将第一步获得的涂有绝缘涂料4的热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕形成螺旋结构：
第三步：将导电涂料2涂覆于形成螺旋结构的聚合物纤维1的外表面；
第四步：对螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
进一步地，所述人工肌肉的制作步骤包括：
步骤1：将绝缘涂料4涂覆于热电阻丝3的外表面；
步骤2：将第一步获得的涂有绝缘涂料4的热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕形成螺旋结构：
步骤3：对螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
步骤4：将导电涂料2涂覆于形成螺旋结构的聚合物纤维1的外表面。
进一步地，所述人工肌肉的制作步骤包括：
第a1步：将热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕形成螺旋结构；
第a2步：对第a1步所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
第a3步：在第a2步所述螺旋结构上涂覆绝缘涂料4；
第a4步：在涂覆有绝缘涂料4的螺旋结构涂覆导电涂料2。
进一步地，所述人工肌肉的制作步骤包括：
Step1：将热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕形成螺旋结构；
Step2：在step1所述螺旋结构上涂覆绝缘涂料4；
Step3：对step2所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
Step4：在涂覆有绝缘涂料4的螺旋结构涂覆导电涂料2。
进一步地，所述人工肌肉的制作步骤包括：
第1步：将热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕形成螺旋结构；
第2步：在第1步所述螺旋结构上涂覆绝缘涂料4；
第3步：在涂覆有绝缘涂料4的螺旋结构涂覆导电涂料2；
第4步：对第3步所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
进一步地，所述聚合物纤维1内部形成扭转结构，将具有扭转结构的所述聚合物纤维1卷绕成螺旋结构，卷绕成螺旋结构后的所述聚合物纤维1长度可随温度发生变化。
进一步地，所述聚合物纤维1与热电阻丝3共同卷绕成的螺旋结构经热定型处理，在静止状态下不自发解螺旋。
本发明有益效果：
本发明提出的一种有自传感功能的人工肌肉采用热电阻和导电涂层与聚合物纤维结合制作人工肌肉，这种结构可以实现人工肌肉在不使用外部传感器的情况下实现了其温度和位移的传感，促进了其在控制系统和微小型机器人中的使用。
附图说明
图1是本发明所述聚合物纤维与热电阻丝共同卷绕结构示意图。；
图2是具体实施方式一所述人工肌肉剖面图；
图3是人工肌肉结构与变形状态示意图；
图4是具体实施方式三所述人工肌肉剖面图；
图5是具体实施方式四所述人工肌肉剖面图；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
结合图1至图3说明本实施例，本实施例所述的一种有自传感功能的人工肌肉，所述人工肌肉包括聚合物纤维1、导电涂料层2、热电阻丝3和绝缘涂层4；所述聚合物纤维1采用圆柱形结构，所述热电阻丝3的部分挤压嵌入所述聚合物纤维1中；所述热电阻丝3与导电涂层2间设有绝缘涂层；在所述聚合物纤维1的外表面以及未与聚合物纤维1接触的绝缘涂层4的外表面覆有导电涂料层2。所述导电涂料2与绝缘涂料3能承受较高的温度。
具体的，所述人工肌肉的制作步骤包括：
第一步：将绝缘涂料4涂覆于热电阻丝3的外表面；
第二步：将第一步获得的涂有绝缘涂料4的热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕形成螺旋结构：
第三步：将导电涂料2涂覆于形成螺旋结构的聚合物纤维1的外表面；
第四步：对螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉，具体工艺参数依聚合物纤维的种类与特性而定。
或者将第三步与第四步的顺序调换。该实施例制成的有自传感功能的人工肌肉剖面如图2所示。
通过对所述热电阻丝3通电可以对人工肌肉加热，使人工肌肉产生动作(见图3)。热电阻丝3的电阻随温度变化，通过测试获得热电阻丝3温度与电阻的函数关系，即可通过测量热电阻丝3的阻值计算人工肌肉的温度。本实施例导电涂层2的阻值同时受到温度和人工肌肉位移的影响，通过测试获得导电涂层2的电阻、温度与人工肌肉位移之间的函数关系，通过测量导电涂层2的阻值，结合热电阻丝3测得的温度，即可计算出人工肌肉的位移，实现自传感功能。
实施例2
本实施例所述人工肌肉通过对导电涂层2通电实现人工肌肉的动作，并且能够达到对人工肌肉的加热更加均匀的优点。其他结构与材料与实施例1相同。
实施例3
结合图4说明本实施例，本实施例中，本实施例是对实施例1所示人工肌肉制作过程的步骤的进一步调整，具体的，先将热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕成螺旋结构，再对其涂覆绝缘涂层4，最后在外层涂覆导电材料2。对螺旋结构的热处理可在螺旋结构形成后的任意步骤进行。制作完成后的人工肌肉剖面如图4所示。其他结构与材料与实施例1相同。
本实施例的优点是绝缘涂层更容易与人工肌肉结合且不易脱落。
实施例4
结合图5说明本实施例，本实施例是对实施例1所示人工肌肉制作过程的步骤的进一步调整，具体的，先将导电涂层2涂覆在聚合物纤维1表面；将绝缘涂料4涂覆在热电阻丝3表面，再将热电阻丝3与聚合物纤维1共同卷绕成螺旋结构，最后对螺旋结构进行热处理。其他结构与材料与实施例1相同。
本实施例所述人工肌肉制作过程进而形成的结构的优点在于导电涂层更容易涂覆均匀。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉包括聚合物纤维(1)、导电涂料层(2)、热电阻丝(3)和绝缘涂层(4)；所述聚合物纤维(1)采用圆柱形结构，所述热电阻丝(3)的部分挤压嵌入所述聚合物纤维(1)中；所述热电阻丝(3)与导电涂层(2)间设有绝缘涂层；在所述聚合物纤维(1)的外表面覆有导电涂料层(2)。
2.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉的制作步骤包括：
步骤一：将导电涂料(2)涂覆于聚合物纤维(1)的外表面；将绝缘涂料(4)涂覆于热电阻丝(3)的外表面；
步骤二：将热电阻丝(3)压紧于聚合物纤维(1)上，并与聚合物纤维(1)共同卷绕形成螺旋结构：
步骤三：对步骤二所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
3.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉的制作步骤包括：
第一步：将绝缘涂料(4)涂覆于热电阻丝(3)的外表面；
第二步：将第一步获得的涂有绝缘涂料(4)的热电阻丝(3)与聚合物纤维(1)共同卷绕形成螺旋结构：
第三步：将导电涂料(2)涂覆于形成螺旋结构的聚合物纤维(1)的外表面；
第四步：对螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
4.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉的制作步骤包括：
步骤1：将绝缘涂料(4)涂覆于热电阻丝(3)的外表面；
步骤2：将第一步获得的涂有绝缘涂料(4)的热电阻丝(3)与聚合物纤维(1)共同卷绕形成螺旋结构：
步骤3：对螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉；
步骤4：将导电涂料(2)涂覆于形成螺旋结构的聚合物纤维(1)的外表面。
5.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉的制作步骤包括：
第a1步：将热电阻丝(3)与聚合物纤维(1)共同卷绕形成螺旋结构；
第a2步：对第a1步所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
第a3步：在第a2步所述螺旋结构上涂覆绝缘涂料(4)；
第a4步：在涂覆有绝缘涂料(4)的螺旋结构涂覆导电涂料(2)。
6.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉的制作步骤包括：
Step1：将热电阻丝(3)与聚合物纤维(1)共同卷绕形成螺旋结构；
Step2：在step1所述螺旋结构上涂覆绝缘涂料(4)；
Step3：对step2所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
Step4：在涂覆有绝缘涂料(4)的螺旋结构涂覆导电涂料(2)。
7.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述人工肌肉的制作步骤包括：
第1步：将热电阻丝(3)与聚合物纤维(1)共同卷绕形成螺旋结构；
第2步：在第1步所述螺旋结构上涂覆绝缘涂料(4)；
第3步：在涂覆有绝缘涂料(4)的螺旋结构涂覆导电涂料(2)；
第4步：对第3步所述螺旋结构进行热定型处理，加热到聚合物纤维的玻璃化转变温度以上保持一段时间后冷却后，获得所述人工肌肉。
8.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉，其特征在于，所述聚合物纤维(1)内部形成扭转结构，将具有扭转结构的所述聚合物纤维(1)卷绕成螺旋结构，卷绕成螺旋结构后的所述聚合物纤维(1)长度可随温度发生变化。
9.根据权利要求1所述的一种有自传感功能的人工肌肉及，其特征在于，所述聚合物纤维(1)与热电阻丝(3)共同卷绕成的螺旋结构经热定型处理，在静止状态下不自发解螺旋。
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