CN112285445A - 一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于实验测试技术，具体涉及一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置和方法。本发明设计了一款力学传感器和位移控制器为一体的测试装置，选用碳纳米管纤维人工肌肉为对象，测试其在电化学、电热驱动下的刚度变化。另外，选用经济型的导电尼龙纤维人工肌肉为对象，测试其在电热驱动下的刚度变化。相比于传统的万能拉伸机，该发明装置简单，可用于测试人工肌肉的变刚度性能。
Description
技术领域
本发明属于实验测试技术，具体涉及一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置和方法。
背景技术
人工肌肉是一种能够将外界激励(如电、热、光)转化为机械能输出的柔性驱动器，其在航空航天、生物材料、储能、电容器、软体机器人以及柔性传感器等领域有着广泛的应用前景。通常表征人工肌肉的性能参数主要有驱动应变、输出功、输出功率、能量转换效率等。这些性能参数都是通过测试人工肌肉在额定负载和外界激励作用下，人工肌肉发生形变对负载做功获得的。人工肌肉还可以保持形状不变，通过改变自身的刚度来实现应用。例如，当人体倚靠在墙面时，人体肌肉通过改变自身刚度来支撑身体的站立姿势。因此，测试人工肌肉在额定长度状态下，对外界产生力的大小即人工肌肉自身刚度的改变能力对于其在柔性驱动等领域具有重要意义。然而目前针对人工肌肉的性能测试中主要还是对其收缩率的测试，尚未见到对其刚度变化的测试。
发明内容
针对现有的人工肌肉固定重物，测试伸缩量的单一性，提出一种新型的能够实现人工肌肉在定长状态下刚度变化的测试系统，以拓展既能实现定重物拉伸也能实现定长度变刚度应用的双模式人工肌肉的刚度测试方法，即提出一种人工肌肉在电热和电化学两种激励作用下其刚度变化的测试方法。本发明实施例中选用碳纳米管纤维人工肌肉为对象，测试其在电化学刺激下的刚度变化。另外，选用经济型的导电尼龙纤维人工肌肉为对象，测试其在电热驱动下的刚度变化。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案实现：
电热驱动人工肌肉刚度测试装置，如图1所示：
包括(1)加热装置：电源，其用于对人工肌肉通电流，使其在电热效应下产生额外应力；
人工肌肉两端分别通过导线与电源的正负极连接。
人工肌肉的顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具，人工肌肉的底端通过固定件固定在底座上。
电热刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，悬臂梁微力传感器通过螺栓连接固定到滑台底端，悬臂梁微力传感器用于检测在外界刺激下人工肌肉应力变化。滑台安装在丝杠上，丝杠底端固定在底座上，丝杠顶端通过联轴器与步进电机连接，丝杠用于对人工肌肉进行不同初始预拉伸并利用其自锁特性固定。
光栅尺通过螺钉固定在滑台一侧，光栅尺与人工肌肉平行，光栅尺用于设定人工肌肉初始预拉伸值。
三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置，如图2所示：
所述装置同样包括电源、丝杠、滑台、悬臂梁微力传感器、夹具连接件、光栅尺、底座和步进电机，其结构和装配、位置关系同电热驱动人工肌肉刚度测试装置，所不同的是，还包括电化学刺激人工肌肉夹具、Pt网电极、Ag/AgCl电极、支撑座和烧杯。烧杯放在底座上，烧杯中注有电解液，人工肌肉顶端固定在电化学刺激人工肌肉夹具上，电化学刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，人工肌肉底端通过支撑座与烧杯底部固定；人工肌肉、Pt网电极和Ag/AgCl电极位于电解液中，人工肌肉作为工作电极，Pt网电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，组成三电极电化学系统。
采用循环伏安扫描法，对人工肌肉施加不同扫描速率电压，使得碳纳米管纤维人工肌肉吸收溶剂化离子从而发生变形。
本发明所提供的一种新型的碳纳米管纤维人工肌肉以及导电尼龙纤维人工肌肉变刚度性能测试方法，包括电热和电化学刺激下，固定预拉伸值，测量人工肌肉刚度变化与外界刺激之间的关系。
其中导电尼龙纤维人工肌肉电热刺激的测试方法，见如下步骤，
步骤一，导电尼龙纤维人工肌肉制备，将直径为0.128mm的尼龙纤维通过电机装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构。之后在螺旋卷绕型结构的尼龙纤维反向缠绕直径为0.01mm的细铜丝，使尼龙纤维能够导电。
步骤二，导电尼龙纤维人工肌肉的固定、安装、预拉伸及力学性能测试，利用压力及位移检测装置可以实现导电尼龙纤维人工肌肉在不同预拉伸条件下，测量收缩应力的变化，具体测试步骤如下：
1.将导电尼龙纤维人工肌肉两端分别用导线连接电源正负极(如图1所示)，导电尼龙纤维人工肌肉顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具，导电尼龙纤维人工肌肉底端通过固定件与底座相连。电热刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，悬臂梁微力传感器通过螺栓连接固定到滑台上，滑台随着丝杠的转动而直线移动。
2.保持导电尼龙纤维人工肌肉处于竖直状态，通过步进电机设定导电尼龙纤维人工肌肉的预拉伸值。
3.将导电尼龙纤维人工肌肉两端接通电源，并用1V直流电压通电3分钟进行预加热。之后通过改变输入方波电压的频率和幅值，测试导电尼龙纤维人工肌肉的应力随时间的变化曲线。
步骤三，改变不同预拉伸值，重复上述步骤，绘制应力变化曲线。
碳纳米管纤维人工肌肉在电化学刺激下的应力测试方法，见如下步骤：
步骤一，碳纳米管纤维人工肌肉的制备，从碳纳米管阵列中抽取薄膜，再通过加捻装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构的碳纳米管纤维人工肌肉。
步骤二，搭建三电极电化学系统，将碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，如图2所示。
步骤三，碳纳米管纤维人工肌肉的固定、安装、预拉伸及力学性能测试，具体步骤如下：
1、更换电化学刺激人工肌肉夹具，将碳纳米管纤维人工肌肉顶端通过电化学刺激人工肌肉夹具固定，底端通过支撑座与烧杯底面固定。电化学刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器相连，再用螺栓连接将悬臂梁微力传感器固定在滑台上；由碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，组成三电极电化学系统。
2、设定预拉伸值，控制电机旋转使纤维人工肌肉顶端到指定位置。光栅尺反馈预拉伸值，检测是否与设定预拉伸相同，如果不同则调整步进电机再次进行预拉伸。
3、开始试验，使用Gamry电化学工作站采用循环伏安扫描法对上述三电极电化学系统施加锯齿波和方波电势，电解液采用0.2M TBA·PF6/DSMO有机电解液，测量该设定预拉伸值下碳纳米管纤维人工肌肉的应力变化，绘制应力变化曲线。
步骤四，改变不同预拉伸值以及不同扫描速率和频率，重复上述步骤。
本发明提出了一种新型的人工肌肉变刚度的测试方法，现有的测试方法中只对人工肌肉的收缩率变化进行测试：即在固定负载下，人工肌肉受到外界不同刺激时，长度会变短，而刚度变化需要长度保持不变，因此这就会忽略掉对人工肌肉的刚度变化的测试。本发明方法可以通过简单的装置搭建，实现在电热和电化学两种刺激下，固定人工肌肉的长度，则收缩应力在不断变化，即变刚度，从而测试人工肌肉在受到不同刺激时刚度的变化，为以后优化人工肌肉的变刚度性能提出了新的测试方法。本发明设计了一款力学传感器和位移控制器为一体的测试装置，可以在对人工肌肉施加应变的同时测试其应力，相比于传统的万能拉伸机，该发明装置简单，可用于测试人工肌肉的变刚度性能。
附图说明
图1电热刺激人工肌肉应力测试示意图；
图2电化学刺激人工肌肉应力测试示意图；
其中：步进电机-1，丝杠-2，滑台-3，悬臂梁微力传感器-4，夹具连接件-5，电热刺激人工肌肉夹具-6，人工肌肉-7，固定件-8，电源-9，光栅尺-10，底座-11，电化学刺激人工肌肉夹具-12，Ag/AgCl电极-13，Pt网电极-14，电解液-15，支撑座-16，烧杯-17。
图3为导电尼龙纤维人工肌肉在5％预拉伸，0.1Hz,2V方波电压作用下的应力随时间的变化曲线；
图4为导电尼龙纤维人工肌肉在5％预拉伸，2V方波电压作用下，不同频率下的应力变化随着时间的变化关系；
图5为导电尼龙纤维人工肌肉在10％预拉伸，2V方波电压作用下，其应力变化随着方波频率的变化关系；
图6为在不同预拉伸率下，碳纳米管纤维人工肌肉在不同拉伸率条件下的应力随着扫描速率的变化关系。
具体实施方式
为了使该发明装置以及测试方式所实现的技术手段、创作特征、达成目的以及功效更加清晰，下面结合具体实施例作进一步阐述说明。
本发明实施例提供了一种电热驱动导电尼龙纤维人工肌肉定长预拉伸的变刚度性能测试装置(如图1)以及电化学刺激碳纳米管纤维人工肌肉定长预拉伸的变刚度性能测试装置(图2)，
具体包括：电热驱动人工肌肉刚度测试装置(图1)：
包括(1)加热装置：电源9，其用于对碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉通电流，使其在电热效应下产生额外应力；
碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉两端分别通过导线与电源9的正负极连接。
碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉的顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具6，碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉的底端通过固定件8固定在底座11上。
电热刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件5与悬臂梁微力传感器4连接，悬臂梁微力传感器通过螺栓连接固定到滑台3底端，悬臂梁微力传感器4用于检测在外界刺激下，碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉应力变化。滑台3安装在丝杠2上，丝杠2底端固定在底座11上，丝杠2顶端通过联轴器与步进电机1连接，丝杠2用于对碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉进行不同初始预拉伸并利用其自锁特性固定。
光栅尺10通过螺钉固定在滑台3一侧，光栅尺10与碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉平行，光栅尺10用于设定碳纳米管纤维人工肌肉或导电尼龙纤维人工肌肉初始预拉伸值。
三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置，如图2所示：
所述装置同样包括电源9、丝杠2、滑台3、悬臂梁微力传感器4、夹具连接件5和光栅尺10，其结构和装配、位置关系同电热驱动人工肌肉刚度测试装置，所不同的是，还包括电化学刺激人工肌肉夹具12、Pt网电极14、Ag/AgCl电极13、支撑座11和烧杯17。烧杯17放在底座11上，烧杯17中注有电解液15，人工肌肉7顶端固定在电化学刺激人工肌肉夹具12上，电化学刺激人工肌肉夹具12通过夹具连接件5与悬臂梁微力传感器4连接，人工肌肉7底端通过支撑座16与烧杯17底部固定；人工肌肉7、Pt网电极14和Ag/AgCl电极13位于电解液15中，人工肌肉7作为工作电极，Pt网电极14为对电极，Ag/AgCl电极13为参比电极，组成三电极电化学系统。
优选的，采用的步进电机1的步距角为0.9°，电机旋转一周需要400个脉冲，丝杠螺距为0.2mm。
优选的，采用的碳纳米管纤维是由碳纳米管阵列纺丝而成的Z手性单股碳纳米管纤维，对其进行加捻，形成螺旋结构，测量出初始混合纤维的长度l，单位为mm，给定预拉伸百分比a，则预拉伸值Δl＝la，单位mm。折算成步进电机1的旋转圈数r＝Δl/t，t为丝杠螺距，0.2mm。通过控制步进电机1旋转一定圈数到固定位置，并根据光栅尺10返回的位移值进行对比，控制预拉伸精度。
以下通过实例1电热刺激人工肌肉和实例2电化学刺激人工肌肉产生的应力变化做进一步说明。
实例1
步骤一，导电尼龙纤维人工肌肉制备，通过加捻装置将直径0.128mm的尼龙纤维加捻至螺旋卷绕型结构，再将细铜丝缠绕在其外部。
步骤二，将制备的导电尼龙纤维人工肌肉两端用锡箔纸与电线固定并与电源9正负极两端相连。
步骤三，将导电尼龙纤维人工肌肉顶端通过电热人工肌肉夹具6固定，底端通过固定件8与底座11固定。电热刺激人工肌肉夹具6通过夹具连接件5与悬臂梁微力传感器4相连，再用螺栓连接将悬臂梁微力传感器4固定在滑台3上，通过向导电尼龙纤维施加0.1N的载荷，用光栅尺10测量该状态下长度，此时导电尼龙纤维的原长为28.15mm，预拉伸百分之5％，拉伸长度为1.28mm，则控制步进电机1旋转6.4圈。
步骤四，首先通过电源9施加方波电压，电压为2V，频率为0.05Hz，给导电尼龙纤维人工肌肉预加热3分钟，接着再施加电压为2V，频率为0.1Hz的方波，记录应力变化曲线，如图3所示。刚度的变化和方波的变化趋势是一致的，说明热驱动响应较为迅速。
步骤五，改变频率1Hz、0.5Hz、0.05Hz，电压为2V，记录应力变化曲线，如图4所示。可以看出随着频率的降低，导电尼龙纤维人工肌肉刚度变化范围变大。
步骤六，设置预拉伸10％，重复以上步骤，记录应力变化，如图5所示。当预拉伸值变大时，刚度也随之变大，但是刚度的变化范围保持一致。
实例2
步骤一，碳纳米管纤维人工肌肉的制备可如发明专利CN111235888A“一种单极性高输出功率的电化学驱动器及制备方法”中所述，首先通过化学气相沉积法制备，在圆硅片得到可纺丝的多壁碳纳米管阵列(MWNT)，抽出5层宽度为5cm、长度为20cm的碳纳米管纱线，利用加捻装置对其加捻，电机转速为100r/mim，施加的负载为10g，得到加捻密度为2000turns/m，直径为20微米的碳纳米管纤维人工肌肉。
步骤二，根据图2，更换电化学刺激人工肌肉夹具12，碳纳米管纤维人工肌肉顶端通过电化学刺激人工肌肉夹具12固定，底端通过支撑座16与烧杯17底面固定，烧杯放置在底座上面。电化学刺激人工肌肉夹具12通过夹具连接件5与悬臂梁微力传感-4相连，再用螺栓连接将悬臂梁微力传感器4固定在滑台3上。上述碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，由Pt网电极14作为对电极以及Ag/AgCl电极13作为参比电极，组成三电极电化学系统。其中电解液-15为TBA·PF6有机电解液，对电极采用100层上述5cm宽，20cm长的碳纳米管纱线的Pt网。
步骤三，将第一次5％预拉伸的长度算出为5mm，折合成步进电机1旋转的圈数25圈，控制步进电机1旋转25圈，进行预拉伸并固定。
步骤四，使用Gamry电化学工作站，采用循环伏安扫描法，对上述三电极电化学系统施加方波电势以及锯齿波电势，扫描电位范围均为-1V～1V，方波电压变化快慢用频率表示，为0.125Hz；锯齿波电压变化的快慢用扫描速率表示，为50mV/s。记录该设定预拉伸值下的应力变化，绘制应力变化曲线。
步骤五，改变不同扫描速度，重复步骤三和步骤四，获得同一预拉伸值，不同扫描速率下，碳纳米管纤维人工肌肉应力变化曲线，如图6所示。
步骤六，改变预拉伸值，获得在相同扫描速度和频率下，碳纳米管纤维人工肌肉应力变化曲线。
以上显示和描述了本发明的基本原理和测试方法的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明保护范围内。
Claims (4)
1.一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置，其特征在于，所述变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置包括电源、丝杠、滑台、悬臂梁微力传感器、夹具连接件、光栅尺、底座和步进电机；
当作为电热驱动人工肌肉刚度测试装置时，人工肌肉两端分别通过导线与电源的正负极连接；人工肌肉的顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具，人工肌肉的底端通过固定件固定在底座上；
电热刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，悬臂梁微力传感器通过螺栓连接固定到滑台底端，悬臂梁微力传感器用于检测在外界刺激下人工肌肉的应力变化；滑台安装在丝杠上，丝杠底端固定在底座上，丝杠顶端通过联轴器与步进电机连接，丝杠用于人工肌肉进行不同初始预拉伸并利用其自锁特性固定；
光栅尺通过螺钉固定在滑台一侧，光栅尺与人工肌肉平行，光栅尺用于设定人工肌肉初始预拉伸值；
当作为三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置时，滑台安装在丝杠上，丝杠底端固定在底座上，丝杠顶端通过联轴器与步进电机连接，丝杠用于对人工肌肉进行不同初始预拉伸并利用其自锁特性固定；光栅尺通过螺钉固定在滑台一侧，光栅尺与人工肌肉平行，光栅尺用于设定人工肌肉初始预拉伸值；三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置还包括电化学刺激人工肌肉夹具、Pt网电极、Ag/AgCl电极、支撑座和烧杯；烧杯放在底座上，烧杯中注有电解液，人工肌肉顶端固定在电化学刺激人工肌肉夹具上，电化学刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，人工肌肉底端通过支撑座与烧杯底部固定；人工肌肉、Pt网电极和Ag/AgCl电极位于电解液中，人工肌肉作为工作电极，Pt网电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，组成三电极电化学系统。
2.如权利要求1所述的一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置，其特征在于，采用的步进电机的步距角为0.9°，电机旋转一周需要400个脉冲，丝杠螺距为0.2mm。
3.利用如权利要求1所述的装置对导电尼龙纤维人工肌肉电热刺激的测试方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，导电尼龙纤维人工肌肉制备，将直径为0.128mm的尼龙纤维通过电机装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构，之后在螺旋卷绕型结构的尼龙纤维反向缠绕直径为0.01mm的细铜丝，使尼龙纤维能够导电；
步骤二，利用压力及位移检测装置实现导电尼龙纤维人工肌肉在不同预拉伸条件下，测量收缩应力的变化，具体测试步骤如下：
(1)将导电尼龙纤维人工肌肉两端分别用导线连接电源正负极，导电尼龙纤维人工肌肉顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具，导电尼龙纤维人工肌肉底端通过固定件与底座相连；电热刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，悬臂梁微力传感器通过螺栓连接固定到滑台上，滑台随着丝杠的转动而直线移动；
(2)保持导电尼龙纤维人工肌肉处于竖直状态，通过步进电机设定导电尼龙纤维人工肌肉的预拉伸值；
(3)将导电尼龙纤维人工肌肉两端接通电源，并用1V直流电压通电3分钟进行预加热，之后通过改变输入方波电压的频率和幅值，测试导电尼龙纤维人工肌肉的应力随时间的变化曲线；
步骤三，改变不同预拉伸值，重复步骤二中的(2)、(3)步骤，绘制应力变化曲线。
4.利用如权利要求1所述的装置对碳纳米管纤维人工肌肉在电化学刺激下的应力测试方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，碳纳米管纤维人工肌肉的制备，从碳纳米管阵列中抽取薄膜，再通过加捻装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构的碳纳米管纤维人工肌肉；
步骤二，搭建三电极电化学系统，将碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极；
步骤三，碳纳米管纤维人工肌肉的固定、安装、预拉伸及力学性能测试，具体步骤如下：
(1)将碳纳米管纤维人工肌肉顶端通过电化学刺激人工肌肉夹具固定，底端通过支撑座与烧杯底面固定，电化学刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器相连，再用螺栓连接将悬臂梁微力传感器固定在滑台上；由碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，组成三电极电化学系统；
(2)设定预拉伸值，控制电机旋转使纤维人工肌肉顶端到指定位置；光栅尺反馈预拉伸值，检测是否与设定预拉伸相同，如果不同则调整步进电机再次进行预拉伸；
(3)开始试验，使用Gamry电化学工作站采用循环伏安扫描法对上述三电极电化学系统施加锯齿波和方波电势，电解液采用0.2M TBA·PF6/DSMO有机电解液，测量该设定预拉伸值下碳纳米管纤维人工肌肉的应力变化，绘制应力变化曲线；
步骤四，改变不同预拉伸值以及不同扫描速率和频率，重复步骤三中(2)、(3)步骤。
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