CN113119088B - 一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉 - Google Patents
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Abstract
一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，包括：由柔性绝缘材料包裹的至少两个柔性导电电极，所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极交互堆叠浸没于流体电介质中并被柔性密封外层包裹且柔性导电电极的两端从柔性密封外层引出同外部电源相连；所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极立体交互堆叠后的两端与柔性密封外层相接，所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极在外加电场的作用下，击穿流体电介质并相互接近，同时挤出所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极之间的流体电介质。这一过程即实现所述的柔性密封外层在特定方向上收缩和膨胀的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工肌肉，具体的说，涉及一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉。
背景技术
现有的人工肌肉，典型的有离子聚合金属复合物、气动人工肌肉等类型。近年来，在本领域出现了一种电力液压人工肌肉的技术，比如HASEL人工肌肉。
而这类电力液压人工肌肉，由于其构造过于简易，输出位移远不如气动人工肌肉。这一技术问题限制了相关技术的普及应用。因此，如何设计一种具有实用价值，尤其是在期望获得更大的输出位移，更大的能量转化效率等方面，实为本领域相关技术人员所关注的焦点。
发明内容
本发明的目的，是为了改进现有的电力液压人工肌肉技术，提升现有电力液压人工肌肉的输出位移和能量转化效率，并基于现有技术进一步地将电场力同流体压力结合应用，使本发明能够广泛地应用于仿生机器人及可穿戴设备比如柔性外骨骼等领域。
根据本发明的一个方面，优选的提供一种实施方式，包括：将由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a交互堆叠，所述柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a交互堆叠后的两端相接于柔性密封外层003a内部的两端并浸没于由柔性密封外层003a包裹的流体电介质05中，柔性导电电极从所述柔性密封外层引出与外部电源相接。当外部电源供电时，所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a，在外加电场的作用下，击穿流体电介质并相互接近，同时挤出所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a之间的流体电介质05，即在电场力和因电场力产生的流体压力的共同作用下，实现带动所述的柔性密封外层003a在特定方向上收缩和膨胀。
优选的，所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a交互堆叠方式为螺旋交互堆叠。
优选的，所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a交互堆叠方式还可以为翻折交互堆叠。
优选的，所述的流体电介质05为牛顿流体。
优选的，所述的流体电介质05还可以为非牛顿流体。
优选的，所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉还可以被制作成能够集合成束的肌肉纤维。
优选的，所述的柔性密封外层003a的外部，还可以附着有柔性导电层2a。
优选的，所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉可以通过控制所述由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a间的电压大小来控制伸缩。
优选的，可以通过测量所述由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a之间的电气参数来判定所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉的伸缩程度。
优选的，可以根据测量多个所述附着于柔性密封外层003a的外部的柔性导电层2a之间的电气参数来判定所述电极立体交互堆叠的电力人工肌肉的伸缩程度。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并非对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
图1是一种现有的电力液压人工肌肉原理示意图。
图2是一种现有的电力液压人工肌肉采用二维布局的电极的示意图。
图3是本发明中所述由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a的横断面结构图。
图4是本发明的实施例中所述两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a螺旋交互堆叠的结构关系原理图。
图5是本发明的实施例中所述的两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a分别附着于一柔性绝缘基材07的两面时的横断面结构图。
图6是本发明的实施例中所述的另一种用柔性绝缘材料001a将两个柔性导电电极002a和柔性绝缘基材07包裹在一起并采用单螺旋电极交互堆叠的结构关系原理图。
图7是本发明的实施例中所述两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a翻折交互堆叠的步骤原理图。
图8是本发明的实施例中所述两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a翻折交互堆叠的步骤原理图。
图9是发明的实施例中所述两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a翻折交互堆叠的步骤原理图。
图10是发明的实施例中所述两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a翻折交互堆叠的步骤原理图。
图11是发明的实施例中所述两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a翻折交互堆叠的步骤原理图。
图12是本发明实施例中所述两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a翻折交互堆叠后的立体结构示意图。
图13是本发明的一个实施例。
图14是本发明的实施例在电源接通后在特定方向上收缩和膨胀的原理图。
图15是本发明的实施例中所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉被制作成能够集合成束的肌肉纤维的原理图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
图1示出了一种现有的电力液压人工肌肉原理图。这种电力液压人工肌肉将液体电介质02封装于柔性密封外层03中，同时在柔性密封外层03的外部部分地附着柔性导电电极01。两个柔性导电电极01接入外部电源后，柔性密封外层03中的液体电介质02被两柔性导电电极01所形成的电场E击穿，其中V1＜V2≤V3。之后两个柔性导电电极01在电场力的作用下相互接近直至完全挤出其间被击穿的液体电介质02使其向柔性密封外层03的一侧流动。在这一过程中，根据帕斯卡定律，液体电介质02将由于液体压力P流动集中至柔性密封外层03的一端，进而使得柔性密封外层03整体呈收缩趋势，实现人工肌肉所需的收缩功能。应当注意的是，在这种现有的电力液压人工肌肉中，其中柔性密封外层03内的液体电解质02体积应当小于柔性密封外层03的最大容积，并且柔性密封外层03应当采用低延伸性的柔性材料，否则将不能实现所需的收缩功能。同时两个柔性导电电极01由于柔性密封外层03的阻隔，并不会导通形成回路。
图2是一种具有弹性的柔性导电电极以二维齿形排布的方式驱动电力液压人工肌肉的电极结构示意图，然而这种电极排布方式虽然能同样挤压位于电极间的液体电解质使其流动，但由于两电极的面积限制，难以高效地利用电场力驱动人工肌肉使其收缩。因此，更为高效的电极排布显然是有益的，这也是本发明主要解决的技术问题。
如图3所示是本发明实施例中所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a的横断面结构。这种包裹结构在螺旋交互堆叠及翻折交互堆叠的电极结构中均是适用的。
图4是所述由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a以螺旋交互堆叠布置的具体方式。两个所述由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a采用该布置方式时，对于其中任意一个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a而言，其表面的绝大部分面积，都能同另一由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a的绝大部分面积相对应。如图13、图14所示，所述柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a交互堆叠后的两端相接于柔性密封外层003a内部的两端并浸没于由柔性密封外层003a包裹的流体电介质05中，柔性导电电极002a从所述柔性密封外层引出与外部电源相接。当在两个所述柔性导电电极002a因接通外部电源而存在电势差V时（所述的电势差V应当根据两个由所述柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a的相对距离、相对应的表面积、流体电介质05的介电常数以及设计期望获得的收缩能力来确定，以满足能够使得两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a能够在电场力的作用下击穿流体电介质05并能够相互吸引为基本条件），所述的螺旋交互堆叠的结构能够从整体上实现带动所述柔性密封外层003a收缩的目的；同时，两个所述由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a之间被电场击穿的流体电介质05会在电场力的作用下以图14中的所示的箭头方向，向所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a的外围运动，进而使得该实施例所示的电力人工肌肉在电场力和因电场力产生流体压力的作用下实现06所示箭头方向的收缩。通过主动控制电势差V，能够较为精确的控制本发明所述电力人工肌肉的收缩程度。例如可以使用脉冲电压来为本发明所述的电力人工肌肉的收缩程度。在两脉冲电压的时间间隙，还可以测量两个由所述由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a之间的电气参数，如电压，电容等进行瞬时参数的测量，进而根据测量得到的电气参数来判断本发明所述电力人工肌肉的收缩程度。
值得注意是，本实施例中所述的流体电介质05既可以是气态也可以是液态。当所述的流体电介质05是气态的牛顿流体时，因电场力产生的流体压力对于本发明所述的电力人工肌肉的收缩所贡献的力较小。然而使用气态电介质在某些应用场合下是有意义的，如航天设备的机械臂等对于重量比较敏感的应用场合。
当所述的流体电介质05时液态时，所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a交互堆叠后的体积同所述流体电介质05的体积之和应当小于所述柔性密封外层003a的最大容积以便于其能够收缩舒张。应当强调的是，此时所采用的柔性密封外层003a也应当是低延伸性的柔性材料。
当所述的流体电介质05是液态的牛顿流体时，此时的流体电介质05的功能同现有电力液压人工肌肉技术中的液体电介质功能相同。
当所述的流体电介质05是非牛顿流体时，比如掺杂有高介电常数颗粒的流体电介质所形成的非牛顿流体，这种非牛顿流体电介质的功能不仅拥有现有电力液压人工肌肉技术中的液体电介质功能，对于一些特殊的应用场合，比如军事上使用的柔性外骨骼来说，由于非牛顿流体的物理性质，还能起到一定程度的防弹作用。
结合上述实施例的叙述，本领域的技术人员还应当想到的是，所述的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a以螺旋交互堆叠布置时，采用更多个偶数数量的由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a交替连接外部电源的两个电极同样是可行的，这里不做赘述。
基于上述电极螺旋交互堆叠的实施例，特别的，图5、图6给出了一种简化的螺旋交互堆叠结构。如图5所示的横断面结构，其中07为柔性绝缘基材，所述的两个柔性导电电极002a附着于所述柔性绝缘基材07的两面，所述的柔性导电电极002a同所述柔性绝缘基材07一同被所述柔性绝缘材料001a包裹。图6给出了基于图5所示的横断面结构的单螺旋电极交互堆叠结构示意图，即由所述柔性绝缘材料001a包裹的附着于所述柔性绝缘基材07的两面的两个柔性导电电极002a，以单螺旋的形式实现电极的螺旋交互堆叠。在这种结构中，同样的，对于其中任意一个柔性导电电极002a而言，其表面的绝大部分面积，都能同另一由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a的绝大部分面积相对应。即此时采用这种单螺旋结构同样可实现本发明的目的。
图7~图11给出了又一种基于图3所示的两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a以翻折交互堆叠的方式实现本发明目的的步骤原理图。为便于说明，图7~图11中的两个由柔性绝缘材料001a包裹的柔性导电电极002a分别以电极1E和电极2E表述。
如图7所示，此时电极2E呈90°角叠落并固定于在电极1E表面，电极1E沿着线段AB，以图中箭头所示方向翻折180°；进一步的，如图8所示，电极2E沿着线段AC，以图中箭头所示方向翻折180°；之后，如图9所示，电极1E沿着线段CD，以图中箭头所示方向翻折180°；更进一步地，如图10所示，电极2E沿着线段DB’，以图中箭头所示方向再翻折180°；如图11所示，接下来电极1E再次沿着线段AB’翻折180°。
多次重复上述过程，可得到如图12所示的电极立体堆叠结构。应当注意的是，这种翻折的次数仅与目标设计的规格有关，图中给出的翻折数量仅为示例性说明。在翻折次数达到设计目的时，电极1E和电极2E的端部应当以相互绝缘为前提固定在一起避免翻折交互堆叠结构松散失效，最终形成的电极立体堆叠结构的两端，也应当同所述的柔性密封外层003a的内部的两端相接。同时，这种翻折交互堆叠结构在伸缩的过程当中，会产生一个大致垂直于其伸缩方向的旋转矢量，如图12中双箭头所示。对于本发明而言，这种翻折交互堆叠结构在某些需要人工肌肉在伸缩的同时具有扭转功能的应用场合有着显而易见的优势。
图15给出了本发明的又一种实施例。在该实施例中，多个本发明所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉1a被束缚成束形成人工肌肉束4a。同时，在本发明所述电力人工肌肉1a的柔性密封外层003a的外部附着有柔性导电层2a。通过测量多个本发明所述人工肌肉1a在伸缩过程中，其柔性密封外层003a上附着的柔性导电层2a之间的电气参数变化，可以判定本发明所述的电力人工肌肉1a的伸缩程度。为了提升所述人工肌肉束4a的强度，显而易见的是在多个本发明所述电力人工肌肉1a的间填充介质3a是必要的。所填充的介质3a应当是柔性的或者是流体或者是可塑性的材料。
Claims (10)
1.一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：包括：由柔性绝缘材料包裹的至少两个柔性导电电极，所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极交互堆叠浸没于流体电介质中；柔性密封外层，所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极和流体电介质被柔性密封外层包裹，并且，所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极立体交互堆叠后的两端与柔性密封外层内部的两端相接；所述的柔性导电电极从柔性密封外层引出，连接外部电源的两极；当外部电源供电时，所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极，在外加电场的作用下，击穿流体电介质并相互接近，同时挤出所述的由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极之间的流体电介质，即在电场力和因电场力产生的流体压力的共同作用下，实现带动所述的柔性密封外层在特定方向上收缩和膨胀的功能。
2.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：其中所述的柔性导电电极交互堆叠方式为螺旋交互堆叠。
3.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：其中所述的柔性导电电极交互堆叠方式为翻折交互堆叠。
4.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：其中所述的流体电介质为牛顿流体。
5.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：其中所述的流体电介质为非牛顿流体。
6.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉可以被制作成能够集合成束的肌肉纤维。
7.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：所述的柔性密封外层的外部，附着有柔性导电层。
8.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：所述的电极立体交互堆叠的电力人工肌肉可以通过控制所述柔性导电电极间的电压大小来控制伸缩。
9.如权利要求1所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：可以通过测量所述由柔性绝缘材料包裹的柔性导电电极间的电气参数来判定所述电极立体交互堆叠的电力人工肌肉的伸缩程度。
10.如权利要求7所述的一种电极立体交互堆叠的电力人工肌肉，其特征在于：所述的附着于柔性密封外层的外部的柔性导电层的作用是可以根据测量多个所述附着于柔性密封外层的外部的柔性导电层之间的电气参数来判定所述电极立体交互堆叠的电力人工肌肉的伸缩程度。
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