CN114474029A - 一种可高频驱动的热响应人工肌肉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其包括柔性伸缩管、尼龙卷绕纤维、弹性圆柱、柔性管道、进口单向阀、出口单向阀、冷却液。通过通电加热尼龙卷绕纤维，对外做功的同时，使冷却液单向流动，快速带走热量，实现人工肌肉的高频驱动。本发明可用于集成软体机器人，具有响应快、驱动简单、成本低廉和低噪声的特点。

Description

一种可高频驱动的热响应人工肌肉
技术领域
本发明涉及智能材料驱动技术领域，具体涉及热驱动的智能材料，尤其是一种可高频驱动的热响应人工肌肉。
背景技术
近年来，机器人领域的技术和运用得到了飞速的发展。电机、液压等驱动单元是机器人的核心部件。但用这类传统机构驱动的机器人具有笨重、人体亲和性差、噪声大等缺陷。而基于智能材料的人工肌肉具有良好的环境适应性、生物亲和性等特点，受到研究人员的关注。目前已有几种材料如介电高弹聚合物、碳纳米管纤维、尼龙纤维、镍钛合金、液晶弹性体等制成的柔性执行器运用到软体机器人中。在现有的智能材料人工肌肉中，尼龙纤维具有很好的应用前景，但其主要应用瓶颈在于加热驱动后冷却速度慢，导致柔性执行器的动作频率低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种可高频驱动的热响应人工肌肉。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可高频驱动的热响应人工肌肉，包括柔性伸缩管、尼龙卷绕纤维、第一弹性圆柱、第二弹性圆柱、第一柔性管道、第二柔性管道、进口单向阀、出口单向阀和冷却液；所述柔性伸缩管的两个端面分别与第一弹性圆柱和第二弹性圆柱粘接；所述尼龙卷绕纤维两端分别穿过并固定在第一弹性圆柱和第二弹性圆柱上；所述第一柔性管道的一端与第一弹性圆柱通过硫化硅橡胶粘接，另一端套接出口单向阀上；所述第二柔性管道的一端与第二弹性圆柱通过硫化硅橡胶粘接，另一端套接在进口单向阀上。
进一步地，所述第一弹性圆柱和第二弹性圆柱为柱状，所述第一弹性圆柱包括第一通孔和第一过线通孔，所述第二弹性圆柱包括第二通孔和第二过线通孔；所述尼龙卷绕纤维两端分别穿过并固定在第一过线通孔和第二过线通孔上。
进一步地，所述的柔性伸缩管、第一弹性圆柱、第二弹性圆柱、第一柔性管道和第二柔性管道由弹性材料制成。
进一步地，所述弹性材料为硅胶、聚氨酯、PDMS、Ecoflex或RTV。
进一步地，所述尼龙卷绕纤维由PA或PA纤维夹杂电热丝揉捻卷绕制成。
进一步地，所述进口单向阀和出口单向阀由工程塑料制成。
进一步地，所述工程塑料为PP或PVDF。
进一步地，所述冷却液为高比热容的液体。
进一步地，所述高比热容的液体为水或甘油。
进一步地，所述冷却液的流动方向为从进口单向阀流进，并依次通过第二柔性管道、第二通孔、柔性伸缩管、第一通孔、第一柔性管道，最终从出口单向阀流出。
本发明的有益效果是：
(1)本发明使用尼龙纤维的热响应回复作为触发原理，驱动简单、无噪声、低冲击；具有很强的可设计性。集成的人工肌肉结构简单、成本低。
(2)通过柔性伸缩管包裹尼龙纤维，有利于保护纤维材料不受机械损伤并提供稳定的驱动环境，同时人工肌肉驱动器仍保有柔韧性与灵活性。
(3)通过柔性伸缩管、单向阀的组合，并利用尼龙纤维自身的驱动能量，实现了无需额外动力部件即可完成冷却液的循环，在冷却液的加速冷却作用下，实现了一种高频驱动的人工肌肉。
(4)本发明的人工肌肉单元可单独运行，也可进行串联或并联的组合应用，实现更大的力或位移输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述的热响应人工肌肉内部结构示意图；
图3为本发明所述的热响应人工肌肉电热驱动后的结构示意图；
图4为本发明所述的热响应人工肌肉的串联应用结构示意图；
图5为本发明所述的热响应人工肌肉的并联应用结构示意图；
图中，柔性伸缩管1、尼龙卷绕纤维2、第一弹性圆柱31、第二弹性圆柱32、第一通孔311、第一过线通孔312、第二通孔321、第二过线通孔322、第一柔性管道41、第二柔性管道42、进口单向阀5、出口单向阀6、冷却液7。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，结合附图和实施例，对本发明进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明保护范围。
具体实施例一：
如图1-3所示，一种可高频驱动的热响应人工肌肉，包括柔性伸缩管1、尼龙卷绕纤维2、第一弹性圆柱31、第二弹性圆柱32、第一柔性管道41、第二柔性管道42、进口单向阀5、出口单向阀6、冷却液7；
所述尼龙卷绕纤维2制备方法为：首先将直径0.1mm的电热丝螺旋卷绕在直径0.4mm1.0mm的PA6或PA66纤维上；然后将夹杂电热丝的纤维以右手螺旋(或左手螺旋)方向进行加捻；将充分加捻的纤维以其同手性螺旋方向卷绕在直径0.8mm的碳纤维棒上并固定好；最后将纤维置于180℃的真空环境中，保温30min，再自然冷却，此步骤目的是消除纤维卷绕过程中的残余应力，并保持其几何形状。
所述柔性伸缩管1的两个端面分别与第一弹性圆柱31和第二弹性圆柱32粘贴，通过硫化硅橡胶粘接在弹性圆柱的侧面上；所述尼龙卷绕纤维2两端分别穿过并固定在第一弹性圆柱31和第二弹性圆柱32上；所述第一柔性管道41的一端与第一弹性圆柱31通过硫化硅橡胶粘接，另一端套接在出口单向阀6上；所述第二柔性管道42的一端与第二弹性圆柱32通过硫化硅橡胶粘接，另一端套接在进口单向阀5上。
所述第一弹性圆柱31和第二弹性圆柱32为柱状，所述第一弹性圆柱31包括第一通孔311和第一过线通孔312，所述第二弹性圆柱32包括第二通孔321和第二过线通孔322；所述尼龙卷绕纤维2两端分别穿过并固定在第一过线通孔321和第二过线通孔322上。所述第一通孔311和第二通孔321用于冷却液7的流动。
以第一弹性圆柱31为例描述固定方式，将尼龙卷绕纤维2穿过第一过线通孔312，然后将尼龙卷绕纤维2自身打结，结的尺寸大于第一过线通孔312的孔径。
将所述的冷却液7注入所述的进口单向阀5，并依次通过第二柔性管道42、第二通孔321、柔性伸缩管1、第一通孔311、第一柔性管道41，最终从出口单向阀6流出，将所述的尼龙卷绕纤维2产生的热量带走，并在整个系统外部将热量散发出去。所述的冷却液7流动的动力来源于所述的尼龙卷绕纤维2伸缩引起的内部压力变化。
所述柔性伸缩管1、第一弹性圆柱31、第二弹性圆柱32、第一柔性管道41和第二柔性管道42由弹性材料制成；所述弹性材料为硅胶、聚氨酯、PDMS、Ecoflex或RTV。所述尼龙卷绕纤维2由PA6或PA66纤维夹杂电热丝揉捻卷绕制成。所述进口单向阀5和出口单向阀6由工程塑料制成；所述工程塑料为PP或PVDF。所述的冷却液7为高比热容的液体；所述高比热容的液体为水或甘油。
本发明提供的一种可高频驱动的热响应人工肌肉的工作过程如下：
图2为所述尼龙卷绕纤维2未驱动的状态，此时所述冷却液7充满了整个可高频驱动的热响应人工肌肉，所述冷却液7充满了第一柔性管道41、柔性伸缩管1和第二柔性管道42；
对可高频驱动的热响应人工肌肉进行加热驱动，所述尼龙卷绕纤维2受热收缩，在对外部负载做功的同时，将柔性伸缩管1进行压缩；此时柔性伸缩管1内部的压力增大，柔性伸缩管1内部的冷却液7通过出口单向阀6流出，并将热量带走；图3为所述尼龙卷绕纤维2加热驱动的某一时刻的状态；
加热驱动过程结束后，所述尼龙卷绕纤维2降温后恢复到原始长度，同时所述柔性伸缩管1恢复到原始长度，在这个过程中，所述柔性伸缩管1内部的压力减小，冷却液7通过进口单向阀5流入柔性伸缩管1内部。
具体实施例二：
如图4所示，将多个可高频驱动的热响应人工肌肉单元串联可增大结构的位移输出，多个人工肌肉单元可共用进口单向阀、出口单向阀和柔性伸缩管。
如图5所示，将多个可高频驱动的热响应人工肌肉单元并联可增大结构的力输出，多个人工肌肉单元可共用冷却液。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，包括柔性伸缩管(1)、尼龙卷绕纤维(2)、第一弹性圆柱(31)、第二弹性圆柱(32)、第一柔性管道(41)、第二柔性管道(42)、进口单向阀(5)、出口单向阀(6)和冷却液(7)；所述柔性伸缩管(1)的两个端面分别与第一弹性圆柱(31)和第二弹性圆柱(32)粘接；所述尼龙卷绕纤维(2)两端分别穿过并固定在第一弹性圆柱(31)和第二弹性圆柱(32)上；所述第一柔性管道(41)的一端与第一弹性圆柱(31)通过硫化硅橡胶粘接，另一端套接出口单向阀(6)上；所述第二柔性管道(42)的一端与第二弹性圆柱(32)通过硫化硅橡胶粘接，另一端套接在进口单向阀(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述第一弹性圆柱(31)和第二弹性圆柱(32)为柱状，所述第一弹性圆柱(31)包括第一通孔(311)和第一过线通孔(312)，所述第二弹性圆柱(32)包括第二通孔(321)和第二过线通孔(322)；所述尼龙卷绕纤维(2)两端分别穿过并固定在第一过线通孔(312)和第二过线通孔(322)上。
3.根据权利要求1所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述的柔性伸缩管(1)、第一弹性圆柱(31)、第二弹性圆柱(32)、第一柔性管道(41)和第二柔性管道(42)由弹性材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述弹性材料为硅胶、聚氨酯、PDMS、Ecoflex或RTV。
5.根据权利要求1所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述尼龙卷绕纤维(2)由PA6或PA66纤维夹杂电热丝揉捻卷绕制成。
6.根据权利要求1所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述进口单向阀(5)和出口单向阀(6)由工程塑料制成。
7.根据权利要求6所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述工程塑料为PP或PVDF。
8.根据权利要求1所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述冷却液(7)为高比热容的液体。
9.根据权利要求8所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述高比热容的液体为水或甘油。
10.根据权利要求2所述的一种可高频驱动的热响应人工肌肉，其特征在于，所述冷却液(7)的流动方向为从进口单向阀(5)流进，并依次通过第二柔性管道(42)、第二通孔(321)、柔性伸缩管(1)、第一通孔(311)、第一柔性管道(41)，最终从出口单向阀(6)流出。
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