CN114833810A - 包括交替偏置的人工肌肉层的人工肌肉堆叠 - Google Patents

包括交替偏置的人工肌肉层的人工肌肉堆叠 Download PDF

Info

Publication number
CN114833810A
CN114833810A CN202210113173.9A CN202210113173A CN114833810A CN 114833810 A CN114833810 A CN 114833810A CN 202210113173 A CN202210113173 A CN 202210113173A CN 114833810 A CN114833810 A CN 114833810A
Authority
CN
China
Prior art keywords
artificial muscle
electrode
artificial
tab
stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210113173.9A
Other languages
English (en)
Inventor
M·P·罗威
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc filed Critical Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Publication of CN114833810A publication Critical patent/CN114833810A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1075—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with muscles or tendons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/14—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid
    • B25J9/142—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid comprising inflatable bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/062—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the activation arrangement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/063—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction
    • F03G7/06324—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction increasing or decreasing in volume
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type
    • F15B15/103—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type using inflatable bodies that contract when fluid pressure is applied, e.g. pneumatic artificial muscles or McKibben-type actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00—Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/06—Use of special fluids, e.g. liquid metal; Special adaptations of fluid-pressure systems, or control of elements therefor, to the use of such fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/02—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member
    • F15B11/028—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the actuating force
    • F15B11/036—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the actuating force by means of servomotors having a plurality of working chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/16—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor with two or more servomotors
    • F15B11/18—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor with two or more servomotors used in combination for obtaining stepwise operation of a single controlled member
    • F15B11/183—Linear stepwise operation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/60—Circuit components or control therefor
    • F15B2211/63—Electronic controllers
    • F15B2211/6303—Electronic controllers using input signals
    • F15B2211/6346—Electronic controllers using input signals representing a state of input means, e.g. joystick position
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/70—Output members, e.g. hydraulic motors or cylinders or control therefor
    • F15B2211/76—Control of force or torque of the output member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/885—Control specific to the type of fluid, e.g. specific to magnetorheological fluid

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Electrotherapy Devices (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Actuator (AREA)

Abstract

一种人工肌肉堆叠，包括多个人工肌肉层。每个人工肌肉层包括一个或多个人工肌肉，该人工肌肉包括具有电极区域和可扩张流体区域的壳体、容纳在壳体内的介电流体、以及位于电极区域中的具有第一和第二电极的电极对。第一电极和第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分。两个或更多个桥接部分互连相邻的接片部分。第一和第二电极中的至少一个包括位于接片部分之间并环绕可扩张流体区域的中心开口。多个人工肌肉层被布置成使得每个人工肌肉层的人工肌肉的可扩张流体区域与相邻人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分重叠。

Description

包括交替偏置的人工肌肉层的人工肌肉堆叠
技术领域
本说明书总体上涉及人工肌肉的堆叠和布置。
背景技术
当前的机器人技术通常在结构化环境中依赖于刚性部件来执行任务，例如伺服马达。这种刚性在许多机器人应用中存在限制，至少部分是由伺服马达和其他刚性机器人装置的重量功率比引起的。软体机器人领域通过使用人工肌肉和其他软体致动器来改善这些限制。人工肌肉试图模仿生物肌肉的通用性、性能和可靠性。一些人工肌肉依赖于流体致动器，但流体致动器需要加压气体或液体的供应，并且流体运输必须通过通道和管道系统进行，从而限制了人工肌肉的速度和效率。其他人工肌肉使用热激活聚合物纤维，但这些纤维难以控制且效率低下。
一个具体的人工肌肉设计描述在E.Acome、S.K.Mitchell、T.G.Morrissey、M.B.Emmett、C.Benjamin、M.King、M.Radakovitz和C.Keplinger发表的标题为“具有类似肌肉性能的液压放大自愈静电致动器”的论文(Science，2018年1月5日：第359卷第6371期第61-65页)中。这种液压放大自愈静电(HASEL)致动器使用静电和液压力来实现各种驱动模式。然而，HASEL致动器人工肌肉的每单位体积致动器功率有限。此外，HASEL致动器人工肌肉和其他已知的人工肌肉难以在小的占用空间内组合，同时增加了这些人工肌肉组合的可实现的共同力。
因此，需要具有增加的每单位体积致动器功率的改进的人工肌肉以及这些改进的人工肌肉的小占用空间布置。
发明内容
在一个实施例中，一种人工肌肉堆叠包括多个人工肌肉层。每个人工肌肉层包括一个或多个人工肌肉，并且该一个或多个人工肌肉包括具有电极区域和可扩张流体区域的壳体、容纳在壳体内的介电流体、以及具有位于壳体的电极区域中的第一电极和第二电极的电极对。第一电极和第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分。两个或更多个桥接部分中的每个将相邻的接片部分互连。第一电极和第二电极中的至少一个包括位于两个或更多个接片部分之间并环绕可扩张流体区域的中心开口。另外，多个人工肌肉层被布置成使得每个人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的可扩张流体区域与相邻人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分重叠。
在另一个实施例中，一种人工肌肉堆叠包括三个或更多个人工肌肉层。每个人工肌肉层包括一个或多个人工肌肉。所述一个或多个人工肌肉包括具有电极区域和可扩张流体区域的壳体、容纳在壳体内的介电流体、以及具有位于壳体的电极区域中的第一电极和第二电极的电极对。第一电极和第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分。两个或更多个桥接部分中的每个将相邻的接片部分互连。第一电极和第二电极中的至少一个包括位于两个或更多个接片部分之间并环绕可扩张流体区域的中心开口。此外，每个内部人工肌肉层相对于第一相邻人工肌肉层沿第一接片轴线偏置并且相对于第二相邻人工肌肉层沿第二接片轴线偏置，其中每个接片轴线从可扩张流体区域的中心轴线延伸到内部人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分的端部。
在又一个实施例中，一种用于致动人工肌肉堆叠的方法包括使用电联接至多个人工肌肉层的每个人工肌肉的电极对的电源产生电压。每个人工肌肉包括具有电极区域和可扩张流体区域的壳体，介电流体容纳在壳体内，电极对包括第一电极和第二电极并且位于壳体的电极区域中。第一电极和第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分，两个或更多个桥接部分中的每个互连相邻的接片部分，第一电极和第二电极中的至少一个包括位于两个或更多个接片部分之间并环绕可扩张流体区域的中心开口。多个人工肌肉层被布置成使得每个人工肌肉层的每个人工肌肉的可扩张流体区域与相邻人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分重叠。该方法还包括将电压施加给所述多个人工肌肉层中的至少一个的至少一个人工肌肉的电极对，从而将该至少一个人工肌肉的电极对从非致动状态致动到致动状态，使得介电流体被引导到壳体的可扩张流体区域中并使可扩张流体区域扩张。
鉴于以下详细描述并结合附图，将更充分地理解由本文描述的实施例提供的这些及另外的特征。
附图说明
附图中阐述的实施例在本质上是说明性和示例性的，并不旨在限制由权利要求限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解这些说明性实施例的以下详细描述，其中类似的结构用类似的附图标记表示，其中：
图1示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的说明性人工肌肉的分解图；
图2示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图1的人工肌肉的俯视图；
图3A示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于非致动状态的图1和图2的人工肌肉沿图2中的线3-3截取的横截面图；
图3B示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图1的人工肌肉沿图2中的线3-3截取的横截面图；
图4A示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于非致动状态的另一说明性人工肌肉的横截面图；
图4B示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于致动状态的图4A的人工肌肉的横截面图；
图5A示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的示例性人工肌肉堆叠的俯视图，该示例性人工肌肉堆叠包括定位成同轴对准的多个人工肌肉层；
图5B示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于未致动状态的图5A的人工肌肉堆叠沿线5B-5B的侧视图；
图5C示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于致动状态的图5A的人工肌肉堆叠沿线5B-5B的侧视图；
图6A示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的示例性人工肌肉堆叠的俯视图，该示例性人工肌肉堆叠包括以交替偏置布置定位的多个人工肌肉层；
图6B示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于未致动状态的图6A的人工肌肉堆叠沿线6B-6B的侧视图；
图6C示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于致动状态的图6A的人工肌肉堆叠沿线6B-6B的侧视图；
图6D示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于未致动状态的图6A的人工肌肉堆叠沿线6D-6D的侧视图；
图6E示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的处于未致动状态的图6A的人工肌肉堆叠沿线6D-6D的侧视图；
图7示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的示例性人工肌肉堆叠的俯视图，该示例性人工肌肉堆叠包括多个人工肌肉层，这些人工肌肉层以交替偏置布置的方式定位并增加了周边人工肌肉；和
图8示意性地描绘了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的用于操作图5A-7的人工肌肉堆叠的人工肌肉的致动系统。
具体实施方式
本文描述的实施例涉及一种人工肌肉堆叠，其包括多个人工肌肉层，每个人工肌肉层具有至少一个人工肌肉，这些人工肌肉被布置成最大程度地将各个独立人工肌肉聚集在一起。本文所述的每个独立人工肌肉可致动以选择性地升高和降低人工肌肉的一区域，以提供选择性的、按需充胀的可扩张流体区域。特别地，所述一个或多个人工肌肉均包括电极对，该电极对可以通过施加电压而被拉到一起，从而将介电流体推入可扩张流体区域中，使可扩张流体区域扩张，并且按需升高人工肌肉的一部分。第一电极和第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分，所述桥接部分互连相邻的接片部分，并且第一电极和第二电极中的至少一个包括位于接片部分之间并环绕可扩张流体区域的中心开口。电极对的接片部分和桥接部分设计有利于拉链式致动运动以增加通过致动人工肌肉可实现的每单位体积力。
对于某些应用，各个独立人工肌肉不会产生足够的致动力来执行某些期望的功能。在这些应用中，将人工肌肉堆叠布置成分层阵列以增加可获得的致动力可能是有用的。然而，增加每个层中人工肌肉的数量会增加人工肌肉堆叠的占用空间。在某些应用中，将人工肌肉堆叠的占用空间最小化、同时保留增加的致动力的益处可能是有用的。本文所述的实施例涉及一种人工肌肉堆叠，其包括以交替偏置布置堆叠的多个人工肌肉层，使得每个人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的每个可扩张流体区域与相邻人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分重叠。这种交替偏置布置增加了可以在特定占用空间中布置的人工肌肉的数量，从而有利于增加人工肌肉堆叠的可实现致动力，同时保持小的占用空间。本文更详细地描述了人工肌肉堆叠的各个实施例。只要有可能，在所有附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
现在参照图1和2，示意性地描绘了可以设置在人工肌肉堆叠201、301、301'(图5A-7)中的示例人工肌肉100。人工肌肉100包括壳体110、电极对104、第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112，所述电极对包括第一电极106和第二电极108，第一电极和第二电极被固定至壳体110的相对表面，第一电绝缘体层被固定至第一电极106，第二电绝缘体层被固定至第二电极108。在一些实施例中，壳体110是一件式单片层，包括：一对相对的内表面，例如第一内表面114和第二内表面116；以及一对相对的外表面，例如第一外表面118和第二外表面120。在一些实施例中，壳体110的第一内表面114和第二内表面116是可热封的。在其他实施例中，壳体110可以是一对独立制造的膜层，例如第一膜层122和第二膜层124。因此，第一膜层122包括第一内表面114和第一外表面118，第二膜层124包括第二内表面116和第二外表面120。
尽管本文描述的实施例主要引述包括第一膜层122和第二膜层124的壳体110，而不是一件式壳体，但是应理解的是，任何一种布置都可以考虑。在一些实施例中，第一膜层122和第二膜层124基本上包括相同的结构和组成。例如，在一些实施例中，第一膜层122和第二膜层124均包括双轴取向聚丙烯。
第一电极106和第二电极108均位于第一膜层122和第二膜层124之间。在一些实施例中，第一电极106和第二电极108均是涂覆铝的聚酯，例如
Figure BDA0003495485740000061
另外，第一电极106和第二电极108中的一个是带负电的电极，而第一电极106和第二电极108中的另一个是带正电的电极。出于本文讨论的目的，任一电极106、108都可以带正电，只要人工肌肉100的另一个电极106、108带负电。
第一电极106具有面向膜的表面126和相对的内表面128。第一电极106抵靠第一膜层122定位，特别地，抵靠第一膜层122的第一内表面114。另外，第一电极106包括第一端子130，所述第一端子从第一电极106延伸经过第一膜层122的边缘，使得第一端子130可以连接至电源以致动第一电极106。特别地，端子被直接或串联地联接至致动系统400的电源和控制器，如图7所示。类似地，第二电极108具有面向膜的表面148和相对的内表面150。第二电极108抵靠第二膜层124定位，特别地，抵靠第二膜层124的第二内表面116。第二电极108包括第二端子152，所述第二端子从第二电极108延伸经过第二膜层124的边缘，使得第二端子152可以连接至致动系统400的电源和控制器以致动第二电极108。
第一电极106包括两个或更多个接片部分132和两个或更多个桥接部分140。每个桥接部分140位于相邻的接片部分132之间，从而互连这些相邻的接片部分132。每个接片部分132具有第一端部134，所述第一端部从第一电极106的中心轴线C径向延伸到接片部分132的相对的第二端部136，其中第二端部136限定了第一电极106的外周边138的一部分。每个桥接部分140具有第一端部142，所述第一端部从第一电极106的中心轴线C径向延伸到桥接部分140的相对的第二端部144，所述第二端部限定了第一电极106的外周边138的另一部分。每个接片部分132具有接片长度L1，每个桥接部分140具有从第一电极106的中心轴线C沿径向方向延伸的桥接长度L2。接片长度L1是从接片部分132的第一端部134到第二端部136的距离，桥接长度L2是从桥接部分140的第一端部142到第二端部144的距离。每个接片部分132的接片长度L1大于每个桥接部分140的桥接长度L2。在一些实施例中，桥接长度L2为接片长度L1的20％到50％，例如为接片长度L1的30％到40％。
在一些实施例中，所述两个或更多个接片部分132布置在一对或多对接片部分132中。每对接片部分132包括布置成彼此在直径上对置的两个接片部分132。在一些实施例中，第一电极106可以仅包括位于第一电极106的相对两侧或两端部上的两个接片部分132。在一些实施例中，如图1和2所示，第一电极106包括四个接片部分132和互连相邻的接片部分132的四个桥接部分140。在该实施例中，四个接片部分132被布置为彼此在直径上对置的两对接片部分132。此外，如图所示，第一端子130从接片部分132之一的第二端部136延伸并与之一体形成。
与第一电极106一样，第二电极108包括至少一对接片部分154和两个或更多个桥接部分162。每个桥接部分162位于相邻的接片部分154之间，互连这些相邻的接片部分154。每个接片部分154具有第一端部156，所述第一端部从第二电极108的中心轴线C径向延伸到接片部分154的相对的第二端部158，其中第二端部158限定了第二电极108的外周边160的一部分。由于第一电极106与第二电极108彼此同轴，第一电极106与第二电极108的中心轴线C是相同的。每个桥接部分162具有第一端部164，所述第一端部从第二电极的中心轴线C径向延伸到桥接部分162的相对的第二端部166，所述第二端部限定了第二电极108的外周边160的另一部分。每个接片部分154具有接片长度L3，每个桥接部分162具有从第二电极108的中心轴线C沿径向方向延伸的桥接长度L4。接片长度L3是从接片部分154的第一端部156到第二端部158的距离，桥接长度L4是从桥接部分162的第一端部164到第二端部166的距离。接片长度L3大于每个桥接部分162的桥接长度L4。在一些实施例中，桥接长度L4为接片长度L3的20％到50％，例如为接片长度L3的30％到40％。
在一些实施例中，两个或更多个接片部分154被布置为一对或多对接片部分154。每对接片部分154包括布置成彼此在直径上对置的两个接片部分154。在一些实施例中，第二电极108可以仅包括位于第一电极106的相对两侧或两端部上的两个接片部分154。如图1和2所示，第二电极108包括四个接片部分154和互连相邻的接片部分154的四个桥接部分162。在该实施例中，四个接片部分154被布置为彼此在直径上对置的两对接片部分154。此外，如图所示，第二端子152从接片部分154之一的第二端部158延伸并与之一体形成。
现在参照图1-4B，第一电极106和第二电极108中的至少一个具有形成在其中的中心开口，所述中心开口位于接片部分132的第一端部134和桥接部分140的第一端部142之间。在图3A和3B中，第一电极106具有中心开口146。然而，应当理解，当中心开口设置在第二电极108内时，第一电极106不需要包括中心开口146，如图4A和4B所示。可替代地，当中心开口146设置在第一电极106内时，第二电极108不需要包括中心开口。仍然参照图1-4B，第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112具有分别大体对应于第一电极106和第二电极108的几何形状。因此，第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112均具有与第一电极106和第二电极108上的类似部分对应的接片部分170、172和桥接部分174、176。此外，第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112均具有外周边178、180，当第一电绝缘体层和第二电绝缘体层定位在第一电极和第二电极上时，外周边178、180分别对应于第一电极106的外周边138和第二电极108的外周边160。
应当理解，在一些实施例中，第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112基本上包括相同的结构和组分。因此，在一些实施例中，第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112均分别包括粘合表面182、184和相对的非密封表面186、188。因此，在一些实施例中，第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112均是分别粘附到第一电极106的内表面128和第二电极108的内表面150的聚合物带。
现在参照图2-4B，人工肌肉100以其组装形式示出，其中第一电极106的第一端子130和第二电极108的第二端子152延伸经过壳体110(即第一膜层122和第二膜层124)的外周边。如图2所示，第二电极108堆叠在第一电极106的顶部上，因此未示出第一电极106、第一膜层122和第二膜层124。在其组装形式中，第一电极106、第二电极108、第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112夹在第一膜层122和第二膜层124之间。第一膜层122在围绕第一电极106的外周边138和第二电极108的外周边160的区域处被部分地密封到第二膜层124。在一些实施例中，第一膜层122被热封到第二膜层124。特别地，在一些实施例中，第一膜层122被密封到第二膜层124，以限定围绕第一电极106和第二电极108的密封部分190。第一膜层122和第二膜层124可以以任何合适的方式密封，例如使用粘合剂、热封等等。
第一电极106、第二电极108、第一电绝缘体层111和第二电绝缘体层112提供了屏障，所述屏障防止第一膜层122密封到第二膜层124，从而形成未密封部分192。壳体110的未密封部分192包括电极区域194和可扩张流体区域196，在所述电极区域中设置有电极对104，所述可扩张流体区域被电极区域194围绕。第一电极106和第二电极108的中心开口146、168形成可扩张流体区域196并且被布置成彼此轴向堆叠。尽管未示出，但是壳体110可以被切割以符合电极对104的几何形状以及减小人工肌肉100的尺寸(即，密封部分190的尺寸)。
介电流体198设置在未密封部分192内并且在第一电极106和第二电极108之间自由流动。本文所用的“介电”流体是在不导电的情况下传递电动力的介质或材料，因此其具有低的电导率。介电流体的一些非限制性示例包括全氟烷烃、变压器油和去离子水。应当理解，可以使用针或其他合适的注射装置将介电流体198注射到人工肌肉100的未密封部分192中。
现在参照图3A和3B，人工肌肉100可在非致动状态和致动状态之间致动。在非致动状态，如图3A所示，第一电极106和第二电极108在其中心开口146、168和接片部分132、154的第一端部134、156附近彼此部分地间隔开。由于壳体110在第一电极106的外周边138和第二电极108的外周边160处被密封，接片部分132、154的第二端部136、158相对于彼此保持在适当位置。在致动状态，如图3B所示，第一电极106和第二电极108相互接触并且彼此平行地取向，以迫使介电流体198进入可扩张流体区域196。这导致介电流体198流动通过第一电极106和第二电极108的中心开口146、168并且使可扩张流体区域196充胀。
现在参照图3A，人工肌肉100示出为处于非致动状态。电极对104设置在壳体110的未密封部分192的电极区域194内。第一电极106的中心开口146和第二电极108的中心开口168在可扩张流体区域196内同轴对准。在非致动状态，第一电极106和第二电极108彼此部分地间隔开并且彼此不平行。由于第一膜层122围绕电极对104被密封到第二膜层124，接片部分132、154的第二端部136、158彼此接触。因此，介电流体198被提供在第一电极106和第二电极108之间，从而将接片部分132、154的靠近可扩张流体区域196的第一端部134、156分开。换句话说，第一电极106的接片部分132的第一端部134和第二电极108的接片部分154的第一端部156之间的距离大于第一电极106的接片部分132的第二端部136和第二电极108的接片部分154的第二端部158之间的距离。这导致电极对104在被致动时朝向可扩张流体区域196拉链运动。在一些实施例中，第一电极106和第二电极108可以是柔性的。因此，如图3A所示，第一电极106和第二电极108是凸形的，使得它们的接片部分132、154的第二端部136、158可以保持彼此靠近，但在靠近中心开口146、168处彼此间隔开。在非致动状态，可扩张流体区域196具有第一高度H1。
在致动时，如图3B所示，第一电极106和第二电极108从其接片部分132、154的第二端部144、158朝向彼此拉链运动，从而将介电流体198推入可扩张流体区域196中。如图所示，当处于致动状态时，第一电极106与第二电极108彼此平行。在致动状态，介电流体198流入可扩张流体区域196中，以使可扩张流体区域196充胀。因此，第一膜层122和第二膜层124沿相反方向扩张。在致动状态，可扩张流体区域196具有第二高度H2，该第二高度H2大于在处于非致动状态时可扩张流体区域196的第一高度H1。尽管未示出，但是应注意，电极对104可以被部分地致动到所述非致动状态和所述致动状态之间的一位置。这将允许可扩张流体区域196的部分充胀以及在需要时允许调整。
为了使第一电极106和第二电极108朝向彼此运动，由电源(例如，图7的电源48)施加电压。在一些实施例中，可以从电源提供高达10kV的电压，以通过介电流体198感应电场。由此产生的第一电极106和第二电极108之间的吸引力将介电流体198推入可扩张流体区域196中。来自可扩张流体区域196内的介电流体198的压力导致第一膜层122和第一电绝缘体层111沿着第一电极106的中心轴线C在第一轴向方向上变形并且导致第二膜层124和第二电绝缘体层112沿着第二电极108的中心轴线C在相反的第二轴向方向上变形。一旦中断提供给第一电极106和第二电极108的电压，第一电极106和第二电极108就在非致动状态下返回到它们的初始、非平行位置。在操作中，可以将电压施加给图5A-7的人工肌肉堆叠201、301、301'的一个或多个人工肌肉100，以共同地和/或选择性地致动人工肌肉堆叠201、301、301'的这些人工肌肉100。
应当理解，本文公开的人工肌肉100的这些实施例，特别是，接片部分132、154和互连的桥接部分174、176一起提供了对不包括接片部分132、154的致动器的许多改进，这种致动器例如为E.Acome、S.K.Mitchell、T.G.Morrissey、M.B.Emmett、C.Benjamin、M.King、M.Radakovitz和C.Keplinger发表的标题为“具有类似肌肉性能的液压放大自愈静电致动器”的论文(Science，2018年1月5日：第359卷第6371期第61-65页)中描述的液压放大自愈静电(HASEL)致动器。与包括具有均匀的径向延伸宽度的圆环状电极的已知HASEL致动器相比，分别在第一电极106和第二电极108中的每个上包括两对接片部分132、154的人工肌肉100的实施例减小了人工肌肉100的总质量和总厚度，降低了致动期间所需的电压大小，并且减少了人工肌肉101的总体积，但不减少致动后产生的力的大小。更特别地，与包括圆环状电极的HASEL致动器相比，人工肌肉100的接片部分132、154提供了拉链运动前部，该拉链运动前部通过提供人工肌肉100的局部且均匀的液压致动而引起增加的致动功率。特别地，与圆环状HASEL致动器相比，一对接片部分132、154提供了两倍的每单位体积致动器功率量，而两对接片部分132、154提供了四倍的每单位体积致动器功率量。互连所述接片部分132、154的桥接部分174、176还通过在致动期间保持相邻接片部分132、154之间的距离来限制接片部分132、154的屈曲。因为桥接部分174、176与接片部分132、154一体形成，所以桥接部分174、176还通过消除会增加破裂风险的附接部位来防止接片部分132、154之间的泄漏。
在操作中，当人工肌肉100被致动时，可扩张流体区域196的扩张产生每立方厘米(cm3)致动器体积3牛-毫米(N.mm)或更大的力，例如每立方厘米4N.mm或更大，每立方厘米5N.mm或更大，每立方厘米6N.mm或更大，每立方厘米7N.mm或更大，8N.mm或更大等等。在一个示例中，当人工肌肉100由9.5千伏(kV)的电压致动时，人工肌肉100提供5N的合力。在另一个示例中，当人工肌肉100由10kV的电压致动时，人工肌肉100在500克负荷下提供440％的应变。
此外，第一电极106和第二电极108的尺寸与介电流体198的位移量成比例。因此，当可扩张流体区域196内需要更大位移时，相对于可扩张流体区域196的尺寸增加电极对104的尺寸。应当理解，可扩张流体区域196的尺寸由第一电极106和第二电极108中的中心开口146、168限定。因此，可替代地或另外地，可扩张流体区域196内的位移程度可以通过增加或减小中心开口146、168的尺寸来控制。
如图4A和4B所示，示出了人工肌肉100'的另一个实施例。人工肌肉100'基本上类似于人工肌肉100。因此，相似的结构用相似的附图标记表示。然而，如图所示，第一电极106不包括中心开口。因此，只有第二电极108包括形成在其中的中心开口168。如图8所示，人工肌肉100'处于非致动状态，其中第一电极106是平面的，而第二电极108相对于第一电极106是凸形的。在非致动状态，可扩张流体区域196具有第一高度H3。在致动状态，如图4B所示，可扩张流体区域196具有第二高度H4，该第二高度大于第一高度H3。应当理解，通过仅在第二电极108中设置中心开口168而不是在第一电极106和第二电极108两者中都设置中心开口，总变形可以形成在人工肌肉100'的一侧上。另外，当介电流体的所有其他尺寸、方向和体积相同时，与人工肌肉100的可扩张流体区域196的第二高度H2相比，由于仅在人工肌肉100'的一侧上形成总变形，人工肌肉100'的可扩张流体区域196的第二高度H4从垂直于人工肌肉100'的中心轴线C的纵向轴线延伸得更远。
现在参照图5A-7，描绘了人工肌肉堆叠201、301、301'。在图5A-7中，每个人工肌肉堆叠201、301、301'包括多个人工肌肉层210、310，并且所述多个人工肌肉层210、310中的每个人工肌肉层包括一个或多个人工肌肉100。在一些实施例中，所述多个人工肌肉层可替代地或附加地包括图4A和4B的人工肌肉100'。在操作中，人工肌肉堆叠201、301、301'比单个人工肌肉100产生更大的致动力。图5A-7描绘了可用于产生增加的致动力的几种不同的堆叠布置。
图5A-5C的人工肌肉堆叠201包括以同轴对准设置的多个人工肌肉层210，使得独立人工肌肉层210的每个独立人工肌肉100的可扩张流体区域196与其他独立人工肌肉层210中的每个独立人工肌肉层的独立人工肌肉100同轴对准。如图5B和5C的侧视图所示，人工肌肉堆叠201包括三个人工肌肉层210A-210C。应该理解，可以构想任何数量的人工肌肉层210。图5B描绘了处于未致动状态的人工肌肉堆叠201，图5C描绘了处于致动状态的人工肌肉堆叠201。在人工肌肉堆叠201的每个层中，各个独立人工肌肉100不重叠。因此，虽然图5A-5B的人工肌肉堆叠201可以产生共同致动力，但是每个人工肌肉层210的各个独立人工肌肉100的同轴对准形成了大的占用空间。为了减少人工肌肉布置的占用空间，可以实施图6A-6E中描绘的人工肌肉堆叠301。
图6A-6E的人工肌肉堆叠301包括以交替偏置布置的方式布置的多个人工肌肉层310。人工肌肉堆叠301包括四个人工肌肉层310，即第一人工肌肉层310A、第二人工肌肉层310B、第三人工肌肉层310C和第四人工肌肉层310D。图6A是人工肌肉堆叠301的俯视图，图6B-6E是人工肌肉堆叠301的侧视图。图6B和6C示出了人工肌肉堆叠301沿线6B-6B在未致动状态(图6B)和致动状态(图6C)的侧视图。图6D和6E示出了人工肌肉堆叠301沿线6D-6D在未致动状态(图6D)和致动状态(图6E)的侧视图。线6B-6B与线6D-6D正交，因此图6B和6C示出的人工肌肉堆叠301的一侧与图6D和6E不同，图6B和6C所示的一侧正交于图6D和6E所示的一侧。
每个人工肌肉层310包括一个或多个人工肌肉100，例如，多个人工肌肉100。例如，在图6A中，第一人工肌肉100A是人工肌肉堆叠301的人工肌肉100的说明。应当理解，可以设想其中人工肌肉堆叠301的人工肌肉层310中的一些人工肌肉层包括单个人工肌肉100的实施例。在图6A-6E描绘的人工肌肉堆叠301的交替偏置布置中，多个人工肌肉层310被布置成使得每个人工肌肉层310的一个或多个人工肌肉100的壳体110的每个可扩张流体区域196与相邻人工肌肉层310的一个或多个人工肌肉100的至少一个接片部分132、154重叠。换句话说，每个人工肌肉层310的一个或多个人工肌肉100的壳体110的每个可扩张流体区域196与相邻人工肌肉层310的一个或多个人工肌肉100的壳体110的电极区域194重叠。在一些实施例中，一个人工肌肉100的独立接片部分132、154可以与相邻人工肌肉层310中的人工肌肉100的可扩张流体区域196重叠，使得该独立接片部分132、154的第二端部136、158在相邻人工肌肉层310中的人工肌肉100的可扩张流体区域196的中心轴线C处或附近终止。因此，可扩张流体区域196中的一些可扩张流体区域可以在可扩张流体区域196的一侧或两侧与两个接片部分132、154重叠，每个接片部分来自不同的人工肌肉100。电极对104的第二电极108的接片部分154在图6A中示出，但应当理解，电极对104还包括具有接片部分132的第一电极106。
了说明图6A-6E中的人工肌肉堆叠301的交替偏置布置，使用每个人工肌肉层310的人工肌肉100的相对线条粗细来说明相应人工肌肉层310的相对空间定位。例如，在图6A中，第一人工肌肉层310A是顶层，因此第一人工肌肉层310A的人工肌肉100用多个人工肌肉层310中最粗的线条粗细来描绘。类似地，在图6A中，第四人工肌肉层310D是底层，因此第四人工肌肉层310D的人工肌肉100用多个人工肌肉层310中最细的线条粗细来描绘。
在人工肌肉堆叠301的交替偏置布置中，人工肌肉堆叠301的相邻人工肌肉层310相对于彼此沿一个或多个接片轴线(例如，第一接片轴线10或第二接片轴线12)偏置。每个接片轴线从多个人工肌肉层310的独立人工肌肉100的可扩张流体区域196的中心轴线C延伸到多个人工肌肉层310中的该独立人工肌肉100的接片部分132、154中的至少一个接片部分的一端部(即，第二端部136、158)。当图6A-6E中描绘的人工肌肉堆叠301的人工肌肉100的实施例均包括四个在直径上对置成对地布置的接片部分132、154，第一接片轴线10与第二接片轴线12正交。虽然人工肌肉堆叠310的人工肌肉100包括四个接片部分132、154(即，每个人工肌肉100的电极对104的每个电极都包括四个接片部分132、154)，但应当理解，可以构想这样的实施例，其中人工肌肉100包括多于或少于四个的接片部分132、154。这些实施例可以包括多于两个的接片轴线，例如在每个电极三个接片部分、每个电极五个接片部分或每个电极六个接片部分的实施例中，或者可以仅包括单个接片轴线，例如包括单对在直径上对置的接片部分的实施例。此外，应该理解的是，可以构想这样的实施例，其中，其他人工肌肉设计以交替偏置布置的方式布置，例如三角形或矩形人工肌肉。
仍然参考图6A-6E，包括至少三个人工肌肉层310的人工肌肉堆叠301的实施例包括至少一个内部人工肌肉层，所述内部人工肌肉层是与两个其他人工肌肉层310相邻的人工肌肉层310。在这些实施例中，每个内部人工肌肉层相对于第一相邻人工肌肉层沿第一接片轴线10偏置并且相对于第二相邻人工肌肉层沿第二接片轴线12偏置。这种多轴线偏置在图6B-6E的侧视图中由侧向偏移和相对线条粗细描绘，所述侧向偏移显示沿一个接片轴线的偏置，所述相对线条粗细显示沿另一接片轴线的偏置。在图6B和6C中，人工肌肉层310之间沿第二接片轴线12的偏置由侧向偏移显示，相邻人工肌肉层310之间沿第一接片轴线10的偏置由相对线条粗细显示。特别地，图6B和6C中较粗的线条粗细表示人工肌肉层310沿第一接片轴线10偏移到前景中(即，从页面出来)，图6B和6C中较细的线条粗细表示人工肌肉层310沿第一接片轴线10移动到背景中(即，进入页面中)。在图6D和6E中，人工肌肉层310之间沿第一接片轴线10的偏置通过侧向偏置显示，相邻人工肌肉层310之间沿第二接片轴线12的偏置由相对线条粗细显示。特别地，图6D和6E中较粗的线条粗细表示人工肌肉层310沿第二接片轴线12偏移到前景中(即，从页面出来)，图6D和6E中较粗的线条粗细表示人工肌肉层310沿第二接片轴线12偏移到背景中(即，进入页面中)。
在图6A-6E中，第二人工肌肉层310B和第三人工肌肉层310C是内部人工肌肉层。第二人工肌肉层310B相对于第一人工肌肉层310A沿第一接片轴线10偏置并且相对于第三人工肌肉层310C沿第二接片轴线12偏置。第三人工肌肉层310C相对于第二人工肌肉层310B沿第二接片轴线12偏置并且相对于第四人工肌肉层310D沿第一接片轴线10偏置。在具有增加数量的人工肌肉层310的人工肌肉堆叠301中，这种模式可以重复，从而允许人工肌肉层的紧密聚集的堆叠布置。
仍然参照图6A-6E，在人工肌肉堆叠301的交替偏置布置中，接片部分132、154和相邻人工肌肉层310中的可扩张流体区域196之间的重叠允许与5A-5C的人工肌肉堆叠201相比增加数量的人工肌肉100被设置在特定占用空间内。实际上，人工肌肉堆叠301在侧向方向(即，沿第一和第二接片轴线10、12)和深度方向二者上都最大化了可以设置在特定占用空间中的人工肌肉100的数量，从而最大化人工肌肉堆叠301的每单位体积共同致动力。当每个人工肌肉100致动时，电极对104的接片部分132、154靠近在一起(例如，变平)并且可扩张流体区域196扩张。因为接片部分132、154变平，人工肌肉100的可扩张流体区域196可以定位在相邻人工肌肉层310的接片部分的上方和/或下方。这允许更多数量的人工肌肉一起定位在压缩块(即，人工肌肉堆叠301)中并协同操作。实际上，人工肌肉堆叠301被设计成使得每个人工肌肉层310的人工肌肉100能够以累加的方式展现它们的共同力。相比之下，图5A的人工肌肉堆叠201的同轴对准限制了每个人工肌肉层210产生的累加力，这是因为每个人工肌肉层210的可扩张流体区域196重叠。
现在参照图7，描绘了人工肌肉堆叠301'。人工肌肉堆叠301'包括图6A-6E的人工肌肉堆叠301，增加了周边人工肌肉315。周边人工肌肉315包括与人工肌肉100相同的结构，但具有比人工肌肉堆叠301'的人工肌肉100更少的接片部分132、154，如第一周边人工肌肉315A所示。如图7所示，人工肌肉堆叠301'的人工肌肉100包括四个接片部分132、154，周边人工肌肉315包括两个或三个接片部分132、154。特别地，周边人工肌肉315可以包括边缘周边人工肌肉316和拐角周边人工肌肉318。边缘周边人工肌肉316沿着人工肌肉堆叠301的单侧延伸，拐角周边人工肌肉318设置在人工肌肉堆叠301的拐角处，使得拐角周边人工肌肉318的一个接片部分沿着人工肌肉堆叠301的一侧延伸并且拐角周边人工肌肉318的另一个接片部分沿着人工肌肉堆叠301的另一侧延伸。
如图6A-6E所示，人工肌肉堆叠301的多个人工肌肉层310的交替偏置布置沿着人工肌肉堆叠301的边缘形成对称的不平衡。即，由于交替偏置布置，人工肌肉层310可以在不同位置处侧向终止，从而在人工肌肉堆叠301中留下边缘间隙。如图7所示，周边人工肌肉315可用于填充这些边缘间隙，使得人工肌肉堆叠301'的每个人工肌肉层310侧向相连。在一些实施例中，每个人工肌肉层310可以包括周边人工肌肉315，例如，边缘周边人工肌肉316和拐角周边人工肌肉318的组合，以既平衡沿着人工肌肉堆叠301的边缘的对称性，又在不增加总占用空间的情况下增加额外的对人工肌肉堆叠301的驱动力。
现在参照图8，可以提供致动系统400来操作人工肌肉堆叠201、301、301'的每个独立人工肌肉100。致动系统400可以包括控制器50、操作装置46、电源48、显示装置42、网络接口硬件44、和通信联接这些部件的通信路径41。
控制器50包括处理器52和非暂态电子存储器54，各个部件通信地联接至所述处理器和非暂态电子存储器。在一些实施例中，处理器52和非暂态电子存储器54和/或其他部件被包含在单个装置内。在其他实施例中，处理器52和非暂态电子存储器54和/或其他部件可以分布在通信联接的多个装置之间。控制器50包括存储一组机器可读指令的非暂态电子存储器54。处理器52执行存储在非暂态电子存储器54中的机器可读指令。非暂态电子存储器54可以包括RAM、ROM、闪存、硬盘驱动器或能够存储机器可读指令的任何装置，使得机器可读指令可以由处理器52访问。因此，本文描述的致动系统400可以以任何传统的计算机编程语言来实现、可以实现为预先编程的硬件元件、或者可以实现为硬件和软件部件的组合。非暂态电子存储器54可以实现为一个存储器模块或多个存储器模块。
在一些实施例中，非暂态电子存储器54包括用于执行致动系统400的功能的指令。这些指令可以包括用于操作人工肌肉堆叠201、301、301'的指令，例如，用于独立地或共同地致动一个或多个人工肌肉100的指令，以及用于独立地或共同地致动人工肌肉层210、310的指令。
处理器52可以是能够执行机器可读指令的任何装置。例如，处理器52可以是集成电路、微芯片、计算机或任何其他计算装置。非暂态电子存储器54和处理器52联接至通信路径41，该通信路径提供致动系统400的各个部件和/或模块之间的信号互连。因此，通信路径41可以将任意数量的处理器彼此通信联接以及允许联接至通信路径41的模块在分布式计算环境中运行。特别地，所述模块中的每个可以作为可以发送和/或接收数据的节点来运行。如本文所使用的术语“通信联接”是指被联接的部件能够彼此交换数据信号，例如，经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等等。
如图8中示意性描绘的，通信路径41将控制器50的处理器52和非暂态电子存储器54与致动系统400的多个其他部件通信地联接。例如，图8中描绘的致动系统400包括处理器52和非暂态电子存储器54，所述处理器和所述非暂态电子存储器二者与操作装置46和电源48通信联接。
操作装置46允许用户控制人工肌肉堆叠201、301、301'的人工肌肉100的操作。在一些实施例中，操作装置46可以是开关、拨动开关、按钮或控制器的任何组合以提供用户操作。操作装置46联接至通信路径41，使得通信路径41将操作装置46通信地联接至致动系统400的其他模块。操作装置46可以提供用户界面，所述用户界面用于接收关于人工肌肉堆叠201、301、301'的特定操作配置的用户指令。
电源48(例如，电池)向人工肌肉堆叠201、301、301'的一个或多个人工肌肉100提供电力。在一些实施例中，电源48是可充电直流电源。应当理解，电源48可以是用于向人工肌肉堆叠201、301、301'的一个或多个人工肌肉100提供电力的单个电源或电池。可以提供电源适配器(未示出)，并且电源适配器通过线束或类似物电联接，以通过电源48向人工肌肉堆叠201、301、301'的一个或多个人工肌肉100提供电力。
在一些实施例中，致动系统400还包括显示装置42。显示装置42联接至通信路径41，使得通信路径41将显示装置42通信地联接至致动系统400的其他模块。显示装置42可以是触摸屏，除了提供光学信息之外，所述触摸屏还检测触觉输入在显示装置42的表面上或显示装置附近的表面上的存在和位置。因此，显示装置42可以包括操作装置46并且接收直接在由显示装置42提供的光学输出上的机械输入。
在一些实施例中，致动系统400包括网络接口硬件44，所述网络接口硬件用于通过网络60将致动系统400通信地联接至便携式装置70。便携式装置70可以包括但不限于智能手机、平板电脑、个人媒体播放器、或任何其他包含无线通信功能的电子装置。应当理解，当提供时，便携式装置70可以用于向控制器50提供用户命令，而不是操作装置46。因此，用户可以能够控制或设置用于利用操作装置46的控制器来控制人工肌肉堆叠201、301、301'的人工肌肉100的程序。因此，人工肌肉堆叠201、301、301'的人工肌肉100可以经由便携式装置70远程控制，所述便携式装置经由网络60无线地与控制器50通信。
现在应该理解，本文描述的实施例涉及人工肌肉堆叠，其包括以交替偏置布置堆叠的多个人工肌肉层，使得每个人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的每个可扩张流体区域与相邻人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分重叠。这种交替偏置布置增加了可以布置在特定占用空间中的人工肌肉的数量，以形成具有小占用空间的人工肌肉堆叠，所述具有小占用空间的人工肌肉堆叠能够实现人工肌肉堆叠的大的每单位体积致动力。
注意，术语“基本上”和“约”在本文中可用于表示可归因于任何定量比较、值、测量结果或其他表示的固有不确定程度。这些术语在本文中也用于表示定量表示可能从规定的参考改变的程度，不会导致所讨论主题的基本功能发生变化。
尽管本文已经说明和描述了特定实施例，但是应当理解，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以进行各种其他改变和修改。此外，尽管本文已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但是这些方面不需要结合使用。因此，所附权利要求旨在涵盖落入所要求保护的主题的范围内的所有这些改变和修改。

Claims (20)

1.一种人工肌肉堆叠，包括：
多个人工肌肉层，其中每个人工肌肉层包括一个或多个人工肌肉，所述一个或多个人工肌肉包括：
壳体，所述壳体包括电极区域和可扩张流体区域；
容纳在所述壳体内的介电流体；和
电极对，所述电极对包括位于所述壳体的电极区域中的第一电极和第二电极，其中：
第一电极和第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分；
所述两个或更多个桥接部分中的每个桥接部分将相邻的接片部分互连；并且
所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括位于所述两个或更多个接片部分之间并环绕所述可扩张流体区域的中心开口；以及
其中，所述多个人工肌肉层被布置成使得每个人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的可扩张流体区域与相邻人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分重叠。
2.根据权利要求1所述的人工肌肉堆叠，其中，相邻的人工肌肉层沿一个或多个接片轴线彼此偏置，每个接片轴线从所述多个人工肌肉的独立人工肌肉的可扩张流体区域的中心轴线延伸到所述多个人工肌肉层的该独立人工肌肉的两个或更多个接片部分中的至少一个的端部。
3.根据权利要求2所述的人工肌肉堆叠，其中，所述多个人工肌肉层包括至少三个人工肌肉层，并且位于内部的每个人工肌肉层相对于第一相邻人工肌肉层沿第一接片轴线偏置并且相对于第二相邻人工肌肉层沿第二接片轴线偏置。
4.根据权利要求3所述的人工肌肉堆叠，其中，所述第一接片轴线与所述第二接片轴线正交。
5.根据权利要求1所述的人工肌肉堆叠，其中：
所述多个人工肌肉层中的至少一个人工肌肉层进一步包括一个或多个周边人工肌肉；以及
所述一个或多个周边人工肌肉包括比所述多个人工肌肉层中的所述至少一个人工肌肉层的其他人工肌肉更少的接片部分。
6.根据权利要求1所述的人工肌肉堆叠，其中，所述多个人工肌肉层中的每个包括多个人工肌肉。
7.根据权利要求1所述的人工肌肉堆叠，其中，所述第一电极和所述第二电极均包括两对接片部分和两对桥接部分，每个桥接部分将相邻的一对相邻接片部分互连，每个接片部分与一相对的接片部分在直径上相对。
8.根据权利要求1所述的人工肌肉堆叠，其中，所述第一电极被固定至所述壳体的第一表面，所述第二电极被固定至所述壳体的第二表面。
9.根据权利要求1所述的人工肌肉堆叠，其中，所述电极对能够在非致动状态和致动状态之间致动，使得从所述非致动状态到所述致动状态的致动将介电流体引导到所述可扩张流体区域中，从而使所述可扩张流体区域扩张。
10.根据权利要求9所述的人工肌肉堆叠，其中：
当所述电极对处于所述非致动状态时，所述第一电极与所述第二电极不彼此平行；以及
当所述电极对处于所述致动状态时，所述第一电极和所述第二电极彼此平行，使得所述第一电极和所述第二电极被配置成在从所述非致动状态致动到所述致动状态时朝向彼此并朝向所述中心开口拉链运动。
11.根据权利要求1所述的人工肌肉堆叠，其中，所述人工肌肉堆叠还包括第一电绝缘体层和第二电绝缘体层，所述第一电绝缘体层被固定至所述第一电极的与所述壳体的第一表面相对的内表面，所述第二电绝缘体层被固定至所述第二电极的与所述壳体的第二表面相对的内表面，其中所述第一电绝缘体层和所述第二电绝缘体层均包括粘合表面和相对的不可密封表面。
12.一种人工肌肉堆叠，包括：
三个或更多个人工肌肉层，其中每个人工肌肉层包括一个或多个人工肌肉，所述一个或多个人工肌肉包括：
壳体，所述壳体包括电极区域和可扩张流体区域；
容纳在所述壳体内的介电流体；和
电极对，所述电极对包括位于所述壳体的电极区域中的第一电极和第二电极，其中：
所述第一电极和所述第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分；
所述两个或更多个桥接部分中的每个将相邻的接片部分互连；并且
所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括位于所述两个或更多个接片部分之间并环绕所述可扩张流体区域的中心开口；以及
其中：
位于内部的每个人工肌肉层相对于第一相邻人工肌肉层沿第一接片轴线偏置并且相对于第二相邻人工肌肉层沿第二接片轴线偏置；并且
每个接片轴线从所述可扩张流体区域的中心轴线延伸到所述位于内部的每个人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的两个或更多个接片部分中的至少一个的端部。
13.根据权利要求12所述的人工肌肉堆叠，其中，所述第一接片轴线与所述第二接片轴线正交。
14.根据权利要求12所述的人工肌肉堆叠，其中，所述电极对能够在非致动状态和致动状态之间致动，使得从所述非致动状态到所述致动状态的致动将介电流体引导到所述可扩张流体区域中，从而使所述可扩张流体区域扩张。
15.根据权利要求12所述的人工肌肉堆叠，其中，所述第一电极被固定至所述壳体的第一表面，所述第二电极被固定至所述壳体的第二表面。
16.根据权利要求12所述的人工肌肉堆叠，其中，所述三个或更多个人工肌肉层中的每个包括多个人工肌肉。
17.一种用于致动人工肌肉堆叠的方法，所述方法包括：
使用电源产生电压，所述电源电联接至多个人工肌肉层的每个人工肌肉的电极对，其中：
每个人工肌肉包括壳体，所述壳体具有电极区域和可扩张流体区域；
介电流体容纳在壳体内；并且
所述电极对包括第一电极和第二电极并且位于所述壳体的所述电极区域中，其中：
所述第一电极和所述第二电极均包括两个或更多个接片部分和两个或更多个桥接部分；
所述两个或更多个桥接部分中的每个将相邻的接片部分互连；并且
所述第一电极和所述第二电极中的至少一个包括位于所述两个或更多个接片部分之间并环绕所述可扩张流体区域的中心开口，其中所述多个人工肌肉层被布置成使得每个人工肌肉层的每个人工肌肉的可扩张流体区域与相邻人工肌肉层的一个或多个人工肌肉的至少一个接片部分重叠；以及
将所述电压施加给所述多个人工肌肉层中的至少一个人工肌肉层的至少一个人工肌肉的电极对，从而将所述至少一个人工肌肉的电极对从非致动状态致动到致动状态，使得介电流体被引导到所述壳体的所述可扩张流体区域中并使所述可扩张流体区域扩张。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，相邻的人工肌肉层沿一个或多个接片轴线彼此偏置，每个接片轴线从所述多个人工肌肉层的独立人工肌肉的可扩张流体区域的中心轴线延伸到所述多个人工肌肉层的所述独立人工肌肉的两个或更多个接片部分中的至少一个的端部。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个人工肌肉层包括至少三个人工肌肉层，位于内部的每个人工肌肉层相对于第一相邻人工肌肉层沿第一接片轴线偏置并且相对于第二相邻人工肌肉层沿第二接片轴线偏置。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法还包括将电压施加给所述多个人工肌肉层中的每个人工肌肉层的每个人工肌肉的电极对，从而将每个人工肌肉的电极对从所述非致动状态致动到所述致动状态，使得介电流体被引导到每个人工肌肉的壳体的可扩张流体区域中，从而使每个人工肌肉的可扩张流体区域扩张。
CN202210113173.9A 2020-12-09 2022-01-30 包括交替偏置的人工肌肉层的人工肌肉堆叠 Pending CN114833810A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063122982P 2020-12-09 2020-12-09
US17/165,468 2021-02-02
US17/165,468 US11413746B2 (en) 2020-12-09 2021-02-02 Artificial muscle stacks comprising alternatingly offset artificial muscle layers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114833810A true CN114833810A (zh) 2022-08-02

Family

ID=81848767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210113173.9A Pending CN114833810A (zh) 2020-12-09 2022-01-30 包括交替偏置的人工肌肉层的人工肌肉堆叠

Country Status (4)

Country Link
US (2) US11413746B2 (zh)
JP (1) JP2022118705A (zh)
CN (1) CN114833810A (zh)
DE (1) DE102022101843A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11698117B2 (en) * 2020-12-09 2023-07-11 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Braking systems comprising artificial muscles
US11680559B1 (en) * 2022-04-06 2023-06-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Artificial muscles and hybrid actuation devices including artificial muscles having reinforcing threads to prevent permanent deformation

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2864526B1 (fr) 2003-12-26 2006-10-13 Commissariat Energie Atomique Dispositif d'actionnement electrostatique
FR2887537B1 (fr) 2005-06-23 2007-09-07 Commissariat Energie Atomique Actionneur electrostatique, dispositif comportant de tels actionneurs, microsysteme comportant un tel dispositif et procede de realisation d'un tel actionneur
JP2007097292A (ja) 2005-09-28 2007-04-12 Sony Computer Entertainment Inc 静電アクチュエータ
JP2015514932A (ja) 2012-01-19 2015-05-21 プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ 可撓性ロボットアクチュエータ
KR20150036697A (ko) 2012-07-18 2015-04-07 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 모듈식 연성 로봇들을 위한 장치, 시스템들, 및 방법들
GB2563896B (en) 2017-06-29 2019-07-24 Univ Bristol Electrostatic Actuator
WO2019173227A1 (en) 2018-03-04 2019-09-12 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Hydraulically amplified self-healing electrostatic transducers harnessing zipping mechanism
CN209812321U (zh) 2019-05-05 2019-12-20 魏培企 一种柔性驱动单元及一种执行器
US11986439B2 (en) * 2020-05-26 2024-05-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Appendage massaging devices comprising artificial muscles

Also Published As

Publication number Publication date
US20220176550A1 (en) 2022-06-09
US11724385B2 (en) 2023-08-15
JP2022118705A (ja) 2022-08-15
US11413746B2 (en) 2022-08-16
DE102022101843A1 (de) 2022-08-04
US20220339780A1 (en) 2022-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220243743A1 (en) Artificial muscles comprising an electrode pair and artificial muscle assemblies including same
US11724385B2 (en) Artificial muscle stacks comprising alternatingly offset artificial muscle layers
US11491646B2 (en) Layered actuation structures comprising artificial muscles
US11843329B2 (en) Artificial muscles comprising an electrode pair having fan portions and artificial muscle assemblies including same
US11967910B2 (en) Electrode pairs having saw-tooth configuration and artificial muscles including same
US11542925B1 (en) Hybrid actuation device
US11601075B2 (en) Layered actuation structures comprising artificial muscles and connecting ledges
US11927206B2 (en) Hybrid actuation devices including alignment aids
CN114872030A (zh) 包括梯度加强电极对的人工肌肉及包括人工肌肉的组件
US11689123B2 (en) Modular inflation systems and inflation segments including artificial muscles
US11421664B1 (en) Artificial muscle drive units with load-bearing supports for improved performance
US11780082B2 (en) Artificial muscles comprising a pass through opening and artificial muscle assemblies including same
US11949349B2 (en) Artificial muscle assemblies including a central artificial muscle and a plurality of initiating actuators
US20230361693A1 (en) Artificial muscles, artificial muscle assemblies, and methods of using same
US11773878B1 (en) Artificial muscle assemblies comprising a reinforced housing
US11731269B1 (en) Artificial muscles comprising an electrode pair and a clamping device for compressing the electrode pair
US20240171091A1 (en) Artificial muscles including closing aid, artificial muscle assemblies, and methods of using same
US20230179122A1 (en) Hybrid actuation devices including artificial muscle stacks
US11680559B1 (en) Artificial muscles and hybrid actuation devices including artificial muscles having reinforcing threads to prevent permanent deformation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20230629

Address after: Aichi Prefecture, Japan

Applicant after: Toyota Motor Corp.

Address before: Texas, USA

Applicant before: TOYOTA MOTOR ENGINEERING & MANUFACTURING NORTH AMERICA, Inc.

TA01 Transfer of patent application right
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination