CN115960396A - 一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法和电驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法及其电驱动控制方法，通过制备仿生人工肌肉电致动膜溶液、制备电极膜溶液、制备高扭度多壁碳纳米管纱线、制备仿生人工肌肉纤维、仿生人工肌肉集束成型得到六棱柱形的人工肌肉纤维，最后将纤维截面分为八个加电区域独立加电。本发明采用上述结构的一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法其电驱动控制方法，其六棱柱构形稳定、强度高、易于组装，生产工艺简单、响应迅速、结构稳固、运动自由度高。

Description

一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法和电驱动控制方法

技术领域

本发明涉及仿生人工肌肉技术领域，尤其是涉及一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法和电驱动控制方法。

背景技术

随着柔性机器人开发的深入与电致动聚合物材料以及智能材料的诞生，作为柔性机器人和智能驱动关键的人工肌肉已经成为仿生领域的研究重点。现有柔性机器人的肌肉部分大多数为刚性器件，在柔顺性、功率密度、能量利用效率和结构功能一体化等方面与生物肌肉相比还有很大差距。然而电致动聚合物材料是近年来研究的热点材料，它能够在电激励下产生可逆的弯曲偏转和输出力。相比于传统聚合物材料，电致动聚合物有形变大、驱动电压低、质量轻、柔韧性好等优点，使其在仿生人工肌肉、生物医学、水下机器人、仿生机器人等诸多工程领域呈现出巨大的潜能。

然而，仿生人工肌肉作为驱动部件也存在着应形变量小、输出力弱和形变方向单一等缺点，且实现功能的增加也会使其控制策略愈加复杂，这些问题使得仿生人工肌肉无法广泛应用于目前的智能驱动材料领域。因此，开发一种构型稳定、响应输出力大、形变自由度高的仿生人工肌肉结构以及相对简单的电驱动控制策略，对于推动仿生人工肌肉器件的广泛应用具有重要价值与意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法其电驱动控制方法，其六棱柱构形稳定、强度高、易于组装，生产工艺简单、响应迅速、结构稳固、运动自由度高，

为实现上述目的，本发明提供了一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法，步骤如下；

S1、制备仿生人工肌肉电致动膜溶液：将海藻酸钠溶于蒸馏水中，制成浓度为30mg/ml的海藻酸钠溶液，水浴加热并搅拌，再加入十二烷基硫酸钠加入溶液中，使用磁力搅拌器搅拌均匀后将保水剂丙三醇滴入溶液并继续恒温搅拌致混合均匀，得到电致动膜溶液；

S2、制备电极膜溶液；将海藻酸钠溶于蒸馏水中制备海藻酸钠溶液，水浴恒温搅拌至完全溶解，再将多壁碳纳米管水分散液滴入溶液中，继续搅拌直至充分混合，得到电极膜溶液；

S3、制备高扭度多壁碳纳米管纱线：将多壁碳纳米管片材以12000转/米的速度进行扭转，然后用PVA基H₂SO₄固体凝胶电解质对阳极纱线与阴极纱线进行浸润，干燥后对阳极纱线和阴极纱线使用S-Z型捻度进行加捻缠绕，形成高扭度多壁碳纳米管纱线，即电致动伸缩纱线；

S4、制备仿生人工肌肉纤维：将聚乙烯醇作为原材料，使用3D打印机打印仿生人工肌肉纤维骨架，将打印完成的聚乙烯醇骨架置入六棱柱型模具中，聚乙烯醇骨架与六棱柱型模具之间形成六个外围缝隙，在外围缝隙处填充S2制得的电极膜溶液，获得电极层；充分干燥后，使用蒸馏水溶解聚乙烯醇骨架，再使用滴管将S1制得的电致动膜溶液注入模具内层空隙处形成电致动层，并将两根S3制得的电致动伸缩纱线置入电致动层中央，最后放入真空干燥箱内对人工肌肉纤维进行干燥；

S5、仿生人工肌肉集束成型：将PVA基H₂SO₄固体凝胶电解质均匀涂覆在S4制得的仿生人工肌肉纤维表面形成凝胶电解质层，并将其放入真空干燥箱中干燥，最后将7条人工肌肉纤维为一单位组装成束，在每一束的外围包裹绝缘外壳，得到仿生人工肌肉集束。

优选的，S1和S2中使用的海藻酸钠纯度为90％，S1使用的十二烷基硫酸钠纯度≥90％，丙三醇纯度≥99％。

一种仿生人工肌肉集束结构的电驱动控制方法，将每个人工肌肉纤维一端的电极层区域和两根电致动伸缩纱线的一端作为8个加电区域，按1-8编号，其中电极层区域按顺时针方向为1-6区域，电极层区域接通电源正极或负极，两个电致动伸缩纱线为分别7区域和8区域，电致动伸缩纱线的阳极纱线接通电源阳极，阴极纱线同时接通电源阴极，人工肌肉纤维有以下6种运动情形：

沿x轴方向移动：当人工肌肉纤维向x轴正方向移动时，5、6区域连接电源正极，2、3区域连接电源负极；当向x轴负方向移动时，2、3区域连接电源正极，5、6区域连接电源负极；

沿y轴方向移动：当人工肌肉纤维向y轴正方向移动时，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极；当向y轴负方向移动时，1区域连接电源正极，4区域连接电源负极；

沿z轴方向移动：当人工肌肉纤维沿z轴方向移动时，将纱线所在的7、8区域连接电源正负极，实现仿生人工肌肉纤维的收缩与拉伸；

绕x轴方向转动：当人工肌肉纤维绕x轴沿顺时针转动时，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；绕x轴沿逆时针转动时，1区域连接电源正极，4区域连接电源负极，7、8区域连接电源正负极；

绕y轴方向转动：当人工肌肉纤维绕y轴沿顺时针转动时，5、6区域连接电源负极，2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；绕y轴沿逆时针转动时，5、6区域连接电源正极，2、3区域连接电源负极，7、8区域连接电源正负极；

绕z轴方向转动：当人工肌肉纤维绕z轴沿顺时针转动时，以人工肌肉纤维转动一圈为周期将转动过程分为以下八个阶段：

第一阶段，2、3区域连接电源负极，5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第二阶段，2、3、4区域连接电源负极，1、5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第三阶段，4区域连接电源负极，1区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第四阶段，4、5、6区域连接电源负极，1、2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第五阶段，5、6区域连接电源负极，2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第六阶段，1、5、6区域连接电源负极，2、3、4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第七阶段，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第八阶段，1、2、3区域连接电源负极，4、5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极。

因此，本发明采用上述步骤一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法及其电驱动控制方法，具有以下有有益效果：

第一，加入了高扭度多壁碳纳米管纱线，使得仿生人工肌肉纤维实现伸缩致动。传统仿生人工肌肉器件在外加电压的条件下只能实现单一方向的偏转，而高扭度多壁碳纳米管纱线本身使用较小电压(5V)就可实现较小迟滞的输出力，将这种纱线与仿生人工肌肉相结合形成的新型仿生人工肌肉纤维同时具备二者的优点，即响应迅速、启动电压小、偏转角度广、机械强度高。这些性能的提升使得这种仿生人工肌肉纤维有望应用于精密零件加工、医疗器械制造及仿生智能机器人等多个领域。

第二，六边形人工肌肉纤维结构及集束设计。即仿生人工肌肉纤维形状为六棱柱型，这种设计使得仿生人工肌肉纤维可从六个方向施加电压使其能够偏转的角度提高。加之内部高扭度多壁碳纳米管纱线的伸缩功能，使仿生人工肌肉纤维实现了六自由度运动。六边形构型还具有稳定、强度高的特点，使人工肌肉纤维相较于传统人工肌肉的性能更加优越。又因六边形能够无缝平铺，使仿生人工肌肉纤维能够集束应用，类似于人体肌肉束结构。相比于单个纤维输出力较小，仿生人工肌肉集束具有较为可观的输出力性能和稳定性，更易适应不同的应用场景。

第三，分自由度的加电驱动控制方法，即每个自由度都有独立的加电控制方法。这使得任何对仿生人工肌肉束的复杂指令都能够分解为单一自由度的运动，从而通过计算机编程来实现，使仿生人工肌肉束的集成化应用成为可能，拓展了仿生人工肌肉的应用场景，对今后人工肌肉的未来发展提供了新的思路。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1仿生人工肌肉纤维的结构示意图。

图2为本发明实施例1仿生人工肌肉纤维的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例1仿生人工肌肉集束结构的结构示意图。

图4是本发明一种仿生人工肌肉集束结构的电驱动控制方法实施例2的加电区域划分图。

图5是本发明实施例2的x轴方向移动电驱动控制方法示意图；(a)表示向x轴正方向移动；(b)表示向x轴负方向移动。

图6是本发明实施例2的y轴方向移动电驱动控制方法示意图；(a)表示向y轴正方向移动；(b)表示向y轴负方向移动。

图7是本发明实施例2的z轴方向移动电驱动控制方法示意图。

图8是本发明实施例2的x轴方向转动电驱动控制方法示意图；(a)表示绕x轴沿顺时针方向转动；(b)表示绕x轴沿逆时针方向转动。

图9是本发明实施例2的y轴方向转动电驱动控制方法示意图；(a)表示绕y轴沿顺时针方向转动；(b)表示绕y轴沿逆时针方向转动。

图10是本发明实施例2的绕z轴顺时针方向转动电驱动控制方法示意图；(a)-(h)分别表示第一阶段～第八阶段。

附图标记

1、凝胶电解质层；2、电极层；3、电致动层；4、电致动伸缩纱线；5、绝缘外壳。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法，步骤如下；

S1、制备仿生人工肌肉电致动膜溶液：称取3g纯度为90％的海藻酸钠溶于100ml蒸馏水中，制成浓度为30mg/ml的海藻酸钠溶液，水浴55℃加热搅拌25min，再将0.6g十二烷基硫酸钠加入溶液中使用磁力搅拌器搅拌均匀，作为电致动层3的基底液。十二烷基硫酸钠纯度≥90％。设置磁力搅拌器的温度为55℃，转速为900r/min。然后用胶头滴管向海藻酸钠溶液中逐渐滴入6ml保水剂丙三醇，使制备的人工肌肉驱动层柔软且力学性能良好，丙三醇纯度≥99％。如此得到电致动膜溶液。

S2、制备电极膜溶液；用天平称取0.5g纯度为90％的海藻酸钠溶解于75ml蒸馏水中，设置恒温55℃置入磁力搅拌器平台中搅拌25min。随后使用胶头滴管吸取25ml的碳纳米管水分散溶液，逐渐滴加进海藻酸钠溶解液中，再置入磁力搅拌器搅拌20min至充分混合。如此得到电极膜溶液。

S3、制备高扭度多壁碳纳米管纱线：从多壁碳纳米管材料中抽取2cm宽的碳纳米管丝，设置拉伸机参数为12000转/米，将多壁碳纳米管丝加捻为纤维。再将PVA基H₂SO₄固体凝胶电解质均匀涂覆再多壁碳纳米管纤维上，调节真空干燥机温度为50℃，将涂覆后的纤维放入干燥机中恒温干燥30min。待完全干燥后将纤维放入拉伸机中以S-Z的捻度加捻，再使用恒温干燥机进行干燥10min得到高扭度多壁碳纳米管纱线，即为电致动伸缩纱线4。

S4、制备仿生人工肌肉纤维：利用SolidWorks建模软件对仿生人工肌肉纤维骨架进行建模，并输出为STL文件；3D打印机通过读取文件中的横截面信息，将这些横截面逐层打印出来，使用材料为水溶性材料聚乙烯醇，得到聚乙烯醇骨架。聚乙烯醇骨架的形状为六棱柱形，六棱柱的每个拐角处具有分隔。

将打印完成的聚乙烯醇骨架置入六棱柱型模具中，聚乙烯醇骨架的分隔与六棱柱型模具之间形成六个外围缝隙。在外围缝隙处填充S2制得的电极膜溶液，放入热干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃、干燥时间为48h，获得电极层2。取出干燥好的模具，将蒸馏水缓慢滴加入模具中使聚乙烯醇骨架溶解，溶解过程操作方便且无生物毒性。待溶解完成后使用胶头滴管将电致动膜溶液滴入溶解后的空隙中，并在电致动层3中央加入两根电致动伸缩纱线4，使其保持竖直向上的方向。再将仿生人工肌肉纤维放入热干燥箱中进行干燥处理，干燥温度60℃、干燥时间48h。制得的仿生人工肌肉纤维如图1和图2所示。

S5、仿生人工肌肉集束成型：将干燥完成后的仿生人工肌肉纤维取出并进行脱模处理，再将PVA基H₂SO₄固体凝胶电解质均匀涂覆在S4制得的仿生人工肌肉纤维表面，放入恒温干燥箱内进行干燥，形成凝胶电解质层1。待干燥完毕后使用7条仿生人工肌肉纤维组装成一单位仿生人工肌肉集束，在每一束的外围包裹绝缘外壳5，如图3所示。再将导线分别与仿生人工肌肉纤维上的8个区域进行连接，保存后进行测试分析。

实施例2

一种仿生人工肌肉集束结构的电驱动控制方法，如图4所示，将每个人工肌肉纤维一端的电极层2区域和两根电致动伸缩纱线4的一端作为8个加电区域，按1-8编号，其中电极层2区域按顺时针方向为1-6区域，电极层2区域接通电源正极或负极，两个电致动伸缩纱线4为分别7区域和8区域，电致动伸缩纱线4的阳极纱线接通电源阳极，阴极纱线同时接通电源阴极，人工肌肉纤维有以下6种运动情形：

沿x轴方向移动：如图5(a)所示，当人工肌肉纤维向x轴正方向移动时，5、6区域连接电源正极，2、3区域连接电源负极；如图5(b)所示，当向x轴负方向移动时，2、3区域连接电源正极，5、6区域连接电源负极。

沿y轴方向移动：如图6(a)所示，当人工肌肉纤维向y轴正方向移动时，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极；如图6(b)所示，当向y轴负方向移动时，1区域连接电源正极，4区域连接电源负极。

沿z轴方向移动：如图7所示，当人工肌肉纤维沿z轴方向移动时，将纱线所在的7、8区域连接电源正负极，实现仿生人工肌肉纤维的收缩与拉伸。

绕x轴方向转动：如图8(a)所示，当人工肌肉纤维绕x轴沿顺时针转动时，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；如图8(b)所示，绕x轴沿逆时针转动时，1区域连接电源正极，4区域连接电源负极，7、8区域连接电源正负极。

绕y轴方向转动：如图9(a)所示，当人工肌肉纤维绕y轴沿顺时针转动时，5、6区域连接电源负极，2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；如图9(b)所示，绕y轴沿逆时针转动时，5、6区域连接电源正极，2、3区域连接电源负极，7、8区域连接电源正负极。

绕z轴方向转动：当人工肌肉纤维绕z轴沿顺时针转动时，以人工肌肉纤维转动一圈为周期将转动过程分为以下八个阶段：

第一阶段，如图10(a)所示，2、3区域连接电源负极，5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第二阶段，如图10(b)所示，2、3、4区域连接电源负极，1、5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第三阶段，如图10(c)所示，4区域连接电源负极，1区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第四阶段，如图10(d)所示，4、5、6区域连接电源负极，1、2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第五阶段，如图10(e)所示，5、6区域连接电源负极，2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第六阶段，如图10(f)所示，1、5、6区域连接电源负极，2、3、4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第七阶段，如图10(g)所示，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第八阶段，如图10(h)所示，1、2、3区域连接电源负极，4、5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法，其特征在于：步骤如下；

S1、制备仿生人工肌肉电致动膜溶液：将海藻酸钠溶于蒸馏水中，制成浓度为30mg/ml的海藻酸钠溶液，水浴加热并搅拌，再加入十二烷基硫酸钠加入溶液中，使用磁力搅拌器搅拌均匀后将保水剂丙三醇滴入溶液并继续恒温搅拌致混合均匀，得到电致动膜溶液；

S2、制备电极膜溶液；将海藻酸钠溶于蒸馏水中制备海藻酸钠溶液，水浴恒温搅拌至完全溶解，再将多壁碳纳米管水分散液滴入溶液中，继续搅拌直至充分混合，得到电极膜溶液；

S3、制备高扭度多壁碳纳米管纱线：将多壁碳纳米管片材以12000转/米的速度进行扭转，然后用PVA基H₂SO₄固体凝胶电解质对阳极纱线与阴极纱线进行浸润，干燥后对阳极纱线和阴极纱线使用S-Z型捻度进行加捻缠绕，形成高扭度多壁碳纳米管纱线，即电致动伸缩纱线；

S4、制备仿生人工肌肉纤维：将聚乙烯醇作为原材料，使用3D打印机打印仿生人工肌肉纤维骨架，将打印完成的聚乙烯醇骨架置入六棱柱型模具中，聚乙烯醇骨架与六棱柱型模具之间形成六个外围缝隙，在外围缝隙处填充S2制得的电极膜溶液，获得电极层；充分干燥后，使用蒸馏水溶解聚乙烯醇骨架，再使用滴管将S1制得的电致动膜溶液注入模具内层空隙处形成电致动层，并将两根S3制得的电致动伸缩纱线置入电致动层中央，最后放入真空干燥箱内对人工肌肉纤维进行干燥；

S5、仿生人工肌肉集束成型：将PVA基H₂SO₄固体凝胶电解质均匀涂覆在S4制得的仿生人工肌肉纤维表面形成凝胶电解质层，并将其放入真空干燥箱中干燥，最后将7条人工肌肉纤维为一单位组装成束，在每一束的外围包裹绝缘外壳，得到仿生人工肌肉集束。

2.根据权利要求1所述的一种仿生人工肌肉集束结构的制备方法，其特征在于：S1和S2中使用的海藻酸钠纯度为90％，S1使用的十二烷基硫酸钠纯度≥90％，丙三醇纯度≥99％。

3.如权利要求1-2所述的一种仿生人工肌肉集束结构的电驱动控制方法，其特征在于：将每个人工肌肉纤维一端的电极层区域和两根电致动伸缩纱线的一端作为8个加电区域，按1-8编号，其中电极层区域按顺时针方向为1-6区域，电极层区域接通电源正极或负极，两个电致动伸缩纱线为分别7区域和8区域，电致动伸缩纱线的阳极纱线接通电源阳极，阴极纱线同时接通电源阴极，人工肌肉纤维有以下6种运动情形：

沿x轴方向移动：当人工肌肉纤维向x轴正方向移动时，5、6区域连接电源正极，2、3区域连接电源负极；当向x轴负方向移动时，2、3区域连接电源正极，5、6区域连接电源负极；

沿y轴方向移动：当人工肌肉纤维向y轴正方向移动时，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极；当向y轴负方向移动时，1区域连接电源正极，4区域连接电源负极；

沿z轴方向移动：当人工肌肉纤维沿z轴方向移动时，将纱线所在的7、8区域连接电源正负极，实现仿生人工肌肉纤维的收缩与拉伸；

绕x轴方向转动：当人工肌肉纤维绕x轴沿顺时针转动时，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；绕x轴沿逆时针转动时，1区域连接电源正极，4区域连接电源负极，7、8区域连接电源正负极；

绕y轴方向转动：当人工肌肉纤维绕y轴沿顺时针转动时，5、6区域连接电源负极，2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；绕y轴沿逆时针转动时，5、6区域连接电源正极，2、3区域连接电源负极，7、8区域连接电源正负极；

绕z轴方向转动：当人工肌肉纤维绕z轴沿顺时针转动时，以人工肌肉纤维转动一圈为周期将转动过程分为以下八个阶段：

第一阶段，2、3区域连接电源负极，5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第二阶段，2、3、4区域连接电源负极，1、5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第三阶段，4区域连接电源负极，1区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第四阶段，4、5、6区域连接电源负极，1、2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第五阶段，5、6区域连接电源负极，2、3区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第六阶段，1、5、6区域连接电源负极，2、3、4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第七阶段，1区域连接电源负极，4区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极；

第八阶段，1、2、3区域连接电源负极，4、5、6区域连接电源正极，7、8区域连接电源正负极。

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