CN116079699A - 一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉及其电驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域，更具体的说是一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉及其电驱动方法。一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，包括人工肌肉，所述人工肌肉包括高分子聚合物纤维和导电金属镀层，导电金属镀层设置在高分子聚合物纤维的表面，高分子聚合物超螺旋纤维束由多根高分子聚合物纤维螺旋成束组成。人工肌肉的电驱动方法包括：S1：通过对编入高分子聚合物超螺旋纤维束内的导电金属镀层通电，触发扭转高分子聚合物纤维解捻运动，进而实现人工肌肉的缩短；S2：当对高分子聚合物超螺旋纤维束内导电金属镀层停止通电时，高分子聚合物纤维回复到初始状态，人工肌肉回复到初始长度。本发明可提高人工肌肉的单位长度驱动行程和输出力，同时保持驱动精度。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，更具体的说是一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉及其电驱动方法。
背景技术
人工肌肉指在受到外部物理或化学刺激后会改变形状的材料或装置。与传统的电机驱动相比，人工肌肉具有高度的通用性、灵活性、顺应性和抗干扰能力，且其功率重量比远高于传统电机，鉴于此，人工肌肉在仿生机器人、软体机器人、可穿戴设备、医疗器械等应用中展现出巨大的潜力。
人工肌肉的主要驱动方式有压力驱动、电驱动、热驱动、化学驱动等，其中，电热驱动式人工肌肉具有驱动简单、输出力较大、行程较大等优点，在低频大行程运动驱动中具有明显优势。而生物肌肉所具备的左旋胶原蛋白链右旋成束的超螺旋结构对保持结构应力平衡、增大单位长度的驱动行程与输出力具有重要作用。因此，基于超螺旋纤维结构的电热驱动人工肌肉对拓展人工肌肉应用能力具有一定价值。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉及其电驱动方法，其有益效果为提高人工肌肉的单位长度驱动行程和输出力，保持驱动精度。
一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，包括人工肌肉，所述人工肌肉包括高分子聚合物纤维和导电金属镀层，导电金属镀层设置在高分子聚合物纤维的表面，高分子聚合物超螺旋纤维束由多根高分子聚合物纤维螺旋成束组成，人工肌肉两端连接固定接头，固定接头上连接导线。
进一步，所述高分子聚合物纤维材料为尼龙纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维中的一种或多种。
进一步，所述导电金属镀层厚度远小于高分子聚合物纤维的直径。
进一步，导电金属镀层的材料优选为银或铜。
进一步，单根所述高分子聚合物纤维的旋向与高分子聚合物超螺旋纤维束的旋向相反。
进一步，所述人工肌肉的制造方法包括高分子聚合物纤维的扭转加捻、退火保形和超螺旋纤维的扭转与固定等。
进一步，所述高分子聚合物纤维的扭转的方法为：将高分子聚合物纤维下方悬挂重物，上方采用电机驱动旋转，使高分子聚合物纤维加捻。
进一步，加捻后的高分子聚合物纤维在两端悬挂重物的情况下置于管式加热炉中退火。
进一步，退火温度优选为60-80℃，退火时间优选为10-20分钟。
一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉的电驱动方法，包括以下步骤：
S1：通过对高分子聚合物超螺旋纤维束内的导电金属镀层通电，由于电热效应，导致高分子聚合物超螺旋纤维束中的高分子聚合物纤维升温，并触发扭转高分子聚合物纤维解捻运动，进而实现人工肌肉的缩短；
S2：当对高分子聚合物超螺旋纤维束内导电金属镀层停止通电时，高分子聚合物超螺旋纤维束内热能逐渐释放，高分子聚合物纤维回复到初始状态，人工肌肉回复到初始长度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的人工肌肉三维结构示意图；
图2为本发明的人工肌肉单根纤维局部放大图；
图3为本发明的人工肌肉单根纤维的局部剖面图；
图4为本发明的人工肌肉在驱动和未驱动状态下的对比图；
其中：人工肌肉1；接头2；导线3；高分子聚合物纤维11；导电金属镀层12。
具体实施方式
如图1至4所示，一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，包括人工肌肉1，其特征在于：所述人工肌肉1包括高分子聚合物纤维11和导电金属镀层12，导电金属镀层12设置在高分子聚合物纤维11的表面，高分子聚合物超螺旋纤维束由多根高分子聚合物纤维11螺旋成束组成，人工肌肉1两端连接固定接头2，并经由固定接头2连接导线3。固定接头2的作用为限制以方式纤维束分散，并保证高分子聚合物纤维11表面的导电金属镀层12与外部导线3紧密连接。供电装置向高分子聚合物超螺旋纤维束供电，通过包覆有导电金属镀层12的高分子聚合物纤维11螺旋成束组成的人工肌肉1，可提高人工肌肉的单位长度驱动行程和输出力，并保持驱动精度。
所述高分子聚合物纤维11材料为尼龙纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维中的一种或多种。
所述导电金属镀层12厚度远小于高分子聚合物纤维11的直径。导电金属镀层12应具备较小的厚度以具备足够的柔性而不妨碍超螺旋高分子聚合物纤维的变形，因此所述导电金属镀层12厚度远小于高分子聚合物纤维11的直径。
导电金属镀层12的材料为银或铜，其作用为基于电热效应产热并传递至高分子聚合物纤维11，以驱动高分子聚合物纤维11变形与对外输出力。
单根所述高分子聚合物纤维11的旋向优选与高分子聚合物超螺旋纤维束的旋向相反。即，若单根高分子聚合物纤维11为左旋结构，则高分子聚合物超螺旋纤维束为右旋结构，同理，若单根高分子聚合物纤维11为右旋结构，则高分子聚合物超螺旋纤维束为左旋结构。上述高分子聚合物纤维11与高分子聚合物超螺旋纤维束旋向相反的结构设计，可保证人工肌肉1因电热效应发热而缩短。
所述人工肌肉1的制造流程包括高分子聚合物纤维11的扭转加捻、退火保形和超螺旋纤维的扭转与固定等。
制造人工肌肉1过程中所需设备有管式加热炉、扭转台、砝码等，所述高分子聚合物纤维11在砝码提供的轴向拉力作用下由扭转台施加左旋扭矩成捻，高分子聚合物超螺旋纤维束由多根左旋的高分子聚合物纤维11再右旋成束得到，高分子聚合物纤维11外镀导电金属镀层12，高分子聚合物超螺旋纤维束端部采用打结或冷压工艺实现连接与固定。
左旋高分子聚合物纤维11和整体右旋的高分子聚合物超螺旋纤维束均需置于管式加热炉中退火，以实现高分子聚合物超螺旋纤维束的定形。退火温度与高分子聚合物纤维11材料有关，优选温度介于60-80℃，退火时间优选为10-20分钟。
一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉的电驱动方法，包括以下步骤：
S1：通过对编入高分子聚合物超螺旋纤维束内的导电金属镀层12通电，由于电热效应，导致高分子聚合物超螺旋纤维束中的高分子聚合物纤维11升温，并触发扭转高分子聚合物纤维11解捻运动，进而实现人工肌肉的缩短；
S2：当对高分子聚合物超螺旋纤维束内导电金属镀层12停止通电时，高分子聚合物超螺旋纤维束内热能逐渐释放，高分子聚合物纤维11回复到初始状态，人工肌肉回复到初始长度。
Claims (10)
1.一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，包括人工肌肉(1)，其特征在于：所述人工肌肉(1)包括高分子聚合物纤维(11)和导电金属镀层(12)，导电金属镀层(12)设置在高分子聚合物纤维(11)的表面，高分子聚合物超螺旋纤维束由多根高分子聚合物纤维(11)超螺旋成束组成，人工肌肉(1)两端连接固定接头(2)，固定接头(2)上连接导线(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：所述高分子聚合物纤维(11)材料为尼龙纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：所述导电金属镀层(12)厚度小于高分子聚合物纤维(11)的直径。
4.根据权利要求1所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：导电金属镀层(12)的材料为银或铜。
5.根据权利要求1所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：单根所述高分子聚合物纤维(11)的旋向与高分子聚合物超螺旋纤维束的旋向相反。
6.根据权利要求1所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：所述人工肌肉(1)的制造流程包括高分子聚合物纤维(11)的扭转加捻、退火保形和超螺旋纤维的扭转与固定等。
7.根据权利要求6所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：所述高分子聚合物纤维(11)的扭转的方法为：将高分子聚合物纤维(11)下方悬挂重物，上方采用电机驱动旋转，使高分子聚合物纤维(11)加捻。
8.根据权利要求7所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：加捻后的高分子聚合物纤维(11)在两端悬挂重物的情况下置于管式加热炉中退火。
9.根据权利要求8所述的一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉，其特征在于：退火温度为60-80℃，退火时间为10-20分钟。
10.一种基于超螺旋纤维结构的人工肌肉的电驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过对编入高分子聚合物超螺旋纤维束内的导电金属镀层(12)通电，由于电热效应，导致高分子聚合物超螺旋纤维束中的高分子聚合物纤维(11)升温，并触发扭转高分子聚合物纤维(11)解捻运动，进而实现人工肌肉的缩短；
S2：当对高分子聚合物超螺旋纤维束内导电金属镀层(12)停止通电时，高分子聚合物超螺旋纤维束内热能逐渐释放，高分子聚合物纤维(11)回复到初始状态，人工肌肉回复到初始长度。
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| CN (1) | CN116079699A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117532596A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-09 | 之江实验室 | 一种具有多种运动模式的人工肌肉纤维集束器件及方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107841808A (zh) * | 2016-09-21 | 2018-03-27 | 北京航空航天大学 | 一种多尺度螺旋结构纤维束及其制备方法 |
| CN108115664A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-05 | 哈尔滨工业大学 | 一种有自传感功能的人工肌肉 |
| CN108127658A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种电磁力驱动的人工肌肉 |
| CN108461171A (zh) * | 2017-02-20 | 2018-08-28 | 德尔福技术有限公司 | 金属/碳纳米管复合电线 |
| CN109968571A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-05 | 吉林大学 | 一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法 |
| CN112680966A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-20 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 复合纤维及其制备方法和应用 |
| CN112936250A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-06-11 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉及其制备方法 |
| CN114941185A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-08-26 | 四川大学 | 一种聚乳酸纤维人工肌肉及其制备方法 |
| CN115323580A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 香港理工大学深圳研究院 | 基于超螺旋状复合纤维的热驱动变形织物及其制备方法 |
-
2023
- 2023-02-15 CN CN202310115223.1A patent/CN116079699A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107841808A (zh) * | 2016-09-21 | 2018-03-27 | 北京航空航天大学 | 一种多尺度螺旋结构纤维束及其制备方法 |
| CN108461171A (zh) * | 2017-02-20 | 2018-08-28 | 德尔福技术有限公司 | 金属/碳纳米管复合电线 |
| CN108115664A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-05 | 哈尔滨工业大学 | 一种有自传感功能的人工肌肉 |
| CN108127658A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种电磁力驱动的人工肌肉 |
| CN109968571A (zh) * | 2019-04-01 | 2019-07-05 | 吉林大学 | 一种柔性相变型人工肌肉材料及其制备方法 |
| CN112680966A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-20 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 复合纤维及其制备方法和应用 |
| CN112936250A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-06-11 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉及其制备方法 |
| CN114941185A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-08-26 | 四川大学 | 一种聚乳酸纤维人工肌肉及其制备方法 |
| CN115323580A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 香港理工大学深圳研究院 | 基于超螺旋状复合纤维的热驱动变形织物及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| LI PENGCHUN，ZHANG YONGCHANG: "A Bioinspired Soft Robot Combining the Growth Adaptability of Vine Plants with a Coordinated Control System", 《RESEARCH》, vol. 2021, 3 November 2021 (2021-11-03) * |
| 张亚坤，张宇，李博，陈贵敏等: "聚合物捻卷型人工肌肉及其在软体机器人领域应用的研究现状", 《中国科学: 技术科学》, vol. 51, no. 2, 28 February 2021 (2021-02-28), pages 1 - 18 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117532596A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-09 | 之江实验室 | 一种具有多种运动模式的人工肌肉纤维集束器件及方法 |
| CN117532596B (zh) * | 2024-01-08 | 2024-04-23 | 之江实验室 | 一种具有多种运动模式的人工肌肉纤维集束器件及方法 |
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