CN116276939A - 一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉 - Google Patents
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Abstract
一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，所述人工肌肉由人工肌肉纤维螺旋卷绕而成，所述人工肌肉纤维是三层结构，由内至外依次为支撑传感层、隔热层以及驱动层；所述驱动层接入外部电路，外部电路对驱动层通电加热，以实现人工肌肉的收缩运动；所述隔热层阻止热量向支撑传感层传递，以实现驱动层温度的快速变化；所述支撑传感层支撑人工肌肉纤维，且可兼具传感功能。本发明的肌肉纤维是由内、中、外三层材料构成，分别起到支撑传感、隔热、驱动的作用，使得驱动层的热量尽可能少的传导到材料内部，减少了能量的浪费，也保证了外层热量的快速耗散，提高了人工肌肉的响应频率。
Description
技术领域
本发明涉及人工肌肉技术领域，尤其涉及一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉。
背景技术
作为一种柔性驱动器，人工肌肉可以将外部能量转换为机械能，且其凭借低噪声、大行程以及更好的生物亲和性而受到了人们的广泛关注，并在外骨骼、假肢和仿生机器人等设备中具有广泛而巨大的应用潜力。目前，许多功能材料已被用作人工肌肉，如气动多孔材料、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)、尼龙纤维、介电弹性体(DEA)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、碳纳米管(CNT)、磁流变液等。按照驱动原理来划分的话，常见的人工肌肉主要分为气动响应、温度响应、化学响应、电响应以及磁响应五类，其中温度响应即热驱动的人工肌肉是较为常见的一类。
热驱动人工肌肉中很重要的一个类型就是螺旋卷绕型的人工肌肉。螺旋卷绕型人工肌肉通常以加热(电化学、光子、热或电热)收缩的方式来进行驱动，并表现出优异的扭转和拉伸驱动性能，其最大收缩率一般可以达到40-50％，并具有较高的能量密度。其中电热驱动的螺旋卷绕型人工肌肉因其具有易于操作和控制等优点而被广泛应用。
通常而言，热驱动的螺旋卷绕型人工肌肉在电加热时收缩，断电时膨胀，其加热和冷却过程均会影响驱动频率。加热过程可以通过增加输入功率来缩短，而冷却过程在环境空气中很大程度上是不可控的。因此，电热驱动人工肌肉的驱动频率的驱动频率往往较低，一般在3Hz以下，且主要受限于冷却时间，这限制了它们作为快速响应驱动器的应用。提升散热速率的方法之一是改善散热条件，如强制风冷或水冷，但这种情况通常需要较高的能耗。
要想解决这一问题还要从分析螺旋卷绕型人工肌肉的具体驱动原理开始。在螺旋卷绕型人工肌肉中，构成肌肉的纱线是由如尼龙等纤维加捻后构成，被卷绕的纱线受热体积膨胀导致退捻，进一步导致被卷绕的肌肉收缩。从结构角度来看，纤维膨胀驱动纱线退捻的能力随着纱线的偏置角(纱线轴向与纤维轴向之间的夹角)增大而增大，由于偏置角从纱线表面到中心逐渐减小，因此越靠近纱线中心的部分对驱动的贡献就越小，能量利用效率自然就越低。并且电热型螺旋卷绕人工肌肉在工作时，由于其内部无法有效与外部环境进行热交换，因此温度更不易降低，这也是电热驱动人工肌肉的驱动频率低的原因之一。
通过上述分析可以看出，若想有效提高螺旋卷绕型人工肌肉的响应频率及能量利用率，可以利用其结构特性来进行改进设计来达到。
CN112201744A公开了一种电致伸缩的螺旋卷绕人工肌肉的制备及应用。该发明中的肌肉纤维是由鞘和芯构成的，鞘的材质是碳纳米管薄膜，芯的材质是尼龙线，通过给鞘层通电加热来达到整个肌肉收缩的目的。尽管碳纳米管是非常优秀的热驱动材料，具有良好的导电性及机械性能，但其价格昂贵，致使所制造的人工肌肉的成本很高，不利于大规模的商业应用。此外，由于肌肉纤维的鞘层和芯层直接接触，因此在加热驱动时，热量可以充分传递给芯层。在人工肌肉散热时，由于外部的碳纳米管径向散热能力不佳，致使其内部热量无法迅速散去，从而在肌肉纤维内部形成了一个相对的高温区，阻碍了碳纳米管的快速降温，因此会对制造的人工肌肉的驱动频率提升产生不利影响。
CN115142267A公开了一种双向驱动的仿生肌肉纤维的制备方法，该纤维包括是由客体材料包裹基体材料构成的，之后肌肉纤维被卷绕成螺旋状来最终实现驱动功能。该发明的驱动原理是通过对人工肌肉纤维内部的基体电热纤维通电来实现的。
发明内容
为解决螺旋卷绕型人工肌肉响应频率低等问题，本发明设计了一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉。通过改进螺旋卷绕型人工肌肉纤维的结构，使其相较于传统卷绕型人工肌肉具有更好的散热效果，从而实现更高频率的驱动。
本发明采用的技术方案是：一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，所述人工肌肉由人工肌肉纤维加捻螺旋卷绕而成，所述人工肌肉纤维是三层结构，由内至外依次为支撑传感层、隔热层以及驱动层；所述驱动层接入外部电路，外部电路对驱动层通电加热，以实现人工肌肉的收缩运动；所述隔热层阻碍热量向支撑传感层传递，以实现驱动层温度的快速变化；所述支撑传感层起到支撑人工肌肉纤维且可兼具传感功能。
进一步，所述人工肌肉纤维的横截面是三层同心圆结构，由内至外依次为圆形的支撑传感层、环形的隔热层以及环形的驱动层。
进一步，所述驱动层采用的是镀银的尼龙薄膜。
进一步，所述隔热层采用的是聚酰亚胺薄膜。
进一步，所述支撑传感层采用形状记忆合金丝或者凯夫拉纤维。
进一步，所述人工肌肉纤维的总厚度在20-200μm之间。
进一步，所述驱动层的厚度为4-40μm。
进一步，所述隔热层的厚度为1-10μm。
进一步，所述传感支撑层的厚度为10-120μm。
进一步，所述支撑层的厚度大于驱动层的厚度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明使用的是热驱动的螺旋卷绕形式的人工肌肉，其驱动原理简单、噪声低、冲击小。
(2)本发明设计的肌肉纤维是由内、中、外三层材料构成，分别起到支撑传感、隔热、驱动的作用，使得驱动层的热量尽可能少的传导到材料内部，减少了能量的浪费，也保证了外层热量的快速耗散，提高了人工肌肉的响应频率。
(3)本发明设计的人工肌肉单元的内部支撑传感层可以通过选择合适的材料如形状记忆合金丝以同时达到支撑和传感的作用，使得构成的人工肌肉纤维具有更高的集成度，节省空间。
(4)本发明设计的人工肌肉纤维是由三层材料构成，因此其在各层的材料及厚度选择上具有更高的自由度，可以根据具体工况选择合适的材料及厚度。具体地，如材料外层可以选择尼龙材料，其编织而成的人工肌肉相较其他热响应材料具有能量密度高、位移迟滞小以及循环性能较好等优点，可以通过在其表面镀银等金属来实现通电加热。此外，尼龙相较于其他专利中采用的碳纳米管等材料具有较大的价格优势，有利于降低整个人工肌肉的成本。
(5)所设计的人工肌肉可以单独工作，也可以多根并联或者串联使用以实现更大的力或者形变。
附图说明
图1是本发明纤维的截面示意图。
图2是本发明纤维螺旋卷绕的示意图。
图3是本发明受热收缩工作时的示意图。
图4是本发明的实施例1中应用所提出卷绕型人工肌肉驱动机械手指的视图1。
图5是本发明实施例1中应用所提出卷绕型人工肌肉驱动机械手指的视图2。
图6是本发明实施例2中所提出的使用所提出的卷绕型人工肌肉的并联应用示意图。
附图标记说明：1-驱动层，2-隔热层，3-支撑传感层，4-机械手指指尖，5-提出的卷绕型人工肌肉1，6-机械手指指中，7-提出的卷绕型人工肌肉2，8-机械手指指根。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照附图1和附图2可以看出，一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉是由人工肌肉纤维卷绕而成，其中本发明中设计的人工肌肉纤维是由三种材料构成的三层复合结构，所述的肌肉纤维的横截面为如附图1所示的同心圆结构，纤维的直径范围为20-200μm。
所述的肌肉纤维最外层为驱动层1，该层是由可以通电发热的纤维薄膜构成，如碳纤维、石墨烯纤维、镀银尼龙纤维等，厚度范围为4-40μm。
所述的肌肉纤维最中间层为隔热层2，该层选取隔热效果较好的薄膜材料构成，厚度范围为1-10μm。
所述的肌肉纤维最内层为支撑传感层3，该层选取具有较好支撑特性的材料构成，如形状记忆合金丝、凯夫拉纤维等，厚度范围为10-120μm。优选的，可以选取兼具传感特性的材料如形状记忆合金丝等，以提高系统的集成度。
根据要求获得满足要求的复合仿生肌肉纤维之后，将得到的纤维进行缠绕加捻，如附图2中所示，在一些实施方案中可以对多股进行加捻。
本发明所设计的人工肌肉在驱动时只需要对最外面的驱动层进行通电加热，并且由于中间有隔热层存在，可以保证输入的热量尽可能少地传递到内部，提高输入热量的利用率并且增加表层的散热速率，从而克服传统卷绕材料散热慢的缺点以提高仿生肌肉的响应速率。
实施例2：
本实施例提出了一种使用所提出的螺旋卷绕人工肌肉驱动的机械手指，其视图1和视图2分别如附图4和附图5所示。机械手指包括依次铰接的第一指骨4、第二指骨6和第三指骨8、以及第一快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉5和第二快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉7；第一指骨4和第二指骨6的铰接处为第一指节，第二指骨6和第三指骨8的铰接处为第二指节；第一快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉5的两个端部分别连接在第一指骨4和第二指骨6内侧，第二快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉7的两个端部分别连接在第二指骨6和第三指骨8的内侧。由两条人工肌肉带动第一指节和第二指节。
在本实施例中采用的快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉如实施例1所述，卷绕型人工肌肉纤维的直径为65μm，其中驱动层采用的是镀银的尼龙薄膜，其厚度为10μm。
隔热层采用的是聚酰亚胺薄膜，其厚度为5μm。
支撑传感层采用的是形状记忆合金丝，其直径为35μm。
通过对卷绕人工肌肉纤维的驱动层通电加热来使人工肌肉收缩，从而驱动手指做出各种动作。人工肌肉中间的绝热层可以使热量尽可能少的传递到内部以实现外部驱动层温度的快速变化从而达到快速响应的目的。人工肌肉内部的支撑传感层主要起到对结构的支撑作用，同时也可以选择具有传感特性的材料以起到传感的作用。并且使用不同的电路来驱动控制人工肌肉1和人工肌肉2以达到使手指具有更高灵活度的目的。
可以通过检测支撑传感层形状记忆合金丝的电阻等物理特性的变化来获取其温度等物理量的变化情况。
为了方便手指各部分回位，在关节处可以使用扭簧等机构在断电时帮助手指快速复位。
为了方便展示所提出的卷绕型人工肌肉驱动的机械手指的原理与结构，本实施例中加热及控制等所需的电路电线均未展示。本发明用于微型机器人关节等机构的驱动，具有响应快、成本低、功能全及低噪声的优点。
实施例3：
如图6所示，本实施例提供一种并联人工肌肉，并联工人肌肉包括多根并联在一起的快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，每根快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉由人工肌肉纤维螺旋卷绕而成，人工肌肉纤维是三层结构，由内至外依次为支撑传感层、隔热层以及驱动层；驱动层接入外部电路，外部电路对驱动层通电加热，以实现人工肌肉的收缩运动；隔热层减少热量向支撑传感层传递，以实现驱动层温度的快速变化；所述支撑传感层支撑人工肌肉纤维，且可以通过选取合适的材料实现传感功能。
可以在实施例1中所使用的单根快速响应的螺旋卷绕型人工肌肉的基础之上，将多根人工肌肉并联来增大整体力的输出，且只需在之前的电路基础之上保持电源电压不变，相应地增大电流输出即可。
本实施例中，采用多根人工肌肉并联使用以实现更大的力或者形变。
实施例4：
本实施例提供一种串联人工肌肉，串联工人肌肉包括多根串联在一起的快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，每根快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉由人工肌肉纤维螺旋卷绕而成，人工肌肉纤维是三层结构，由内至外依次为支撑传感层、隔热层以及驱动层；驱动层接入外部电路，外部电路对驱动层通电加热，以实现人工肌肉的收缩运动；隔热层减少热量向支撑传感层传递，以实现驱动层温度的快速变化；所述支撑传感层支撑人工肌肉纤维，且可以通过选取合适的材料实现传感功能。
可以在实施例1中所使用的单根快速响应的螺旋卷绕型人工肌肉的基础之上，将多根人工肌肉串联来增大整体位移的输出，且只需在之前的电路基础之上保持电源输出的电流不变，相应地增大电源电压即可。
本实施例中，采用多根人工肌肉串联使用以实现更大的力或者形变。
以下为本发明与现有技术的对比例：对比例1
CN112201744A的人工肌肉纤维是由鞘和芯两层结构构成的，鞘的材质是价格较高的碳纳米管薄膜，芯的材质是尼龙线，而本发明驱动层选择的是尼龙薄膜这类可以满足性能且成本较低的材料，支撑层可以使用形状记忆合金丝等这类兼具支撑及传感特性的材料，有高集成度的潜力优势。并且CN112201744A中的肌肉纤维的鞘层和芯层直接接触，加热驱动时，热量会快速充分地传递给芯层，而散热时，由于碳纳米管径向散热能力不佳，其内部热量无法迅速散去，也阻碍了碳纳米管的快速降温，因此不利于提升人工肌肉的驱动频率。而本发明中利用聚酰亚胺这类具有较好隔热效果的材料来充当隔热层可以最大程度地阻碍热量传递到内部的支撑传感层，以保证驱动层的温度可以快速的升降，从而使其达到更高的驱动频率。
对比例2
CN115142267A公开了一种双向驱动的螺旋卷绕型人工肌肉，其仿生肌肉纤维是由客体材料包裹基体材料构成的，是通过给纤维内部的基体电热纤维通电来达到对人工肌肉驱动的目的。而本发明是依靠对最外部的驱动层来进行加热从而实现高频驱动的，这一点与其具有本质区别。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述人工肌肉由人工肌肉纤维螺旋卷绕而成，所述人工肌肉纤维是三层结构，由内至外依次为支撑传感层、隔热层以及驱动层；所述驱动层接入外部电路，外部电路对驱动层通电加热，以实现人工肌肉的收缩运动；所述隔热层减少热量向支撑传感层传递，以实现驱动层温度的快速变化；所述支撑传感层支撑人工肌肉纤维，且可以通过选取合适的材料实现传感功能。
2.如权利要求1所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述人工肌肉纤维的横截面构成三层同心圆结构，由内至外依次为圆形的支撑传感层、环形的隔热层以及环形的驱动层。
3.如权利要求1所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述驱动层采用表面镀银的尼龙薄膜制成。
4.如权利要求1所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述隔热层是聚酰亚胺薄膜。
5.如权利要求1所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述支撑传感层采用形状记忆合金丝或凯夫拉纤维制成。
6.如权利要求1所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述人工肌肉纤维的直径在20-200μm之间。
7.如权利要求6所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述驱动层的厚度为4-40μm。
8.如权利要求6所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述隔热层的厚度为1-10μm。
9.如权利要求6所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述传感支撑层的厚度为10-120μm。
10.如权利要求1所述的一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉，其特征在于：所述支撑层的厚度大于驱动层的厚度。
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| CN202310129975.3A Pending CN116276939A (zh) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | 一种快速响应的热驱动螺旋卷绕型人工肌肉 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116276939A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116872187A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-10-13 | 华南理工大学 | 一种助力手套 |
-
2023
- 2023-02-14 CN CN202310129975.3A patent/CN116276939A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116872187A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-10-13 | 华南理工大学 | 一种助力手套 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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