CN213592870U - 一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，包括高分子聚合物纤维；温度调节装置，连接于高分子聚合物纤维，用于调节高分子聚合物纤维温度；温度传感器，与高分子聚合物纤维对应设置，用于检测高分子聚合物纤维温度；控制装置，分别与温度传感器和温度调节装置连接，控制温度调节装置升温或降温；其中，高分子聚合物纤维在升温时产生周向扭转与轴向收缩，在降温时产生反方向的周向扭转与轴向舒张。控制装置通过温度传感器的实时检测，能够对温度调节装置进行精确的温度调控。通过改变高分子聚合物纤维的温度，促使高分子聚合物纤维自发收缩或舒张，实现对高分子聚合物纤维的位移与输出力的控制，提高了人造肌肉的技术可行性。

Description

一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，特别是涉及一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉。

背景技术

人造肌肉研究的是为了模拟人类发力形式将肌肉的优势展现出来，展示所有的理想性质的自然肌肉的肌肉样的形式因子。现在较为成熟技术包括形状记忆合金驱动器和形状记忆聚合物执行器。这些材料通过电、光或化学活化在其横断面上进行收缩和扩展。由于这些材料往往表现出小应变变形，大型变形通常通过平行板设计来实现。更大的记忆聚合物已经达到使用堆叠设计来增大应变变形，但这些也导致一些更加笨重的执行器的出现。

市场上现有的人造肌肉是利用柔性高分子聚合物制成，它能够在外加电场作用下，通过人造肌肉内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀。

然而，上述人造肌肉存在一定的局限性，如电子型电活性聚合物所需的驱动电压较高，产生的应变却较小；离子型电活性聚合物的响应速度较慢，并且只能在电解质环境中使用，人造肌肉的技术可行性较差。因此，研发一种新的驱动形式的人造肌肉变得越来越迫切。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其通过温度调节装置调节温度实现对高分子聚合物纤维的位移与输出力的控制，提高了人造肌肉的技术可行性。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，包括

高分子聚合物纤维，

温度调节装置，连接于高分子聚合物纤维，用于调节高分子聚合物纤维温度，

温度传感器，与高分子聚合物纤维对应设置，用于检测高分子聚合物纤维温度；

控制装置，分别与温度传感器和温度调节装置连接，控制温度调节装置升温或降温；

其中，高分子聚合物纤维在升温时产生周向扭转与轴向收缩，在降温时产生反方向的周向扭转与轴向舒张。

进一步，温度调节装置包括加热装置与电源，加热装置连接于高分子聚合物纤维外壁，加热装置分别与电源和控制装置连接，控制装置控制加热装置动作。

进一步，加热装置为镀膜镍铬合金电热丝，镀膜镍铬合金电热丝缠绕于高分子聚合物纤维外。

进一步，加热装置为导电涂层，导电涂层涂覆于高分子聚合物纤维外壁。

进一步，温度调节装置还包括进液口、弹性冷却管、出液口、冷却液供应源与加压泵，进液口与出液口分别设于高分子聚合物纤维两端，高分子聚合物纤维设于弹性冷却管内，进液口、弹性冷却管、出液口、冷却液供应源与加压泵依次首尾连接形成回路，加压泵分别与电源和控制装置连接，控制装置控制加压泵动作。

进一步，弹性冷却管为由柔性聚氨酯材料模压成型的波纹管。

进一步，进液口与出液口均为防水快速接口。

进一步，控制装置设有用于连通外部设备的电气接口。

进一步，电气接口为航空插头。

进一步，控制装置为嵌入式单片机。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

控制装置通过温度传感器的实时检测，能够对温度调节装置进行精确的温度调控。通过温度调节装置改变高分子聚合物纤维的温度，促使高分子聚合物纤维自发收缩或舒张，实现对高分子聚合物纤维的位移与输出力的控制，提高了人造肌肉的技术可行性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的平面结构示意图。

图2为高分子聚合物纤维的扭转过程示意图。

图3为高分子聚合物纤维加热后收缩和冷却后舒张的状态示意图。

图4为人造肌肉的应用示例图。

附图标记说明：

1——高分子聚合物纤维、2——电热丝、31——进液口、32——出液口、33——弹性冷却管、4——温度传感器、5——电气接口、6——控制装置、7——负载。

具体实施方式

下面来对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，包括

高分子聚合物纤维1，

温度调节装置，连接于高分子聚合物纤维1，用于调节高分子聚合物纤维1温度，

温度传感器4，与高分子聚合物纤维1对应设置，用于检测高分子聚合物纤维1温度；

控制装置6，分别与温度传感器4和温度调节装置连接，控制温度调节装置升温或降温；

其中，高分子聚合物纤维1在升温时产生周向扭转与轴向收缩，在降温时产生反方向的周向扭转与轴向舒张。

具体地，高分子聚合物纤维1可以是一根，或者是由多根并联在一起。高分子聚合物纤维1为具有一定强度的高分子纤维或复合材料纤维在卷曲缠绕下形成的类似弹簧的卷曲纤维。

需要人造肌肉收缩时，控制装置6控制温度调节装置升温，从而使高分子聚合物纤维1温度升高。高分子聚合物纤维1在升温时产生周向扭转与轴向收缩，高分子聚合物纤维1两端或者一端发生扭转，然后通过轴向收缩发生折叠，从而形成人造肌肉收缩状态。折叠后的高分子聚合物纤维1形成弹簧结构形态。弹簧结构的长度明显短于高分子聚合物纤维1舒张状态下长度，并且弹簧结构的直径比高分子聚合物纤维1的直径稍大。当温度传感器4检测到高分子聚合物纤维1温度到达目标温度后发送信号给控制装置6，控制装置6控制温度调节装置停止升温。

需要人造肌肉舒张时，控制装置6控制温度调节装置降温，从而使高分子聚合物纤维1温度降低。高分子聚合物纤维1在降温时产生反方向的周向扭转与轴向舒张，高分子聚合物纤维1两端或者一端发生反方向的扭转，然后通过轴向舒张将折叠舒张开来，从而形成人造肌肉舒张状态。当温度传感器4检测到高分子聚合物纤维1温度到达目标温度后发送信号给控制装置6，控制装置6控制温度调节装置停止降温。

本实施例中，高分子聚合物纤维1选用但不局限于高强度尼龙，其他高分子材料或者纤维增强高分子基复合材料也可以成为高分子聚合物纤维1选用的原材料。

特别的，经过扭转制造形成的高分子聚合物纤维1需要在玻璃化转变温度下进行退火处理，以消除扭转过程中产生的应力。

本实施例中，温度传感器4设有两个，分别设于高分子聚合物纤维1的两端。

如图2、图3所示，高分子聚合物纤维1加热至高于室温的温度但低于其玻璃化转变温度会发生主动收缩形成弹簧结构的形态。弹簧结构在温度降低到室温过程中变形回复为高分子聚合物纤维1形态，并能承担一定的负载7。本实施例中,室温为30摄氏度，但并不局限于30摄氏度。

本实用新型实施例通过温度调节装置改变高分子聚合物纤维1的温度实现对高分子聚合物纤维1的位移与输出力的控制，提高了人造肌肉的技术可行性。

温度调节装置包括加热装置与电源，加热装置连接于高分子聚合物纤维1外壁，加热装置分别与电源和控制装置6连接，控制装置6控制加热装置动作。

本实施例中，加热装置采用电加热形式。加热装置连接于高分子聚合物纤维1外壁，通过热传导方式对高分子聚合物纤维1进行加热。也可以采用热辐射或热对流的方式进行加热。控制装置6通过温度传感器4的检测，对加热装置进行精确的加热温度调控。

本实施例中，加热装置为镀膜镍铬合金电热丝2，镀膜镍铬合金电热丝2螺旋状缠绕于高分子聚合物纤维1外壁。镀膜镍铬合金电热丝2具有较好的柔韧性，能够很好地缠绕并贴合于高分子聚合物纤维1外壁，热传导效率高。其具有发热快的特点，使得人造肌肉的收缩动作反应迅速，延迟较低。

加热装置也可以采用其他形式，比如：加热装置为导电涂层，导电涂层涂覆于高分子聚合物纤维1外壁。涂覆于高分子聚合物纤维1外壁的导电涂层具有更大的发热面积。导电涂层发热后，使得高分子聚合物纤维1发热更加均匀，人造肌肉的收缩动作更加精确。导电涂层可以为银镀层或铜镀层，具有较好的发热效果。镀膜镍铬合金电热丝2或导电涂层可以将高分子聚合物纤维1加热到30摄氏度以上的温度。

温度调节装置还包括进液口31、弹性冷却管33、出液口32、冷却液供应源与加压泵(图中未示出)，进液口31与出液口32分别设于高分子聚合物纤维1两端，高分子聚合物纤维1设于弹性冷却管33内，进液口31、弹性冷却管33、出液口32、冷却液供应源与加压泵依次首尾连接形成回路，加压泵分别与电源和控制装置6连接，控制装置6控制加压泵动作。

冷却液供应源内存储有冷却液，用于为高分子聚合物纤维1的降温提供冷却液。冷却液供应源也可以由外部提供，以获得更大容量和温度更低的冷却液。加压泵设置在弹性冷却管33外部。

当需要人造肌肉舒张时，控制装置6控制加压泵工作，加压泵将冷却液供应源里的冷却液从进液口31泵进弹性冷却管33内，由于高分子聚合物纤维1设于弹性冷却管33内，高分子聚合物纤维1浸泡于冷却液内，因此流动的冷却液能够快速带走高分子聚合物纤维1的热量，使高分子聚合物纤维1迅速降温，从而产生反方向的周向扭转与轴向舒张，达到人造肌肉舒张的目的。

冷却液具有绝缘性、高热导率、高流动性和低腐蚀性的特点。本实施例使用3MNovec氟化液作为冷却液但不局限于此。冷却液能够将已加热的高分子聚合物纤维1快速冷却到30摄氏度以下的温度。

由于高分子聚合物纤维1设于弹性冷却管33内，作为加热装置的镀膜镍铬合金电热丝2或电热涂层也浸泡于弹性冷却管33内的冷却液中。当加热装置加热时，控制装置6停止加压泵的运转，冷却液充当了导热液体，使得高分子聚合物纤维1的受热更均匀，人造肌肉的动作更精确。

弹性冷却管33为由柔性聚氨酯材料模压成型的波纹管。

弹性冷却管33不仅提供了冷却液的冷却通道，而且还兼具有高分子聚合物纤维1的封装功能，其包裹着高分子聚合物纤维1和加热装置，两端分别与进液口31与出液口32连接，具有防止冷却液泄露的作用。由柔性聚氨酯材料模压成型的波纹管具有一定的弹性，能够很好地与高分子聚合物纤维1的扭转变形相适应。

进液口31与出液口32均为防水快速接口。

防水快速接口具有防漏功能，能够防止冷却液的泄露，使得加热装置的升温作用以及冷却液的降温作用都更加迅速。同时快速接口支持快速的插拔，有利于接口的更换。

控制装置6设有用于连通外部设备的电气接口5。

电气接口5使得控制装置6能够方便接收外部的指令，或者进行更多功能的扩展。

电气接口5为航空插头。

控制装置6为嵌入式单片机。

本实施例中，嵌入式单片机选用STM32作为控制装置6的核心电路。

工作过程示例：

如图4所示，人造肌肉处于室温状态(本实施例中为30摄氏度)下并处于热稳态，弹性冷却管33内部充满了冷却液。人造肌肉的一端固定于外部设备，另一端连接有负载7。人造肌肉始终在其工作温度范围内进行工作。当前高分子聚合物纤维1的温度记为实际温度。预期的高分子聚合物纤维1的温度记为目标温度。

对于人造肌肉的收缩过程采用以下驱动策略：

控制装置6从温度传感器4获得实际温度，从外部获得目标温度，且该温度高于实际温度。控制装置6停止加压泵的运转，冷却液在弹性冷却管33内处于静止状态。控制装置6控制加热装置开始发热工作，采用PID控制策略使加热装置为高分子聚合物纤维1升温。高分子聚合物纤维1温度逐渐升高后产生周向扭转与轴向收缩，从而形成人造肌肉收缩状态，人造肌肉将负载7提升一定高度。当温度传感器4检测到高分子聚合物纤维1温度到达目标温度后发送信号给控制装置6，控制装置6控制加热装置停止发热工作。

对于人造肌肉模块的舒张过程采用以下驱动策略：

控制装置6从温度传感器4获得实际温度，从外部获得目标温度，且该温度低于实际温度。控制装置6控制加热装置停止工作，控制加压泵开始运转，加大冷却液的流量，使冷却液在弹性冷却管33内不停快速流动，对高分子聚合物纤维1进行降温。高分子聚合物纤维1温度逐渐降低后产生反方向的周向扭转与轴向舒张，从而形成人造肌肉舒张状态，人造肌肉带动负载7向下降低一定高度。当温度传感器4检测到高分子聚合物纤维1温度到达目标温度后发送信号给控制装置6，控制装置6停止加压泵的运转。

本实用新型实施例中，人造肌肉可以完成大于20％收缩率的收缩动作，从而能够实现一种良好的执行器，具有成本低、结构轻便、可靠性强、工艺简单的优点。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：包括

高分子聚合物纤维；

温度调节装置，连接于高分子聚合物纤维，用于调节高分子聚合物纤维温度；

温度传感器，与高分子聚合物纤维对应设置，用于检测高分子聚合物纤维温度；

控制装置，分别与温度传感器和温度调节装置连接，控制温度调节装置升温或降温；

其中，高分子聚合物纤维在升温时产生周向扭转与轴向收缩，在降温时产生反方向的周向扭转与轴向舒张。

2.按照权利要求1所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：温度调节装置包括加热装置与电源，加热装置连接于高分子聚合物纤维外壁，加热装置分别与电源和控制装置连接，控制装置控制加热装置动作。

3.按照权利要求2所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：加热装置为镀膜镍铬合金电热丝，镀膜镍铬合金电热丝缠绕于高分子聚合物纤维外。

4.按照权利要求2所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：加热装置为导电涂层，导电涂层涂覆于高分子聚合物纤维外壁。

5.按照权利要求2所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：温度调节装置还包括进液口、弹性冷却管、出液口、冷却液供应源与加压泵，进液口与出液口分别设于高分子聚合物纤维两端，高分子聚合物纤维设于弹性冷却管内，进液口、弹性冷却管、出液口、冷却液供应源与加压泵依次首尾连接形成回路，加压泵分别与电源和控制装置连接，控制装置控制加压泵动作。

6.按照权利要求5所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：弹性冷却管为由柔性聚氨酯材料模压成型的波纹管。

7.按照权利要求5所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：进液口与出液口均为防水快速接口。

8.按照权利要求1所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：控制装置设有用于连通外部设备的电气接口。

9.按照权利要求8所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：电气接口为航空插头。

10.按照权利要求1所述的一种基于高分子聚合物纤维的人造肌肉，其特征在于：控制装置为嵌入式单片机。

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