TWI697326B - 人工肌肉致動器裝置及用於製造該致動器裝置的方法 - Google Patents

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Abstract

一種製造人工肌肉纖維裝置的方法，其包括：繞著一或多個定型片繫留一人工肌肉纖維；退火該人工肌肉纖維，以便該人工肌肉纖維將保留由該定型片所建立的特定形狀；及從該人工肌肉纖維移除定型片。

Description

人工肌肉致動器裝置及用於製造該致動器裝置的方法
相關申請案之相互參照
本申請案主張2017年7月3日所提出之美國臨時專利申請案號62/528,328的優先權，其內容全文以參考方式併入本文。
本發明係關於一種人工肌肉致動器繫環。
發明背景
以捻絞型聚合物及碳奈米管(CNT)纖維及紗線為主之熱驅動式扭轉致動器具有寬廣的應用範圍。包含捻絞及/或盤繞型聚合物之人工肌肉致動器具有低成本、高產品體積及設計簡易之優點。人工肌肉致動器可因為大大簡化的工程設計及較低的產品成本而具有超過小馬達的優點。
發明概要
在一個態樣中，於本文中所揭示的具體實例係關於一種製造人工肌肉纖維裝置之方法。該方法包括：繞著一或多個定型片繫留一人工肌肉纖維；退火該人工肌肉纖維， 使得該人工肌肉纖維將保留由該定型片所建立的特定形狀；及從該人工肌肉纖維移除定型片。
在另一個態樣中，於本文中所揭示的具體實例係關於一種人工肌肉致動器裝置，其包括一第一人工肌肉纖維段。該第一人工肌肉纖維段包括一第一特定形狀，其係由第一段定型片所建立；且退火該第一特定形狀。該人工肌肉致動器裝置進一步包括一第一扣件及一第一支架。該第一扣件將該第一特定形狀扣緊至該第一支架。
將從下列說明及所附加的申請專利範圍明瞭於本文中所揭示之一或多個具體實例的其它態樣及優點。
102:人工肌肉纖維
104:定型片
106:環
108,302,402,502:人工肌肉段
205,210,215:步驟
304,404:支架
306:二級裝置
308,406,506:扣件
408:基材
504:槳
圖1A-1D顯示出根據本發明的一或多個具體實例之裝備實施例。
圖2顯示出根據本發明的一或多個具體實例之流程圖。
圖3顯示出根據本發明的一或多個具體實例之裝備實施例。
圖4顯示出根據本發明的一或多個具體實例之裝備實施例。
圖5顯示出根據本發明的一或多個具體實例之裝備實施例。
較佳實施例之詳細說明
現在，將參照伴隨的圖形詳細地描述本發明之特定具體實例。為了一致性，類似的元件在不同圖形中由類似的參考數字指示出。
在本發明之具體實例的下列詳細說明中提出許多具體細節，以提供本發明之更完整了解。但是，將由一般技藝人士明瞭，本發明可沒有這些具體細節而實行。在其它例子中，不詳細地描述熟知的構形以避免不必要地複雜化該說明。
通常來說，本發明的具體實例提供一種致動器裝置及一種使用人工肌肉纖維來製造該致動器裝置之方法。該人工肌肉纖維可係一由捻紡聚合物纖維或奈米纖維紗線所製得的纖維。在人工肌肉纖維中的纖維可已經進行捻絞而相關於該人工肌肉纖維之長度產生一特定的淨偏壓角。
在啟動人工肌肉纖維(即，對該人工肌肉纖維傳遞能量)後，該人工肌肉纖維可膨脹，及因為在該人工肌肉纖維結構中的捻絞，該膨脹會轉換成扭力及/或張力(即，致動)。有效啟動人工肌肉纖維的方法有透過輻射或電傳導將熱能傳遞至該人工肌肉纖維。但是，該人工肌肉纖維可以其它方法啟動，諸如光吸收、化學反應等等。
可將該人工肌肉纖維設計成能根據特定應用產生想要的致動，其中該人工肌肉纖維係為此應用而設計。控制該致動的方法之一係由在該人工肌肉纖維中之捻 絞度決定。該人工肌肉纖維的捻絞度愈高，在致動該人工肌肉纖維後可產生的致動愈大。
該人工肌肉纖維可包含但不限於聚合物基底纖維。例如，可在該人工肌肉致動器中包括耐綸-6、耐綸-6,6、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、耐綸-6,10、耐綸-6,12、液晶狀聚合物諸如聚芳酯，及其等之組合。該人工肌肉纖維亦可包括碳奈米管(CNT)基底材料。
可根據特定應用來建立該人工肌肉纖維之特定特徵，諸如寬度、材料、捻絞、致動等等，其中該人工肌肉纖維係為此應用而設計。
在本發明的一或多個具體實例中，該人工肌肉纖維可類似於在2015年1月30日提出的美國專利申請案案號14/610,905，發表名稱「COILED AND NON-COILED TWISTED NANOFIBER YARN TORSIONAL AND TENSILE ACTUATORS.」中所揭示之人工肌肉(致動器)。此申請案之內容全文藉此以參考方式併入本文。
本發明的一或多個具體實例提供一種容易塑形之人工肌肉纖維，及將該人工肌肉纖維安裝在致動器裝置中的方法。該人工肌肉纖維之容易塑形及安裝可提供較不昂貴的致動器裝置製造。
通常來說，在電機系統中設計及安裝一電動馬達或電動馬達的一部分會有困難，因為必需對想要的致動來調整在該電機系統中之電動馬達。例如，必需依從 該電機系統而調整電動馬達的尺寸、功率、致動、電及機械續接、安裝等等(即，特徵)。但是，電動馬達具有由製造商決定的特定特徵，而這些特徵難以因應想要的應用進行修改。
於本文中所揭示的具體實例可讓製造出具有想要的性質之致動器裝置容易。例如，可想要修改用於特定應用的電機系統。於本文中所揭示出的具體實例並非找到及購買依從該應用的電動馬達，而是允許藉由將人工肌肉纖維塑形成想要的形狀並將該人工肌肉纖維安裝在該電機系統中而發展出產生想要的致動之電動馬達。換句話說，可根據本文所揭示的一或多個具體實例，結合已知量的人工肌肉纖維原料與顧客想要的參數來製造出特定想要的致動器裝置。
在本發明的一或多個具體實例中，將該人工肌肉纖維塑形成特定形狀(例如，環、鉤等等)及退火以保留該特定形狀。該人工肌肉纖維可在溫度至少大於該人工肌肉纖維的材料之玻璃轉換溫度至低於熔化溫度下退火。特定的退火溫度係與特定的人工肌肉纖維特徵相依，諸如人工肌肉纖維之尺寸大小、在人工肌肉纖維中所使用的材料等等。
於本文中所揭示的特定形狀不限於環及鉤而是可係任何合適的形狀，諸如螺旋、方形或不規則形狀。
在一或多個具體實例中，扣件可將該人工 肌肉纖維扣緊至一裝置或一基材。該扣件可通過特定形狀的人工肌肉纖維將該人工肌肉纖維扣緊至該裝置或基材。根據本發明的一或多個具體實例，該特定形狀的人工肌肉纖維可在該人工肌肉纖維與基材間提供機械或電續接。可透過該特定形狀，使用螺絲釘、釘子、螺栓、鉚釘、車軸(axels)、棒或其它扣件來穩固該人工肌肉纖維。在某些具體實例中，可使用螺紋、纖維或甚至膠來幫助將人工肌肉纖維穩固至基材。
圖1A-1D係根據本發明的一或多個具體實例之裝備實施例，其顯示出如何可將人工肌肉纖維形成想要的形狀。首先，如顯示在圖1A中般，提供一人工肌肉纖維(102)。然後，如顯示在圖1B中般，沿著該人工肌肉纖維(102)之長度，繞著複數個定型片(104)(例如，棒)繫留或纏繞該人工肌肉纖維而形成複數個環(106)(特定形狀的實施例)，其中該定型片可為不少於四個的偶數個。一般技藝人士將察知該特定形狀不限於環(106)及該定型片(104)不限於棒，而可使用不同型式的定型片(104)來形成不同形式的特定形狀。
當該人工肌肉纖維(102)係繞著定型片(104)繫留時，退火該人工肌肉纖維(102)，然後冷卻，以便沒有定型片(104)之輔助而保留該環(106)。然後，如顯示在圖1C中般，可從該人工肌肉纖維(102)移除該定型片(104)。
在一或多個於本文所揭示的具體實例中，可使用該定型片(104)來退火該人工肌肉纖維(102)。例 如，該定型片(104)可係金屬型式或另一種熱導體型式，及其可電阻式加熱及將熱傳導至人工肌肉纖維(102)。該退火不限於電阻加熱式定型片，而可使用在技藝中已知之其它加熱方法來加熱該定型片(104)或人工肌肉纖維(102)。在一或多個具體實例中，可於該人工肌肉纖維(102)退火成想要的形狀後對該人工肌肉纖維(102)施加一塗層。
於圖1D中，可根據本發明的一或多個具體實例，在環(106)間切割顯示於圖1C之人工肌肉纖維(102)而產生人工肌肉段(108)。
在一或多個具體實例中，該人工肌肉段可具有至少二個用於連接的特定形狀。該等人工肌肉段不限於僅包括二個特定形狀，及可如使用該人工肌肉段之應用所需要般包括許多特定形狀。
圖2係根據本發明的一或多個具體實例之流程圖。該流程圖描繪出一種用以製造人工肌肉纖維裝置(即，致動器裝置)的方法。在步驟205中，該人工肌肉纖維係繞著一或多個定型片繫留。例如，如顯示在圖1B中般，該人工肌肉纖維(102)係繞著定型片(104)繫留而於該人工肌肉纖維(102)中形成環(106)。
該人工肌肉纖維可繞著任何定型片繫留一或多圈或少於一圈(即，一圈的分數)。將已由一般技藝人士明瞭，該人工肌肉纖維可以其它組態配置在該定型片上。
在步驟210中，退火該人工肌肉纖維，以便該人工肌肉纖維將保留由該定型片所建立的特定形狀。例如，退火顯示在圖1B中的人工肌肉纖維(102)以保留該環(106)。在本發明的一或多個具體實例中，可於溫度至少大於該人工肌肉纖維的材料之玻璃轉換溫度至低於熔化溫度下退火該人工肌肉纖維。特定的退火溫度依該人工肌肉纖維的特定特徵而定，諸如該人工肌肉纖維之尺寸大小、在該人工肌肉纖維中所使用的材料等等。
在步驟215中，從該人工肌肉纖維移除定型片。例如，如顯示在圖1C中般，將顯示於圖1B中的定型片(104)移離該人工肌肉纖維(102)。在一或多個具體實例中，可於該人工肌肉纖維冷卻至溫度低於該人工肌肉纖維的材料之玻璃轉換溫度後，從該人工肌肉纖維移除定型片。在這些具體實例中，當該人工肌肉纖維到達溫度低於玻璃轉換溫度時，該人工肌肉纖維變得更堅硬及保留特定形狀。但是，將已由一般技藝人士明瞭，可在當該人工肌肉纖維具有溫度於或大於該人工肌肉纖維的材料之玻璃轉換溫度時，從該人工肌肉纖維移除定型片。
在本發明的一或多個具體實例中，可切割該人工肌肉纖維而形成具有想要的尺寸之想要的人工肌肉纖維片。於本發明的一或多個具體實例中，可在該人工肌肉纖維到達溫度低於玻璃轉換溫度前或後切割該人工肌肉纖維。可在該人工肌肉纖維之二個毗連的特定形狀間之場所處切割該人工肌肉纖維來產生人工肌肉段。例如，如顯 示於圖1D中般，可切割顯示在圖1C中的人工肌肉纖維(102)而產生二個人工肌肉段(108)。
在本發明的一或多個具體實例中，可切割任何特定形狀而形成與該特定形狀不同的形狀。例如，可切割顯示在圖1C中的環(106)而將該環(106)改變成鉤。
在本發明的一或多個具體實例中，可藉由將該人工肌肉纖維/段扣緊至支架(即，基材)將包括該特定形狀的人工肌肉纖維/段發展成人工肌肉纖維裝置。在根據本發明的一或多個具體實例之實施例中，可藉由讓螺絲釘通過該環之空的空間並將該螺絲釘旋入該支架來將該人工肌肉纖維/段扣緊至該支架。
圖3-5顯示出包括根據本發明的一或多個具體實例之人工肌肉段的人工肌肉纖維裝置之裝備實施例。將已由一般技藝人士明瞭，這些實施例係為了較好了解本發明的具體實例及本發明不限於這些實施例。
圖3顯示出根據本發明的一或多個具體實例之人工肌肉纖維裝置，其具有一使用扣件(308)扣緊至支架(304)的人工肌肉段(302)。該人工肌肉段(302)之末端部分具有特定的環形狀，及該扣件(308)經由該環將該人工肌肉段(302)連接至該支架(304)。
在本發明的一或多個具體實例中，於啟動該人工肌肉段(302)後，該人工肌肉段(302)產生致動(例如，扭或張力)。例如，該人工肌肉段(302)可產生扭力及如由在圖3中的箭號顯示出般轉動。該扭力亦可讓該等支 架(304)相對於彼此轉動。在另一個實施例中，該人工肌肉段(302)可產生張力，其可沿著該人工肌肉段(302)之長度移動該等支架(304)。
根據本發明如顯示在圖3中的一或多個具體實例，可於人工肌肉段(302)上及在環間配置一二級裝置(306)。在該人工肌肉段(302)致動後，該二級裝置(306)可於任何方向上移動(例如，可轉動)，該人工肌肉段(302)經設計以在此方向上產生致動。在本發明的一或多個具體實例中，該二級裝置可係照相機、光源等等。
圖4顯示出根據本發明的一或多個具體實例之另一個裝備實施例。如顯示在圖4中，使用扣件(406)將二個人工肌肉段(402)扣緊至二個支架(404)及基材(408)。扣緊該人工肌肉段(402)以將該基材(408)保持在支架(404)間。於該人工肌肉段(402)致動後，該人工肌肉段(402)產生一可移動該基材(408)之致動。例如，該人工肌肉段(402)可已經設計成能產生轉動該基材(408)之扭力，如由在圖4中的箭號顯示出。
圖5顯示出根據本發明的一或多個具體實例之另一個裝備實施例。圖5顯示出鉸鏈型式人工肌肉纖維裝置，其具有三個人工肌肉段(502)使用複數個扣件(506)接附至二個槳(504)。該人工肌肉段(502)之致動可造成該等槳(504)彼此相對地打開或關閉。將已由一般技藝人士明瞭，該人工肌肉段(502)的數目不限於三個及可係任何其它數目。
在本發明的一或多個具體實例中，該等人工肌肉段(502)可配置成彼此平行。該等人工肌肉段(502)可配置成可在與該等槳(504)間之間隙呈垂直的方向上相關於彼此具有一偏移。將已由一般技藝人士明瞭，該等人工肌肉段(502)可相對於彼此以其它組態配置。
將已由一般技藝人士明瞭，於本文中所揭示的人工肌肉段可根據特定應用以一方式扣緊至基材/支架或裝置。例如，在一或多個具體實例中，該人工肌肉段可鬆鬆地繫上支架，以便該人工肌肉段的特定形狀可繞著該扣件轉動。在本發明的一或多個具體實例之更特定的實施例中，該人工肌肉段可具有一環形末端(即，特定形狀)，及螺絲釘(即，扣件)可將該人工肌肉段的末端扣緊至支架。在此實施例中，該螺絲釘可通過該環形末端及可將該環形末端扣緊至該支架，以便該環形末端可繞著該螺絲釘自由轉動。
任擇地，可緊緊地扣緊該人工肌肉段，使得該人工肌肉段的特定形狀係經固定而不會繞著該扣件有任何移動。例如，該螺絲釘可將該環形末端緊緊地扣緊至該支架而防止該環形末端繞著該螺絲釘轉動。
雖然本揭示已經僅就有限數目的具體實例來說明，具有本揭示之利益的熟習技術人士將察知，可設計出多種其它具體實例而沒有離開本發明之範圍。此外，本發明的範圍應該僅由所附加的申請專利範圍限制。
106:環
108:人工肌肉段

Claims (17)

  1. 一種製造人工肌肉纖維裝置的方法，該方法包含：繞著一或多個定型片繫留一人工肌肉纖維；退火該經繫留的人工肌肉纖維，以便該人工肌肉纖維將保留由該定型片所建立的特定形狀；從該人工肌肉纖維移除定型片；及藉由讓扣件透過該特定形狀將該人工肌肉纖維扣緊至一或多個支架。
  2. 如請求項1之方法，更包含在退火期間透過該定型片加熱該人工肌肉纖維。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該定型片係不少於四個的偶數個，及該方法進一步包含：在退火後切割該人工肌肉纖維，以產生二個人工肌肉段；其中每段具有二或更多個特定形狀。
  4. 如請求項1或請求項2的方法，其中該人工肌肉纖維係在一溫度下退火，該溫度係大於該人工肌肉纖維的玻璃轉換溫度且低於該人工肌肉纖維的熔化溫度。
  5. 如請求項1或請求項2的方法，其中該人工肌肉纖維包含一選自於由下列所組成之群的聚合物纖維：耐綸6、耐綸6,6、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、耐綸6,10、耐綸6,12、液晶狀聚合物、聚芳酯，及其等之組 合。
  6. 如請求項1或請求項2的方法，其中該人工肌肉纖維包含碳奈米管。
  7. 如請求項1或請求項2的方法，其中該定型片係棒，及該特定形狀係環或鉤。
  8. 一種人工肌肉致動器裝置，其包含：一第一人工肌肉纖維段，其包含：一第一特定形狀；其中該第一特定形狀是該第一人工肌肉纖維段經繫留的第一端，其係由第一段定型片建立；其中該第一特定形狀係藉由退火建立；一第一扣件；及一第一支架；其中該第一扣件藉由透過該第一特定形狀將該第一特定形狀扣緊至該第一支架。
  9. 如請求項8之裝置，更包含：一第二支架；及一第二扣件；其中該第一人工肌肉纖維段包含：一第二特定形狀；其中該第二特定形狀係由該第一段定型片建立；其中該第二特定形狀係藉由退火建立；及其中該第二扣件將該第二特定形狀扣緊至該第二支架。
  10. 如請求項9之裝置，更包含：一第二人工肌肉纖維段，其包含：一第三特定形狀及一第四特定形狀；其中該第三及第四特定形狀係由第二段定型片建立；其中該第三及第四特定形狀係藉由退火建立；一第三支架；一第三扣件，其將該第三特定形狀扣緊至該第二支架；及一第四扣件，其將該第四特定形狀扣緊至該第三支架。
  11. 如請求項10之裝置，其中該第一及第二人工肌肉纖維段的致動係轉動該第二支架。
  12. 如請求項9之裝置，更包含：一第二人工肌肉纖維段，其包含：一第三特定形狀及一第四特定形狀；其中該第三及第四特定形狀係由第二段定型片建立；其中該第三及第四特定形狀係藉由退火建立；一第三扣件，其將該第三特定形狀扣緊至該第一支架；及一第四扣件，其將該第四特定形狀扣緊至該第二支架；其中該第一及第二人工肌肉纖維段係平行；及 其中該第二人工肌肉纖維段係與該第一人工肌肉纖維段偏移開。
  13. 如請求項12之裝置，其中該第二人工肌肉纖維段係在與該第一及第二支架間之間隙呈垂直的方向上與該第一人工肌肉纖維段偏移開。
  14. 如請求項12之裝置，其中該第一及第二段定型片係類似；其中該第一、第二、第三及第四特定形狀係類似；及其中該第一、第二、第三及第四扣件各別通過該第一、第二、第三及第四特定形狀。
  15. 如請求項10至14之任一項的裝置，其中該第一及第二段定型片係棒；其中該第一、第二、第三及第四特定形狀係環；及其中該第一、第二、第三及第四扣件各別通過該第一、第二、第三及第四特定形狀。
  16. 如請求項9至14之任一項的裝置，更包含：一二級裝置，其係固定在該第一及第二特定形狀間之第一人工肌肉纖維段上；其中該第一人工肌肉纖維段之致動係轉動該二級裝置。
  17. 如請求項10至14之任一項的裝置，其中該第一、第二、第三及第四特定形狀係鉤。
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