專利名稱：觸電伸縮仿肌肉運動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿生技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種觸電伸縮仿肌肉運動裝置。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)中期，人們越來越深刻認(rèn)識到大自然的啟發(fā)對于開發(fā)新材料和新技術(shù)的重要性，從而提出仿生學(xué)概念并建立仿生學(xué)這一學(xué)科；隨著研究的發(fā)展，仿生學(xué)已成為自然科學(xué)的一個前沿和焦點；進(jìn)入21世紀(jì)以來，各類交通、建筑和工業(yè)事故導(dǎo)致肌肉受損日漸增多；由于肌肉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，修復(fù)肌肉技術(shù)相當(dāng)困難。目前，臨床常采用矯正，移植等手術(shù)，治療效率和手術(shù)效果往往不夠理想。此外，機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，生物機器作為未來新型技術(shù)，對人造肌肉的研制十分迫切。肌肉是生物學(xué)上可收縮的組織，是依靠神經(jīng)電流達(dá)到伸縮形變的功效，具有信息傳遞、能量傳遞、廢物排除、能量供給、傳動以及自修復(fù)功能，人類很早就致力于仿生物肌肉的人工肌肉研發(fā)；上世紀(jì)50年代，McKibben首次研制了氣動驅(qū)動器，并發(fā)展成為商業(yè)上的 McKibben驅(qū)動器，但是作為人工肌肉材料，材料低端，McKibben驅(qū)動器體積大，而且受到輔助系統(tǒng)的限制。形狀記憶合金雖然也被嘗試用作人工肌肉材料，具有高能量密度和低比重等特點，但由于其具有形變不可預(yù)知性，響應(yīng)速度慢以及使用尺寸受限等許多不利因素；電活性陶瓷是人工肌肉的另一個備選材料，其響應(yīng)速度較形狀記憶合金快，但是脆性大，只能獲得小于的應(yīng)變；由于受材料的限制，人工肌肉的研究一直出于緩慢發(fā)展階段?，F(xiàn)目前新型材料電活性聚合物(Electroactive polymers, ΕΑΡ)的出現(xiàn)給人工肌肉領(lǐng)域以新的沖擊；EAP可以產(chǎn)生的應(yīng)變比電活性陶瓷大兩個數(shù)量級，并且較形狀記憶合金響應(yīng)速度快、密度小、回彈力大，另外具有類似生物肌肉的高抗撕裂強度及固有的振動阻尼性能等。從上個世紀(jì)90年代初開始，基于電活性聚合物材料的人工肌肉驅(qū)動器得到快速發(fā)展。電活性聚合物驅(qū)動材料是指能夠在電流、電壓或電場作用下產(chǎn)生物理形變的聚合物材料，其顯著特征是能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機械能。EAP開發(fā)應(yīng)用可追溯到1880年，倫琴發(fā)現(xiàn)一端固定的橡膠條在電場下可以發(fā)生長度的改變。之后在1925年壓電聚合物被發(fā)現(xiàn)，但由于應(yīng)變和做功很小，只被用作傳感器；1949年Katchalsky發(fā)現(xiàn)膠原質(zhì)纖維在酸堿溶液中可重復(fù)收縮和膨脹，這是聚合物材料的化學(xué)響應(yīng)性首次被發(fā)現(xiàn)。隨著EAP材料研究的不斷深入和發(fā)展，其巨大的應(yīng)用前景已呈現(xiàn)在人們面前；EAP 材料可作為人工肢體和人造器官、內(nèi)窺鏡導(dǎo)管、供宇航員和殘疾人用的增力外骨架以及制作機器人肌肉，可用于制造尺寸更加細(xì)小的器件用于基因工程來操作細(xì)胞；利用電活性聚合物可實現(xiàn)設(shè)備與器件的小型化，從而推動微電子機械技術(shù)的發(fā)展；目前已經(jīng)被開發(fā)的科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域主要有人機械面、飛行器應(yīng)用、可控制織物、機器人、醫(yī)療等，然而大都處于實驗階段。根據(jù)形變產(chǎn)生的機制，電活性聚合物人工肌肉材料可以分為電子型和離子型兩大類。電子型即電場活性材料，通過電場以及靜電作用(庫侖力)驅(qū)動，因為驅(qū)動體系不需要保持在濕態(tài)環(huán)境下，也被稱為干驅(qū)動體系；這一類主要包括電介質(zhì)彈性體、壓電聚合物、鐵電聚合物、電致伸縮聚合物及液晶彈性體。離子型聚合物即電流活性材料，包括聚合物電解質(zhì)凝膠、碳納米管復(fù)合材料、離子聚合物，金屬復(fù)合材料和導(dǎo)電聚合物，因為體系需在濕態(tài)環(huán)境下工作，也稱濕驅(qū)動體系，主要通過離子的運動所引起的形變來達(dá)到驅(qū)動的目的；由于電子比離子移動的更快些，電子型聚合物的反應(yīng)時間較短，僅幾微秒，其能量密度也較大， 并可長時間在空氣中運行，而離子材料在必須浸浴在液體溶劑中。有礙于國內(nèi)先進(jìn)材料技術(shù)限制，國內(nèi)對于仿肌肉模擬組織研究較少，例如人造肌肉和仿真機器人，申請?zhí)枮?00410069382的專利，它是利用電路，其主要用“薄片線線圈”， 做“永磁式簡易步進(jìn)電機”的線管，用改進(jìn)后的“智能步進(jìn)電機的驅(qū)動電路”作為電機的驅(qū)動電路，來控制機器人的“骨骼”、“肌肉”、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；但這些技術(shù)都沒有真正的用來做到仿生技術(shù)，做到依靠模擬神經(jīng)電力來使仿肌肉組織產(chǎn)生形變伸縮的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種感應(yīng)靈敏、仿生性強、結(jié)構(gòu)簡單、且安裝拆卸方便的觸電伸縮仿肌肉運動裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下觸電伸縮仿肌肉運動裝置，所述運動裝置包括7根驅(qū)動長筒、仿皮膚表層以及引出線，所述其中一根驅(qū)動長筒安置在運動裝置的中部，其它6根驅(qū)動長筒對稱的安置在運動裝置的兩側(cè)，所述運動裝置內(nèi)部用硅膠填充；所述驅(qū)動長筒由電介質(zhì)彈性體雙薄層、彈簧、末端筒蓋以及長筒表層組成；所述電介質(zhì)彈性體雙薄層對稱的安置在長筒表層的內(nèi)壁上，所述彈簧安置在驅(qū)動長筒中部，所述末端筒蓋安置在驅(qū)動長筒的兩端，所述引出線的一端與驅(qū)動長筒兩端的末端筒蓋相連接。優(yōu)選的，所述末端筒蓋為中部鏤空結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述末端筒蓋與驅(qū)動長筒為可拆卸連接。優(yōu)選的，所述電介質(zhì)彈性體雙薄層端面為半圓形。通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明感應(yīng)靈敏，對人造肌肉加以改裝，其觸電伸縮變化、仿生性強。2、本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)靈巧、安裝拆卸方便等特點。3、本發(fā)明具有規(guī)律性的變化，能定量地測量肌肉形變量。4、本發(fā)明對于模擬人體神經(jīng)電流，觸發(fā)肌肉運動的人造肌肉設(shè)計，提供原理基礎(chǔ)， 對于肌肉移植和機器人設(shè)計，提供豐富的技術(shù)支持，并具有廣闊的技術(shù)前景和客觀的應(yīng)用價值。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明剖視圖；圖3為本發(fā)明驅(qū)動長筒的軸向截面示意圖；圖4為本發(fā)明電介質(zhì)彈性體雙薄層結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明驅(qū)動長筒的三維斷裂示意圖；圖6為本發(fā)明驅(qū)動長筒末端俯視圖；圖7為本發(fā)明電介質(zhì)彈性體受電形變原理示意圖。圖中數(shù)字和字母所表示的相應(yīng)部件名稱10、運動裝置20、驅(qū)動長筒21、電介質(zhì)彈性體雙薄層 22、彈簧23、末端筒蓋 M、長筒表層30、仿皮膚表層40、引出線50、硅膠
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。參見圖1和圖2所示，本發(fā)明觸電伸縮仿肌肉運動裝置10包括7根驅(qū)動長筒20、 仿皮膚表層30以及引出線40，所述其中一根驅(qū)動長筒20安置在運動裝置10的中部，其它 6根驅(qū)動長筒20對稱的安置在運動裝置10的兩側(cè)，所述運動裝置10內(nèi)部采用硅膠50填充。參見圖3至圖7所示，本發(fā)明驅(qū)動長筒20由電介質(zhì)彈性體雙薄層21、彈簧22、末端筒蓋23以及長筒表層M組成；所述電介質(zhì)彈性體雙薄層21對稱的安置在長筒表層M 的內(nèi)壁上，所述彈簧22安置在驅(qū)動長筒20中部，所述末端筒蓋23安置在驅(qū)動長筒20的兩端；所述末端筒蓋23為中部鏤空結(jié)構(gòu)，所述末端筒蓋23與驅(qū)動長筒20為可拆卸連接，所述引出線40的一端與驅(qū)動長筒20兩端的末端筒蓋23相連接。本發(fā)明電介質(zhì)彈性體雙薄層21采用電子型電活性聚合物作為材料；電子型電活性聚合物(Electroactive polymers, ΕΑΡ)是通過分子尺寸上的靜電力(庫侖力)作用使聚合物分子鏈重新排列以實現(xiàn)體積上各個維度的膨脹和收縮；這種電機械轉(zhuǎn)化是一種物理過程，包括兩種機制，電致伸縮效應(yīng)和Maxwell效應(yīng)；兩種機制所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變都與電場的平方成正比。電致伸縮效應(yīng)是由于材料介電性質(zhì)的改變而引起的應(yīng)變，電極化與機械應(yīng)變關(guān)系如下，S = -QEo2 (Er-I) 2E2 ；S表示電致伸縮所導(dǎo)致的縱向應(yīng)變，S卩在膜厚方向的應(yīng)變，Q 是電致伸縮系數(shù)，Eo是真空介電常數(shù)，Er是相對介電常數(shù)，E是電場強度；介電常數(shù)E，由真空介電常數(shù)和相對介電常數(shù)相乘所得(E = EoEr)。若要發(fā)生電致伸縮現(xiàn)象，材料結(jié)構(gòu)中必須含有結(jié)晶區(qū)域；當(dāng)材料發(fā)生預(yù)應(yīng)變時其介電常數(shù)增大則預(yù)示著電致伸縮效應(yīng)出現(xiàn)的可能性；材料的介電常數(shù)可通過介電分析儀測得。Maxwell應(yīng)力是電介質(zhì)中電場分布發(fā)生變化的結(jié)果。S，= -SEoErE2P2 ；S，是膜厚方向上的應(yīng)變，s是彈性柔量，應(yīng)力與介電常數(shù)成比例；這種機理在低模量材料比如具有高應(yīng)變的電介質(zhì)彈性體中起主要作用；電子型EAP的性能是形變大，需要很高的電場強度，這就使得驅(qū)動電壓一般高于lkv，但是由于電流很低，電能消耗較低；在電子型EAP材料中，選用電介質(zhì)彈性體作主要裝置材料，電介質(zhì)彈性體是化學(xué)交聯(lián)的軟彈性體，可以提供很大的場致應(yīng)變(10% -100% )。
參見圖7所示，本發(fā)明電介質(zhì)彈性體雙薄層21為“三明治”結(jié)構(gòu)；在無電壓狀態(tài)下具有το高度，在施加電壓的情況下，雙層電介質(zhì)彈性體受到擠壓，產(chǎn)生橫向縱向形變。本發(fā)明電介質(zhì)彈性體雙薄層21制成半圓結(jié)構(gòu)，其具有著受電形變的功能。本發(fā)明的工作原理為，通過引出線40對裝置通入電流施加電壓，電介質(zhì)彈性體雙薄層21將在驅(qū)動長筒20徑向上產(chǎn)生擠壓，使整塊電介質(zhì)彈性體雙薄層21長度增長產(chǎn)生形變，如果只是單側(cè)施加電壓，另一側(cè)斷開，將單側(cè)產(chǎn)生形變增長，使整個驅(qū)動長筒20彎曲； 每根驅(qū)動長筒20都具有雙方向的彎曲形變效應(yīng)，分別控制著肌肉向不同方向不同形態(tài)的形變。本發(fā)明接觸到電壓時，內(nèi)部的驅(qū)動長筒20分別控制著肌肉向不同方向不同形態(tài)的形變，從而完成觸電信號，產(chǎn)生形變和力的功能。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.觸電伸縮仿肌肉運動裝置，其特征在于，所述運動裝置包括7根驅(qū)動長筒、仿皮膚表層以及引出線，所述其中一根驅(qū)動長筒安置在運動裝置的中部，其它6根驅(qū)動長筒對稱的安置在運動裝置的兩側(cè)，所述運動裝置內(nèi)部用硅膠填充；所述驅(qū)動長筒由電介質(zhì)彈性體雙薄層、彈簧、末端筒蓋以及長筒表層組成；所述電介質(zhì)彈性體雙薄層對稱的安置在長筒表層的內(nèi)壁上，所述彈簧安置在驅(qū)動長筒中部，所述末端筒蓋安置在驅(qū)動長筒的兩端，所述引出線的一端與驅(qū)動長筒兩端的末端筒蓋相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸電伸縮仿肌肉運動裝置，其特征在于所述末端筒蓋為中部鏤空結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸電伸縮仿肌肉運動裝置，其特征在于所述末端筒蓋與驅(qū)動長筒為可拆卸連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸電伸縮仿肌肉運動裝置，其特征在于所述電介質(zhì)彈性體雙薄層端面為半圓形。
全文摘要
本發(fā)明公開了觸電伸縮仿肌肉運動裝置，所述運動裝置包括7根驅(qū)動長筒、仿皮膚表層以及引出線，所述其中一根驅(qū)動長筒安置在運動裝置的中部，其它6根驅(qū)動長筒對稱的安置在運動裝置的兩側(cè)，所述運動裝置內(nèi)部用硅膠填充；所述驅(qū)動長筒由電介質(zhì)彈性體雙薄層、彈簧、末端筒蓋以及長筒表層組成；所述電介質(zhì)彈性體雙薄層對稱的安置在長筒表層的內(nèi)壁上，所述彈簧安置在驅(qū)動長筒中部，所述末端筒蓋安置在驅(qū)動長筒的兩端，所述引出線的一端與驅(qū)動長筒兩端的末端筒蓋相連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)靈巧，能夠直接方便的拆卸，具有輕巧、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
文檔編號B25J18/00GK102551918SQ201210039670
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者唐剛, 宓為建, 江源, 王冬梅, 王成燾, 萇道方, 魏高峰 申請人:上海海事大學(xué)