一种鞘材料裹覆与加捻的人工肌肉的制作装置及方法与流程

1.本发明属于人工肌肉型柔性驱动器的制备和应用领域，特别涉及一种鞘材料裹覆与加捻的人工肌肉的制作装置及方法。


背景技术：

2.近年来，具有高柔韧性和高输出功的人工肌肉已被应用于医疗康复设备和仿生机器人等先进领域。现有的人工肌肉一般有气动型人工肌肉，其原理是改变空腔体内部的压力，使人工肌肉收缩或者膨胀，以驱动相应的运动部件；其缺点在于：需要外接气动设9备，体积和重量较大，不易携带。介电弹性体人工肌肉，其原理是在施加电场，使弹性体电荷相互挤压或排斥而产生形变；其缺点在于使用非常高的外加电压，增加使用危险性。离子聚合物金属复合材料(ipmc)制备的薄膜弯曲型驱动器的输出力又往往较小。
3.cn111390895a公开了一种介电弹性体弹簧结构人工肌肉模块及其制作方法。其缺点在于：电路电压非常高，安全性面临极大挑战；弹簧与介电弹性体的关系是相互抵抗，会损耗介电弹性体的驱动性能。
4.cn102044627a公开了电致伸缩复合材料及电致伸缩元件，该元件形状为片材，致动方式为弯曲，这限制了在人工肌肉或致动器领域的应用。cn102044627a并未提及致动器的输出力大小，以及致动器变形的温度范围，而致动器的输出力决定了其能驱动的器件类型，聚合物的熔融温度相对较低，控制变形温度也是非常重要的。
5.cn202010881926.1公开了一种电致收缩的螺旋型人工肌肉及其制备和应用，但其无法实现自动加捻。本发明设计的致动器结构为螺旋型，致动方式为收缩，这在人工肌肉或致动领域的应用更加广泛。


技术实现要素：

6.针对鞘
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芯结构人工肌肉制作中鞘材料裹覆不均、加捻角不固定等问题，本发明提出一种加捻与鞘材料裹覆可同步进行的鞘
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芯人工肌肉(结构)制作装置，通过控制三组电机的协调运转来实现鞘
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芯人工肌肉加捻和鞘材料裹覆两项工作分步进行，实现了鞘
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芯人工肌肉的自动化制作。本发明简化了鞘
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芯人工肌肉的制备流程，提高了鞘
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芯人工肌肉的制作效率，同时实现了鞘
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芯人工肌肉的参数可控。本发明有望促进鞘芯人工肌肉以及鞘芯结构材料的自动化生产。
7.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种加捻与鞘材料裹覆可同步进行的鞘芯人工肌肉(结构)制作装置，包括底板、步进电机ⅰ、步进电机ⅰ底座、联轴器、步进电机ⅱ、滑轨电机座、步进电机ⅲ、步进电机ⅲ底座、丝杆螺母副ⅰ、连接座、丝杆螺母支撑平台、送料平台、丝杆螺母副ⅱ、步进电机ⅳ、步进电机ⅳ底座、控制单元ⅰ、控制单元ⅱ、控制单元ⅲ。
8.同轴转动部分由步进电机ⅰ、步进电机ⅱ、步进电机座ⅰ、滑轨电机座、联轴器及其控制单元ⅰ组成，步进电机ⅰ通过步进电机ⅰ底座与底板固定连接，步进电机ⅱ通过滑轨电机
座安装在底板的轨道中，与底板滑动连接；步进电机ⅰ和步进电机ⅱ的输出轴皆通过联轴器来连接固定芯线的两端，用于驱动芯线旋转及加捻；滑轨电机座安装在底板的滑动轨道之中，用于调节步进电机ⅱ的水平移动，一是为了使芯线的原始长度可以调整，提高装置的适用性，二是在人工肌肉加捻时电机可以随着人工肌肉的长度缩短而移动，防止加捻过紧时，人工肌肉所受轴向拉应力过大而撕裂。
9.收缩平动部分是由步进电机ⅲ、步进电机ⅲ底座及控制单元ⅱ组成，步进电机ⅲ输出轴通过联轴器与丝杆螺母副ⅰ的丝杆连接，用于驱动丝杆旋转。
10.所述的丝杆螺母副ⅰ是由梯形螺纹丝杆与对应螺母组成，螺母与滑轨电机座固定连接，底板限制滑轨电机座旋转，丝杆旋转时即可通过螺母带动滑轨电机座进行水平移动。
11.送料部分是由一个步进电机ⅳ、步进电机ⅳ底座及控制系统ⅲ组成，步进电机ⅳ输出轴通过联轴器与丝杆螺母副ⅱ的丝杆连接，用于驱动丝杆旋转。
12.所述的连接座的一端连接底板用作底板的支撑柱，另一端为槽状用于安装与固定丝杆螺母副支撑平台。
13.所述的丝杆螺母副支撑平台设有侧面和顶面三条水平轨道，侧面两条水平轨道，顶面一条水平轨道，侧面轨道内部放置螺母，通过螺栓与连接座的槽结构联接，用于固定支撑平台；顶面轨道与送料平台连接，限制送料平台的旋转自由度。
14.所述的送料平台下端通过滑轨与丝杆螺母副支撑平台相连，中心部位与丝杆螺母副ⅱ固定连接；丝杆螺母为其提供驱动力，滑轨约束送料平台转动的同时进行滑动导向、实现送料平台载着鞘材料进行水平移动，鞘材料从芯线的一端均匀覆盖到另一端。
15.所述的控制单元ⅰ、ⅱ、ⅲ为单片机控制，控制单元ⅰ分别向步进电机ⅰ、步进电机ⅱ提供不同或相同转速控制；控制单元ⅱ用于控制步进电机ⅲ的转向及转速，通过驱动丝杆螺母副ⅰ实现步进电机ⅱ的水平移动；控制单元ⅲ用于控制步进电机ⅳ的转向及转速，通过驱动丝杆螺母副ⅱ实现送料平台的水平移动。
16.对于鞘芯结构人工肌肉制作技术而言，本发明的有益效果是：本发明所述控制单元ⅰ控制步进电机ⅰ、步进电机ⅱ的转速，即控制芯线的旋转速度和鞘
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芯结构人工肌肉的加捻速度，从而实现鞘层材料裹覆速度和加捻捻度的准确控制。控制单元ⅱ控制步进电机ⅲ的转向及转速，在加捻过程中为步进电机ⅱ提供合适的水平移动速度。控制单元ⅲ控制步进电机ⅳ的转向及转速，以控制送丝平台的水平移动速度。送丝平台至中心轴芯线的工作距离通过改变连接座长度参数进行调整。通过对控制单元ⅰ、ⅱ、ⅲ的参数、步进电机ⅰ和步进电机ⅱ的中心距、丝杆螺距、送材料对芯线的包裹角度的设置可控制所制备鞘芯人工肌肉的参数。本发明提出一种加捻与鞘材料裹覆可同步进行的鞘芯人工肌肉(结构)制作装置，通过三组电机驱动控制简单机构的协调运转来实现鞘芯人工肌肉加捻和鞘材料裹覆两项工作同时或先后进行的灵活控制，在实现鞘芯结构人工肌肉制作的自动化，提高鞘芯结构人工肌肉制作效率的同时，保证了鞘芯结构人工肌肉的参数可控。
附图说明
17.图1是本发明一实施方式的鞘芯结构人工肌肉制作装置的工程图；
18.图2是装置进行cnt@尼龙鞘芯结构制备工作示意图；
19.图3是连接座12结构示意图；
20.图中，1
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底板；2
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步进电机ⅰ底座；3
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步进电机ⅰ；4
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联轴器ⅰ；5
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丝杆螺母副ⅰ；6
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联轴器ⅱ；7
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步进电机ⅱ；8
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滑轨电机座；9
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联轴器ⅲ；10
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步进电机ⅲ；11
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步进电机ⅲ底座；12
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连接座；13
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丝杆螺母副支撑平台；14
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丝杆螺母副ⅱ；15
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送料平台；16
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联轴器ⅳ；17
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步进电机ⅳ底座；18
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步进电机ⅳ；19
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碳纳米管薄膜；20
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尼龙线。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.实施例使用的鞘层材料为碳纳米管，芯线材料为尼龙线。
26.图1所示为本发明所述鞘芯结构人工肌肉制作装置的一种较佳实施方式，所述一种加捻与鞘材料裹覆可同步进行的鞘芯人工肌肉(结构)制作装置，包括底板1、步进电机ⅰ底座2、步进电机ⅰ3、丝杆螺母副ⅰ5、步进电机ⅱ7、滑轨电机座8、步进电机ⅲ10、步进电机ⅱ底座11、连接座12、丝杆螺母副支撑平台13、丝杆螺母副ⅱ14、送料平台15、步进电机ⅳ底座17、步进电机ⅳ18、控制单元ⅰ、控制单元ⅱ、控制单元ⅲ。
27.同轴转动部分由步进电机ⅰ3、步进电机ⅱ7、步进电机ⅰ底座2、滑轨电机座8、联轴器ⅰ4、联轴器ⅱ6及控制单元ⅰ组成，步进电机ⅰ3通过步进电机ⅰ底座2与底板1固定连接，步进电机ⅱ7与滑轨电机座8连接，滑轨电机座8安装在底板1的滑动轨道中。步进电机ⅰ和步进电机ⅱ的输出轴分别通过联轴器4和联轴器6来连接固定芯线的两端，用于驱动芯线旋转及加捻；滑动连接座8用于调节步进电机ⅱ7的水平移动，一是为了使芯线的原始长度可以调整，提高装置的适用性，二是在人工肌肉加捻时电机可以随着人工肌肉的长度缩短而移动，防止加捻过紧时，人工肌肉所受轴向拉应力过大而撕裂。
28.收缩平动部分是由步进电机ⅲ10、步进电机座11、联轴器9及控制单元ⅱ组成，步
进电机ⅲ10的输出轴通过联轴器ⅲ9与丝杆螺母副ⅰ5的丝杆连接，用于驱动丝杆旋转。
29.所述的丝杆螺母副ⅰ5是由梯形螺纹丝杆与对应螺母组成，螺母与滑轨电机座8固定连接，底板1限制滑轨电机座8旋转，丝杆旋转时即可通过螺母带动滑轨电机座8进行水平移动。
30.送料部分是由一个步进电机ⅳ18、步进电机座17、联轴器16及控制单元ⅲ组成，步进电机ⅳ18的输出轴通过联轴器ⅳ16与丝杆螺母副ⅱ14的丝杆连接，用于驱动丝杆旋转。
31.所述的连接座12一端连接底板用作底板的支撑柱，另一端为槽状用于安装与固定丝杆螺母副支撑平台13。
32.所述的丝杆螺母副支撑平台13存在侧面和顶面三条水平轨道，侧面轨道内部放置螺母，通过螺栓与连接座12的槽结构联接，用于固定支撑平台；顶面轨道与送料平台15连接，限制送料平台15的旋转自由度。
33.所述的送料平台15下端通过滑轨与丝杆螺母副支撑平台13相连，中心部位与丝杆螺母副ⅱ14固定连接；丝杆螺母副ⅱ14为其提供驱动力，滑轨约束送料平台15转动的同时进行滑动导向、实现送料平台载着鞘材料进行水平移动，鞘材料从芯线的一端均匀覆盖到另一端。
34.所述的控制单元ⅰ、ⅱ、ⅲ为单片机控制，控制单元ⅰ分别向步进电机ⅰ3、步进电机ⅱ7提供不同或相同转速控制；控制单元ⅱ用于控制步进电机ⅲ10的转向及转速，通过驱动丝杆螺母副ⅰ5实现步进电机ⅱ7的水平移动；控制单元ⅲ用于控制步进电机ⅳ18的转向及转速，通过驱动丝杆螺母副ⅱ14实现送料平台15的水平移动。
35.如图2所示，为装置进行cnt@尼龙鞘
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芯结构制备工作过程的示意图，包括鞘材料碳纳米管薄膜(cnt forest)19、芯线尼龙线20、送材平台15、联轴器ⅱ6，丝杆螺母副ⅱ14。通过确定中心轴转速、丝杆驱动转速、丝杆螺距、cnt薄膜对尼龙线的包裹角度α、尼龙线直径等参数之间的关系可控制改变所制备cnt@尼龙鞘
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芯人工肌肉鞘
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芯比、捻度、长度等的结构参数。
36.具体的制备流程及参数计算过程如下：
37.尼龙线20两端分别固定在联轴器ⅰ4、联轴器ⅱ6上，碳纳米管丛林(cnt forest)固定在送料平台15上，将引出的碳纳米管薄膜19引出贴附在尼龙线20上靠近联轴器ⅰ4的一端。第一阶段，步进电机ⅰ3、步进电机ⅱ7、步进电机ⅳ18同时工作，步进电机ⅰ3、步进电机ⅱ7同轴同转速转动，使碳纳米管薄膜19包裹在尼龙线表面，同时，步进电机ⅳ18驱动丝杆螺母副ⅱ14带动送料平台15进行匀速平动，使得碳纳米管薄膜19从尼龙线一端均匀地裹覆到另一端。第二阶段，碳纳米管薄膜裹覆完成后，步进电机ⅰ3、步进电机ⅱ7、步进电机ⅲ10同时工作，步进电机ⅰ3、步进电机ⅱ7同轴不同速转动，对包裹碳纳米管的尼龙线进行加捻，步进电机ⅲ10驱动丝杆螺母副ⅰ5带动滑轨电机座8和步进电机ⅱ7随着碳纳米管的尼龙线轴向缩短进行水平移动，直至包裹碳纳米管的尼龙线完全形成螺旋结构。
38.为满足参数计算过程讲解的需要，设a点为尼龙线(芯线)20上的任意一点，尼龙线(芯线)20转速为n1(r/s)，步进电机ⅰ3转速为n
11
(r/s)，步进电机ⅱ7转速为n
12
(r/s)，步进电机ⅳ18转速为n2(r/s)，碳纳米管薄膜19在尼龙线(芯线)20上的水平移动速度为v1(mm/s)，送料平台15带动碳纳米管薄膜19的水平移动速度为v2(mm/s)，碳纳米管薄膜19对尼龙线的包裹角度α(
°
)，碳纳米管薄膜19的宽度为x1(mm)，碳纳米管薄膜19在尼龙线上的贴覆长度
为d(mm)，碳纳米管薄膜19在尼龙线(芯线)上裹覆一圈水平移动距离为x1(mm)，尼龙线(芯线)20直径为d，尼龙线(芯线)20包裹层数为z(层)，丝杆螺母副ⅱ14螺距为s2(mm)，加捻捻度为s(t/m)，尼龙线(芯线)20长度为l(mm)。
39.欲求中心轴转速n1(r/s)、丝杆驱动转速n2(r/s)与丝杆螺距s2(mm)、cnt薄膜对尼龙线的包裹角度α、尼龙线直径d的代数关系。
40.约定假设：
41.1、cnt薄膜度过尼龙线(芯线)上a点的时间t为a点的裹覆时间，由此推算裹覆层数z。
42.2、为保证裹覆的均匀性，角度α需保持不变，这需要使cnt在尼龙线(芯线)上水平移动速度v1＝丝杆平台的移动距离v2。
43.解：
44.在经历时间t后，
45.cnt薄膜在尼龙弦上的水平移动距离为：l1＝v1t＝n1ts1；
46.丝杆平台带动cnt forest水平移动距离为：l2＝v2t＝n2ts2；
47.即：
[0048][0049]
欲使两者速度相等：v1＝v2，得：
[0050][0051]
又有：
[0052]
推算层数：
[0053][0054]
设a＝sinα∈(0,1),得：
[0055][0056]
鞘芯结构人工肌肉捻度计算：
[0057][0058]
由公式(1)、公式(2)确定中心轴转速n1(r/s)、步进电机ⅲn2(r/s)与丝杆螺母副ⅱ螺距s2(mm)、碳纳米管薄膜对尼龙线的包裹角度α、尼龙线直径d的代数关系。确定控制单元ⅰ、ⅱ电控参数、步进电机ⅰ3与步进电机ⅱ7的中心距、丝杆螺母副ⅱ螺距、碳纳米管薄膜对尼龙线的包裹角度与所制备鞘芯人工肌肉的参数对应关系。
[0059]
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以
理解的其他实施方式。
[0060]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。