触电伸缩仿肌肉运动装置

摘要

本发明公开了触电伸缩仿肌肉运动装置，所述运动装置包括七根驱动长筒、仿皮肤表层以及引出线，所述其中一根驱动长筒安置在运动装置的中部，其它六根驱动长筒对称的安置在运动装置的两侧，所述运动装置内部用硅胶填充；所述驱动长筒由电介质弹性体双薄层、弹簧、末端筒盖以及长筒表层组成；所述电介质弹性体双薄层对称的安置在长筒表层的内壁上，所述弹簧安置在驱动长筒中部，所述末端筒盖安置在驱动长筒的两端，所述引出线的一端与驱动长筒两端的末端筒盖相连接。本发明结构灵巧，能够直接方便的拆卸，具有轻巧、结构简单等优点。

权利要求

1.触电伸缩仿肌肉运动装置，其特征在于，所述运动装置包括7根驱动长筒、仿皮肤表层以及引出线，所述其中一根驱动长筒安置在运动装置的中部，其它6根驱动长筒对称的安置在运动装置的两侧，所述运动装置内部用硅胶填充；所述驱动长筒由电介质弹性体双薄层、弹簧、末端筒盖以及长筒表层组成；所述电介质弹性体双薄层对称的安置在长筒表层的内壁上，所述弹簧安置在驱动长筒中部，所述末端筒盖安置在驱动长筒的两端，所述引出线的一端与驱动长筒两端的末端筒盖相连接；

所述末端筒盖为中部镂空结构；

所述末端筒盖与驱动长筒为可拆卸连接；

所述电介质弹性体双薄层为“三明治”结构；在无电压状态下具有Zo高度，在施加电压的情况下，双层电介质弹性体受到挤压，产生横向纵向形变；电介质弹性体双薄层端面为半圆形；

通过引出线对装置通入电流施加电压，电介质弹性体双薄层将在驱动长筒径向上产生挤压，使整块电介质弹性体双薄层长度增长产生形变，如果只是单侧施加电压，另一侧断开，将单侧产生形变增长，使整个驱动长筒弯曲；每根驱动长筒都具有双方向的弯曲形变效应，分别控制着肌肉向不同方向不同形态的形变。

说明书

触电伸缩仿肌肉运动装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种仿生技术领域，特别涉及一种触电伸缩仿肌肉运动装置。

背景技术

[0002] 20世纪中期，人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性，从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科；随着研究的发展，仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点；进入21世纪以来，各类交通、建筑和工业事故导致肌肉受损日渐增多；由于肌肉结构复杂，修复肌肉技术相当困难。目前，临床常采用矫正，移植等手术，治疗效率和手术效果往往不够理想。此外，机器人技术的飞速发展，生物机器作为未来新型技术，对人造肌肉的研制十分迫切。

[0003] 肌肉是生物学上可收缩的组织，是依靠神经电流达到伸缩形变的功效，具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能，人类很早就致力于仿生物肌肉的人工肌肉研发；上世纪50年代，McKibben首次研制了气动驱动器，并发展成为商业上的McKibben驱动器，但是作为人工肌肉材料，材料低端，McKibben驱动器体积大，而且受到辅助系统的限制。

[0004] 形状记忆合金虽然也被尝试用作人工肌肉材料，具有高能量密度和低比重等特点，但由于其具有形变不可预知性，响应速度慢以及使用尺寸受限等许多不利因素；电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料，其响应速度较形状记忆合金快，但是脆性大，只能获得小于1％的应变；由于受材料的限制，人工肌肉的研究一直出于缓慢发展阶段。

[0005] 现目前新型材料电活性聚合物(Electroactive polymers，EAP)的出现给人工肌肉领域以新的冲击；EAP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级，并且较形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大，另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等。从上个世纪90年代初开始，基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。

[0006] 电活性聚合物驱动材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显著特征是能够将电能转化为机械能。EAP开发应用可追溯到1880年，伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变。之后在1925年压电聚合物被发现，但由于应变和做功很小，只被用作传感器；1949年Katchalsky发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀，这是聚合物材料的化学响应性首次被发现。

[0007] 随着EAP材料研究的不断深入和发展，其巨大的应用前景已呈现在人们面前；EAP材料可作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞；利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化，从而推动微电子机械技术的发展；目前已经被开发的科学应用领域主要有：人机械面、飞行器应用、可控制织物、机器人、医疗等，然而大都处于实验阶段。根据形变产生的机制，电活性聚合物人工肌肉材料可以分为电子型和离子型两大类。电子型即电场活性材料，通过电场以及静电作用(库仑力)驱动，因为驱动体系不需要保持在湿态环境下，也被称为干驱动体系；这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物及液晶弹性体。离子型聚合物即电流活性材料，包括聚合物电解质凝胶、碳纳米管复合材料、离子聚合物，金属复合材料和导电聚合物，因为体系需在湿态环境下工作，也称湿驱动体系，主要通过离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的；由于电子比离子移动的更快些，电子型聚合物的反应时间较短，仅几微秒，其能量密度也较大，并可长时间在空气中运行，而离子材料在必须浸浴在液体溶剂中。

[0008] 有碍于国内先进材料技术限制，国内对于仿肌肉模拟组织研究较少，例如人造肌肉和仿真机器人，申请号为200410069382的专利，它是利用电路，其主要用“薄片线线圈”，做“永磁式简易步进电机”的线管，用改进后的“智能步进电机的驱动电路”作为电机的驱动电路，来控制机器人的“骨骼”、“肌肉”、视觉系统和控制系统；但这些技术都没有真正的用来做到仿生技术，做到依靠模拟神经电力来使仿肌肉组织产生形变伸缩的作用。

发明内容

[0009] 本发明要解决的技术问题是提供一种感应灵敏、仿生性强、结构简单、且安装拆卸方便的触电伸缩仿肌肉运动装置。

[0010] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

[0011] 触电伸缩仿肌肉运动装置，所述运动装置包括7根驱动长筒、仿皮肤表层以及引出线，所述其中一根驱动长筒安置在运动装置的中部，其它6根驱动长筒对称的安置在运动装置的两侧，所述运动装置内部用硅胶填充；所述驱动长筒由电介质弹性体双薄层、弹簧、末端筒盖以及长筒表层组成；所述电介质弹性体双薄层对称的安置在长筒表层的内壁上，所述弹簧安置在驱动长筒中部，所述末端筒盖安置在驱动长筒的两端，所述引出线的一端与驱动长筒两端的末端筒盖相连接。

[0012] 优选的，所述末端筒盖为中部镂空结构。

[0013] 优选的，所述末端筒盖与驱动长筒为可拆卸连接。

[0014] 优选的，所述电介质弹性体双薄层端面为半圆形。

[0015] 通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0016] 1、本发明感应灵敏，对人造肌肉加以改装，其触电伸缩变化、仿生性强。

[0017] 2、本发明具有结构灵巧、安装拆卸方便等特点。

[0018] 3、本发明具有规律性的变化，能定量地测量肌肉形变量。

[0019] 4、本发明对于模拟人体神经电流，触发肌肉运动的人造肌肉设计，提供原理基础，对于肌肉移植和机器人设计，提供丰富的技术支持，并具有广阔的技术前景和客观的应用价值。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0021] 图1为本发明结构示意图；

[0022] 图2为本发明剖视图；

[0023] 图3为本发明驱动长筒的轴向截面示意图；

[0024] 图4为本发明电介质弹性体双薄层结构示意图；

[0025] 图5为本发明驱动长筒的三维断裂示意图；

[0026] 图6为本发明驱动长筒末端俯视图；

[0027] 图7为本发明电介质弹性体受电形变原理示意图。

[0028] 图中数字和字母所表示的相应部件名称：

[0029] 10、运动装置 20、驱动长筒 21、电介质弹性体双薄层 22、弹簧 23、末端筒盖24、长筒表层 30、仿皮肤表层 40、引出线 50、硅胶

具体实施方式

[0030] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

[0031] 参见图1和图2所示，本发明触电伸缩仿肌肉运动装置10包括7根驱动长筒20、仿皮肤表层30以及引出线40，所述其中一根驱动长筒20安置在运动装置10的中部，其它6根驱动长筒20对称的安置在运动装置10的两侧，所述运动装置10内部采用硅胶50填充。

[0032] 参见图3至图7所示，本发明驱动长筒20由电介质弹性体双薄层21、弹簧22、末端筒盖23以及长筒表层24组成；所述电介质弹性体双薄层21对称的安置在长筒表层24的内壁上，所述弹簧22安置在驱动长筒20中部，所述末端筒盖23安置在驱动长筒20的两端；所述末端筒盖23为中部镂空结构，所述末端筒盖23与驱动长筒20为可拆卸连接，所述引出线40的一端与驱动长筒20两端的末端筒盖23相连接。

[0033] 本发明电介质弹性体双薄层21采用电子型电活性聚合物作为材料；电子型电活性聚合物(Electroactive polymers，EAP)是通过分子尺寸上的静电力(库仑力)作用使聚合物分子链重新排列以实现体积上各个维度的膨胀和收缩；这种电机械转化是一种物理过程，包括两种机制，电致伸缩效应和Maxwell效应；两种机制所产生的应力和应变都与电场的平方成正比。

[0034] 电致伸缩效应是由于材料介电性质的改变而引起的应变，电极化与机械应变关系如下，S＝-QEo2(Er-1)2E2；S表示电致伸缩所导致的纵向应变，即 在膜厚方向的应变，Q是电致伸缩系数，Eo是真空介电常数，Er是相对介电常数，E是电场强度；介电常数E，由真空介电常数和相对介电常数相乘所得(E＝EoEr)。若要发生电致伸缩现象，材料结构中必须含有结晶区域；当材料发生预应变时其介电常数增大则预示着电致伸缩效应出现的可能性；材料的介电常数可通过介电分析仪测得。

[0035] Maxwell应力是电介质中电场分布发生变化的结果。S’＝-sEoErE2P2；S’是膜厚方向上的应变，s是弹性柔量，应力与介电常数成比例；这种机理在低模量材料比如具有高应变的电介质弹性体中起主要作用；电子型EAP的性能是形变大，需要很高的电场强度，这就使得驱动电压一般高于1kv，但是由于电流很低，电能消耗较低；在电子型EAP材料中，选用电介质弹性体作主要装置材料，电介质弹性体是化学交联的软弹性体，可以提供很大的场致应变(10％-100％)。

[0036] 参见图7所示，本发明电介质弹性体双薄层21为“三明治”结构；在无电压状态下具有Zo高度，在施加电压的情况下，双层电介质弹性体受到挤压，产生横向纵向形变。

[0037] 本发明电介质弹性体双薄层21制成半圆结构，其具有着受电形变的功能。

[0038] 本发明的工作原理为，通过引出线40对装置通入电流施加电压，电介质弹性体双薄层21将在驱动长筒20径向上产生挤压，使整块电介质弹性体双薄层21长度增长产生形变，如果只是单侧施加电压，另一侧断开，将单侧产生形变增长，使整个驱动长筒20弯曲；每根驱动长筒20都具有双方向的弯曲形变效应，分别控制着肌肉向不同方向不同形态的形变。

[0039] 本发明接触到电压时，内部的驱动长筒20分别控制着肌肉向不同方向不同形态的形变，从而完成触电信号，产生形变和力的功能。

[0040] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。