聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的驱动特性研究及应用

发布时间：2021-01-02 23:58

　　人工肌肉作为一种柔性驱动器可以产生类似生物肌肉的动作输出,因此其在软体机器人、仿生机器人、康复机器人等领域具有很高的应用价值。而传统的人工肌肉例如形状记忆合金（SMA）、介电弹性体驱动器（DEA）、碳纳米管人工肌肉（CNT）以及离子聚合物-金属复合驱动器（IPMC）等大多都具有迟滞效应较大、循环使用寿命较低且输出力及变形量有限等缺点,同时成本较为昂贵。聚合物螺旋卷绕型人工肌肉是一种基于聚合物纤维（尼龙等）扭转后螺旋卷绕而成的新型人工肌肉,其迟滞小、寿命长、变形量大、能量密度高且成本低,在柔性驱动技术领域具有广阔的应用前景。本文以新型聚合物螺旋卷绕型人工肌肉为研究对象,研究并分析了聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的结构和致动原理;从聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的基本结构出发,阐述了人工肌肉螺旋结构的形成过程,并分析了其基于温度变化而产生长度变化的致动原理;以弹簧受力模型为基础,根据人工肌肉的螺旋线圈结构建立了人工肌肉的宏观静力学模型,通过该模型揭示了材料属性、结构尺寸、负载情况以及解旋力矩与人工肌肉的变形量之间的关系;给出了单一纤维卷绕型人工肌肉以及以尼龙66聚合物纤维为原材料按照自然螺旋方式和围绕... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：80 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

表面有镀银层的人工肌肉

a) 人工肌肉的结构尺寸 b) 人工肌肉通电后的热成像图图 1-2 表面有镀银层的人工肌肉2015 年 4 月，德克萨斯大学达拉斯分校的 Wu 等人设计了一种以热水驱动的人工肌肉，其结构如图 1-3 a）所示[15]。硅胶空腔内封装了一根纯尼龙纤维卷绕型人工肌肉以及一根弹簧，同时硅胶空腔两端各有一个开口，用于注水和出水；如图 1-3 b）所示，硅胶空腔内注入热水后人工肌肉的温度升高，硅胶空腔内注入冷水后人工肌肉的温度降低，以此使人工肌肉产生往复的动作输出。这种封闭的容腔结构使得热水和冷水能够充分与人工肌肉接触，从而使得人工肌肉的温度变化更为迅速。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2016 年 5 月，Haines 等人又制作了一种盘型螺旋结构的人工肌肉，其结构如图 1-4 所示[16]。这种结构的人工肌肉可以输出约 200%的长度变形量，如图 1-4 b）所示，以 70℃时的薄盘型结构为基准，在更低温度时其可以产生负方向的伸长变形，而在更高温度时其又可以产生正方向的伸长变形。


本文编号：2953901