一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉及其制备方法

本发明涉及软体机器人柔性驱动领域，具体涉及一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉及其制备方法。

背景技术：

由软质材料组成的软体机器人相比传统刚性机器人，拥有更加安全的人机交互性，利用其本质柔软性可以完成很多刚性机器人无法完成的任务，已广泛的应用于医疗、搬运等领域。软体机器人是对机器人类别的扩展，对传统机器人的应用起到很好的补充作用。其中，柔性驱动技术(人工肌肉)是软体机器人技术的核心，也成为了热门的研究方向。

现阶段，软体机器人的驱动有三种实现形式：气动人工肌肉驱动；绳索驱动；基于智能材料的人工肌肉驱动。其中，气动人工肌肉驱动和绳索驱动虽然都可产生较大的行程和输出力，但其缺点在于它们都需要复杂、笨重的刚性部件作为支撑。如气动人工肌肉驱动需要气泵、气瓶等辅助设备，而绳索驱动需要多组电机来控制绳索，并且绳索运动存在较大的摩擦力。

为解决上述问题，利用智能材料对特定刺激的响应，通过一定的结构设计得到了基于智能材料柔性致动器。目前分为四类：

1、温度刺激响应的形状记忆合金

2、离子或者ph刺激响应的水凝胶

3、电压刺激响应的介电弹性体

4、聚合物捻卷型人工肌肉

形状记忆合金材料在受到温度变化的刺激时，内部金属结构会发生相变(马氏体与奥氏体相互转变)，从而引起体积的变化，产生驱动效果。通常利用电流焦耳热来控制形状记忆合金驱动器的变形。基于形状记忆合金材料的驱动器优点是载荷大，但是所需电流大，变形小，响应慢。

智能水凝胶驱动材料通过与周围水溶液发生物质交换诱导水凝胶的溶胀或收缩，从而实现形状的可逆改变，达到驱动效果。优点是驱动灵活，但是载荷小，且只能在液体环境中产生作用。

介电弹性体驱动器的结构由一层介电系数较大的弹性体薄膜和两侧的正负柔性电极组成。当电极通电时，产生麦克斯韦应力挤压弹性体，使弹性体在面上扩大，厚度上减小。优点是响应快，变形大，但需要极高的电压且输出力较小。

聚合物捻卷型人工肌肉的原理是利用加捻后的聚合物纤维受热后径向膨胀导致解旋，利用螺旋结构将纤维的解旋运动转化为螺旋轴向方向的直线运动，具有变形大、输出力大、成本低等优点。

相比形状记忆合金、智能水凝胶和介电弹性体，聚合物捻卷型人工肌肉具有最好的综合机械性能，同时材料成本低廉，通常为可商业购买的聚合物纤维材料(如尼龙鱼线，缝纫线等)。由于聚合物纤维一般不导电，为实现电驱动，通常采用纤维表面镀银或者电阻丝伴随缠绕的方式。该种类型的人工肌肉目前的技术水平：镀银尼龙纤维材料可以实现1.5n负载条件下最大19％的应变(约200℃)。通过缠绕芯轴的工艺方法提高人工肌肉的弹簧系数(d/d)，可以提高行程，但负载能力被大大降低。这大大限制了该种人工肌肉的在软体机器人上的应用。

技术实现要素：

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的制备方法，通过金属丝与氨纶纤维的复合与构型设计可以实现规则的几何构型、大驱动行程、大输出力、低驱动温度等优点。制备得到的电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉具有规则的几何构型，便于建立数学模型来指导设计和预测变形量，进而克服现有技术的不足，促进其在软体机器人中的应用。

一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的制备方法，包括步骤：

(1)预处理阶段：对氨纶纤维束依次进行预拉伸和预加捻处理；

(2)复合阶段：在一端固定的情况下，旋转加捻预处理后的氨纶纤维束的另一端使之螺旋缠绕在金属丝表面，形成金属丝-氨纶纤维复合结构，并在保持所述金属丝-氨纶纤维复合结构的长度不变的情况下，加捻至极限圈数；

(3)螺旋成型阶段：将加捻至极限圈数的金属丝-氨纶纤维复合结构的固定端改变为活动端并加上一定载荷，继续加捻，得到螺旋弹簧结构的捻卷型复合人工肌肉；

(4)退火训练阶段：减小所述螺旋弹簧结构的捻卷型复合人工肌肉活动端的载荷，在金属丝上加载间断性电流从而反复进行产生焦耳热加热和散热的过程直至消除残余应力，得到所述电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉；

所述产生焦耳热加热的最高温度小于130℃。

不同于尼龙纤维，氨纶纤维具有优异的负热膨胀特性，其受热会在纤维方向上产生较大的收缩，但是氨纶纤维属于超可拉伸纤维，不易形成螺旋结构。此外，氨纶纤维不导电(无法电加热)，本发明将氨纶纤维与金属丝复合，金属丝一方面可作为骨架结构方便氨纶纤维形成螺旋结构，另一方面也作为电加热材料，实现复合人工肌肉的电驱动。同时，金属骨架可提高复合人工肌肉的刚度，提高负载能力。

为了得到上述特殊结构的电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉，本发明制备方法包括预处理阶段、复合阶段、螺旋成型阶段和退火训练阶段，其中，决定复合人工肌肉性能的参数全部在步骤(1)预处理阶段。具体的，如图1所示，本发明复合人工肌肉中，金属丝作为骨架结构，可提高刚度，经预拉伸的氨纶纤维在预加捻处理后螺旋缠绕在金属丝表面，此时保持金属丝-氨纶纤维复合结构的长度不变，加捻至极限圈数，然后释放固定装置，悬挂制作载荷，继续加捻，最终得到螺旋弹簧结构的捻卷型复合人工肌肉。由于复合人工肌肉制备是通过多次加捻的方式进行，故内部存在较大的残余应力，在应用前需进行退火和训练处理以消除残余应力。本发明采用电加热的方式进行退火和训练，以保证性能的一致性和性能输出的稳定性。退火与训练过程是将人工肌肉上端固定，下端悬挂训练载荷，在金属丝上加载间断性电流。

步骤(1)中，所述氨纶纤维束优选由多根氨纶纤维以集束的方式组合形成，目的是提高收缩力，提高螺旋弹簧结构的直径，从而提高行程放大倍数，进而提高该复合人工肌肉的行程。

步骤(1)中，氨纶纤维规格可为140、420、840或1680denier等。

步骤(1)中，预拉伸的目的是提高复合结构刚度和氨纶纤维的负热膨胀特性，预加捻的目的是通过预加捻提高复合加捻阶段的极限圈数，进一步提高人工肌肉的输出性能。氨纶纤维束拉伸率优选不大于500％。预加捻圈数只要在可承受范围内都可以，优选不大于0.4r/mm。

步骤(2)中，金属丝和氨纶纤维两种材料一起加捻至极限圈数，这个过程可以实现氨纶螺旋缠绕在金属丝表面的复合结构。

步骤(2)中，所述金属丝可为单质金属丝，如铁丝、铜丝、合金丝、镍丝等，或合金丝，直径优选为0.1～0.3mm。

步骤(4)中，退火与训练的温度应小于材料所能承受的最大温度，其中，氨纶纤维所能承受的最大温度较小，为130℃。

步骤(4)中，优选采用直流电源在金属丝上加载间断性电流。

步骤(4)中，在金属丝上加载间断性电流的过程包括退火过程和训练过程，作为优选，所述退火过程中，电流随通电次数的增加而增大，所述训练过程中，电流大小为所述退火过程中的最大电流且不随通电次数的变化而变化。

步骤(4)中，退火训练阶段实质上包含两个过程：退火和训练。这两个过程的区别在于退火过程以一次加热和一次散热作为一个循环，退火加热的温度决定了该人工肌肉的最大驱动温度，而之所以采用通电电流逐渐增大的方式，主要是为了防止突然高温，人工肌肉会瞬间退火软化，下方的载荷会快速下降，破坏人工肌肉的结构。而训练过程是在退火之后，进行多次加热-散热，退火后的肌肉在受热时不会有那么剧烈的软化现象。训练过程使肌肉性能稳定，可理解为磨合期。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉，包括螺旋弹簧结构的金属丝-氨纶纤维复合纤维，所述金属丝-氨纶纤维复合纤维包括作为骨架支撑结构的金属丝和经过预拉伸、预加捻后螺旋缠绕在所述金属丝表面作为热驱动部分的氨纶纤维束。

在捻卷式人工肌肉领域，本发明的复合人工肌肉结构具有创造性，该种结构决定了它比传统的捻卷型人工肌肉具有更大的输出力与输出行程。

所述电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉优选采用上述制备方法制备得到。

所述电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉以金属丝为骨架，其复合结构构型：一股经预处理的氨纶纤维螺旋缠绕在金属丝骨架上，氨纶受热收缩导致复合结构解旋转动。复合结构的受热解螺旋驱动由位于离圆心较远处的氨纶纤维束提供，离圆心越远，解螺旋力矩越大，故该复合人工肌肉具有更大的驱动力，同时氨纶纤维属于超可拉伸纤维，可保证在离圆心较远处承受更大的拉伸变形下不会发生断裂。所述电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉中的金属丝的作用有：作为骨架结构便于成型；作为电加热材料；提高刚度(负载能力)。

所述电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的工作原理：在金属丝两端加载一定大小的电流产生焦耳热，螺旋缠绕在金属丝表面的氨纶纤维束受热在纤维方向上收缩，进而导致复合纤维结构产生解螺旋转动，利用螺旋弹簧结构，将解螺旋转动转化为螺旋弹簧轴线的直线运动。氨纶纤维属于超可拉伸纤维，螺旋缠绕在复合结构外圈，可以承受更大的拉伸变形而不发生断裂，同时由于其位于远离圆心位置，在受热收缩时将产生更大的解旋力矩，故该复合人工肌肉可产生较大的直线收缩运动行程和收缩力。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1)传统镀银尼龙纤维捻卷型人工肌肉，纤维解旋运动由纤维径向受热膨胀导致，所需温度高，解旋圈数少，解旋力矩小；传统氨纶纤维捻卷型人工肌肉无法电加热，且由于氨纶纤维为超可拉伸纤维，不易成型，所制得的人工肌肉刚度低，无法电加热，无规则的几何构型故无法建立数学模型对变形进行预测。本发明(金属丝骨架-氨纶复合人工肌肉)具有规则的几何构型，数学模型精准。解旋运动直接由螺旋缠绕在金属骨架上的氨纶纤维受热收缩产生，解旋力矩大，解旋圈数多，驱动温度低(<130℃)。

2)传统纤维捻卷型人工肌肉制备工艺是将纤维上端固定在电机轴上，下端悬挂制作载荷，通过电机旋转对纤维进行加捻，加捻至极限圈数后继续加捻，纤维自发形成螺旋弹簧结构。在加捻阶段中，制作载荷可以提高极限捻数从而提高人工肌肉的输出性能，但在螺旋成型阶段，制作载荷过大又会降低螺旋结构的直径而减小人工肌肉的行程。另外，过大的制作载荷会使纤维在加捻过程中发生断裂。所以传统的工艺很难对最终人工肌肉性能进行定制化制作。

本发明采用的制作工艺将影响性能的因素与制作成型过程分离。预处理阶段确定氨纶纤维根数、预加捻圈数、预拉伸倍数和金属丝类别，这直接决定复合纤维的极限捻数和螺旋结构直径，对复合人工肌肉的性能起到决定性作用；而复合阶段、螺旋成型阶段和退火训练阶段中没有引入对复合人工肌肉性能产生影响的参数。

附图说明

图1为本发明电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的制备方法中预处理阶段、复合阶段、螺旋成型阶段的流程示意图，图中：1-电机，2-预拉伸的氨纶纤维，3-金属丝，4-预加捻的氨纶纤维，5-复合纤维，6-复合人工肌肉，7-固定装置，8-制作载荷；

图2为图1中复合纤维5的结构示意图；

图3为图1中复合人工肌肉6的结构示意图；

图4为实施例的电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的实物照片；

图5为实施例的电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的工作过程示意图，图中：9-负载，hi代表负载9且未通电时的复合人工肌肉长度。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

如图1所示，本实施例的电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的制备方法，包括步骤：

(1)预处理阶段：预拉伸氨纶纤维束，然后预拉伸的氨纶纤维2一端固定，另一端在电机1作用下对预拉伸的氨纶纤维2进行预加捻处理。

(2)复合阶段：在一端固定的情况下，旋转加捻预加捻的氨纶纤维4的另一端使之螺旋缠绕在金属丝3表面，形成金属丝-氨纶纤维复合结构，即复合纤维5，如图2所示，并在保持所述金属丝-氨纶纤维复合结构的长度不变的情况下，加捻至极限圈数。

在上述复合阶段的过程中，预处理的氨纶与金属丝3一起加捻至极限圈数，此时得到的结构称为复合结构，该复合结构的构型特点是：氨纶纤维螺旋缠绕在金属丝表面。

(3)螺旋成型阶段：将加捻至极限圈数的金属丝-氨纶纤维复合结构的固定端从固定装置7改变为活动端并加上制作载荷8，继续加捻，得到螺旋弹簧结构的捻卷型复合人工肌肉6，如图3所示。

(4)退火训练阶段：减小所述螺旋弹簧结构的捻卷型复合人工肌肉活动端的载荷，在金属丝上加载间断性电流从而反复进行产生焦耳热加热和散热的过程直至消除残余应力，得到所述电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉，实物照片如图4所示；

所述产生焦耳热加热的最高温度小于130℃。

步骤(4)中间断性电流的设置按表1记载自上而下依次进行。

表1

本实施例的电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉，选用材料：金属丝为0.18mm直径形状记忆合金丝(sma)，氨纶纤维规格为16根840denier纤维丝。预处理阶段对氨纶纤维预拉伸230％，预加捻0.2r/mm。复合阶段将两种材料复合加捻至0.87r/mm的极限圈数形成氨纶纤维螺旋缠绕在sma骨架上的复合结构。螺旋成型阶段复合结构上端固定，下端悬挂700g制作载荷加捻至0.22r/mm。在此过程中加捻速度均为1.5r/s。

本实施例的电驱动的金属丝骨架-氨纶纤维捻卷型复合人工肌肉的工作过程如图5所示。sma丝两端与直流电流源连接，人工肌肉上端固定，下端悬挂200g负载9，当电源输出恒定0.5a电流时，金属丝通电产生焦耳热，热量通过热传导的方式传到氨纶纤维，氨纶纤维受热收缩，引起复合结构解旋转动，解旋转动通过螺旋结构转化为螺旋弹簧结构的轴向收缩运动。当通电30s时，复合人工肌肉在200g负载下收缩46.8％(δ/hi)。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。