[发明专利]一种人工肌肉及其驱动的机械臂装置

说明书

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，尤其是涉及一种人工肌肉，以及以该人工肌肉为动力源进行驱动的机械臂装置，能够基于输入电压的变化模拟人的手臂运动。

背景技术

肌肉是生物学上可收缩的组织，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，一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源，人类很早就致力于仿生物肌肉的即人工肌肉的研发。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， McKibben 驱动器体积大，而且受到辅助系统的限制。形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料，与同时代的驱动材料相比， 具有高能量密度和低比重等特点，但同样存在许多不利因素，如形变不可预知性，响应速度慢以及使用尺寸受限等，这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选料，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处于合金响应速度快、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的缓慢发展阶段， 直到一类新型材料——电活性聚合物(Elect roact ive polymers，EAP)的出现。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EAP 的出现给人工肌肉领域以新的冲击，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。

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。人工肌肉研究最大的发展发生在最近十几年，应变可以达到380%甚至更大的材料已被研制出。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。目前国际上研究目标之一是制造昆虫0机器人，可用于军事、医疗等领域。利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器，可用于制造无噪声的微型舰船。基于此构想，电活性聚合物的第一个商业用途早已实现，但仅作为玩具2002年12月，日本大阪的一家公司生产出一种机械鱼，可以在水中自由地游弋。这是聚合物人工肌肉发展史上的一个里程碑。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。电致伸缩纸和电致粘弹性弹性体也属于此类，但在本文不做详细说明。

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2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。然而，长期以来电子聚合物要求在很强的电场中才能实现收缩(150MvPm)。由于EAP材料和体系的开发，有些材料或体系的驱动机理已经超越这些分类，于是Otero在2007年SPIE会议上提出新的分类方法，根据其驱动是物理过程还是化学过程分为电机械材料和电化学机械材料。

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，例如气动人工肌肉驱动式激振器，申请号（CN200720031153.8），是一种气动人工肌肉驱动式激振器，包括气源、储气罐，气源和储气罐相连通，气源经输气管与控制阀输入口相连并与储气罐相连，控制阀输出口通过输气管与气动人工肌肉的进气口相连，控制阀的控制端，气动人工肌肉的任意一端与基体连接，另一端与振动主体连接，振动主体两端有弹性元件支撑。控制阀为气动比例控制阀或气动高速开关阀，结构复杂臃肿。

发明内容

本发明的目的是采用新型的电子型电活性聚合物EAP材料克服上述现有技术空白或存在的缺陷而提供一种触电伸缩的仿肌肉运动装置（即，人工肌肉），并把这种装置应用于具体的仿生机械臂装置上，从而基于输入电压的变化来模拟人的手臂运动。