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觸電伸縮仿肌肉運動裝置.pdf

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觸電 伸縮 肌肉 運動 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201210039670.5

申請日:

2012.02.21

公開號:

CN102551918B

公開日:

2014.11.19

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):A61F 2/08申請日:20120221|||公開
IPC分類號: A61F2/08; B25J18/00 主分類號: A61F2/08
申請人: 上海海事大學
發明人: 唐剛; 江源; 萇道方; 王冬梅; 魏高峰; 宓為建; 王成燾
地址: 200135 上海市浦東新區浦東大道1550號
優先權:
專利代理機構: 上海天翔知識產權代理有限公司 31224 代理人: 呂伴
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210039670.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2014.11.19|||2012.09.19|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了觸電伸縮仿肌肉運動裝置,所述運動裝置包括七根驅動長筒、仿皮膚表層以及引出線,所述其中一根驅動長筒安置在運動裝置的中部,其它六根驅動長筒對稱的安置在運動裝置的兩側,所述運動裝置內部用硅膠填充;所述驅動長筒由電介質彈性體雙薄層、彈簧、末端筒蓋以及長筒表層組成;所述電介質彈性體雙薄層對稱的安置在長筒表層的內壁上,所述彈簧安置在驅動長筒中部,所述末端筒蓋安置在驅動長筒的兩端,所述引出線的一端與驅動長筒兩端的末端筒蓋相連接。本發明結構靈巧,能夠直接方便的拆卸,具有輕巧、結構簡單等優點。

權利要求書

1.觸電伸縮仿肌肉運動裝置,其特征在于,所述運動裝置包括7根驅動
長筒、仿皮膚表層以及引出線,所述其中一根驅動長筒安置在運動裝置的中部,
其它6根驅動長筒對稱的安置在運動裝置的兩側,所述運動裝置內部用硅膠填
充;所述驅動長筒由電介質彈性體雙薄層、彈簧、末端筒蓋以及長筒表層組成;
所述電介質彈性體雙薄層對稱的安置在長筒表層的內壁上,所述彈簧安置在驅
動長筒中部,所述末端筒蓋安置在驅動長筒的兩端,所述引出線的一端與驅動
長筒兩端的末端筒蓋相連接。
2.根據權利要求1所述的觸電伸縮仿肌肉運動裝置,其特征在于:所述
末端筒蓋為中部鏤空結構。
3.根據權利要求1所述的觸電伸縮仿肌肉運動裝置,其特征在于:所述
末端筒蓋與驅動長筒為可拆卸連接。
4.根據權利要求1所述的觸電伸縮仿肌肉運動裝置,其特征在于:所述
電介質彈性體雙薄層端面為半圓形。

說明書

觸電伸縮仿肌肉運動裝置

技術領域

本發明涉及一種仿生技術領域,特別涉及一種觸電伸縮仿肌肉運動裝置。?

背景技術

20世紀中期,人們越來越深刻認識到大自然的啟發對于開發新材料和新技術的重要性,從而提出仿生學概念并建立仿生學這一學科;隨著研究的發展,仿生學已成為自然科學的一個前沿和焦點;進入21世紀以來,各類交通、建筑和工業事故導致肌肉受損日漸增多;由于肌肉結構復雜,修復肌肉技術相當困難。目前,臨床常采用矯正,移植等手術,治療效率和手術效果往往不夠理想。此外,機器人技術的飛速發展,生物機器作為未來新型技術,對人造肌肉的研制十分迫切。?

肌肉是生物學上可收縮的組織,是依靠神經電流達到伸縮形變的功效,具有信息傳遞、能量傳遞、廢物排除、能量供給、傳動以及自修復功能,人類很早就致力于仿生物肌肉的人工肌肉研發;上世紀50年代,McKibben首次研制了氣動驅動器,并發展成為商業上的McKibben驅動器,但是作為人工肌肉材料,材料低端,McKibben驅動器體積大,而且受到輔助系統的限制。?

形狀記憶合金雖然也被嘗試用作人工肌肉材料,具有高能量密度和低比重等特點,但由于其具有形變不可預知性,響應速度慢以及使用尺寸受限等許多不利因素;電活性陶瓷是人工肌肉的另一個備選材料,其響應速度較形狀記憶合金快,但是脆性大,只能獲得小于1%的應變;由于受材料的限制,人工肌肉的研究一直出于緩慢發展階段。?

現目前新型材料電活性聚合物(Electroactive?polymers,EAP)的出現給人工肌肉領域以新的沖擊;EAP可以產生的應變比電活性陶瓷大兩個數量級,并且較形狀記憶合金響應速度快、密度小、回彈力大,另外具有類似生物肌肉的高抗撕裂強度及固有的振動阻尼性能等。從上個世紀90年代初開始,基于電活性聚合物材料的人工肌肉驅動器得到快速發展。?

電活性聚合物驅動材料是指能夠在電流、電壓或電場作用下產生物理形變的聚合物材料,其顯著特征是能夠將電能轉化為機械能。EAP開發應用可追溯到1880年,倫琴發現一端固定的橡膠條在電場下可以發生長度的改變。之后在1925年壓電聚合物被發現,但由于應變和做功很小,只被用作傳感器;1949年Katchalsky發現膠原質纖維在酸堿溶液中可重復收縮和膨脹,這是聚合物材料的化學響應性首次被發現。?

隨著EAP材料研究的不斷深入和發展,其巨大的應用前景已呈現在人們面前;EAP材料可作為人工肢體和人造器官、內窺鏡導管、供宇航員和殘疾人用的增力外骨架以及制作機器人肌肉,可用于制造尺寸更加細小的器件用于基因工程來操作細胞;利用電活性聚合物可實現設備與器件的小型化,從而推動微電子機械技術的發展;目前已經被開發的科學應用領域主要有:人機械面、飛行器應用、可控制織物、機器人、醫療等,然而大都處于實驗階段。根據形變產生的機制,電活性聚合物人工肌肉材料可以分為電子型和離子型兩大類。電子型即電場活性材料,通過電場以及靜電作用(庫侖力)驅動,因為驅動體系不需要保持在濕態環境下,也被稱為干驅動體系;這一類主要包括電介質彈性體、壓電聚合物、鐵電聚合物、電致伸縮聚合物及液晶彈性體。離子型聚合物即電流活性材料,包括聚合物電解質凝膠、碳納米管復合材料、離子聚合物,金屬復合材料和導電聚合物,因為體系需在濕態環境下工作,也稱濕驅動體系,主要通過離子的運動所引起的形變來達到驅動的目的;由于電子比離子移動的更快些,電子型聚合物的反應時間較短,僅幾微秒,其能量密度也較大,并可長時間在空氣中運行,而離子材料在必須浸浴在液體溶劑中。?

有礙于國內先進材料技術限制,國內對于仿肌肉模擬組織研究較少,例如人造肌肉和仿真機器人,申請號為200410069382的專利,它是利用電路,其主要用“薄片線線圈”,做“永磁式簡易步進電機”的線管,用改進后的“智能步進電機的驅動電路”作為電機的驅動電路,來控制機器人的“骨骼”、“肌肉”、視覺系統和控制系統;但這些技術都沒有真正的用來做到仿生技術,做到依靠模擬神經電力來使仿肌肉組織產生形變伸縮的作用。?

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種感應靈敏、仿生性強、結構簡單、且安裝拆卸方便的觸電伸縮仿肌肉運動裝置。?

為達到上述目的,本發明的技術方案如下:?

觸電伸縮仿肌肉運動裝置,所述運動裝置包括7根驅動長筒、仿皮膚表層以及引出線,所述其中一根驅動長筒安置在運動裝置的中部,其它6根驅動長筒對稱的安置在運動裝置的兩側,所述運動裝置內部用硅膠填充;所述驅動長筒由電介質彈性體雙薄層、彈簧、末端筒蓋以及長筒表層組成;所述電介質彈性體雙薄層對稱的安置在長筒表層的內壁上,所述彈簧安置在驅動長筒中部,所述末端筒蓋安置在驅動長筒的兩端,所述引出線的一端與驅動長筒兩端的末端筒蓋相連接。?

優選的,所述末端筒蓋為中部鏤空結構。?

優選的,所述末端筒蓋與驅動長筒為可拆卸連接。?

優選的,所述電介質彈性體雙薄層端面為半圓形。?

通過上述技術方案,本發明的有益效果是:?

1、本發明感應靈敏,對人造肌肉加以改裝,其觸電伸縮變化、仿生性強。?

2、本發明具有結構靈巧、安裝拆卸方便等特點。?

3、本發明具有規律性的變化,能定量地測量肌肉形變量。?

4、本發明對于模擬人體神經電流,觸發肌肉運動的人造肌肉設計,提供原理基礎,對于肌肉移植和機器人設計,提供豐富的技術支持,并具有廣闊的技術前景和客觀的應用價值。?

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。?

圖1為本發明結構示意圖;?

圖2為本發明剖視圖;?

圖3為本發明驅動長筒的軸向截面示意圖;?

圖4為本發明電介質彈性體雙薄層結構示意圖;?

圖5為本發明驅動長筒的三維斷裂示意圖;?

圖6為本發明驅動長筒末端俯視圖;?

圖7為本發明電介質彈性體受電形變原理示意圖。?

圖中數字和字母所表示的相應部件名稱:?

10、運動裝置??20、驅動長筒??21、電介質彈性體雙薄層??22、彈簧??23、末端筒蓋??24、長筒表層??30、仿皮膚表層??40、引出線??50、硅膠?

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解,下面結合具體圖示,進一步闡述本發明。?

參見圖1和圖2所示,本發明觸電伸縮仿肌肉運動裝置10包括7根驅動長筒20、仿皮膚表層30以及引出線40,所述其中一根驅動長筒20安置在運動裝置10的中部,其它6根驅動長筒20對稱的安置在運動裝置10的兩側,所述運動裝置10內部采用硅膠50填充。?

參見圖3至圖7所示,本發明驅動長筒20由電介質彈性體雙薄層21、彈簧22、末端筒蓋23以及長筒表層24組成;所述電介質彈性體雙薄層21對稱的安置在長筒表層24的內壁上,所述彈簧22安置在驅動長筒20中部,所述末端筒蓋23安置在驅動長筒20的兩端;所述末端筒蓋23為中部鏤空結構,所述末端筒蓋23與驅動長筒20為可拆卸連接,所述引出線40的一端與驅動長筒20兩端的末端筒蓋23相連接。?

本發明電介質彈性體雙薄層21采用電子型電活性聚合物作為材料;電子型電活性聚合物(Electroactive?polymers,EAP)是通過分子尺寸上的靜電力(庫侖力)作用使聚合物分子鏈重新排列以實現體積上各個維度的膨脹和收縮;這種電機械轉化是一種物理過程,包括兩種機制,電致伸縮效應和Maxwell效應;兩種機制所產生的應力和應變都與電場的平方成正比。?

電致伸縮效應是由于材料介電性質的改變而引起的應變,電極化與機械應變關系如下,S=-QEo2(Er-1)2E2;S表示電致伸縮所導致的縱向應變,即?在膜厚方向的應變,Q是電致伸縮系數,Eo是真空介電常數,Er是相對介電常數,E是電場強度;介電常數E,由真空介電常數和相對介電常數相乘所得(E=EoEr)。若要發生電致伸縮現象,材料結構中必須含有結晶區域;當材料發生預應變時其介電常數增大則預示著電致伸縮效應出現的可能性;材料的介電常數可通過介電分析儀測得。?

Maxwell應力是電介質中電場分布發生變化的結果。S’=-sEoErE2P2;S’是膜厚方向上的應變,s是彈性柔量,應力與介電常數成比例;這種機理在低模量材料比如具有高應變的電介質彈性體中起主要作用;電子型EAP的性能是形變大,需要很高的電場強度,這就使得驅動電壓一般高于1kv,但是由于電流很低,電能消耗較低;在電子型EAP材料中,選用電介質彈性體作主要裝置材料,電介質彈性體是化學交聯的軟彈性體,可以提供很大的場致應變(10%-100%)。?

參見圖7所示,本發明電介質彈性體雙薄層21為“三明治”結構;在無電壓狀態下具有Zo高度,在施加電壓的情況下,雙層電介質彈性體受到擠壓,產生橫向縱向形變。?

本發明電介質彈性體雙薄層21制成半圓結構,其具有著受電形變的功能。?

本發明的工作原理為,通過引出線40對裝置通入電流施加電壓,電介質彈性體雙薄層21將在驅動長筒20徑向上產生擠壓,使整塊電介質彈性體雙薄層21長度增長產生形變,如果只是單側施加電壓,另一側斷開,將單側產生形變增長,使整個驅動長筒20彎曲;每根驅動長筒20都具有雙方向的彎曲形變效應,分別控制著肌肉向不同方向不同形態的形變。?

本發明接觸到電壓時,內部的驅動長筒20分別控制著肌肉向不同方向不同形態的形變,從而完成觸電信號,產生形變和力的功能。?

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解,本發明不受上述實施例的限制,上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理,在不脫離本發明精神和范圍的前提下,本發明還會有各種變化和改進,這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。?

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