[发明专利]一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置和方法

权利要求书

1.一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置，其特征在于，所述变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置包括电源、丝杠、滑台、悬臂梁微力传感器、夹具连接件、光栅尺、底座和步进电机；

当作为电热驱动人工肌肉刚度测试装置时，人工肌肉两端分别通过导线与电源的正负极连接；人工肌肉的顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具，人工肌肉的底端通过固定件固定在底座上；

电热刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，悬臂梁微力传感器通过螺栓连接固定到滑台底端，悬臂梁微力传感器用于检测在外界刺激下人工肌肉的应力变化；滑台安装在丝杠上，丝杠底端固定在底座上，丝杠顶端通过联轴器与步进电机连接，丝杠用于人工肌肉进行不同初始预拉伸并利用其自锁特性固定；

光栅尺通过螺钉固定在滑台一侧，光栅尺与人工肌肉平行，光栅尺用于设定人工肌肉初始预拉伸值；

当作为三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置时，滑台安装在丝杠上，丝杠底端固定在底座上，丝杠顶端通过联轴器与步进电机连接，丝杠用于对人工肌肉进行不同初始预拉伸并利用其自锁特性固定；光栅尺通过螺钉固定在滑台一侧，光栅尺与人工肌肉平行，光栅尺用于设定人工肌肉初始预拉伸值；三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置还包括电化学刺激人工肌肉夹具、Pt网电极、Ag/AgCl电极、支撑座和烧杯；烧杯放在底座上，烧杯中注有电解液，人工肌肉顶端固定在电化学刺激人工肌肉夹具上，电化学刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，人工肌肉底端通过支撑座与烧杯底部固定；人工肌肉、Pt网电极和Ag/AgCl电极位于电解液中，人工肌肉作为工作电极，Pt网电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，组成三电极电化学系统。

2.如权利要求1所述的一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置，其特征在于，采用的步进电机的步距角为0.9°，电机旋转一周需要400个脉冲，丝杠螺距为0.2mm。

3.利用如权利要求1所述的装置对导电尼龙纤维人工肌肉电热刺激的测试方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，导电尼龙纤维人工肌肉制备，将直径为0.128mm的尼龙纤维通过电机装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构，之后在螺旋卷绕型结构的尼龙纤维反向缠绕直径为0.01mm的细铜丝，使尼龙纤维能够导电；

步骤二，利用压力及位移检测装置实现导电尼龙纤维人工肌肉在不同预拉伸条件下，测量收缩应力的变化，具体测试步骤如下：

(1)将导电尼龙纤维人工肌肉两端分别用导线连接电源正负极，导电尼龙纤维人工肌肉顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具，导电尼龙纤维人工肌肉底端通过固定件与底座相连；电热刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器连接，悬臂梁微力传感器通过螺栓连接固定到滑台上，滑台随着丝杠的转动而直线移动；

(2)保持导电尼龙纤维人工肌肉处于竖直状态，通过步进电机设定导电尼龙纤维人工肌肉的预拉伸值；

(3)将导电尼龙纤维人工肌肉两端接通电源，并用1V直流电压通电3分钟进行预加热，之后通过改变输入方波电压的频率和幅值，测试导电尼龙纤维人工肌肉的应力随时间的变化曲线；

步骤三，改变不同预拉伸值，重复步骤二中的(2)、(3)步骤，绘制应力变化曲线。

4.利用如权利要求1所述的装置对碳纳米管纤维人工肌肉在电化学刺激下的应力测试方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，碳纳米管纤维人工肌肉的制备，从碳纳米管阵列中抽取薄膜，再通过加捻装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构的碳纳米管纤维人工肌肉；

步骤二，搭建三电极电化学系统，将碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极；

步骤三，碳纳米管纤维人工肌肉的固定、安装、预拉伸及力学性能测试，具体步骤如下：

(1)将碳纳米管纤维人工肌肉顶端通过电化学刺激人工肌肉夹具固定，底端通过支撑座与烧杯底面固定，电化学刺激人工肌肉夹具通过夹具连接件与悬臂梁微力传感器相连，再用螺栓连接将悬臂梁微力传感器固定在滑台上；由碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，组成三电极电化学系统；

(2)设定预拉伸值，控制电机旋转使纤维人工肌肉顶端到指定位置；光栅尺反馈预拉伸值，检测是否与设定预拉伸相同，如果不同则调整步进电机再次进行预拉伸；

(3)开始试验，使用Gamry电化学工作站采用循环伏安扫描法对上述三电极电化学系统施加锯齿波和方波电势，电解液采用0.2M TBA·PF₆/DSMO有机电解液，测量该设定预拉伸值下碳纳米管纤维人工肌肉的应力变化，绘制应力变化曲线；

步骤四，改变不同预拉伸值以及不同扫描速率和频率，重复步骤三中(2)、(3)步骤。