[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

说明书

本发明属于实验测试技术，具体涉及一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置和方法。本发明设计了一款力学传感器和位移控制器为一体的测试装置，选用碳纳米管纤维人工肌肉为对象，测试其在电化学、电热驱动下的刚度变化。另外，选用经济型的导电尼龙纤维人工肌肉为对象，测试其在电热驱动下的刚度变化。相比于传统的万能拉伸机，该发明装置简单，可用于测试人工肌肉的变刚度性能。

技术领域

本发明属于实验测试技术，具体涉及一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置和方法。

背景技术

人工肌肉是一种能够将外界激励(如电、热、光)转化为机械能输出的柔性驱动器，其在航空航天、生物材料、储能、电容器、软体机器人以及柔性传感器等领域有着广泛的应用前景。通常表征人工肌肉的性能参数主要有驱动应变、输出功、输出功率、能量转换效率等。这些性能参数都是通过测试人工肌肉在额定负载和外界激励作用下，人工肌肉发生形变对负载做功获得的。人工肌肉还可以保持形状不变，通过改变自身的刚度来实现应用。例如，当人体倚靠在墙面时，人体肌肉通过改变自身刚度来支撑身体的站立姿势。因此，测试人工肌肉在额定长度状态下，对外界产生力的大小即人工肌肉自身刚度的改变能力对于其在柔性驱动等领域具有重要意义。然而目前针对人工肌肉的性能测试中主要还是对其收缩率的测试，尚未见到对其刚度变化的测试。

发明内容

针对现有的人工肌肉固定重物，测试伸缩量的单一性，提出一种新型的能够实现人工肌肉在定长状态下刚度变化的测试系统，以拓展既能实现定重物拉伸也能实现定长度变刚度应用的双模式人工肌肉的刚度测试方法，即提出一种人工肌肉在电热和电化学两种激励作用下其刚度变化的测试方法。本发明实施例中选用碳纳米管纤维人工肌肉为对象，测试其在电化学刺激下的刚度变化。另外，选用经济型的导电尼龙纤维人工肌肉为对象，测试其在电热驱动下的刚度变化。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案实现：

电热驱动人工肌肉刚度测试装置，如图1所示：

包括(1)加热装置：电源，其用于对人工肌肉通电流，使其在电热效应下产生额外应力；

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，如图2所示：

所述装置同样包括电源、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，其结构和装配、位置关系同电热驱动人工肌肉刚度测试装置，所不同的是，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。

采用循环伏安扫描法，对人工肌肉施加不同扫描速率电压，使得碳纳米管纤维人工肌肉吸收溶剂化离子从而发生变形。

本发明所提供的一种新型的碳纳米管纤维人工肌肉以及导电尼龙纤维人工肌肉变刚度性能测试方法，包括电热和电化学刺激下，固定预拉伸值，测量人工肌肉刚度变化与外界刺激之间的关系。