一种制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器

本实用新型属于人工肌肉制造领域，更具体地，涉及一种制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器。

背景技术：

人工肌肉是指在施加外部刺激后会像骨骼肌一样运动的材料或者设备，大多数人工肌肉存在一些局限性，如制作成本高昂、性能不稳定、循环能力和速率有限等。纤维基人工肌肉是一种新型、轻质、低成本的人工肌肉，其工作效率非常高，功重比是人类肱二头肌肌肉的100倍以上，且当载荷相对较小时，人肉肌肉能够完全恢复并重复使用。

在先前的研究中，制作纤维基人工肌肉通用的方法是利用旋转电机将聚合物单纤维直接加捻螺旋而成。这种制作方法虽然简单，但是很难重复，由于没有程序进行控制，使得制备的人工肌肉无法完全相同。此外，螺旋卷绕型人工肌肉的加热驱动也存在一定难度，使用常规辐射方式加热时，存在受热不均匀，加热效率低，时间长的问题；使用镀银的方法进行加热时，存在价格高昂的问题，适用性较差。

在2016年，semochkin设计了一台制作纤维基人工肌肉的捻线器(artificialmuscletwister，amt)，该装置包括步进电机、电路板、扩展卡和电机驱动器组成，利用三个机械限位开关限制电机的位置；利用智能控制器与电路板连接，用于输入转速、步进的距离、调整制作模式等，尽管该装置在一定程度上解决了螺旋卷绕型人工肌肉的制备难题，但仍然存在以下缺点：其装置的结构稳定性差，制作的人工肌肉成品率较低，无法对人工肌肉进行均匀加热，无法制备不同直径的人工肌肉等问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器，其中为提高捻线器的结构稳定性和人工肌肉成品率，相应设置了固定机构、驱动机构和导引结构，并对驱动结构的结构及其具体设置方式进行优化，相应的可使电阻丝均匀附着于人工肌肉上，并保证制作过程可重复，因而尤其适用于人工肌肉制备的应用场合。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器，该捻线器包括固定机构、驱动机构和导引机构，其中：

所述固定机构包括底座以及固定在所述底座两端的左侧板和右侧板；

所述驱动机构包括第一电机、第二电机、第一滚珠丝杆、第一光杆、第二光杆、第三电机、第四电机、第二滚珠丝杆，所述第一电机固定在所述左侧板上；所述第二电机通过所述第一滚珠丝杆、第一光杆和第二光杆固定在与所述第一电机正对的位置，利用所述第一电机和第二电机固定待加工人工肌肉；所述第三电机固定在所述左侧板上，并与所述第一滚珠丝杆连接，以带动所述第二电机沿水平方向左右移动；所述第四电机固定在所述右侧板上，并与所述第二滚珠丝杆连接；

所述导引机构固定在所述第二滚珠丝杆上，以在所述第四电机的驱动下沿水平方向左右移动，同时该导引机构的上方设置有线圈连接杆，用于放置电阻丝线圈。

作为进一步优选地，所述导引机构还包括电阻丝线圈固定器，所述电阻丝线圈固定器设置在所述电阻丝线圈的外侧。

作为进一步优选地，所述驱动机构还包括固定器，所述固定器穿过所述第一光杆和第二光杆，并且该固定器上设置有通孔。

作为进一步优选地，所述第一滚珠丝杆通过第一滚珠丝杆固定器固定在所述底座上；所述第二滚珠丝杆通过所述第二滚珠丝杆固定器固定在所述底座上。

作为进一步优选地，所述第一电机和第二电机的两端配有夹头和插销孔，用于固定所述待加工人工肌肉。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型提供的制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器通过设置固定机构、驱动机构和导引机构，并对驱动结构的结构和设置方式进行优化，能够获得较好的结构稳定性和制作效率，同时显著提高了制备人工肌肉的成功率，并且制作出的人工肌肉规格一致，具有更好的力学性能；其中在缠绕电阻丝的过程中电阻丝线圈能向第二电机移动，使电阻丝缠绕得更加均匀、紧致；

2.同时，本实用新型通过设置电阻丝线圈固定器，可以保证卷绕电阻丝过程中电阻丝线圈不发生自由转动，使电阻丝保持紧绷状态；

3.此外，本实用新型还在驱动机构中设置固定器，利用固定器上的通孔保持待加工人工肌肉保持稳定与对中。

附图说明

图1是按照本实用新型优选实施例构建的制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器的主视图；

图2是按照本实用新型优选实施例构建的制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器的立体示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-底座；2-第三电机；3-第一电机；4-左侧板；5-线圈连接杆；6-电阻丝线圈；7-导引机构；8-第一光杆；9-第二光杆；10-固定器；11-第一滚珠丝杠；12-第二电机；13-第二滚珠丝杠；14-led电子显示屏；15-操作控制按钮；16-电源开关；17-右侧板；18-第四电机；19-第二滚珠丝杠固定器；20-第一滚珠丝杠固定器；21-电阻丝线圈固定器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-2所示，本实用新型实施例提供了一种制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器，该捻线器包括固定机构、驱动机构和导引机构7，其中：

固定机构包括底座1以及固定在底座1两端的左侧板4和右侧板17；

驱动机构包括第一电机3、第二电机12、第一滚珠丝杆11、第一光杆8、第二光杆9、第三电机2、第四电机18、第二滚珠丝杆13，第一电机3固定在左侧板4上；第二电机12通过第一滚珠丝杆11、第一光杆8和第二光杆9固定在与第一电机3正对的位置，第一电机3和第二电机12的两端配有夹头和插销孔，用于固定待加工人工肌肉，并且可以根据待加工人工肌肉的直径选择不同规格的夹头；第三电机2固定在左侧板4上，并与第一滚珠丝杆11连接，以带动第二电机12沿水平方向左右移动，第一滚珠丝杆11通过第一滚珠丝杆固定器20固定在底座1上；第四电机18固定在右侧板17上，并与第二滚珠丝杆13连接，第二滚珠丝杆13通过第二滚珠丝杆固定器19固定在底座1上；工作时第一电机3与第四电机18协同转动，完成纤维卷绕铜丝和扭转的过程；

导引机构7固定在第二滚珠丝杆13上，以在第四电机18的驱动下沿水平方向左右移动，同时该导引机构7的上方设置有线圈连接杆5，用于放置电阻丝线圈6。

进一步，第一电机3、第二电机12、第三电机2和第四电机18优选采用tmc2208电机驱动器，噪声更小且控制电路更加稳定。电机的控制由arduinomega2560电路板、ramps1.4扩展卡和tmc2208电机驱动器完成，基于arduino软件平台开发了相应的数据采集与控制系统，实现了制作过程的自动化。led电子显示屏14与arduinomega2560板连接，用于输入操作指令。使用时步进电机与tmc2208电机驱动器连接，使用arduinomega2560电路板和ramps1.4扩展卡对电路进行控制，使用led电子显示屏14与操作控制按钮15进行外部操作，使用arduino控制软件对电路板进行信号输入。同时通过电源开关16控制捻线器的启停，并且可以直接使用直流电源对待加工人工肌肉进行加热驱动。使用铝合金制作整个捻线器，将控制电路部分完全包裹在底座4中，使控制电路与加工设备分为上下两层的，互相独立没有影响.

进一步，导引机构7还包括电阻丝线圈固定器21，电阻丝线圈固定器21设置在电阻丝线圈6的外侧，可以保证卷绕电阻丝过程中电阻丝线圈6不发生自由转动，使电阻丝保持紧绷状态。

进一步，驱动机构还包括固定器10，固定器10穿过第一光杆8和第二光杆9，并且该固定器10上设置有通孔。

下面对本实用新型提供的制备电阻丝附着型纤维基人工肌肉的捻线器的工作过程作具体描述。

(1)以同手性纤维基人工肌肉制作为例，选取一段长度合适的待加工人工肌肉试样，将试样端部折成直径约为5mm的圈，用铜片将其夹紧，将其放置在第一电机2与第二电机12之间，用插销穿过插销孔和纤维端部的圈进行固定，然后选择拉伸模式，第二电机12开始向右移动，使纤维处于张紧状态后停止；

(2)将电阻丝缠绕在纤维上，并选择缠绕模式，第一电机2与第二电机12开始同向转动，此时第四电机18控制导引机构7向右缓慢移动，使电阻丝均匀紧致地缠绕在纤维上；装置在缠绕电阻丝时，试样扭转1圈，导引机构7步进1/4个螺纹，扭转时第一电机3的旋转速度可随意设置，一般为40转/分钟，这样可以精确控制电阻丝缠绕的密度；

(3)对纤维加捻，选择加捻模式，第一电机2与第二电机12开始反向旋转，直到纤维达到开始卷曲的临界值；

(4)卷绕纤维，当纤维的捻度达到某一临界值时，选择卷绕模式，此时第三电机3开始转动驱动第二电机12缓慢向左移动，使纤维缓慢缩短。当纤维缩短到某一临界值时，会自然卷绕成螺旋弹簧状，直到整段纤维完全形成螺旋线圈结构后停止装置；

(5)操作过程中，可以通过多次实验找到制备特定类型螺旋卷绕人工肌肉的最佳参数，并保存在内置的sd卡中，在制作相同规格的人工肌肉时，可以直接调用存储的参数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。