一种用于自感知扭线驱动器的复合扭线

本发明涉及柔性传感与驱动，具体涉及一种用于机器人柔性驱动的新型柔性自感知扭线驱动器。

背景技术：

1、扭线驱动器是一种新型的柔性驱动器，它能仿效自然肌肉的运动特性，将电动机的旋转运动转化为绳子的线性收缩运动。扭线驱动器是由一根或多根扭线两端分别连接直流旋转电机和负载组成，通过扭线的扭转变形产生长度方向上的收缩，从而将电机的旋转运动转化成负载的直线移动。由于扭线驱动器具有大负载、大行程、柔性、轻便、能效高、远距离驱动的优点，在仿生机器、机器人外骨骼、智能假肢、软体机器人领域有着广泛的应用前景。

2、扭线驱动器在实际应用时面临一个重大挑战：实时获得扭线驱动器收缩信号来作为精确控制其行程所需的反馈信号。通常情况下，此需求需要整合电机编码器或其他外部传感器进行闭环控制。然而，引入外部传感器不仅会增加机器人的结构复杂性，还可能增加其体积和重量。更为关键的是，这可能损害软体机器人的固有柔性，使得扭线驱动器技术在这些应用中不太适用，因此自感知扭线驱动器开始被重点关注。自感知扭线驱动器是指在没有外部传感器的情况下，通过扭线驱动器自身信号(比如：电信号)的变化来预估其输出量(收缩量或力)的大小，它能简化扭线驱动器的结构，降低成本，同时保持扭线驱动器的固有柔性。传统的扭线一般采用超高分子聚乙烯及其衍生物线、尼龙聚合物线、棉、麻线等，这些绳子具有高抗拉强度与低弯曲强度，能实现较大的负载力与较大的行程量，然而不具有自感知性能。为了实现自感知性能，专利cn114227662a公开了基于导电复合材料的自感知扭线驱动器，其虽然具备自感知能力，但其负载能力一般。对于扭线驱动器技术的未来发展，急需一种创新性解决方案，能够在不牺牲机械性能(大负载、大行程)的情况下，消除对外部传感器的依赖实现自感知，从而推动扭线驱动器在各种应用中的更广泛应用。这种解决方案将为扭线驱动器技术的发展打开新的可能性，提供一种更灵活、更高效的方式，特别是在软体机器人领域。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种用于自感知扭线驱动器的复合扭线，通过用这种复合扭线替换传统扭线，可以仅通过复合扭线电信号的变化，来获取扭线驱动器的行程，无需任何外部传感器，实现扭线驱动器行程的自感知。同时这种复合扭线又不影响扭线驱动器自身的优点，比如大负载、大行程以及固有柔性。

2、本发明为达到上述目的，采用如下技术方案：

3、本发明首先提供了一种用于自感知扭线驱动器的复合扭线，该复合扭线由柔性外管、填充在柔性外管中的导电复合材料以及沿长度方向插入在柔性外管中的大马力绝缘线组成，如图1所示。

4、所述柔性外管是具有一定的抗拉性能和较低的抗弯性能的柔性绝缘空心管。柔性外管可以杜绝内部的导电复合材料与外界接触、减少磨损，并能增强复合扭线的抗拉能力。

5、所述导电复合材料含有导电填料与聚合物基质。导电复合材料本身固有柔性，在力的作用下会产生形变，使导电复合材料中的导电填料形成的导电网络结构发生变化，导致导电复合材料的电阻的变化。其中：聚合物基质是绝缘的，它可以是各种柔性的聚合物材料。导电填料是导电的，它可以是各种类别的导电材料，如金属与非金属(包括碳系导电填料等)导电填料。

6、进一步地，所述导电复合材料可由聚合物基质与导电填料通过物理混和方法制得或通过化学方法制得。

7、进一步地，所述复合扭线中的大马力绝缘线具有较高的抗拉能力、较低的抗弯能力，这里的大马力绝缘线可以是各种棉线、麻线、棕线、尼龙线、芳纶线、塑料线与纤维线等，只要是绝缘、高抗拉、低抗弯的线都可以。

8、图2给出了不同结构的扭线驱动器，在各种结构的扭线驱动器都可以使用本发明的复合扭线。图3给出了带有中心轴的扭线驱动器实现自感知的原理。电机带动上偏置模块旋转，上偏置模块带着自感知扭线绕着中心轴螺旋盘绕，使上偏置模块与下偏置模块之间的自感知扭线逐渐变多，与负载相连的扭线缩短，从而使负载产生一个线性位移，这个位移就是扭线驱动器的行程。同时，自感知扭线绕中心轴螺旋盘绕时会发生弯曲变形，自感知扭线内部的导电复合材料也随之弯曲变形，导致其电阻发生变化，电机旋转圈数越多，负载位移越大，扭线驱动器的行程越大，同时导电复合材料的电阻变化的越大。建立扭线驱动器的行程与自感知扭线的电阻变化之间的关系，因此通过测量导电复合材料的电阻便可知道扭线驱动器的行程量，从而实现扭线驱动器的行程量的自感知功能。

9、所述大马力线具有较高的抗拉能力，负载施加到复合扭线上的拉力几乎被大马力线承受，因此基于复合扭线的扭线驱动器具有很大的负载能力，同时扭线驱动器带动较大负载运动时大马力线具有较高的抗拉能力，导致复合扭线发生很小的拉伸变形，因此扭线驱动器的行程量几乎不受影响，使其保持较高的行程量。另外导电复合材料和外管很少承受负载施加的拉力，主要承受扭线扭转时所受的弯曲力，因此，负载大小的变化几乎不影响导电复合材料的弯曲变形，也就是几乎不影响复合扭线的电阻变化，即自感知性能很少受负载影响，提升了扭线驱动器自感知性能的通用性与精确性。

10、进一步地，所述复合扭线的优选制备方法为：通过机械搅拌和超声振荡的方法将聚合物基质与导电填料均匀混和，再置于真空干燥箱里抽取真空的同时去除气泡，获得导电复合材料溶液；将大马力绝缘线穿入柔性外管中，然后通过注射器将导电复合材料溶液注入柔性外管中，并将外管的两端密封后，放入鼓风干燥箱里加热固化，得到复合扭线。本发明的复合扭线具有导电性的同时，能够分别在拉、压、弯变形下产生电阻变化。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

12、本发明提供了一种新的复合扭线，可用于替代各种结构类型的扭线驱动器中的传统扭线，使用该复合扭线的扭线驱动器在没有外部传感器的添加下，也可实时获取收缩信号，实现对行程量紧凑的闭环控制，大大简化了扭线驱动器的结构，降低了成本。同时该复合扭线不影响扭线驱动器自身的机械性能，比如大负载、大行程以及固有柔性，这使扭线驱动器驱动的仿生机器、机器人外骨骼、智能假肢、软体机器人更加轻便、灵活、紧凑和经济，扩大了扭线驱动器的实际应用。

技术特征：

1.一种用于自感知扭线驱动器的复合扭线，其特征在于：所述复合扭线由柔性外管、填充在柔性外管中的导电复合材料以及沿长度方向插入在柔性外管中的大马力绝缘线组成。

2.根据权利要求1所述的复合扭线，其特征在于：所述柔性外管为柔性绝缘空心管。

3.根据权利要求1所述的复合扭线，其特征在于：所述导电复合材料中含有导电填料与绝缘的聚合物基质。

4.根据权利要求1所述的复合扭线，其特征在于：所述大马力绝缘线为棉线、麻线、棕线、尼龙线、芳纶线、塑料线与纤维线中的至少一种。

5.一种权利要求1～4中任意一项所述复合扭线在自感知扭线驱动器中的应用。

技术总结
本发明公开了一种用于自感知扭线驱动器的复合扭线，该复合扭线由柔性外管、填充在柔性外管中的导电复合材料以及沿长度方向插入在柔性外管中的大马力绝缘线组成。本发明提供的复合扭线可用于替代各种结构类型的扭线驱动器中的传统扭线，使用该复合扭线的扭线驱动器在没有外部传感器的添加下，也可实时获取收缩信号，实现对行程量紧凑的闭环控制，大大简化了扭线驱动器的结构，降低了成本；同时该复合扭线不影响扭线驱动器自身的机械性能，比如大负载、大行程以及固有柔性。

技术研发人员：王晓杰,徐潺潺,李彬,眭翔,詹经纬,陈贵松,耿加露
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17