一种聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试装置与方法与流程

本发明属于人工肌肉技术领域，涉及一种聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试装置与方法。

背景技术

人工肌肉是一种受温度、电流影响发生伸缩或弯曲现象的材料或装置，在航天航空、机器人、生物医药等行业都有着潜在的重大应用价值。作为一种新型热致伸缩人工肌肉，聚酰胺纤维人工肌肉具有能量密度高、工艺简单、成本低、收缩率高达49％的优点，有效解决了气动人工肌肉附加气源装置、控制困难等难题，成为当前研究热点。

聚酰胺纤维人工肌肉以纤维为基本材料，并经旋转扭制成螺旋形，最终成为具有热致动响应能力的人工肌肉。制备工艺过程的温度、载荷等因素决定了人工肌肉在热驱动下的力、位响应特性。因此，聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备及定量测试可为其性能本质的深入探究提供基础平台，十分重要、关键。

目前，美国科学家c.s.haines等人在《stretchyelectronics.hierarchicallybuckledsheath-corefibersforsuperelasticelectronics,sensors,andmuscles[j]》.science,2015,349(6246):400-404.提出了一种绕线机带动纤维经定滑轮与砝码相连的聚酰胺纤维人工肌肉制备装置，但是该装置的驱动力不稳定，加热温度不确定，采用刻度尺读取人工肌肉收缩长度，数据不精确，难以保证所制备的人工肌肉的性能准确。俄罗斯科学家aleksandrn.semochkin在《adeviceforproducingartificialmusclesfromnylonfishinglinewithaheaterwire[c]》.ieeeinternationalsymposiumonassemblyandmanufacturing.ieee,2016:26-30.提出了一种电阻丝与纤维相互缠绕的装置，直接通电加热电阻丝来加热纤维，但该装置中缠绕的电阻丝会影响人工肌肉的收缩性能。

上述装置均未考虑到聚酰胺纤维人工肌肉受热轴向收缩性能的定量可控性，螺旋纤维人工肌肉的性能会受到制备过程中加热温度、载荷大小的不确定影响。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的缺陷，针对聚酰胺纤维人工肌肉制备与测试中温度、载荷力、伸缩量的定量可控难题，发明了一种聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试装置与方法。该装置采用步进电机实现聚酰胺纤维的定量可控扭转；利用电加热管均匀、定量地加热聚酰胺纤维人工肌肉，并利用热成像仪实时监测、反馈；采用力传感器实时检测聚酰胺纤维人工肌肉所受载荷力，并实时控制直线电机的推杆伺服位置实现目标载荷力输出，且避免了聚酰胺纤维人工肌肉扭曲过程中的摩擦力损耗；该装置体积小、工艺简便、能有效控制加热温度与载荷力，实现聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备与力、温度响应特性的相关测试。

本发明采用的技术方案是一种聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试装置，该装置包括实验柜1和设置于实验柜1内的加热装置i、载荷力模拟与测量装置ii、纤维人工肌肉扭曲装置iii、热成像仪支架8、热成像仪9和聚酰胺纤维7，待制备的聚酰胺纤维7两端与顶端拉环11、底部拉环17通过打结方式固定；

所述纤维人工肌肉扭曲装置iii包括步进电机15、联轴器14、步进电机安装支架16、扭曲装置防护罩10、连接轴13、顶端拉环11和顶端紧固螺母12，步进电机安装支架16安装于实验柜1的上部，其上装有步进电机15，联轴器14的一端与步进电机15的输出轴相连，另一端与连接轴13相连；顶端拉环11与连接轴13的螺纹端连接，并通过顶端紧固螺母12紧固，步进电机15通过顶端拉环11带动聚酰胺纤维7旋转扭曲；扭曲装置防护罩10将整个纤维人工肌肉扭曲装置iii罩入其中，隔离热空气，保证步进电机15工作的环境温度；

所述载荷力模拟与测量装置ii包括直线电机20、力传感器19、底部拉环17、底部紧固螺母18、风琴式防护罩5和传感器防护罩6；直线电机20安装于实验柜1的底部，直线电机20的推杆顶端与力传感器19相连，直线电机20的外侧安装有风琴式防护罩5，其一端与实验柜1的底部相连，另一端与传感器防护罩6相连；力传感器19的顶部螺纹杆与底部拉环17连接，并通过底部紧固螺母18紧固，力传感器19罩有传感器防护罩6；

所述加热装置i包括加热通道板2、电加热管4和六个风扇3，六个风扇3均布安装于实验柜1的左侧板上，电加热管4安装于实验柜1的左侧底板；加热通道板2安装在加热装置i右侧，电加热管4加热产生的高温热空气，通过风扇3经由加热通道板2对聚酰胺纤维7加热；

所述热成像仪9通过热成像仪支架8安装于实验柜1的右侧板上，热成像仪9的镜头对准聚酰胺纤维7实时检测聚酰胺纤维7的加热温度。

聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试方法，其特征是，该方法包括制备整根聚酰胺纤维扭转缠绕形成螺旋式纤维人工肌肉，实现聚酰胺纤维人工肌肉的定型；聚酰胺纤维人工肌肉的等长测试和聚酰胺纤维人工肌肉的等张测试，从而获得该人工肌肉的收缩特性与力特性；方法的具体过程如下：

1)制备聚酰胺纤维扭转缠绕形成螺旋式纤维人工肌肉

启动步进电机15、直线电机20、力传感器19，设置步进电机15的转速、直线电机20的推杆速度、载荷力；此时，步进电机15的输出轴带动聚酰胺纤维7的一端旋转运动，聚酰胺纤维7的另一端受直线电机20的推杆的运动所限只能沿竖直方向运动，因此，聚酰胺纤维7发生扭曲，不断缠绕形成螺旋式纤维人工肌肉；该过程中，力传感器19实时检测聚酰胺纤维7所受载荷力，当检测到的载荷力与设定值有偏差时，自动调节直线电机20的推杆速度控制直线电机20的推杆伺服位置，直至所测力值与设定值一致，保证恒力加载；

接着，当整根聚酰胺纤维扭转缠绕形成螺旋式纤维人工肌肉时，停止步进电机15、直线电机20的转动，保持螺旋式纤维人工肌肉的长度不变；接通电加热管4与风扇3，设置加热温度，启动热成像仪9，电加热管4产生的高温气体，通过风扇3作用，经由加热通道板2对聚酰胺纤维7进行加热，加热2min，实现聚酰胺纤维人工肌肉的定型，该过程中，热成像仪9实时检测聚酰胺纤维7的温度，当测量值与设定值存在偏差时，调节电加热管4的功率，实现恒温加热；制备过程结束，关闭热成像仪9、电加热管4与风扇3，完成恒定载荷力与加热温度下的聚酰胺纤维人工肌肉的制备。

2)聚酰胺纤维人工肌肉的等长测试

无需取下所制备的聚酰胺纤维人工肌肉，保持步进电机15与直线电机20的关闭状态，实现聚酰胺纤维人工肌肉的长度不变，进行等长测试。开启电加热管4、风扇3、力传感器19和热成像仪9，观察热成像仪9与力传感器19的数据，记录室温时聚酰胺纤维人工肌肉产生的拉力；调节电加热管4的功率，使加热温度达到30℃，观察力传感器19的数据，当数据稳定时记录此时加热温度下的聚酰胺纤维人工肌肉产生的拉力；重复上一步骤，调节电加热管4的功率，使加热温度依次上升10℃，依次记录各加热温度下聚酰胺纤维人工肌肉产生的拉力值，直至加热温度达到120℃，测试停止，关闭电加热管4、风扇3、力传感器19和热成像仪9，完成人工肌肉的等长测试，获得聚酰胺纤维人工肌肉热致动下的力特性。

3)聚酰胺纤维人工肌肉的等张测试

当聚酰胺纤维人工肌肉冷却到室温时，启动直线电机20和力传感器19，调整直线电机20的推杆伸长距离拉紧聚酰胺纤维人工肌肉，设置拉力，当力传感器19测量值达到设定值时，停止直线电机20的推杆移动，进行等张测试。开启热成像仪9，记录此时室温时推杆的移动距离；开启电加热管4和风扇3，调节电加热管4的功率，使加热温度达到30℃，启动直线电机20，调整推杆伸长距离拉紧聚酰胺纤维人工肌肉，直至力传感器19测量值达到设定值，停止直线电机20的推杆移动，记录此加热温度下的推杆的移动距离；重复上一步骤，调节电加热管4的功率，使加热温度依次上升10℃，依次记录各加热温度下推杆的移动距离，直至加热温度达到120℃，测试停止；关闭电加热管4、风扇3、直线电机20、力传感器19和热成像仪9，完成人工肌肉等张测试；根据推杆的移动距离值计算各加热温度下人工肌肉的收缩率，获得聚酰胺纤维人工肌肉热致动下的收缩特性；测试结束后，关闭电源开关，最终获得该人工肌肉的收缩特性与力特性。

本发明的有益效果是，聚酰胺纤维一端与纤维人工肌肉扭曲装置相连只能扭转运动，另一端与载荷力模拟与测量装置相连，只能进行竖直方向的直线运动而无法旋转。聚酰胺纤维人工肌肉的制备过程无摩擦，能量损耗小；力传感器实时测量聚酰胺纤维所受载荷力，通过控制直线电机的推杆伺服位置从而实现载荷力恒定输出。热成像仪实时检测聚酰胺纤维的温度，通过调节电加热管的功率调节加热温度实现聚酰胺纤维加热温度的可控。本装置体积小、操作简便，能有效制备指定载荷力与加热温度下的聚酰胺纤维人工肌肉，并能通过人工肌肉的等长收缩原理和等张收缩原理，分别在恒定长度和力条件下对聚酰胺纤维人工肌肉的收缩性能、应力性能进行测试，获得热致动下的力、位响应特性，测量结果准确可靠。本装置实现了制备-测量一体化，无需卸下聚酰胺纤维人工肌肉，便能完成从聚酰胺纤维到人工肌肉的定量制备与聚酰胺纤维人工肌肉的性能测试，方便快捷。

附图说明

附图1为聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备与测试装置的结构示意图，其中：1-实验柜，2-加热通道板，3-风扇，4-电加热管，5-风琴式防护罩，6-传感器防护罩，7-聚酰胺纤维，8-热成像仪支架，9-热成像仪，10-扭曲装置防护罩，i-加热装置，ii-载荷力模拟与测量装置，iii-纤维人工肌肉扭曲装置。

附图2为纤维人工肌肉扭曲装置iii的结构示意图，其中：11-顶端拉环，12-顶端紧固螺母，13-连接轴，14-联轴器，15-步进电机，16-步进电机安装支架。

附图3为载荷力模拟与测量装置ii的结构示意图，其中，17-底部拉环，18-底部紧固螺母，19-力传感器，20-直线电机。

附图4是聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备流程图。

附图5是聚酰胺纤维人工肌肉的等长测试流程图。

附图6是聚酰胺纤维人工肌肉的等张测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明做进一步的详细说明。

本实施例中选用的实验柜1为木柜，步进电机15为86闭环高速步进电机，扭矩为4.5nm，带编码器。直线电机20的推杆行程为400mm，采用的聚酰胺纤维7的长度为500mm。步进电机15的转速为400rpm，直线电机20的推杆速度为10mm/s，载荷力为10n。

本发明的定量制备测试装置包括实验柜1和设置于实验柜1内的加热装置i、载荷力模拟与测量装置ii、纤维人工肌肉扭曲装置iii、安装在热成像仪支架8上的热成像仪9和聚酰胺纤维7，如图1所示。其中待制备的聚酰胺纤维7两端通过打结方式与顶端拉环11、底部拉环17固定连接。

所述加热装置i包括加热通道板2、电加热管4和六个风扇3，六个风扇3均布地安装于实验柜1的左侧板上，电加热管4安装于实验柜1的左侧底板与六个风扇3相对，加热通道板2安装在加热装置i右侧，加热通道板2与实验柜1相连，电加热管4加热产生的高温热空气可以通过加热通道板2对聚酰胺纤维7进行加热。

所述纤维人工肌肉扭曲装置iii包括步进电机15、联轴器14、步进电机安装支架16、扭曲装置防护罩10、连接轴13、顶端拉环11和顶端紧固螺母12，装有步进电机15的步进电机安装支架16安装于实验柜1的上部。联轴器14的一端与步进电机15的输出轴相连，另一端与连接轴13相连。顶端拉环11与连接轴13的螺纹端连接，并通过顶端紧固螺母12紧固。步进电机15通过顶端拉环11带动聚酰胺纤维7旋转扭曲，扭曲装置防护罩10将整个纤维人工肌肉扭曲装置iii罩入其中，隔离热空气，保证步进电机15工作的环境温度，如图2所示。

所述载荷力模拟与测量装置ii包括直线电机20、力传感器19、底部拉环17、底部紧固螺母18、风琴式防护罩5和传感器防护罩6，直线电机20安装在实验柜1的底部，直线电机20的推杆顶端与力传感器19相连，直线电机20外侧安装有风琴式防护罩5，其一端与实验柜1的底部相连，另一端与传感器防护罩6相连。力传感器19的顶部螺纹杆与底部拉环17连接，并通过底部紧固螺母18紧固，力传感器19罩有传感器防护罩6，如图3所示。

所述热成像仪9通过热成像仪支架8安装于实验柜1的右侧板，热成像仪9的镜头对准聚酰胺纤维7，实现加热温度的检测。

首先，将聚酰胺纤维7两端分别与顶端拉环11、底部拉环17通过打结方式固定，将顶端拉环11与连接轴13的螺纹端连接，并将底部拉环17与力传感器19的顶部螺纹杆连接，将聚酰胺纤维7两端固定拉紧，完成聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备与测试装置的安装；

聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试方法，其特征是，该方法包括制备整根聚酰胺纤维扭转缠绕形成螺旋式纤维人工肌肉，实现聚酰胺纤维人工肌肉的定型；聚酰胺纤维人工肌肉的等长测试和聚酰胺纤维人工肌肉的等张测试，获得该人工肌肉的收缩特性与力特性；方法的具体过程如下：

本发明的聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备测试流程图如图4所示，具体的过程如下：

启动步进电机15、直线电机20、力传感器19，设置步进电机15的转速为400rpm，直线电机20的推杆速度为10mm/s，载荷力为10n，此时，步进电机15的输出轴带动聚酰胺纤维7的一端旋转运动，聚酰胺纤维7的另一端受直线电机20的推杆的运动所限只能沿竖直方向运动，因此，聚酰胺纤维7发生扭曲，不断缠绕形成螺旋式纤维人工肌肉；该过程中，力传感器19实时检测聚酰胺纤维7所受载荷力，当检测到的载荷力与设定值有偏差时，自动调节直线电机20的推杆速度控制直线电机20的推杆伺服位置，直至所测力值与设定值一致，保证恒力加载；

接着，当整根聚酰胺纤维扭转缠绕形成螺旋式纤维人工肌肉时，停止步进电机15、直线电机20的转动，保持螺旋式纤维人工肌肉的长度不变；接通电加热管4与风扇3，设置加热温度为80℃，启动热成像仪9，电加热管4产生的高温气体，通过风扇3作用，经由加热通道板2对聚酰胺纤维7进行加热，加热2min，实现聚酰胺纤维人工肌肉的定型，该过程中，热成像仪9实时检测聚酰胺纤维7的温度，当测量值与设定值存在偏差时，调节电加热管4的功率，实现恒温加热；制备过程结束，关闭热成像仪9、电加热管4与风扇3，完成恒定载荷力与加热温度下的聚酰胺纤维人工肌肉的制备。

图5是聚酰胺纤维人工肌肉的等长测试流程图，具体测试过程如下：

无需取下所制备的聚酰胺纤维人工肌肉，保持步进电机15与直线电机20的关闭状态，实现聚酰胺纤维人工肌肉的长度不变，进行等长实验。开启电加热管4、风扇3、力传感器19和热成像仪9，观察热成像仪9与力传感器19的数据，记录室温时聚酰胺纤维人工肌肉产生的拉力；调节电加热管4的功率，使加热温度达到30℃，观察力传感器19的数据，当数据稳定时记录此时加热温度下的聚酰胺纤维人工肌肉产生的拉力；重复上一步骤，调节电加热管4的功率，使加热温度依次上升10℃，依次记录各加热温度下聚酰胺纤维人工肌肉产生的拉力值，直至加热温度达到120℃，实验停止，关闭电加热管4、风扇3、力传感器19和热成像仪9，完成人工肌肉的等长测试，获得聚酰胺纤维人工肌肉热致动下的力特性。

附图6是聚酰胺纤维人工肌肉的等张测试流程图，具体过程如下：

当聚酰胺纤维人工肌肉冷却到室温时，启动直线电机20和力传感器19，调整直线电机20的推杆伸长距离拉紧聚酰胺纤维人工肌肉，设置拉力为2n，当力传感器19测量值达到设定值时，停止直线电机20的推杆移动，进行等张实验。开启热成像仪9，记录此时室温时推杆的移动距离；开启电加热管4和风扇3，调节电加热管4的功率，使加热温度达到30℃，启动直线电机20，调整推杆伸长距离拉紧聚酰胺纤维人工肌肉，直至力传感器19测量值达到设定值，停止直线电机20的推杆移动，记录此加热温度下的推杆的移动距离；重复上一步骤，调节电加热管4的功率，使加热温度依次上升10℃，依次记录各加热温度下推杆的移动距离，直至加热温度达到120℃，实验停止，关闭电加热管4、风扇3、直线电机20、力传感器19和热成像仪9，完成人工肌肉等张实验；根据推杆的移动距离值计算各加热温度下人工肌肉的收缩率，获得聚酰胺纤维人工肌肉热致动下的收缩特性。实验结束后，关闭电源开关，最后即可收集到定量制备的聚酰胺纤维人工肌肉，并获得该人工肌肉的收缩特性与力特性。

本发明聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备与测试装置，可实现指定载荷力和加热温度下的聚酰胺纤维人工肌肉的定量制备，制备过程中，摩擦小，能量损耗少，能准确测量聚酰胺纤维人工肌肉的拉力与收缩距离。本装置是制备-测量一体化装置，无需拆卸聚酰胺纤维人工肌肉，即可实现人工肌肉等长与等张测试，准确测量聚酰胺纤维人工肌肉在热致动下的力、位响应特性，操作简便，体积小，测试方法实用有效。