一种仿生机器人运动系统及其应用

本发明涉及一种仿生机器人运动系统及其应用，属于纺织材料与机械。

背景技术：

1、暖体假人诞生于上世纪四十年代，是由美国陆军装备实验室开发的，用于军用纺织品的性能测试，经过了近百年的研究，国内外已经制作了100多种实验用暖体假人，从刚开始的只能发热，到发热并且能活动，最终到发热出汗并且能够自由活动，暖体假人的功能及特征越来越贴近与真实人体，通常用于测试日常穿着服装的舒适性能。此外，也用于极端环境下特定服装的舒适性能，如航天服、防火服、救生衣等用于防御物理、化学和生物等外界因素伤害人体的服装，暖体假人法测试相较于真人测试更具有客观性、可重复性、再现性等优点，可快速客观准确的得到服装的一系列性能参数，又使得试验人员免于伤害，因暖体假人具有与人类相似的外形和测试结果的可靠性成为了服装舒适性测试的首选。

2、然而，现有技术中制备暖体假人的材料结构复杂的缘故市场价极其昂贵，动辄上百万，且很少有暖体假人能够对外界环境变化做出相应的响应，因此暖体假人有望朝着更智能的方向发展，缩小与人体真实情况的差异，更好地模拟人体穿着服装的实际情况，测试结果才能更具可信性。

3、因此，本领域亟需一种简便、高效、低成本、易集成的性能，具有感知功能和驱动功能的智能材料得到的机器人运动系统，使其可以应用于暖体假人。

技术实现思路

1、本发明的目的是为解决现有技术中仿生机器人使用的材料昂贵、驱动系统不敏捷的问题。

2、为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种仿生机器人运动系统及其应用。

3、本发明的第一方面，提供了一种仿生机器人运动系统，包括由树脂材料、陶瓷材料、金属材料、玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料或碳纤维/环氧树脂复合材料制成的硬质单元，硬质单元外周设有卡槽接口，硬质单元通过卡槽接口与驱动系统连接，驱动系统包括采用导电材料制作的弹性气囊，弹性气囊相对的两侧的内壁固定有表面包裹介电弹性材料的由弹性材料制成的弹性几何体，弹性气囊外表面通电。

4、优选地，所述的树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂或聚碳酸酯。

5、优选地，所述的硬质单元内部包括由高强高模的纺织复合材料制成的增强体骨架。

6、进一步优选地，所述的骨架结构选自非织造毡结构、无捻或弱捻的稀疏机织物结构、无捻或弱捻的稀疏针织物结构或无捻或弱捻的稀疏编织物结构。

7、进一步优选地，所述的纺织复合材料选自无机纤维、高性能纤维或树脂，无机纤维进一步优选为玻璃纤维，高性能纤维进一步优选为碳纤维和/或芳纶纤维。

8、优选地，所述的介电弹性材料选自硅橡胶、丙烯酸、聚氨酯、丁腈橡胶。

9、优选地，所述的几何体选自球体。

10、优选地，所述的弹性材料选自聚氨酯、硅胶或橡胶。

11、优选地，所述的弹性气囊为圆柱体。

12、优选地，所述的弹性气囊的充气量可以根据需要调节。

13、优选地，所述的弹性气囊的导电材料选自填充有碳黑、碳纳米管、石墨烯的橡胶或尼龙。

14、优选地，所述的卡槽接口为制备硬质单元时预制的旋转卡扣。

15、本发明的第二方面，提供了一种仿生机器人运动系统，包括由树脂材料制成的硬质单元，硬质单元外周设有卡槽接口，用于外接具有同样卡槽接口尺寸的外部单元，硬质单元通过卡槽接口与驱动系统连接，驱动系统包括采用导电材料制作的弹性气囊，弹性气囊相对的两侧的内壁固定有表面包裹磁性材料和/或介电弹性材料的由弹性材料制成的弹性几何体，弹性气囊外表面相对的两端设有通电的导线圈。

16、优选地，所述的树脂选自环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂或聚碳酸酯。

17、优选地，所述的硬质单元内部包括由高强高模的纺织复合材料制成的增强体骨架。

18、进一步优选地，所述的骨架的结构选自非织造毡结构、无捻或弱捻的稀疏机织物结构、无捻或弱捻的稀疏针织物结构或无捻或弱捻的稀疏编织物结构。

19、进一步优选地，所述的纺织复合材料选自无机纤维、高性能纤维或树脂，无机纤维进一步优选为玻璃纤维，高性能纤维进一步优选为碳纤维和/或芳纶纤维。

20、优选地，所述的磁性材料选自铁氧体磁铁和/或钕铁硼磁体，所述的介电弹性材料选自硅橡胶、丙烯酸、聚氨酯或丁腈橡胶。

21、优选地，所述的几何体选自球体。

22、优选地，所述的弹性材料选自聚氨酯、硅胶或橡胶。

23、优选地，所述的弹性气囊为圆柱体。

24、优选地，所述的弹性气囊的充气量可以根据需要调节。

25、优选地，所述的弹性气囊的导电材料选自填充碳黑、碳纳米管、石墨烯等导电材料的橡胶或尼龙。

26、优选地，所述的卡槽接口为制备硬质单元时预制的旋转卡扣。

27、本发明的第三方面，提供了一种使用上述仿生机器人运动系统的暖体假人，包括上述的硬质单元，硬质单元外依次包覆产热产湿弹性单元、上述的驱动系统、防水透湿功能感应单元和外部单元。

28、优选地，所述的产热产湿弹性单元的结构包括纤维基人工肌肉，纤维基人工肌肉外周缠绕表面刻有微孔具有防水透湿功能的输水软管，输水软管上方设有加热电阻丝，所述的微孔的孔隙直径介于水滴和气态水分子尺寸之间，具有防水透湿性能。

29、进一步优选地，所述的加热电阻丝加热温度范围可调为10℃-45℃；

30、优选地，所述的防水透湿功能感应单元包括多孔防水透湿织物基底及设置在该基底上的集成的多功能传感器，所述的多功能传感器更优选为温度传感器、湿度传感器、感知所述的驱动系统的张力传感器和紫外线传感器中的一种或多种，进一步优选为感知所述的驱动系统的张力传感器。

31、本发明的第四方面，提供了一种上述的暖体假人的应用方法，包括如下步骤：

32、步骤1：向所述的驱动系统中的弹性气囊通电并调整电流，使内部球体膨胀或收缩；

33、步骤2：向所述的驱动系统中的弹性气囊中充气或放气，使弹性气囊膨胀或收缩；

34、步骤3：步骤1、步骤2中的膨胀或收缩带动所述的产热产湿弹性单元的纤维基人工肌肉拉伸或收缩；

35、步骤4：打开所述的产热产湿弹性单元的加热电阻丝，使所述的输水软管中的水受热蒸发；

36、步骤5：步骤3中的人工肌肉拉伸或收缩驱动防水透湿功能感应单元上的多孔防水透湿织物基底发生伸缩运动；

37、步骤6：步骤5中的多孔防水透湿织物基底带动外部单元自由弯曲或扭转；

38、步骤7：所述的防水透湿功能感应单元中的多功能传感器感知上述的弯曲或扭转形变、热量及湿度，输出感知信号。

39、优选地，所述的应用方法还包括根据步骤7所述的感知信号对所述的外部单元进行驱动。

40、优选地，所述的步骤1中球体膨胀后的等效直径为初始球体等效直径的1倍-3倍，进一步优选为等效直径；

41、优选地，所述的步骤2中弹性气囊膨胀后的等效直径为初始弹性气囊等效直径的3倍-10倍，进一步优选为等效直径。

42、优选地，所述的步骤4中加热电阻丝加热温度范围可调为10℃-45℃。

43、优选地，所述的步骤4中水蒸气的蒸发速度范围可调为500-5000g/m2/24h。

44、优选地，所述的纤维基人工肌肉由高拉伸模量和低剪切刚度的碳纤维机织物构成。

45、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

46、1、本发明提供了制作一种纺织基可扩展型仿生功能集成智能材料的技术，该智能材料通过集成的方式配合而成，具有与人体特定部位相似的功能及特点，例如可运动、可感知外部环境变化、智能响应等特点，且配置有螺纹卡槽接口可以外接外部单元进行扩展，运用灵活方便。

47、2、本发明涉及的技术简单易懂，组装简单，能够模拟人体受到外部环境刺激时而做出智能响应的功能，此外、因驱动系统的存在，这种响应动作更快速，这是现有暖体假人无法达到的效果，也为暖体假人的智能性发展提供了思路与研究方向。

48、3、本发明所涉及到的组件是由纺织基材料组成，所用到的纺织材料在市场上很容易买到，而且价格低廉，可替代材料多，为后续维修提供便利，用于暖体假人的制作可解决制作成本高昂的问题，为企业或学校购入相关测试机器提供可能。