本发明专利技术属于实验测试技术，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。本发明专利技术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，该发明专利技术装置简单，可用于测试人工肌肉的变刚度性能。人工肌肉的变刚度性能。人工肌肉的变刚度性能。
【技术实现步骤摘要】
一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置和方法
[0001]本专利技术属于实验测试技术，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。
技术介绍
[0002]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。
技术实现思路
[0003]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。本专利技术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。
[0004]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0005]电热驱动人工肌肉刚度测试装置，如图1所示：
[0006]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；
[0007]人工肌肉两端分别通过导线与电源的正负极连接。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置，如图2所示：
[0012]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。
[0013]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。
[0014]本专利技术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。
[0015]其中导电尼龙纤维人工肌肉电热刺激的测试方法，见如下步骤，
[0016]步骤一，导电尼龙纤维人工肌肉制备，将直径为0.128mm的尼龙纤维通过电机装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构。之后在螺旋卷绕型结构的尼龙纤维反向缠绕直径为0.01mm的细铜丝，使尼龙纤维能够导电。
[0017]步骤二，导电尼龙纤维人工肌肉的固定、安装、预拉伸及力学性能测试，利用压力及位移检测装置可以实现导电尼龙纤维人工肌肉在不同预拉伸条件下，测量收缩应力的变化，具体测试步骤如下：
[0018]1.将导电尼龙纤维人工肌肉两端分别用导线连接电源正负极(如图1所示)，导电尼龙纤维人工肌肉顶端固定于电热刺激人工肌肉夹具，导电尼龙纤维人工肌肉底端通过固定件与底座相连。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上，滑台随着丝杠的转动而直线移动。
[0019]2.保持导电尼龙纤维人工肌肉处于竖直状态，通过步进电机设定导电尼龙纤维人工肌肉的预拉伸值。
[0020]3.将导电尼龙纤维人工肌肉两端接通电源，并用1V直流电压通电3分钟进行预加热。之后通过改变输入方波电压的频率和幅值，测试导电尼龙纤维人工肌肉的应力随时间的变化曲线。
[0021]步骤三，改变不同预拉伸值，重复上述步骤，绘制应力变化曲线。
[0022]碳纳米管纤维人工肌肉在电化学刺激下的应力测试方法，见如下步骤：
[0023]步骤一，碳纳米管纤维人工肌肉的制备，从碳纳米管阵列中抽取薄膜，再通过加捻装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构的碳纳米管纤维人工肌肉。
[0024]步骤二，搭建三电极电化学系统，将碳纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，如图2所示。
[0025]步骤三，碳纳米管纤维人工肌肉的固定、安装、预拉伸及力学性能测试，具体步骤如下：
[0026]1、更换电化学刺激人工肌肉夹具，将碳纳米管纤维人工肌肉顶端通过电化学刺激人工肌肉夹具固定，底端通过支撑座与烧杯底面固定。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相连，再用螺栓连接将悬臂梁微力传感器固定在滑台上；由碳
纳米管纤维人工肌肉作为工作电极，Pt网电极作为对电极以及Ag/AgCl电极作为参比电极，组成三电极电化学系统。
[0027]2、设定预拉伸值，控制电机旋转使纤维人工肌肉顶端到指定位置。光栅尺反馈预拉伸值，检测是否与设定预拉伸相同，如果不同则调整步进电机再次进行预拉伸。
[0028]3、开始试验，使用Gamry电化学工作站采用循环伏安扫描法对上述三电极电化学系统施加锯齿波和方波电势，电解液采用0.2M TBA
·
PF6/DSMO有机电解液，测量该设定预拉伸值下碳纳米管纤维人工肌肉的应力变化，绘制应力变化曲线。
[0029]步骤四，改变不同预拉伸值以及不同扫描速率和频率，重复上述步骤。
[0030]本专利技术提出了一种新型的人工肌肉变刚度的测试方法，现有的测试方法中只对人工肌肉的收缩率变化进行测试：即在固定负载下，人工肌肉受到外界不同刺激时，长度会变短，而刚度变化需要长度保持不变，因此这就会忽略掉对人工肌肉的刚度变化的测试。本专利技术方法可以通过简单的装置搭建，实现在电热和电化学两种刺激下，固定人工肌肉的长度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置，其特征在于，所述变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置包括电源、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；当作为电热驱动人工肌肉刚度测试装置时，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的应力变化；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；当作为三电极电化学驱动人工肌肉刚度测试装置时，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。2.如权利要求1所述的一种变刚度双模式输出的人工肌肉的测试装置，其特征在于，采用的步进电机的步距角为0.9
°
，电机旋转一周需要400个脉冲，丝杠螺距为0.2mm。3.利用如权利要求1所述的装置对导电尼龙纤维人工肌肉电热刺激的测试方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，导电尼龙纤维人工肌肉制备，将直径为0.128mm的尼龙纤维通过电机装置进行加捻获得螺旋卷绕型结构，之后在螺旋卷绕型结构的尼龙纤维反向缠绕直径为0.01mm的细铜丝，使尼龙纤维能够导电；步骤二，利用压力及位移检测装置实现导电尼龙纤维...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡兴好，丁建宁，程广贵，王一伦，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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