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人造肌肉_

作者:admin 发布:2018-10-11 01:57 | 点击数:
电活性聚合物(EAP)是可以通过施加电场来致动的聚合物。目前,最突出的EAP包括压电聚合物,介电致动器(DEA),电致伸缩接枝弹性体,液晶弹性体(LCE)和铁电聚合物。虽然这些EAP可以弯曲,但它们扭矩运动的低能力限制了它​​们作为人造肌肉的有用性。而且,如果没有公认的用于创建EAP设备的标准材料,商业化仍然不切实际。然而,自20世纪90年代以来,EAP技术取得了重大进展[8]。 研究人员测量人造肌肉的速度,能量密度,功率和效率;没有一种人造肌肉在所有领域都是最好的。[7] 单独的大分子与市售聚合物纤维中的纤维排列在一起。通过将它们卷成线圈,研究人员制造人造肌肉,其速度与人体肌肉类似。[14] 气动人造肌肉(PAM)通过用压缩空气填充气囊来操作。在向气囊施加气压时,发生各向同性的体积膨胀,但被围绕气囊的编织线限制,将体积膨胀转化为沿致动器轴线的线性收缩。 PAM可以通过其操作和设计进行分类;即PAM具有气动或液压操作,超压或负压操作,编织/网状或嵌入式膜以及拉伸膜或重新布置膜。当今最常用的PAM之一是一种圆柱形编织肌肉,称为McKibben肌肉,最初由J.L.McKibben于20世纪50年代开发[10]。 人造肌肉根据其驱动机制可分为三大类[1] 虽然没有允许比较执行器的一般理论,但人造肌肉技术存在“功率标准”,与自然肌肉特性相比,允许规定新的执行器技术。总之,标准包括应力,应变,应变率,循环寿命和弹性模量。一些作者已经考虑了其他标准(Huber等,1997),例如致动器密度和应变分辨率[5]。截至2014年,现有最强大的人造肌纤维可以提供比同等长度的天然肌纤维增加百倍的力量[6]。 与大多数材料不同,一种(未扭曲的)聚合物纤维,如聚乙烯钓鱼线或尼龙缝纫线,当温度升高250K时,加热至约4%时会缩短。通过加捻光纤并将缠绕的光纤缠绕成线圈,加热会使线圈收紧并缩短高达49%。研究人员发现另一种卷绕线圈的方式,使得加热使线圈延长69%。[15] 离子EAP是可以通过离子在电解质溶液中的扩散(除了电场的应用)而被致动的聚合物。离子电活性聚合物的当前实例包括聚电极凝胶,离聚物聚合物金属复合物(IPMC),导电聚合物和电流变流体(ERF)。 2011年,已经证明扭曲的碳纳米管也可以通过施加电场来启动。[9] 与传统的刚性致动器相比,由于其高灵活性,多功能性和功率重量比,人造肌肉有可能成为高度颠覆性的新兴技术。虽然目前使用有限,但该技术可能在工业,医学,机器人等许多领域具有广泛的应用。[2] [3] [4] 这三种类型的人造肌肉具有不同的约束条件,这些约束条件会影响其驱动所需的控制系统类型。然而,重要的是要注意,控制系统通常设计为符合给定实验的规格,一些实验要求组合使用各种不同的执行器或混合控制方案。因此,下面的例子不应被视为可用于驱动给定人造肌肉的各种控制系统的详尽列表。 该执行器由一个外部膜片和一个内部柔性膜片组成,内部柔性膜片将肌肉内部分成两部分。肌腱固定在膜上,并通过套管离开肌肉,使肌腱收缩到肌肉中。一个管允许空气进入内部气囊,然后滚到外部气囊中。这种气动肌肉的关键优势在于,气囊不会与外套筒发生可能的摩擦运动。 与传统的执行器相比,EAP的重量更轻,反应更快,功率密度更高,运行更安静。电气和离子EAP主要是使用反馈控制回路进行控制的,更为人熟知的是闭环控制系统[20]。 气动人造肌肉虽然重量轻且价格低廉,但由于其非常非线性且具有温度等随时间显着波动的特性,因此造成特别难控制的问题。 PAM通常由橡胶和塑料组成。由于这些部件在启动过程中彼此接触,PAM的温度会升高,最终会导致人造肌肉结构随着时间的推移发生永久变化。这个问题导致了各种各样的实验方法。 Ahn等人),可行的实验控制系统包括PID控制,自适应控制(Lilly,2003),非线性最优预测控制(Reynolds等人,2003),变结构控制(Repperger等人,1998; Medrano-Cerda等人(Hesselroth等人,1994),神经网络/非线性PID控制(Ahn和Thanh,2005)等多种软计算方法,包括神经网络Kohonen训练算法控制(Hesselroth等,1994) )和神经模糊/遗传控制(Chan等,2003; Lilly等,2003)。 通常,这个问题需要应用开环补偿或闭环反馈控制。关于开环控制,Preisach模型经常被用于简单的结构和简单的模拟和控制能力(Hughes和Wen,1995)。对于闭环控制,已经使用了基于无源性的方法来分析SMA闭环稳定性(Madill和Wen,1994)。 Wen等人的研究提供了闭环反馈控制的另一个例子,通过将力反馈控制和位置控制结合在由SMA制成的柔性铝梁上来证明SMA应用中的闭环控制的稳定性镍钛诺。[22] 基于钓鱼线的人造肌肉已经比形状记忆合金或碳纳米管纱线花费少数量级(每磅);但目前效率相对较差。[7] SMA人造肌肉虽然重量轻且适用于需要较大力量和位移的应用,但也存在特定的控制难题;即SMA人造肌肉受其迟滞输入输出关系和带宽限制的限制。正如温等人。讨论,SMA相变现象是“滞后的”,因为产生的输出SMA股依赖于其热输入的历史。至于带宽限制,由于热传递到SMA人造肌所需的时间量,SMA滞后相变期间SMA致动器的动态响应非常缓慢。由于SMA应用作为静态设备的假设,关于SMA控制的研究很少;尽管如此,已经测试了多种控制方法来解决滞后非线性的控制问题。 人造肌肉技术在仿生机器中具有广泛的潜在应用,包括机器人,工业致动器和动力外骨骼。基于EAP的人造肌肉结合了轻量化,低功耗要求,适应运动和操控的灵活性和灵活性[2]。未来的EAP设备将在航空航天,汽车工业,医学,机器人,铰接机构,娱乐,动画,玩具,服装,触觉和触觉界面,噪声控制,传感器,发电机和智能结构等领域得到应用。 由普通钓鱼线和缝纫线构成的人造肌肉可以提升100倍的重量,并且比相同长度和重量的人类肌肉产生100倍的动力[11] [12] [13]。 关于高度非线性系统的控制问题一般通过试错法来解决,通过这种方法,系统行为能力的“模糊模型”(Chan et al。,2003)可以被剔除(从实验结果可以看出但是,一些研究采用了“实际数据”(Nelles O.,2000)来训练给定模糊模型的准确性,同时避免了先前模型的数学复杂性。等人的实验仅仅是最近一些使用改进的遗传算法(MGAs)用来自PAM机器人手臂的实验输入输出数据来训练模糊模型的实验的例子[21]。 由扭曲的碳纳米管填充石蜡组成的微小人造肌肉比人体肌肉强200倍[16]。 人造肌肉是一种通用术语,由于外部刺激(如电压,电流,压力或温度),可用于材料或设备的可逆性收缩,展开或旋转。三种基本的驱动响应 - 收缩,膨胀和旋转 - 可以在单个部件内组合在一起以产生其他类型的运动(例如弯曲,通过收缩材料的一侧而扩展另一侧)。常规电动机和气动线性或旋转致动器不具备人造肌肉的资格,因为在致动中涉及多于一个部件。 形状记忆合金(SMA),液晶弹性体和金属合金可以变形然后在受热时恢复到其原始形状,可以用作人造肌肉。基于热敏致动器的人造肌肉具有耐热性,耐冲击性,低密度,高疲劳强度和在形状变化期间产生的大的力。 2012年,基于肌肉导电性扭曲结构内次要材料的热膨胀,展示了一类称为“加捻纱线致动器”的新型电场激活,无电解质人造肌肉[1] [17]。也已经证明,卷绕的二氧化钒带可以在200,000rpm的峰值扭转速度下扭曲和解开扭曲。[18] 与传统的气压缸相比,气动人造肌肉还具有更大的灵活性,可控性和轻便性[23]。大多数PAM应用涉及使用McKibben样肌肉[23]。诸如SMA之类的热致动器具有各种军事,医疗,安全和机器人应用,并且还可用于通过机械形状变化产生能量。[24] 目前有两种类型的气动人造肌肉(PAM)。第一种类型有一个由编织套包围的单个气囊,第二种类型具有双气囊。 热激活人造肌肉的一种应用是自动打开和关闭窗户,在不使用任何动力的情况下响应温度[14]。

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