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吉林大学国际团队用渔线成功研发强大人工肌肉(2)
　　&超高端&
　　可制成既能调节温度、又力大无穷的衣物
　　&新型人工肌肉的收缩性能、受重能力，以及转速，都是此前研究的记忆金属和碳纳米管无法达到的。&鲍克曼教授认为，新型聚合物肌肉的应用空间是 无比巨大的。&肌肉可用于需要超人力量的地方，如机器人及可穿戴的外骨骼。&目前，最先进的机器人、义肢及可穿戴的外骨骼，一直受限于马达和液压系统的大 小、重量、功率及工作容量等限制，新型人工肌肉的问世，可以有效地解决这些问题。
　　新型人工肌肉也可以使老年人的机器人伴侣的面部表情栩栩如生，也可使微创显微手术机器人更加灵活，还可以驱动微型芯片。主要研究者卡特&海恩斯 说，研究组已经尝试用这种肌肉制成了随温度变化、孔隙可以可逆地打开和关闭的织布，&这使未来制造舒适的温度调节服成为可能。&不仅如此，徐秀茹设想，由 新型人工肌肉材料制成的衣物，可以承载相当大的重量，堪比超人的外衣。
　　&这种新型肌肉将来还有望用于航天航空、军事、工农业、医学、科技等多种行业及领域，例如：在军事上用于自动攻击及打击装置，民事和工业上用于自动温控阀门，医学上用于新型人工心脏等，为人类的各种活动的深入研究创造了新的可能性。&王策教授说。
　　新文化网 （赵实）
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长春城市网() ,物理所碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器研究取得进展----中国科学院
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物理所碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器研究取得进展
文章来源：物理研究所
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【字号：】
碳纳米管自上世纪九十年代初发现以来，一直是人们研究的热点。各种类型的碳纳米管及其宏观聚集体陆续被报道，其优异的力学、电学性能也不断地被挖掘，用以制备高性能的多功能纳米复合材料、超级电容器及致动器等。
中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组，多年来一直致力于各种纳米材料的研究。近年来他们又在碳纳米管宏观薄膜及其复合材料的制备、性能及应用研究方面取得了系列进展。他们利用CVD方法制备出了宏观尺度的碳纳米管薄膜及纤维（Nano. Lett. 07, Adv. Mater. 3），并利用这种连续的力电传递载体制备了高性能的新型碳纳米管复合纤维（Nano. Lett. 55）、复合薄膜（Nanoscale 31）及卷绕式电化学超级电容器（Energy Environ. Sci. 40）。最近，在以上工作的基础上，该研究组解思深院士指导的博士生李金柱等人又在碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器制备及性能研究方面取得了新进展。
很多材料在光、电、热、磁等激励下会产生弯曲、伸缩等类似自然肌肉的力学形变，被称为智能材料或人工肌肉，可广泛用于仿生机器人、开关、传感器等。传统的智能材料包括压电陶瓷材料、记忆合金等，很多新型的聚合物材料也有类似的性能，但却拥有更小的密度，更低的价格。其中，离子型电致动聚合物是一种能将电能直接转化成机械能的材料，包括导电聚合物、碳纳米管、离子聚合物凝胶等，其致动原理是外电场驱动下离子的迁移和聚集导致的不均匀体积形变。其工作电压通常只有几个伏特，这使得它们成为轻质仿生系统运动部件的首选材料。但是离子迁移通常需要在溶液中进行，并且需要克服阻力做功，所以使得这种电致动器件响应较慢（秒至分钟）、频率使用范围很窄（通常小于1 Hz）、力学输出能力也相对较弱。
针对这些难题，研究人员采用连续的碳纳米管薄膜作为电极层及力学增强体，用灌注了离子液体的天然聚合物凝胶作为电解质层，热压组装成三明治结构的电致动聚合物器件。对这样的悬臂梁式器件两电极层间施加一个交流电场，它就会发生快速的往复摆动。与之前的离子型聚合物致动器相比，这种新型致动器可以长期稳定地工作在空气环境中，其电力学性能也有着一到两个数量级的进步，如超快的电力学响应（18毫秒）、相当宽的频率使用范围（几十至上百Hz）以及惊人的力学输出能力（1080 MPa/s, 244 W/Kg）。
如此显著的性能提高，不仅是因为碳纳米管与选用的聚合物材料及离子液体有着良好的生物相溶性，还来源于碳管薄膜电极的高电导及其优异力学性能对整个复合器件力学性能的提高和调制。这种新型的电致动器件可以工作在很宽的频率内，如低频下工作的夹持装置或人工机器人手臂的弯曲构件，或高频共振频率下工作的轻型仿生飞行机器人的动力系统或仿生飞行昆虫的翅膀。
相关结果发表在Nano Lett.（36-4641）上。
以上相关工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委员会、科技部和北京市教委的支持。
图1& 碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器的组装示意图(a)与SEM截面形貌图(b)
图2& 碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器的的电致动原理图(a-c)及实验光学图(d-f)
图3& 碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器的超快电力学响应(a)及模型分析图(b)
图4& 碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器力学输出的频率响应关系图：(a) 应力、应变速率；(b) 能量密度、功率密度
中国科学院 版权所有 &&京公网安备号&&
地址：北京市三里河路52号 邮编：1008642013年度浙江省自然科学基金_百度文库
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21年​度​浙​江​省​自​然​科​学​基​金​拟​资​助​重​点​项​目5​项​,​省​杰​出​青​年​科​学​基​金​项​目7​项​,​一​般​项​目4项​,​青​年​科​学​基​金​项​目8项​,​学​术​交​流​项​目3​项​。
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20080份文档基于气动肌肉的外骨骼上肢助力系统研究--《浙江大学》2014年硕士论文
基于气动肌肉的外骨骼上肢助力系统研究
【摘要】：基于气动肌肉的外骨骼上肢助力系统是一种在军事行动和灾难救援、救护、辅助老年人和肌肉无力患者等需要增强人体机能的场合,提供辅助力的装置。气动肌肉作为一种新型气动执行元件,由于气动肌肉与生物肌肉具有很大的相似度,并且具有很高的功率质量比和功率体积比,提高了外骨骼的柔顺性,而且还有响应速度快、成本低廉、安全可靠等优点,将其作为外骨骼机器人的驱动器逐渐受到研究者的青睐。但国内外关于气动肌肉的外骨骼系统研究工作,主要着重于身体局部康复辅助装置的研究和开发。本文首次将气动肌肉用于外骨骼上肢助力系统,开展相关的研究。
首先,本文在分析人体上肢运动机理的基础上,提出适合穿戴的基于气动肌肉的外骨骼上肢助力系统设计方案。主要包含肩关节和肘关节四个自由度的设计。执行元件为气动肌肉,传动方式采用钢丝线传递。
接着,对该机构进行运动学动力学分析,并用ADAMS进行仿真分析。以此验证结构设计的正确性。
此外,在外骨骼上肢机构设计的基础上,设计了满足关节位置控制和人机协调动作控制的控制系统。每根气动肌肉采用两个高速开关阀实现进气和排气的独立控制。在此基础上,建立了基于气动肌肉的外骨骼上肢助力系统的数学模型,并对系统特性进行了研究。利用Simulink工具软件对系该统进行抬起重物过程的仿真,验证了系统模型的正确。
最后,搭建基于气动肌肉的外骨骼上肢助力实验平台,进行系统性能实验研究。用PID控制策略实现肘关节和肩关节的位置控制。并且对肘关节进行了初步的人机协同动作实验研究。实验结果证明,系统的阶跃响应性能较好,并且有一定的适应负载变化的能力,肘关节能实现人机协同动作。完成辅助人体抬起重物的过程,提高人体机能。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TH138【目录】：
致谢4-5摘要5-6Abstract6-8目录8-11第一章 绪论11-25 1.1 课题研究的目的和意义11-12 1.2 国内外研究现状及分析12-17
1.2.1 国内外研究现状12-15
1.2.2 气压驱动研究15-17 1.3 气动肌肉研究现状17-23
1.3.1 气动肌肉建模研究现状19-22
1.3.2 气动肌肉控制方法研究现状22-23 1.4 论文主要研究工作23-24 1.5 本章小结24-25第二章 基于气动肌肉的外骨骼上肢助力系统机构研究25-42 2.1 外骨骼上肢助力机构原理25-28
2.1.1 人体上肢运动分析25-27
2.1.2 外骨骼上肢助力机构自由度分析27
2.1.3 人体上肢的D-H模型27-28 2.2 外骨骼上肢机构设计方案28-38
2.2.1 结构设计29-32
2.2.2 强度校核32-38 2.3 驱动器的选型38-40 2.4 本章小结40-42第三章 外骨骼上肢的运动学、动力学研究42-57 3.1 外骨骼上肢机构的D-H模型建立及运动学方程42-46 3.2 运动学逆解46-48 3.3 动力学理论分析48-51
3.3.1 雅克比矩阵计算48-49
3.3.2 动力学分析49-51 3.4 ADAMS运动学仿真51-55
3.4.1 运动副和驱动器设置51-53
3.4.2 仿真结果分析53-55 3.5 本章小结55-57第四章 外骨骼上肢助力系统控制研究57-77 4.1 控制系统方案57-58 4.2 控制系统硬件实现58-64
4.2.1 气动阀的选型58-59
4.2.2 传感器的选型59-61
4.2.3 数据采集卡的选型61-62
4.2.4 硬件电路设计62-64 4.3 控制软件设计64-65 4.4 控制系统数学模型的建立65-69
4.4.1 运动机构的模型66
4.4.2 气动肌肉的模型66-67
4.4.3 气动肌肉压力状态方程67-68
4.4.4 高速开关阀的模型68-69 4.5 控制系统仿真研究69-76
4.5.1 系统的开环响应特性分析69-72
4.5.2 系统PID控制策略仿真分析72-76 4.6 本章小结76-77第五章 外骨骼上肢助力系统实验研究77-84 5.1 系统实验测试与分析77-83
5.1.1 系统关节位置控制实验与分析77-80
5.1.2 系统人机协同动作特性实验与分析80-83 5.2 本章小结83-84第六章 总结与展望84-86 6.1 总结84-85 6.2 展望85-86参考文献86-92
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让超人无处不在
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　活动自由工作更持久的仿生肌肉中国论文网 /8/view-3190695.htm　　现行的机器人或机械手臂受到能量限制，只能在电源附近活动。因此，美国国防部高级计划研究署一直希望研发出一种能像人类一样自由活动且自身可以供能的新型装置，于是便有了“超级仿生肌肉”的模型。据研究人员介绍，这种仿生肌肉的最大好处就是能量由燃料供应，以弥补电池供能的诸多不足。仿生肌肉可以自由活动，而且能工作更长时间，不会因电池短命而动不了，也不必时刻绑个电源在身边。　　按照研究人员的设想，仿生肌肉研制成功后，将能完成人类和机器人各自无法独立做到的事情。它能像人类一样到处行动，能像自然手臂一样灵活运用，还能“绑”在“外骨骼”上，使消防员、士兵和宇航员等特殊行业的人拥有难以想象的力量。有了它，也许消防员就可以只手撑起倒塌的建筑材料，而战场上的士兵也可以变成不知疲倦的“超人”。　　比常人肌肉强百倍　　为了实现这些功能，美韩两国科学家联手开发了两种仿生肌肉，以适应不同需要。　　一种是把化学能转化成电能。它用含有催化剂的碳纳米管弯曲搭建出肌肉块，“燃料细胞”电极和超级电容器电极会在充满氢的环境中，源源不断地产生　　电能。　　另一种是把化学能转化成热能。它利用氢和乙醇反应提供能量，配合特制的记忆金属丝。例如，当温度降低时，金属丝就会收缩，催化剂减少作用，人造肌肉就会放松收缩。这种方法打造出来的人造肌肉力量最大，举力是正常骨骼肌肉的100倍以上。　　有循环系统也有“神经”　　不过目前看来，这两种肌肉都没有一点肌肉的样子，它们只是一堆电线、悬臂和玻璃瓶。惟一能够区别于机械臂的特点就是它们能够像生物一样“呼吸”：吸入氧气，释放乙醇和氢，提供能量。　　这种情况完全可能。加拿大学者指出：“事实上，人造肌肉已成功复制出了很多生物特点。比如说，它有循环系统，氧和燃料可以通过循环系统输送，为肌肉本身提供化学反应的场所，然后做出机械动作；它还有‘神经’，由特殊电路组成，能够做出反应并控制自己的行为；它还能存储能量，并像人类的肌肉一样，直接对接触做出判断反应。”　　源自蟾蜍的仿生肌腱　　亚利桑那州州立大学的科学家们从蟾蜍的肌肉构造上获得灵感，设计出了一种“机器肌腱”，这种装置可以模仿蟾蜍的下巴肌肉迅速收缩，产生强大的能量。这种机器肌腱可说是一种“生物马达”，再配合独有的高端协调辅助设备，可以使假肢等设备和人的大脑信号协调一致，从而提高假肢的运动功能，实现残疾人的正常生活。不过这种模仿蟾蜍制造出的人造肌肉最关键的部分还是高端协调辅助设备，只有通过大脑的操纵实现功能才是生物马达最关键的部分，这个关键部分还需要继续研究探索。参与此项设计的科学家表示，这种“生物马达”型人造肌肉将会促进神经肌肉学的研究和发展，有助于对人类神经肌肉学的扩展性研究，将生物仿生学和生物动力学有机结合起来，这种神奇的“生物马达”堪称神来之笔，不仅可以帮助残疾人的生活，还推动了生物仿生技术的发展。　　可储存能源的人造肌肉　　日美国加州大学洛杉矶分校的研究人员制造出了一种人造肌肉，它能够自我愈合还能够储存电能给类似于iPod之类的移动设备充电。　　据负责该研究项目的加州大学洛杉矶分校一位研究人员佩·齐平介绍说：“我们研制出的人造肌肉，能够在充电后膨胀2倍以上，而且它的运动和能量供应情况和真正的肌肉非常类似，它还能够在外加电场的作用下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或　　膨胀。”　　更神奇的是，这种能自我修复的人造肌肉还能发电和储存电能。当此人造肌肉在膨胀后收缩时，它自身碳纳米管的结构会进行重新排列，这时它就会产生一股小小的电流。并且这股电流是可以储存并加以利用的，例如给下一次肌肉运动扩张提供能量，或者贮存在电池里给类似于iPod的移动设备充电。“它可以将你输送给它的近70%的能量保存下来。”
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